BÁO cáo hệ THỐNG điều KHIỂN tự ĐỘNG THỦY lực độ CỨNG THỦY lực, tần số DAO ĐỘNG RIÊNG và GIÁ TRỊ THU gọn của cơ cấu CHẤP HÀNH

Mô hình bàn máy sử dụng mô-tơ thủy lực kết hợp vít me bi điều khiển bằng bơm dầu: .... Vị trí về điều khiển tốc độ quay của một trục dùng motor thủy lực, điều khiển bằng van tỉ lệ.. Mô h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

2

1.2 Một số mô hình điều khiển: 5

1.2.1 Mô hình điều khiển vị trí: 6

1.2.1.1 Điều khiển vị trí bàn máy bằng xylanh thủy lực kết hợp với van tỷ lệ: 6 1.2.1.2 Mô hình bàn máy sử dụng mô-tơ thủy lực kết hợp vít me bi điều khiển bằng bơm dầu: 7

1.2.1.3 Mô hình bàn máy 8

1.2.2 Điều khiển tốc độ 1 trục dùng mô tơ thủy lực điều khiển bằng van tỷ lệ 9 1.2.3 Mô hình điều khiển theo tải: 9

1.2.3.1 Mô hình dùng xylanh điều khiển tải: 9

1.2.3.2 Mô hình dùng động cơ thủy lực (Điều khiển momen): 10

1.3 Vị trí về điều khiển tốc độ quay của một trục dùng motor thủy lực, điều khiển bằng van tỉ lệ 11

1.4 Hệ thống khếch đại của hệ thống 19

CHƯƠNG 2: ĐỘ CỨNG THỦY LỰC, TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG VÀ GIÁ TRỊ THU GỌN CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH 21

2.1 Độ cứng thủy lực 21

2.2 Độ cứng tương đương 22

2.2.1 Độ cứng tương đương của hệ chuyển động thẳng 23

2.3 Sự thay đổi vủa tần số dao động riêng của xylanh khi pít tông duy chuyển 26

2.4 Tần số riêng của môtơ thủy lực 27

2.5 Giá trị thu gọn 29

2.5.1 Thu gọn hệ truyền động vít me 30

2.5.2 Giá trị thu gọn của hệ truyền động bánh răng thanh răng 31

2.5.3 Giá trị thu gọn của hệ truyền động bánh răng 31

2.5.4 Giá trị thu gọn cho các bộ truyền chuyển động quay (đai, bánh vít, trục vít, xích,…) 32

CHƯƠNG 3: CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN 34

3.1 Mạch thủy lực có tiết diện chảy ghép nối tiếp 34

3.2 Mạch thủy lực có các tiết diện chảy ghép song song 35

3.3 Xác định các thông số cơ bản 35

3.4 Van điều khiển 36

CHƯƠNG 4: QUY LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA ÁP SUẤT VÀ VẬN TỐC 38

4.1 Mạch R-C thủy lực 38

4.2 Quy luật biến đổi áp suất khi có 𝑹𝑳, 𝑪, 𝒎 (𝒇 = 𝟎) 39

4.3 Quy luật biến đổi vận tốc (bỏ qua rò dầu, có ma sát) 40

4.4 Tần số dao động của hệ khi tính đến 𝑪, 𝑹𝑳, 𝒇, 𝒎 41

3

4.5 Mô hình điều khiển bánh máy bay bằng xylanh thuỷ lực – van tỷ lệ 42

4.6 Mô hình của một trục quay truyền động và điều khiển bằng thuỷ lực, vẽ sơ đồ khối theo thời gian 42

4.7 Mô tả hệ điều khiển bằng ký hiệu đặc tính 43

4.8 Mô tả bằng ký hiệu đặc tính, chức năng và ký hiệu nguyên lý 43

4.9 Tính áp suất và lưu lượng của hệ điều khiển tự động 43

Phần bài tập 46

F thay đổi  P thay đổi

 Điều khiển lưu lượng Q:

Điều khiển bằng tiết lưu: van tỷ lệ, van servo (van tiết lưu + van đảo chiều) Điều khiển bằng thể tích:

- Điều khiển áp suất: (Hiệu suất cao)

Muốn thay đổi áp suất P ta điều chỉnh van tràn tự động

 Ứng dụng:

- Điều khiển cánh hướng nhà máy thủy điện

- Điều khiển Robot có tải lớn

- Máy CNC

- Thiết bị quân sự (Rada, tên lửa, tàu chiến)

- Máy ép, máy nhấn tải lớn

1.2 Một số mô hình điều khiển:

- Điều khiển tốc độ

𝑃 = 𝐾𝑇∗ 𝐼

𝑃 = 𝐾𝑉∗ 𝐼

𝑄 = 𝐾𝑏 𝐻

6

- Điều khiển vị trí

- Điểu khiển tải

1.2.1 Mô hình điều khiển vị trí:

1.2.1.1 Điều khiển vị trí bàn máy bằng xylanh thủy lực kết hợp với van tỷ lệ:

- Cảm biến biến trở:

F = u

𝐻𝑥 = K𝑥𝑥 Kx: hệ số khuếch đại

- Sơ đồ khối:

7

1.2.1.2 Mô hình bàn máy sử dụng mô-tơ thủy lực kết hợp vít me bi điều khiển bằng bơm dầu:

Sơ đồ khối:

𝛿 vôn

i = 𝜃𝑐 𝜃

𝜃𝑐

9

1.2.2 Điều khiển tốc độ 1 trục dùng mô tơ thủy lực điều khiển bằng van tỷ lệ

1.2.3 Mô hình điều khiển theo tải:

1.2.3.1 Mô hình dùng xylanh điều khiển tải:

10

1.2.3.2 Mô hình dùng động cơ thủy lực (Điều khiển momen):

- Khi sử dụng van tràn tự động:

- Sơ đồ khối:

𝐾𝑣 =𝑄

𝐼 +Bộ truyền đai:

𝑁 = Ω

Ω0

𝑖 =n𝑡

𝑛 +Tốc kế:

𝑘𝑡 = 𝐹

𝑛𝑡

- Sơ đồ khối:

Ω0(𝑠) = 1

𝐽𝑠+𝑓[𝐷𝑚0 𝑃(𝑠) − 𝑀0(𝑠)]

Trong đó : [𝐷𝑚0 𝑃(𝑠) − 𝑀0(𝑠)] = 𝐿(𝑠)

[𝐷𝑚0 𝑃(𝑠)] = 𝐾(𝑠) 𝑃(𝑠) = 1

𝑊(𝑠) = 𝑛(𝑠)

𝑢(𝑠) =

𝐴 𝐵 𝐶𝐽

- Khảo sát động lực học của hệ - chất lượng của máy

+ Trong lĩnh vực thời gian

- Ví dụ 2 :Mô hình bàn máy điều khiển vị trí

- Sơ đồ khối của hệ

- Hàm truyền của motor thuỷ lực

⁄𝐶𝐽 𝜆𝑓+𝐷𝑚𝐷𝑚0 𝑆

2+ 𝜆𝐽+𝐶𝑓𝜆𝑓+𝐷𝑚𝐷𝑚0 𝑆+1

18

𝜉𝑛 = 1

2

𝜆𝐽+𝑐 𝐽 𝜆𝑓+𝐷𝑚𝐷𝑚0 𝜔𝑛

=

𝑡𝑥2𝜋𝐾𝜃

⁄𝐶𝐽

𝑡𝑥2𝜋

𝐾𝜃

X (s)

𝐾𝜃 = 𝐾𝑐 𝑖

𝐾𝑝𝐾𝑣𝐷𝑚0𝐶𝐽𝑠3+ (𝜆𝐽 + 𝐶𝑓)𝑠2+ (𝜆𝑓 + 𝐷𝑚𝐷𝑚0)𝑠 + 𝐾𝑝𝐾𝑣𝐷𝑚0𝐾𝜃

𝑡𝑥2𝜋

U(s)

X(s)

−𝐹(𝑠)

𝑠)

Đặt 𝜏 = 1

𝐾𝑤(𝑠) hằng số thời gian

Trong đó: 𝜔𝑣 – tần số riêng của van

𝜔𝑛 – Tần số riêng của cơ cấu chấp hành

TH2: Nếu 3𝜔𝑛 > 𝜔𝑣 > 0.3𝜔𝑛 thì chọn 𝜔𝑠 = 𝜔𝑣 𝜔𝑛

𝜔𝑣+𝜔𝑛và 𝜁𝑠 = 0.2

𝐾𝑤𝑚𝑎𝑥 = 0.2 𝜔𝑣 𝜔𝑛

𝜔𝑣 + 𝜔𝑛TH3: Nếu 𝜔𝑛 > 3𝜔𝑣 thì chọn 𝜔𝑠 = 𝜔𝑣 và 𝜁𝑠 = 0.4

𝐾𝑤𝑚𝑎𝑥 = 0.4𝜔𝑣

21

CHƯƠNG 2: ĐỘ CỨNG THỦY LỰC, TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG

VÀ GIÁ TRỊ THU GỌN CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH 2.1 Độ cứng thủy lực

2.2.1 Độ cứng tương đương của hệ chuyển động thẳng

Độ cứng tương đương của hệ chuyển động thẳng

𝐶𝑡𝑑 = 𝐶ℎ1+ 𝐶ℎ2

25

𝐴2 là hệ số kết cấu của xylanh

- Khi xylanh có kết cấu đối xứng

28

Tần số riêng của moto thủy lực

2.5.4 Giá trị thu gọn cho các bộ truyền chuyển động quay (đai, bánh vít, trục vít, xích,…)

33

𝐽𝑡𝑔 = 𝐽0+ 𝐽1𝑁12

𝑓𝑡𝑔 = 𝑓0+ 𝑓1𝑁12

34

CHƯƠNG 3: CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

 Van điều khiển (bơm điều khiển)

Điều khiển trực tiếp – chính xác

Điều khiển gián tiếp

3.1 Mạch thủy lực có tiết diện chảy ghép nối tiếp

𝑄 = 𝜇𝐴𝑥√2𝑔

𝛾 √Δ𝑝 = 𝐾𝑥√Δ𝑝

 Van điều khiển trượt có mép, điều khiển đường 𝑥0 > 0

 Van điều khiển trượt có mép, điều khiển trung gian 𝑥0 = 0

 Van điều khiển trượt có mép, điều khiển âm 𝑥0 < 0

𝑄 = 𝐾𝑥√ Δp =𝐾𝑥(𝐼)√ Δp

Nguyên lý van servo

37

𝑄 = 𝐾𝑠𝑣I − 𝐾0P = 𝐾𝑥√ Δp

Van Servo:

 Ưu điểm: Dòng điện nhỏ nên phù hợp với điều khiển tự động, có độ nhạy cao

 Nhược điểm: phức tạp, lọc dầu cao áp ở đầu vào, giá thành cao

𝑅𝐿+𝑃0 𝑒𝑠𝑡

𝑅𝐿 + 𝐶𝑠𝑃0𝑒𝑠𝑡(3) Theo tính chất của phương trình vi phân tuyến tính, tách được (3) thành 2 phương trình

- Các giá trị không đổi bằng nhau  xác lập

- Các giá trị thay đổi bằng nhau  quá độ

⇒ 𝑃(𝑡) = 𝑄𝐼𝑅 (1 − 𝑒−

1

𝑅2C𝑡)

41

4.4 Tần số dao động của hệ khi tính đến 𝑪, 𝑹𝑳, 𝒇, 𝒎

Giải tương tự các bài toán trên

𝑠2+ 2𝜉𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2 = 0

𝜔𝑛2 = 𝑓

𝐶𝑅𝐿𝑚+

𝐴𝑝2𝐶𝑚

Độ𝑛𝑔 𝑙ự𝑐 ℎọ𝑐: { 𝑇ℎ𝑒𝑜 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛

𝑇ℎ𝑒𝑜 𝑡ầ𝑛 𝑠ố

4.6 Mô hình của một trục quay truyền động và điều khiển bằng thuỷ lực, vẽ sơ đồ khối theo thời gian

Viết lại (1)

4.8 Mô tả bằng ký hiệu đặc tính, chức năng và ký hiệu nguyên lý

4.9 Tính áp suất và lưu lượng của hệ điều khiển tự động

46

Phần bài tập

Đề: Mô hình điều khiển vị trí của hệ điều khiển để sử dụng van tỷ lệ Ví dụ này giới thiệu

mô hình toán học và mô hình điều khiển vị trí của hệ điều khiển động cơ thủy lực ứng dụng

để thực hiện chuyển động tịnh tiến

Mô hình tìm hiểu là cụm truyền động điều khiển dịch chuyển của bàn công tác trong Hình

1, trong đó rôto của động cơ thủy lực được nối với bàn công tác thông qua bộ truyền vít đai ốc bi Trong tính toán khối lượng quán tính M của bàn công tác được quy về trục của rôto và có momen quán tính khối lượng là J, thể hiện ở Hình 2 momen quán tính J xác định theo công thức sau:

(2𝜋∗𝑡𝑥)2 (1)

Các thông số của hệ thống điều khiển:

U - Tín hiệu điều khiển

E - Tín hiệu so sánh

KA - Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại A

I - Dòng điện điều khiển

47

Kv - Hệ số khuếch đại của van

Q - Lưu lượng cung cấp của van

 - Hệ số tổn thất lưu lượng

ps - Áp suất cung cấp

pt - Áp xuất ra khỏi van

p - Áp suất làm việc của động cơ thủy lực

Dm - Hệ số kết cấu của động cơ thủy lực

V - Thể tích chứa dầu trong buồng công tác

B - Mô đun đàn hồi của dầu

J - Giá trị của momen quán tính khối lượng quy đổi về trục động cơ thủy lực

 - Vận tốc góc của Roto

 - Góc quay của Roto

Kc - Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí

Các phương trình mô tả của hệ gồm:

- Phương trình cần bằng lưu lượng:

𝑄(𝑠)= 𝐾𝑀

1+2.𝜁.𝑇.𝑠+𝑇 2 𝑠 2

1

𝑠 (9) Trong đó:

𝐾𝐻