CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu về van servo và ứng dụng Lượng tiêu thụ năng lượng của con người ngày càng tăng đòi hỏi phải có sự kiểm soát và yêu cầu nghiêm ngặc của hệ thống điều khiển, sự chú ý được đặt vào lý thuyết, thiết kế và ứng dụng của các hệ thống điều khiển. Trong đó, thủy lực – một ngành học rất lâu đời – đã thu hút nhiều sự quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển thủy lực, chiếm một phần đáng kể trong lĩnh vực điều khiển [9]. Hệ thống thủy lực được ứng dụng trong nhiều ngành nghề trên thế giới như: cẩu trục, xe cơ giới, các loại máy móc sử dụng trong công nghiệp sản xuất, v.
Nhờ các ưu điểm như cấu trúc nhỏ gọn, khả năng chịu lực, chịu tải lớn, khả năng vận hành linh hoạt nên hệ thống thủy lực có vai trò rất quan trọng và không thể thiếu trong cơ cấu máy móc hiện đại. Hiện nay, hệ thống thủy lực tích hợp điện – thủy lực – cơ khí khi sử dụng van servo không ngừng được nghiên cứu và phát triển trên nhiều mặt, cải thiện hiệu suất, công suất cho hệ thống, nâng cao tính linh hoạt tùy theo nhu cầu và không gian làm việc cho từng vị trí sản xuất hay sản phẩm cũng như ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Trong đó được chú ý hơn cả là khả năng đáp ứng, tốc độ đáp ứng, tính chính xác và kiểm soát năng lượng tiêu thụ được quan tâm hàng đầu. Với sự tiến bộ nhanh chóng của ngành công nghiệp, tự động hóa, phân tích động lực học và điều khiển hệ thống van thủy lực có sử dụng van tỷ lệ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.
Tình hình phát triển về ứng dụng điều khiển vị trí trong thiết kế hệ thống thủy lực. Nghiên cứu trong nước: Nghiên cứu động lực học trong hệ thống thủy lực chuyển động tịnh tiến, điều khiển vị trí con trượt sử dụng cảm biến dạng biến trở của thầy Trần Xuân Tùy [12]. KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.1: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ hở ứng dụng van tỷ lệ không có phản hồi a) Sơ đồ nguyên lý. b) Đặc tính lưu lượng (vận tốc).
Trong nghiên cứu, con trượt thay đổi hành trình dịch chuyển thông qua việc thay đổi dòng điện đầu vào cấp cho van. Phương pháp trên lợi dụng việc thay đổi tiết diện dẫn đến lưu lượng dòng chảy qua van bị thay đổi. Sử dụng bộ khuếch đại cấp dòng và điều khiển bằng điện áp. Vận tốc con trượt (v) được hiệu chỉnh thông qua bộ khuếch đại.
Trường hợp có tín hiệu đầu ra từ cảm biến vị trí phản hồi theo thời gian thì ta sẽ được mạch điều khiển vị trí liên tục.2: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ kín sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phương pháp điều khiển vị trí của thầy Trần Xuân Tùy trong mạch trên sử dụng bộ khuếch đại để cấp tín hiệu đầu vào cho hệ thống làm việc, sau đó tín hiệu đầu ra từ cảm biến vị trí truyền về bộ khuếch đại và so sánh với điện áp điều khiển nhằm san bằng sự sai lệch. Đến khi sai lệch bằng không thì con trượt sẽ dừng lại. Trong đó, hành trình của piston, chiều dài, điện áp của cảm biến vị trí và điện áp của tín hiệu đầu vào phải có quan hệ tương thích với nhau. Nhưng ở nghiên cứu này thiết bị được sử dụng là van tỷ lệ nên khả năng xử lý tín hiệu, đáp ứng của van còn khá nhiều hạn chế về thời gian hồi đáp tín hiệu, độ rung của van ảnh hưởng đến khả năng điều khiển vị trí cũng như không đạt được sự chính xác mong muốn cho nghiên cứu.
Nghiên cứu ứng dụng valve tỷ lệ trong kỷ thuật điều khiển của Phan Văn Hán và Phạm Huy Hoàng [10]. 400mm y 3 B 2 250mm 1 φ1 x A 0 Hình 1.3: Nguyên lý động học mô hình thí nghiệm Hình 1.4: Ảnh thực tế của mô hình KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong mô hình nguyên lý sử dụng van tỷ lệ của Phan Văn Hán đã sử dụng nguyên lý bốn khâu phẳng: trong phương thức hoạt động sử dụng một van tiết lưu và một van on – off để điều khiển vị trí và vận tốc cho xy lanh quay, trong đó hệ thống có tích hợp sử dụng encoder và thước quang. Hệ thống tương đối đơn giản, chỉ mới nghiên cứu sơ lược về phương thức hoạt động của van tỷ lệ, hầu như các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động cũng như quá trình làm việc của van chưa được quan tâm và đầu tư. Ứng dụng ngoài nước: PID controller optimization by GA and its performances on the electro- hydraulic servo control system[4], bài báo sử dụng phương pháp điều khiển PID trong hệ thống truyền động để điều khiển vị trí góc quay của thiết bị.
Ở đây thuật toán được tối ưu hóa bằng phương pháp GA và mô phỏng bằng Simulink. Kết quả thu được thông được sửa lặp đi lặp lại để tìm ra các thông số điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển PID. Active vibration damping in hydraulic construction machinery[1], bài báo nghiên cứu phương pháp điều khiển van thủy lực để tối ưu hóa khả năng đáp ứng của hệ thống sử dụng van tỷ lệ thay vì sử dụng van servo đắt tiền. Tổng hợp, so sánh, phân tích các phương pháp điều khiển (mô hình hóa, ARC (adaptive robust controller)) để tìm ra những lợi thế và hạn chế nhằm tìm ra phương pháp có hiệu suất và độ chính xác tiệm cận nhất với van servo.
Nghiên cứu cho thấy được tính chính xác tại một thời điểm nhất định và so sánh được lợi và hại của các phương thức khác nhau nhưng chưa đi sâu vào phương thức cụ thể [2]. Optimal sensor placement methodology of hydraulic control system for fault diagnosis[7], nhằm bù đắp cho đặc tính thời gian đáp ứng chậm so với van servo, mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra vị trí đặt cảm biến ở vị trí tối ưu nhất trong hệ thống nhằm thu thập tín hiệu để điều khiển van một cách chính xác nhất, sử dụng một lượng cảm biến đặt ở các vị trí khác nhau để so sánh sự chênh lệch của chúng với nhau trong khả năng nhận tín hiệu cũng như trả tín hiệu nhằm tìm ra vị trí đặt cảm biến tốt nhất giúp tối ưu hóa hiệu năng van tỷ lệ, ngày càng tiếp cận hơn với van servo trong khả KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ năng điều khiển hệ thống. Nghiên cứu mặc dù hướng đến việc tối ưu hóa khả năng điều khiển nhưng chưa tập trung, đi sâu vào van tỷ lệ và khả năng điều khiển của van. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài.
Thiết lập phương trình động lực học phi tuyến của hệ thống thủy lực – tải trọng thay đổi, thực hiện tuyến tính hóa để có được phương trình tuyến tính. Từ đó đưa ra hàm truyền trong phần mềm Matlab để mô phỏng khả năng làm việc của hệ thống. Tiến hành mô phỏng bằng Matlab Simulink, với bộ PID. Áp dụng bộ PID sau khi hiệu chỉnh từ thực nghiệm cho mô hình phi tuyến và đánh giá thời gian và tần số đáp ứng của hệ thống, từ đó đưa ra các thông số thích hợp cho hệ thống thực nghiệm sau này Sử dụng các thiết bị tương ứng với mô phỏng để lắp đặt trong hệ thống thủy lực thực tế như van servo, xylanh,.
Hệ thống hướng đến sử dụng Matlab và arduino để điều khiển từ đó cho ra các biểu đồ. So sánh thực nghiệm và mô phỏng để tinh chỉnh và cải thiện khả năng hoạt động hệ thống, từ đó hướng đến ứng dụng thực tế và các nghiên cứu sau này. Đối tượng nghiên cứu Van servo, xy lanh, cảm biến vị trí được cấp nguồn thủy lực với dầu thủy lực đạt tiêu chuẩn tại Trung tâm Đào tạo Bảo trì Công nghiệp của Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Tải trọng thay đổi theo thời gian là điều kiện làm việc cần nghiên cứu để đảm bảo tính chính xác trong điều khiển vị trí và tốc độ cho hệ thống điều khiển thủy lực.
Nội dung nghiên cứu: Với mục tiêu trên, đề tài tiến hành thực hiện 3 nội dung chính: 1. Xây dựng mô hình vật lý, mô hình toán dựa trên thiết bị thực tế có sẵn tại Trung tâm • Xây dựng mô hình vật lý bằng phần mềm Automation Studio 6.0 • Xây dựng mô hình toán dựa trên mô hình vật lý có sẵn. Mô phỏng mô hình trên Matlab Simulink • Thiết kế hệ thống trên Matlab Simulink KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Vận hành hệ thống và đưa ra các thông số thông qua việc mô phỏng hệ thống thủy lực • Xuất ra và so sánh sau khi chạy thực nghiệm trên thiết bị thực tế. Khảo sát trên thiết bị thực tế KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng các ngành công nghiệp, hệ thống luôn yêu cầu rất nhiều yếu tố cần thiết để cải thiện hoạt động sao cho nhanh nhất và hiệu quả nhất.
Trong đó, động lực học đóng vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng cho thiết bị và sản phẩm. Thông qua việc phân tích động lực học nhằm tìm ra các thông số giúp đáp ứng và phù hợp với yêu cầu người sử dụng về tính ổn định, độ chính xác và thời gian đáp ứng cũng như hết sức cần thiết cho một mẫu máy mới. Vấn đề hiện nay đang rất được quan tâm và chú ý. Song song với việc phát triển của các ngành nghề tiêu biểu trong các lĩnh vực nòng cốt như lĩnh vực điện, điện tử, công nghệ thông tin, tự động hóa, hệ thống tự động điện – thủy lực ngày càng được xúc tiến và áp dụng vào các thiết bị công nghiệp yêu cầu cao về tính ổn định và độ chính xác cao, hướng đến lợi nhuận cao nhất cho doanh nghiệp.
Được ứng dụng trong các thiết bị như máy CNC, các dây chuyền đóng gói, dây chuyền sản xuất công nghệ cao, đảm bảo an toàn thực phẩm, hệ thống sản xuất tự động linh hoạt cũng như Robot công nghiệp,. Do vậy, nghiên cứu động lực học cho hệ thống thủy lực chính là nhu cầu thiết yếu và rất cần thiết, giúp cho việc khai thác, sử dụng thiết bị sao cho hiệu quả nhất, mang đến thuận lợi cho người sử dụng cũng như nghiên cứu thiết kế thiết bị mới cho công nghiệp và sản xuất.