Đồ Án: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Servo Điện Thủy Lực - ĐHBK Hà Nội

Thiết kế bộ điều khiển servo điện thủy lực: Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo và ứng dụng thực tế. Giải pháp điều khiển chính xác cho hệ thống thủy lực.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tùng Lâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: KT Điều khiển & Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống Servo điện thủy lực sử dụng bộ điều khiển PID
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Hệ thống thủy lực
• 1.1.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực
• 1.1.2. Các đại lượng cơ bản của hệ thống thủy lực
• 1.1.3. Mô hình hệ thống của hệ thống thủy lực
• 1.1.4. Một số ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực
• 1.1.5. Ứng dụng của hệ thống thủy lực
• 1.2. Hệ thống servo điện thủy lực
• 1.2.1. Van servo điện thủy lực
• 1.2.2. Ưu nhược điểm của hệ thống servo điện thủy lực
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG SERVO ĐIỆN THỦY LỰC
• 2.1. Mô hình chung của hệ thống servo điện thủy lực
• 2.2. Mô hình xy lanh bất đối xứng
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH
• 3.1. Quy trình nhận dạng mô hình
• 3.1.1. Thu thập dữ liệu
• 3.1.2. Xử lý và phân tích dữ liệu
• 3.1.3. Kết quả hàm truyền
• 3.2. Điều khiển vị trí xy lanh
• 3.2.1. Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển PID
• 3.2.2. Hàm truyền xy lanh
• 3.2.3. Thiết kế PID
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
• 4.1. Bộ điều khiển PID và mô hình tương đương vòng kín
• 4.2. Mô hình toán học
• 4.2.1. Nhận dạng mô hình
• 4.3. Thiết kế bộ điều khiển
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 5.1. Mô hình thực nghiệm
• 5.2. Giới thiệu về Labview và NI MyRIO
• 5.3. Triển khai bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ
• 5.4. Triển khai bộ điều khiển PID điều khiển vị trí xylanh
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG KẾT HỢP MATLAB VÀ AMESIM
• 6.1. Phần mềm Amesim
• 6.2. Mô phỏng hệ thống điện thủy lực kết hợp Matlab và Amesim
• 6.3. Kết quả mô phỏng
• Hướng phát triển của đồ án trong tương lai
• Kết luận chung của đồ án
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Servo Điện Thủy Lực Cấu Tạo Nguyên Lý

Hệ thống servo điện thủy lực là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến, kết hợp sức mạnh của truyền động thủy lực và độ chính xác của điều khiển điện tử. Hệ thống này có khả năng tạo ra lực lớn, công suất cao với độ tin cậy và đáp ứng nhanh, trở thành một phần không thể thiếu trong các ngành công nghiệp nặng, hàng không vũ trụ và các máy công trình hiện đại. Việc hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động là bước đầu tiên để có thể thiết kế bộ điều khiển servo điện thủy lực hiệu quả. Một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm các thành phần chính như khối nguồn thủy lực (bơm, động cơ), khối điều khiển (van servo), và cơ cấu chấp hành thủy lực (xylanh, động cơ thủy lực), hoạt động trong một điều khiển vòng kín để đảm bảo độ chính xác.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý cơ bản của hệ thống servo điện thủy lực

Một hệ thống servo điện thủy lực (electro-hydraulic servo system) điển hình được cấu thành từ ba khối chính. Khối nguồn thủy lực, trái tim của hệ thống, bao gồm một bơm thủy lực piston được dẫn động bởi động cơ điện, có nhiệm vụ hút dầu từ bồn chứa và đẩy vào hệ thống với áp suất cao. Khối điều khiển dòng năng lượng, với thành phần trung tâm là van servo thủy lực, nhận tín hiệu điện từ bộ điều khiển khả trình PLC hoặc vi điều khiển, sau đó điều chỉnh lưu lượng và hướng của dòng dầu đến cơ cấu chấp hành. Cuối cùng, khối cơ cấu chấp hành, thường là xylanh hoặc động cơ thủy lực, biến năng lượng thủy lực thành chuyển động cơ học (tịnh tiến hoặc quay) để thực hiện công việc. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc so sánh tín hiệu đặt (vị trí, lực mong muốn) với tín hiệu phản hồi từ cảm biến (ví dụ: cảm biến vị trí LVDT). Sai lệch giữa hai tín hiệu này sẽ được bộ khuếch đại servo xử lý để tạo ra tín hiệu điều khiển van servo, từ đó điều chỉnh cơ cấu chấp hành cho đến khi sai lệch bằng không, hoàn thành một chu trình điều khiển vòng kín.

1.2. Phân tích vai trò và hoạt động của van servo thủy lực

Van servo thủy lực là phần tử cốt lõi quyết định đến độ chính xác và tốc độ đáp ứng của toàn hệ thống. Về cấu tạo, van là sự kết hợp tinh vi giữa van phân phối và van tiết lưu, được điều khiển bằng tín hiệu điện. Cấu trúc điển hình bao gồm hai nam châm vĩnh cửu, một phần ứng gắn cuộn dây và cánh chặn dầu. Nguyên lý hoạt động của nó rất nhạy bén: khi có sự chênh lệch dòng điện điều khiển giữa hai cuộn dây, phần ứng sẽ bị hút lệch và quay, làm thay đổi khe hở tại các miệng phun dầu. Sự thay đổi này tạo ra chênh lệch áp suất ở hai phía của con trượt, khiến con trượt di chuyển và mở các cửa van, cho phép dầu thủy lực chảy đến xylanh. Độ dịch chuyển của con trượt tỷ lệ thuận với dòng điện điều khiển đầu vào. Nhờ cơ chế này, van servo có thể điều chỉnh vô cấp lưu lượng và áp suất, cho phép thực hiện các tác vụ điều khiển vị trí xylanh thủy lực và điều khiển lực với sai số cực nhỏ.

II. Thách Thức Cốt Lõi Khi Mô Hình Hóa Hệ Servo Điện Thủy Lực

Việc thiết kế bộ điều khiển servo điện thủy lực hiệu quả phải bắt nguồn từ một mô hình toán học chính xác. Tuy nhiên, quá trình mô hình hóa hệ thống thủy lực gặp phải nhiều thách thức đáng kể. Các hệ thống này vốn có tính phi tuyến cao và độ phức tạp lớn, đặc biệt khi xem xét đến các yếu tố không chắc chắn như ma sát, rò rỉ bên trong, và sự thay đổi đặc tính của dầu thủy lực theo nhiệt độ. Những yếu tố này làm cho việc xây dựng một mô hình tuyến tính đơn giản trở nên khó khăn và thường dẫn đến sai số giữa mô hình và hệ thống thực tế. Vượt qua những thách thức này là yêu cầu bắt buộc để thiết kế được một bộ điều khiển ổn định và có chất lượng cao.

2.1. Tính phi tuyến và độ phức tạp cố hữu của hệ thống

Thách thức lớn nhất trong mô hình hóa hệ thống thủy lực là bản chất phi tuyến của nó. Phương trình dòng chảy qua van servo thủy lực không phải là một hàm tuyến tính của độ mở van và sụt áp. Nó phụ thuộc vào căn bậc hai của chênh lệch áp suất, tạo ra một quan hệ phi tuyến rõ rệt. Thêm vào đó, các hiện tượng như rò rỉ trong xylanh, sự thay đổi module nén của dầu khi có bọt khí, và lực ma sát (bao gồm cả ma sát tĩnh và động) đều là các hàm phi tuyến phức tạp. Theo tài liệu nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Trung (2023), để đơn giản hóa cho việc thiết kế, người ta thường phải tuyến tính hóa các phương trình này quanh một điểm làm việc nhất định. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ chính xác trong một phạm vi hoạt động hẹp và có thể gây ra sai số đáng kể khi hệ thống vận hành ở các điều kiện khác.

2.2. Sai số mô hình và ảnh hưởng của các lực tải bên ngoài

Ngoài tính phi tuyến, sự không chắc chắn về tham số và các lực tải tác động từ bên ngoài cũng là một rào cản lớn. Các thông số như hệ số rò rỉ, hệ số ma sát nhớt, hay module nén của dầu rất khó để đo đạc chính xác và có thể thay đổi theo thời gian sử dụng. Hơn nữa, cơ cấu chấp hành thủy lực thường phải làm việc với các tải trọng biến thiên, không thể dự đoán trước. Những yếu tố này tạo ra sai số mô hình, tức là sự khác biệt giữa đáp ứng của mô hình toán học và đáp ứng của hệ thống thực tế. Sai số này, nếu không được xử lý, sẽ làm giảm hiệu suất của bộ điều khiển, gây ra dao động, vọt lố hoặc thậm chí mất ổn định. Do đó, việc nhận dạng hệ thống từ dữ liệu thực nghiệm hoặc sử dụng các bộ điều khiển bền vững (robust controller) là hướng đi cần thiết để khắc phục vấn đề này.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Hệ Thống Servo Điện Thủy Lực Chính Xác

Để xây dựng nền tảng cho việc thiết kế bộ điều khiển, bước mô hình hóa hệ thống thủy lực là tối quan trọng. Quá trình này bao gồm việc phân tích các thành phần vật lý của hệ thống, từ van servo đến xylanh và tải, sau đó biểu diễn chúng dưới dạng các phương trình vi phân. Mục tiêu là rút ra được hàm truyền hệ thủy lực, một biểu thức toán học trong miền tần số mô tả quan hệ giữa tín hiệu đầu vào (điện áp điều khiển van) và tín hiệu đầu ra (vị trí hoặc vận tốc của xylanh). Mô hình này, dù được tuyến tính hóa, vẫn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về động học của hệ thống, chẳng hạn như tần số tự nhiên và hệ số tắt dần, là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển cổ điển như PID.

3.1. Xây dựng mô hình toán học cho xylanh thủy lực bất đối xứng

Đối tượng nghiên cứu chính trong nhiều ứng dụng là xylanh thủy lực bất đối xứng, loại chỉ có một trục piston. Việc mô hình hóa hệ thống thủy lực cho loại xylanh này phức tạp hơn loại đối xứng do diện tích tác dụng ở hai khoang (khoang đẩy và khoang kéo) là khác nhau. Mô hình được xây dựng dựa trên ba phương trình cốt lõi: phương trình dòng chảy qua van, phương trình liên tục dòng chảy trong xylanh và phương trình cân bằng lực động học. Phương trình dòng chảy (PT 2.10 trong tài liệu gốc: QL = KqXv - KcPL) mô tả lưu lượng tải là một hàm tuyến tính hóa của độ dịch chuyển con trượt (Xv) và áp suất tải (PL). Phương trình liên tục dòng chảy (PT 2.11) liên kết lưu lượng này với chuyển vị của piston và sự thay đổi áp suất. Cuối cùng, phương trình cân bằng lực (PT 2.13) thể hiện mối quan hệ giữa áp suất trong xylanh, lực quán tính, lực cản nhớt và các lực tải bên ngoài.

3.2. Tuyến tính hóa và rút ra hàm truyền hệ thủy lực cuối cùng

Từ hệ các phương trình vi phân phi tuyến, bước tiếp theo là tuyến tính hóa chúng quanh một điểm làm việc ổn định để áp dụng các công cụ phân tích của lý thuyết điều khiển tự động cổ điển. Bằng cách sử dụng biến đổi Laplace cho các phương trình đã được tuyến tính hóa, có thể rút ra được hàm truyền hệ thủy lực tổng thể. Theo kết quả nghiên cứu trong đồ án, hàm truyền từ độ dịch chuyển của ống van (Xv) đến vị trí piston (Xp) có dạng một hệ bậc ba (PT 2.17). Hàm truyền này cho thấy rõ các đặc tính động học của hệ thống, bao gồm một khâu tích phân (do xylanh), một khâu dao động bậc hai (do tính nén của dầu và quán tính của tải), và các khâu bậc nhất. Dù mô hình tuyến tính hóa có những hạn chế, nó vẫn là công cụ hữu hiệu để phân tích sự ổn định và thiết kế sơ bộ cho bộ điều khiển PID cho servo thủy lực.

IV. Cách Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Điều Khiển Vị Trí Xylanh

Sau khi có được mô hình toán học, bước tiếp theo là thiết kế bộ điều khiển servo điện thủy lực. Trong số các thuật toán, điều khiển PID cho servo thủy lực (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất nhờ sự đơn giản trong cấu trúc và dễ dàng trong việc hiệu chỉnh. Mục tiêu của việc thiết kế là xác định một bộ ba tham số (Kp, Ki, Kd) để hệ thống vòng kín đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn, chẳng hạn như độ vọt lố thấp, thời gian đáp ứng nhanh và sai số xác lập bằng không. Quy trình thiết kế thường bao gồm nhận dạng mô hình từ dữ liệu thực nghiệm và sau đó áp dụng các phương pháp chỉnh định tham số PID.

4.1. Quy trình nhận dạng mô hình bằng Matlab System Identification

Do sự phức tạp và sai số của mô hình lý thuyết, phương pháp nhận dạng hệ thống từ dữ liệu thực nghiệm ngày càng được ưa chuộng. Quy trình bắt đầu bằng việc thu thập dữ liệu đầu vào - đầu ra của hệ thống thực. Tín hiệu đầu vào (điện áp điều khiển) thường được thiết kế dưới dạng sóng sin tổng hợp nhiều tần số để kích thích đủ các chế độ động học của hệ thống. Dữ liệu này sau đó được nhập vào công cụ System Identification Toolbox trong MATLAB. Công cụ này cho phép ước lượng các hàm truyền hệ thủy lực với các cấu trúc khác nhau (số cực và zero khác nhau). Mô hình có tỷ lệ phù hợp (fit percentage) cao nhất sẽ được chọn để thiết kế bộ điều khiển. Trong nghiên cứu tham khảo, mô hình hàm truyền TF1 với độ phù hợp 93.66% đã được chọn, chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp này trong việc mô tả chính xác hệ thống thực.

4.2. Thiết kế và tối ưu thông số PID cho điều khiển vị trí xylanh

Với hàm truyền đã được nhận dạng, việc thiết kế bộ điều khiển PID trở nên hệ thống hơn. Mục tiêu là điều khiển vị trí xylanh thủy lực sao cho đáp ứng bám theo tín hiệu đặt với độ vọt lố không quá 10% và thời gian quá độ dưới 2 giây. Dựa trên hàm truyền của đối tượng, hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng Gc(s) = Kp(1 + 1/(Ti*s) + Td*s). Các tham số Kp, Ti, Td được lựa chọn để triệt tiêu các cực không mong muốn của hệ thống hoặc để định hình lại quỹ đạo nghiệm số, đảm bảo hệ kín ổn định và đạt được các chỉ tiêu chất lượng. Các công cụ như pidTuner trong MATLAB có thể được sử dụng để tự động tìm ra bộ thông số PID tối ưu. Kết quả thiết kế sau đó cần được kiểm chứng thông qua mô phỏng servo thủy lực bằng Matlab Simulink trước khi triển khai trên hệ thống thật.

V. Triển Khai Thực Nghiệm Và Mô Phỏng Hệ Servo Điện Thủy Lực

Lý thuyết và thiết kế chỉ là một phần của quá trình. Để xác nhận tính hiệu quả của bộ điều khiển, việc triển khai trên mô hình thực nghiệm và thực hiện mô phỏng chi tiết là bắt buộc. Bước này không chỉ kiểm chứng kết quả thiết kế mà còn giúp phát hiện những vấn đề không lường trước được trong môi trường thực tế, như độ trễ, nhiễu cảm biến, hay ma sát. Việc so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm cung cấp cái nhìn toàn diện về hiệu suất của bộ điều khiển servo điện thủy lực và là cơ sở để tinh chỉnh, cải tiến thêm.

5.1. Mô phỏng servo thủy lực bằng Matlab Simulink và Amesim

Mô phỏng là một công cụ mạnh mẽ để kiểm tra bộ điều khiển trong một môi trường an toàn và có thể lặp lại. Mô phỏng servo thủy lực bằng Matlab Simulink cho phép xây dựng sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống vòng kín, bao gồm hàm truyền của đối tượng và bộ điều khiển PID. Việc chạy mô phỏng với các tín hiệu đầu vào khác nhau (như hàm nấc hoặc hàm sin) giúp đánh giá các chỉ tiêu chất lượng như độ vọt lố, thời gian xác lập và sai số. Ngoài ra, việc kết hợp Matlab với phần mềm chuyên dụng như Amesim cho phép mô phỏng chi tiết hơn các thành phần thủy lực, xem xét cả các yếu tố phi tuyến và động học của dòng chảy. Kết quả mô phỏng trong đồ án cho thấy bộ điều khiển PID được thiết kế đạt hiệu suất cao với độ vọt lố thấp (2.5%) và thời gian xác lập nhanh (0.4s).

5.2. Kết quả triển khai trên mô hình thực nghiệm với NI MyRIO

Sau khi mô phỏng thành công, bộ điều khiển được triển khai trên mô hình thực nghiệm. Hệ thống thực bao gồm xylanh thủy lực, van servo, cảm biến vị trí, và bộ điều khiển nhúng NI MyRIO-1900. Chương trình điều khiển được xây dựng trên nền tảng LabVIEW, cho phép thu thập dữ liệu từ cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển đến bộ khuếch đại servo trong thời gian thực. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hoạt động ổn định và bám theo vị trí đặt một cách chính xác. Tuy nhiên, kết quả thực tế có sự khác biệt so với mô phỏng: không có vọt lố nhiều và thời gian ổn định chậm hơn. Nguyên nhân được xác định là do sự tồn tại của ma sát trong xylanh và độ trễ của dòng thủy lực, những yếu tố thường được bỏ qua trong mô hình tuyến tính hóa. Dù vậy, kết quả này đã khẳng định tính khả thi và hiệu quả của bộ điều khiển PID được thiết kế.

VI. Tương Lai Của Servo Điện Thủy Lực Kết Luận Hướng Mới

Đồ án thiết kế bộ điều khiển servo điện thủy lực đã thành công trong việc xây dựng mô hình, thiết kế và triển khai bộ điều khiển PID, đạt được các mục tiêu đề ra. Cả kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy hệ thống có khả năng điều khiển vị trí xylanh một cách chính xác và ổn định. Nghiên cứu này không chỉ là một ứng dụng học thuật mà còn mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng trong tương lai, nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất, độ bền vững và tính thông minh của các hệ thống truyền động thủy lực trong bối cảnh công nghiệp 4.0.

6.1. Đánh giá tổng quan kết quả và những đóng góp của đề tài

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc hệ thống hóa quy trình thiết kế bộ điều khiển cho một đối tượng phức tạp và phi tuyến như hệ thống servo điện thủy lực. Đề tài đã áp dụng thành công phương pháp nhận dạng hệ thống sử dụng công cụ của Matlab để xây dựng mô hình chính xác từ dữ liệu thực, khắc phục nhược điểm của mô hình hóa lý thuyết thuần túy. Việc thiết kế và triển khai thành công bộ điều khiển PID cho servo thủy lực trên nền tảng phần cứng NI MyRIO và phần mềm LabVIEW đã chứng minh tính hiệu quả của giải pháp, cho thấy khả năng bám quỹ đạo tốt và chất lượng điều khiển ổn định. Kết quả này là một minh chứng rõ ràng về việc kết hợp lý thuyết điều khiển hiện đại và công nghệ phần cứng/phần mềm để giải quyết các bài toán kỹ thuật thực tế.

6.2. Hướng phát triển tiềm năng cho các nghiên cứu trong tương lai

Mặc dù bộ điều khiển PID đã hoạt động tốt, vẫn còn nhiều hướng phát triển để cải thiện hệ thống. Một hướng đi quan trọng là nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển trượt (Sliding Mode Control), điều khiển thích nghi (Adaptive Control) hoặc điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) để đối phó tốt hơn với tính phi tuyến và sự không chắc chắn của hệ thống. Một hướng khác là tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ bằng cách điều khiển đồng thời cả van servo và tốc độ của bơm thủy lực piston, thay vì để bơm chạy ở áp suất không đổi. Việc tích hợp các thuật toán học máy (Machine Learning) để dự đoán lỗi hoặc tự động hiệu chỉnh thông số điều khiển cũng là một lĩnh vực đầy hứa hẹn, giúp hệ thống hoạt động thông minh và tin cậy hơn trong dài hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG .1 Hệ thống thủy lực. 1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực. 1 Các đại lượng cơ bản của hệ thống thủy lực.

1 Mô hình hệ thống của hệ thống thủy lực. 2 Một số ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực. 2 Ứng dụng của hệ thống thủy lực.2 Hệ thống servo điện thủy lực. 4 Van servo điện thủy lực.

5 Ưu nhược điểm của hệ thống servo điện thủy lực. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG SERVO ĐIỆN THỦY LỰC .1 Mô hình chung của hệ thống servo điện thủy lực .2 Mô hình xy lanh bất đối xứng. THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH .1 Quy trình nhận dạng mô hình. 13 Thu thập dữ liệu.

13 Xử lý và phân tích dữ liệu. 14 Kết quả hàm truyền .2 Điều khiển vị trí xy lanh. 16 Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển PID. 16 Hàm truyền xy lanh.

17 Thiết kế PID. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .1 Bộ điều khiển PID và mô hình tương đương vòng kín .2 Mô hình toán học. 20 Nhận dạng mô hình .3 Thiết kế bộ điều khiển .4 Kết quả mô phỏng. MÔ HÌNH THỰ C NGHIỆM.1 Mô hình thực nghiệm .2 Giới thiệu về Labview và NI MyRIO .3 Triển khai bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ .4 Triển khai bộ điều khiển PID điều khiển vị trí xylanh.

MÔ PHỎ NG KẾT HỢP MATLAB VÀ AMESIM .1 Phần mềm Amesim .2 Mô phỏng hệ thống điện thủy lực kết hợp Matlab và Amesim .3 Kết quả mô phỏng .1 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai .2 Kết luận chung của đồ án. 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 46 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ quá trình biến đổi và truyền tải năng lượng.2 Ứng dụng xylanh thủy lực trong công nghiệp .3 Mô hình xy lanh thủy lực đối xứng(a) và bất đối xứng(b) .4 Van servo thủy lực .5 Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việ c .6 Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển .7 Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển .1 Mô hình servo điện thủy lực .2 Mô hình tuyến tính hệ thống servo điện thủy lựcError! Bookmark not defined.1 Code LabVIEW xác đị nh tín hiệu vào ra.2 Tín hiệu vào hình sin và ra của hệ thống .3 Hộp công cụ nhận dạng hệ thống trong Matlab .4 Tỷ lệ phần trăm phù hợp nhất .5 Nhận dạng hàm truyền .1 Vòng điều khiển PID .2 Sơ đồ hệ thống servo điện thủy lực.3 Sơ đồ kết nối mô hình thực với máy tính .4 Chương trình thu thập dữ liệu.5 Tín hiệu ngõ vào và ngõ ra .6 Hộp công cụ nhận dạng với các cực và zero khác nhau .7 Kết quả nhận dạng với mô hình hàm truyền .8 Hàm truyền của mô hình tf2 .9 Đáp ứ ng step của đối tượng .11 Đáp ứng của hệ thống khi chưa có bộ điều khiển .12 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển .13 Kết quả mô phỏng .1 Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việc .2 Các lĩnh vực ứng dụng .4 Sơ đồ bố trí, lắp đặt mô hình thí nghiệm .5 Giao diện trên phần mềm Labview .6 Chương trình khối tính toán PID .7 Chương trình khối tính toán tốc độ .8 Đồ thị dữ liệu trên Matlab.9 Sơ đồ cấu trúc hệ thống .10 Mô hình thực tế .11 Sơ đồ mạch đấu nối điện .12 Sơ đồ mạch thủy lực.13 Giao diện trên phần mềm Labview .14 Khối chương trình trên phần mềm Labview .15 Khối chương trình trên phần mềm Labview .16 Đồ thị dữ liệu trên Matlab. 41 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng chỉnh định tham số .1 Danh mục các thiết bị.

GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Hệ thống thủy lực Khái niệm Sự phát triển nhanh và mạnh của khoa học kỹ thuật đã làm cho ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ thay đổi. Trong đó có sự góp phần không nhỏ c ủa thủy lực. Thủy lực là lực được tạo ra bởi chất lỏng bị dồn nén trong một không gian kín, khi chất lỏng bị nén như vậy sẽ tạo ra áp suất, áp suất này tạo ra lực. Cũng có thể hiểu thủy lực là sự di chuyển lực thông qua sự di chuyển của chất lỏng trong một không gian giới h ạn.

Chất l ỏng ở đây có thể là dầu, nhớt, hóa chất… với độ nhớt, độ đậm đặc, nhiệt độ và tính chất khác nhau. Tuy nhiên dầu th ủy lực là lựa chọn tối ưu nhất vì ngoài tác dụng tạo lực nó còn là chất bôi trơn giúp hệ thống pít tông hoạt động dễ dàng hơn. Một dây chuyền g ồm nhiều thiết b ị cơ khí được kết nối v ới nhau để t ạo ra thủy l ực g ọi là hệ th ống thủy l ực, nó gồm các bộ ph ận cơ bản như xi lanh, piston, thùng chứa chất lỏng, đường ống dẫn và các van. Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực Trong một hệ thống thủy lực, chất lỏng chính là chất vừa bôi trơn các bề mặt tiếp xúc vừa truyền lực.

Chất lỏng sẽ được dẫn đi, thông suốt trong một mạch thủy lực kín gồm bơm dầu, van và các cơ cấu điề u khiển hoạt động. Chất lỏng di chuyển trong mạch có tính chất kín và tuần hoàn, nhờ vào bơm thủy lực cùng với các thiết bị cơ cấu điều khiển. Nguyên lý cơ bả n của hệ thống thủy lực là: Động cơ điệ n sẽ tạo ra những chuyển động quay làm quay trục của bơm dầu. Bơm sẽ hút dầu từ bồn chứa và đẩy đi trong đường ống đến v ới các cơ cấ u.

Áp suất c ủa h ệ th ống s ẽ được kh ống chế và đảm bảo b ởi van an toàn thủy l ực. Chất l ỏng thủy l ực s ẽ được chuyển đến các cơ cấ u điều khiển mà cụ th ể là van phân phối, van điều hướng… nhờ vào chính áp suất, lưu lượng do bơm tạo ra. Cuối cùng nó tạo ra chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của xi lanh. Sau khi kết thúc một chu trình làm việc thì dầu thủy lực sẽ được dẫn về thùng chứa.

Tại đây, nó sẽ được bộ lọc sạch và giải nhiệt để tái sử dụng cho những chu kỳ lần sau. Trong hệ thống thuỷ lực, chất lỏng có áp suất đóng vai trò trung gian truyền lực và chuyển động cho máy công nghệ. Các đại lượng cơ bản của hệ thống thủy lực Trong quá trình tìm hiểu, tiếp xúc với hệ thống thủy lực thì chắc chắn sẽ phải làm việc, tính toán và cân nhắc 2 đại lượng cơ bản: lưu lượ ng, áp suất. Lưu lượng chính là một trong những đại lượng cơ bản, được nhắc đến nhiều nhất khi sử dụng hệ thống thủy lực.

Lưu lượng chính là lượng dầu hay chất lỏng thủy lực được vận chuyển thông qua bơm thủy lực trong 1 đơn vị thời gian cụ thể (có thể là phút, giờ, giây). Để quyết định đến tốc độ của cơ cấ u chấp hành hay xi lanh đều phải dựa vào một đại lượng duy nhất đó là lưu lượng. Nếu lượng chất lỏng nhiều thì tốc độ tịnh tiến nhanh, nếu ch ất l ỏng ít thì tốc độ sẽ chậm lại.Trên các bơm hoặ c trên các b ộ nguồn thủy lực sẽ ghi những thông số lưu lượng quen thuộc như: in3/vòng hay CC/vòng, lít/phút…Về áp suất đây là đại lượng đo lường lực tác dụng của chất 1 lỏng thủy lực, dầu lên bề mặt tác dụng của cơ cấu làm việc hoặc tác dụng lên thành của đường ống dẫn dầu … Hiện nay, tồn tại rất nhiều đơn vị đo áp suất nhưng cơ bản vẫn là PSI, Bar, Kg/cm2, Mpa… Trong hệ thống thủy lực, áp suất được biến đổi qua lại giữa 2 piston lớn và nhỏ nhờ vào sự di chuyển của chất lỏng giữa chúng, nhờ vậy mà từ một l ực nhỏ tác động vào hệ thống thủy lực sẽ biến thành một lực lớn hơn nhiều, độ lớn này phụ thuộc phần lớn vào sự chênh lệch kích thước giữa 2 piston lớn và nhỏ, chênh lệch càng lớn lực tạo ra càng lớn. Mô hình hệ thống của hệ thống thủy lực Mô hình hệ thống thủy lực tổng hợp thường bao gồm bốn yếu tố như sau: Khối nguồn thủy lực: thực chất là một bộ biến đổi năng lượng (điện-cơ-thủy lực).

Khối nguồn thủy lực gồm: động cơ điện, bơm thủy lực, các van an toàn, bể chứa dầu, cơ cấu chỉ thị áp suất – lưu lượng… Khối điều khiển dòng thủy lực: Trong hệ thống thủy lực, năng lượng được truyền dẫn giữa bơm và cơ cấ u chấp hành đảm bảo giá trị xác định yêu cầu công nghệ như lực, mô men, v ận tốc. Đồng thời cũng phải tuân thủ những điều kiện vận hành hệ thống. Vì vậy những phần tử điều khiển dòng năng lượng là các van thủy lực. Khối cơ cấu chấp hành như xy lanh, các động cơ thủy lực.

Khối tín hiệu điều khiển: Các phần tử đưa tín hiệu (signal input) như: tác động bởi người vận hành (thông qua công tắc, nút ấn, bàn phím…); bởi cơ khí các công tắc hành trình và bởi các cảm biến (không tiếp xúc, cảm biến cảm ứng từ, cảm biến từ hóa…) Các tác động xử lý tín hiệu (signal processing) như: người vận hành; điện; điện tử; khí nén, cơ khí; thủy lực Trong hệ thống thuỷ l ực, chất l ỏng có áp suất đóng vai trò trung gian truyền lực và chuyển động cho máy công nghệ. Quá trình biến đổi và truyền tải năng lượng được mô tả trên Hình 1.1 Sơ đồ quá trình bi ến đổi và truyền tải năng lượng Một số ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực Mỗi một hệ thống được ứng dụng đều có những ưu và nhược điể m riêng và hệ thống thủy lực cũng như vậy. a) Ưu điểm Hệ thống thủy lực được ứng dụng đa dạng trong các ngành sản xuất công nghiệp hay lĩnh vực đời sống đều nhờ vào những điểm ưu việt, nổi trội. Hệ thống 3 thủy lực được lựa chọn khi con người cần truyền động với lực lớn và công suất cao.

Hệ thống thủy lực có độ tin cậy cao, kết cấu đơn giản và không cần phải chăm sóc, bảo trì và bảo dưỡng tỉ mỉ. Sử d ụng d ầu thủy lực hay các chất l ỏng thủy lực 2 khác di chuyển trong mạch vừa là lưu chất làm việc vừa là giải nhiệt, bôi trơn, giảm ma sát nên việc bảo dưỡng dễ dàng, ít tiêu tốn thời gian như với hệ thống khí hay điện. Kết cấu của hệ thống thủy lực đơn giản, mạnh mẽ, gọn gàng nên chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy trong hệ thống lái tàu hỏa, tàu thủy, máy bay, các xe cơ giới quân sự và thậm chí là trong một s ố lo ại máy bay.