Nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng bộ điện thuỷ lực đóng mở van thuỷ lợi, thuỷ điện ở việt nam

Đối với các cửa van xả lũ, ngăn triều cỡ lớn, để xả thoát lưu lượng lớn cho các công trình thủy lợi, thủy điện, yêu cầu quan trọng nhất của các máy đóng mở thủy lực là phải đảm bảo khả n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LU ẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

Lý Thanh Hà

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỒNG BỘ ĐIỆN-THỦY LỰC ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG CỬA VAN THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Máy và Thiết bị Kỹ Thuật Thủy Khí

Mã số: 62.52.16.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1: PGS TS NGÔ SỸ LỘC

2: PGS TS NGÔ VĂN HIỀN

Hà Nội - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

Lý Thanh Hà

1.6.6T 6TTình hình nghiên cứu về các hệ thống EH-SCS6T 356T

1.6.1.6T 6TTình hình nghiên cứu ở nước ngoài6T 356T

1.6.2.6T 6TTình hình nghiên cứu tại Việt Nam6T 426T

2.1.3.6T 6TPhương pháp đồng bộ bằng thủy-cơ6T 486T

2.1.4.6T 6TPhương pháp đồng bộ bằng cơ cấu servo kiểu bám6T 48

DANH M ỤC CÁC BẢNG

6T

Bảng 1.1 So sánh các phương pháp điều chỉnh vận tốc dẫn động6T 286T

Bảng 1.2 Sai số các phương pháp đồng bộ điều khiển vòng hở6T 296T

Bảng 1.3 So sánh EH-SCS và hệ tiết lưu thông thường6T 306T

Bảng 1.4 Thông số cơ bản của hệ thống EH-SCS6T 436T

DANH MỤC KÝ HIỆU

𝑦50, 𝑦60 Áp suất danh nghĩa trong mỗi xy lanh Pa

𝐿1, 𝐿2 Cánh tay đòn của 𝑓1, 𝑓2đến trọng tâm 𝑚

𝐾�𝑠𝑞𝑖 Hệ số khuyếch đại của van

𝐾𝑞𝑖 Hệ số lưu lượng của van

𝐾𝑞 Hệ số lưu lượng của xy lanh thủy lực 𝑚3/𝑠/𝑃𝑎

𝐸ℎ Hệ số mô đun đàn hồi thể tích của dầu 𝑁/𝑚2

Ký hiệu Tên gọi Thứ nguyên

𝑚 Khối lượng chuyển động của piston và tải 𝑘𝑔

𝑥�5, 𝑥�6 Nghiệm của phương trình áp suất

𝑑1, 𝑑2 Nhiễu các tham số chưa chắc chắn và phi tuyến

𝑓1, 𝑓2 Phản lực sinh ra bởi các xy lanh 1, 2 𝑁

𝑘𝑝, 𝑘1 Tham số bộ quan sát nhiễu

ℎ�𝑖 Tham số về ảnh hưởng mô đun đàn hồi chất lỏng

𝑉𝑖 Thể tích chất lỏng từ cổng van đến buồng xy lanh 𝑚3

𝑀𝑡 Tổng khối lượng phần chuyển động của xy lanh

𝑑̂𝑖 Ước lượng nhiễu

𝑞t, 𝑞s Vec-tơ hệ tọa độ chuyển động đồng bộ 𝑚

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Ngô Sĩ Lộc, người mà tôi đã

gắn bó suốt 18 năm kể từ khi tốt nghiệp đại học, ông cũng là người thầy đã tận tình giúp tôi hoàn thành luận án Kỹ sư và Thạc sĩ trước đây Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Ngô Văn Hiền, người thầy, người anh đã giúp tôi thực hiện được luận án này với ý tưởng mới Tôi cũng cảm ơn ông Lê Văn An, thủ trưởng của tôi, đã tạo điều kiện về thời gian cho tôi thực hiện luận án thuận lợi Tôi gửi lời cảm ơn đến người bạn Nguyễn Văn Chiều đã cung cấp tài chính cho hệ thống thí nghiệm Tôi

cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Bày và GS TSKH Nguyễn Phùng Quang đã có

những nhận xét, góp ý hoàn thiện luận án Và cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn bố mẹ

và đặc biệt là người vợ yêu quý và hai con đã thu xếp ổn thỏa mọi việc để tôi hoàn thành luận án này

Lý Thanh Hà

DANH MỤC KHÁI NIỆM VÀ CHỮ VIẾT TẮT

5T

Chuy ển động đồng bộ5T Một chuyển động của hai hay nhiều các cơ cấu chấp hành

có vận tốc, chiều chuyển động

5T

Ngôn ng ữ mô hình hóa5T Ngôn ngữ sử dụng để mô tả các hệ tương tác với nhau và

với thế giới bên ngoài được thống nhất trong một tiêu chuẩn

Logic m ờ5T Ngôn ngữ mô tả sự vật của Zadeh trong đó các mức logic không chỉ là 0,

1 mà có cả các giá trị trung gian

MỞ ĐẦU

Về vấn đề điều khiển cửa van cỡ lớn trong ngành thủy lợi, thủy điện, vì đặc trưng về kết cấu của cửa van dẫn đến chúng có một số yêu cầu về dẫn động khác

những hệ thống thường gặp trong công nghiệp Hệ thống cửa van trong các ứng

dụng thủy điện, thủy lực thường có kích thước lớn, nếu không muốn nói là rất lớn

so với các cơ cấu thông thường khác Kích thước bán kính cung của cửa van có thể đạt trên dưới 100m, một số trường hợp đặc biệt, bán kính vận hành có thể trên 450m [41] Với kích thước lớn như vậy, các cửa van thủy lợi, thủy điện không thể

thực hiện việc điều khiển thông qua một cơ cấu chấp hành duy nhất, mà chúng thường được điều khiển bằng một vài cơ cấu chấp hành, có khi đến hàng chục chấp hành Các cơ cấu chấp hành thường nối trực tiếp với cơ cấu điều khiển, nhưng khi kích thước của đối tượng điều khiển lớn, giao diện giữa các cơ cấu chấp hành và đối tượng điều khiển có thể thông qua các kết cấu cơ khí truyền lực khác nhau Việc sử

dụng nhiều chấp hành dẫn đến một điều kiện cơ bản để cửa van có thể hoạt động là các chấp hành phải đảm bảo chuyển động đồng bộ vận tốc và vị trí tương đối với nhau Nói cách khác là chúng cần chuyển động đồng bộ với nhau

Về thiết kế, phương pháp cơ bản để xây dựng một kết cấu máy đóng mở cửa van là phải xác định được mục đích và những ảnh hưởng chính của cơ cấu đó Trước tiên cần quyết định về loại truyền động cho loại và kiểu máy đóng mở nào, năng lượng sử dụng là gì (ví dụ năng lượng điện, sức người, sức nước, khí nén ),

tiếp theo là lựa chọn phương pháp tác động, loại truyền động và hàng loạt những thông số kỹ thuật khác như phương pháp điều chỉnh tốc độ (cơ hoặc điện) và mục tiêu kinh tế phải đạt được

Trong một cơ cấu hay máy đóng mở cửa van bao giờ cũng có ba phần chính:

bộ phận phát động, bộ phận truyền động và bộ phận tác động

B ộ phận phát động là phần phát ra năng lượng đủ để cung cấp cho bộ công

tác thực hiện được chức năng công việc Bộ phận phát động gồm các loại động cơ điện, tuabin, động cơ đốt trong, bình tích năng đôi khi là sức người

B ộ phận truyền động là phần trung gian nhận, biến đổi, phân phối và truyền

năng lượng từ bộ phận phát động đến bộ phận công tác Trong máy đóng mở thường dùng các loại truyền động: truyền động cơ khí (bao gồm các khớp nối trục,

trục, các cặp bánh răng, dây cáp, puly, ổ đỡ sắp xếp theo một thứ tự nhất định), truyền động điện (bao gồm máy phát điện, đường dây truyền dẫn, động cơ điện); truyền động thủy lực (bao gồm máy bơm, đường ống dẫn chất lỏng, van thuỷ

lực…)

B ộ phận tác động hay còn gọi là bộ phận chấp hành là bộ phận máy nhận

năng lượng hoặc cơ năng của các bộ phận trước đó truyền cho để thực hiện mục đích chính, nhiệm vụ chính của cơ cấu là đóng mở cửa van, ví dụ: tang, dây cáp, puly, móc treo trong máy đóng mở bằng dây mềm, xy lanh thủy lực, vít me trong cơ

cấu nâng để nâng hạ cửa van

Như vậy, để thực hiện công việc của một bộ công tác, ta có thể sử dụng bộ

phận dẫn động và truyền động khác nhau Mỗi loại dẫn động và truyền động có

những ưu nhược điểm riêng về kỹ thuật, kinh tế và phạm vi ứng dụng Vì vậy, khi

lựa chọn sơ đồ dẫn động và truyền động cho một cơ cấu để thiết kế, cần quan tâm

tới các thông số làm việc như công suất, tốc độ, đặc tính động lực học, phương pháp điều khiển, khả năng quá tải, khả năng tiêu chuẩn hoá và tự động hoá, khả năng lắp đặt, vận hành, an toàn, các chỉ tiêu kinh tế như giá thành, chi phí sản xuất, khấu hao, chi phí bảo dưỡng sửa chữa, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái

Máy đóng mở thủy lực cũng được thiết kế dựa trên những nguyên tắc như trên Tuy nhiên, do sử dụng cơ cấu chấp hành bằng thủy lực nên chúng có một số đặc điểm vượt trội cũng như những nhược điểm riêng

+ Ưu điểm

- Kích thước gọn nhẹ hơn;

- Công suất riêng lớn so với các cơ cấu khác;

- Dễ điều khiển và điều khiển vô cấp;

- Vận hành tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt;

- Thay thế, bảo dưỡng dễ dàng, đơn giản;

- Tuổi thọ cao, dễ tự động hóa;

- Được sử dụng rộng rãi và chứng tỏ được tiềm năng trong thực tế;

- Dễ bố trí, thiết kế kết cấu cơ khí

+ Nhược điểm:

- Thiết bị đắt tiền do công nghệ chế tạo chính xác cao;

- Dầu dễ cháy và nổ ở nhiệt độ cao;

- Dầu có thể bị nhiễm bẩn và gây ô nhiễm môi trường;

- Dầu thủy lực bị nén, dầu có thể bị biến tính dưới áp suất và nhiệt độ cao hay đông đặc ở nhiệt độ thấp;

- Yêu cầu có trình độ sử dụng, bảo dưỡng, sửa chữa

Đối với các cửa van xả lũ, ngăn triều cỡ lớn, để xả thoát lưu lượng lớn cho các công trình thủy lợi, thủy điện, yêu cầu quan trọng nhất của các máy đóng mở

thủy lực là phải đảm bảo khả năng điều khiển đồng bộ các chấp hành trong mọi điều

kiện vận hành một cách tin cậy Điều đó dẫn tới một trong số nhiệm vụ quan trọng

nhất trong việc thiết kế các máy đóng mở là phải thiết kế được chức năng điều khiển đồng bộ về vận tốc và/hoặc vị trí các chấp hành

Hệ thống điều khiển điện-thủy lực có chức năng như trên gọi ngắn gọn là hệ

thống điều khiển đồng bộ điện – thủy lực (EH-SCS)

Trong hơn 10 năm qua, tác giả đã có vinh dự được đóng góp các thành quả nghiên cứu của mình và của Tổng Công ty Cơ điện Xây dựng Nông nghiệp và Thủy

lợi áp dụng cho các công trình đóng mở cửa van lớn như hồ chứa nước Cửa Đạt, công trình thủy điện Sơn La, thủy điện Srepok, thủy điện Sê San

Từ kinh nghiệm thực tế thấy được rằng:

- Hệ thống đóng mở cửa van thủy lợi, thủy điện cần có độ tin cậy rất cao Tần suất hoạt động thấp nhưng khi cần là phải vận hành bình thường, không bị sự cố Cửa van thường phải vận hành trong điều

kiện mưa lũ, mất điện, độ ẩm cao

- Các cửa xả lũ thường có kích thước đến hàng chục mét và chiều cao tương ứng Trọng lượng cửa van đến hàng trăm tấn Việc sử dụng một

xy lanh đóng mở là không khả thi và thông thường là 2 xy lanh được

trọng Bới vì việc đóng mở cửa van phải cân, nếu lệch, hệ thống máy nâng có thể gây tổn hại đến công trình đập Trong mọi trường hợp

việc kẹt cửa van dẫn đến không thể mở được cửa có thể làm mức nước trong dập dâng quá cao, dẫn đến vỡ đập, gây hậu quả khôn lường cho dân sinh

Với các cửa van nhỏ và trung bình, có kính thước dưới 10m, độ chính xác ít ảnh hưởng đến sự vận hành của cửa van Tuy nhiên, các cửa van lớn độ với chính xác điều khiển đồng bộ thấp có thể đẫn đến một sai số tuyệt đối lớn, nên các cửa van cỡ lớn cần có độ chính xác đồng bộ cao hơn rất nhiều các cửa van nhỏ Để đảm

bảo đồng bộ có độ chính xác cao vấn đề quan trọng cần giải quyết là: thiết kế hệ

thống điều khiển đồng bộ EH-SCS có cấu hình đảm bảo khả năng đồng bộ cao nhất Thông thường, hệ thống thủy lực là hệ phi tuyến Với kỹ thuật điều khiển truyền

thống, hệ thống được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để tổng hợp hệ thống Ngày nay, chúng ta có thể sử dụng các thành quả nghiên cứu về hệ phi tuyến để

tổng hợp những bộ điều khiển có tính năng ưu việt hơn Trong thực tế, các thành

phần như ma sát, lực tải có thể biến đổi và trong một số trường hợp chúng không có

chắc chắn các thông số để người thiết kế có thể dễ dàng mô hình hóa Với những hệ

thống có đầu ra bị ảnh hưởng nhiều tham số thay đổi, hệ thống cần được thiết kế để

có thể làm việc ổn định, có đặc tính kháng nhiễu cao, hệ đó là các hệ điều khiển bền

vững

Thiết kế ổn định bền vững hệ thống điều khiển đồng bộ các xy lanh thủy lực

là một trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển Với sự phát triển nhanh chóng của máy tính số, việc ứng dụng điều khiển bền vững trong thời gian thực có ý nghĩa to lớn trong thực tiễn

Luận án này đề xuất và nghiên cứu một loại bộ điều khiển đồng bộ cho các

dạng máy đóng mở điện-thủy lực có khả năng đáp ứng các yêu cầu thực tiễn ở nước

ta

Luận án này phân tích các cấu hình đã và đang được áp dụng làm cơ sở để đề

xuất một cấu hình mới Bộ điều khiển EH-SCS đề xuất vẫn phát huy được những ưu

điểm của những hệ thống truyền thống nhưng có khả năng đồng bộ tốt hơn do phần phi tuyến, ảnh hưởng của nhiễu đã được tính đến

Hệ thống điều khiển đồng bộ EH-SCS với tính năng điều khiển bền vững có vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tiễn trong ngành thủy lợi, thủy điện Việc

giải quyết bài toàn điều khiển EH-SCS sẽ là đáp số cho vấn đề đóng mở các hệ

thống chống nước biển dâng, có các cửa van đến hơn 100m, có ý nghĩa thực tiễn trước mắt cũng như lâu dài ở Việt Nam

Luận án này nghiên cứu cơ sở quan trọng nhất trong việc điều khiển EH-SCS

bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế và mô phỏng hệ thống, tác giả đưa ra một phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển đồng bộ các cơ cấu chấp hành thủy lực, mang tính công nghiệp, dễ dàng thực hiện và nhanh chóng tổng hợp hệ thống Luận

án trình bày chi tiết cách thức phát triển hệ thống điều khiển đồng bộ trong thực tế

Luận án được chia làm 5 chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Phân tích các khía cạnh thực tế của đề tài với các nghiên cứu trước đây, xem xét và phân loại các hệ thống điều khiển tương tự, tổng quan về các nghiên cứu trước đây, đánh giá các ưu, nhược điểm của chúng Từ đó, xác định được nhiệm vụ

của đề tài

Chương 2: Cấu hình của EH-SCS đề xuất

Hệ thống EH-SCS là một hệ thống điều khiển theo nguyên lý điều khiển

mới Hệ thống mới phối hợp ưu điểm của một vài loại bộ điều khiển đã có, thêm

một số tính năng mới, và được phát triển trên cơ sở bộ điều khiển phi tuyến

Ch ương 3: Xây dựng mô hình EH-SCS

Khảo sát các đặc tính của các phần tử trong hệ thống Thực hiện việc mô hình và các bước thiết kế hệ thống điều khiển nhiều đầu vào nhiều đầu ra cho các

chấp hành tuyến tính Thiết kế tổng hợp luật điều khiển cho mỗi xy lanh thủy lực

Chương 4: Một số kết quả mô phỏng

Mô tả các thí nghiệm và mô phỏng theo vết vị trí hệ thống điều khiển thủy

lực với các kết quả ảnh hưởng của tải trọng lệch đến sai số Hệ thống EH-SCS được

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm

Mô tả chi tiết các thức thực nghiệm, hiệu chỉnh các thông số liên quan đến

chất lượng Kết quả được trình bày dưới dạng đồ thị trực quan, dễ quan sát và kiểm

chứng

K ết luận và kiến nghị

Nêu các kết luận rút ra từ nghiên cứu và kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Ph ụ lục 1: Hàm điều khiển Lyapunov trong trường hợp tổng quát Hàm LCF

được thiết kế cho xy lanh tác động kép bằng phương pháp Lyapunov trực tiếp, đệ quy

CHƯƠNG 1

1.1 Khái ni ệm về hệ thống điều khiển đồng bộ

Hệ thống điều khiển đồng bộ hoặc bộ điều khiển đồng bộ là một hệ thống có hai hay nhiều chấp hành cùng loại có khả năng được điều khiển chuyển động song song, với cùng một vận tốc và vị trí tương đối với nhau mặc dù mỗi chấp hành mang tải khác nhau

Trong hệ thống điều khiển đồng bộ, khi được điều khiển chính xác, vị trí và

vận tốc các chấp hành tại cùng một thời điểm là như nhau Với các hệ thống điều khiển đồng bộ, tải trọng chất lên các cơ cấu chấp hành khác nhau không ảnh hưởng đến vị trí và vận tốc chuyển đồng đồng bộ Do đó, vị trí của các cơ cấu chấp hành tương ứng với giá trị đặt đầu vào còn vận tốc các chấp hành tương ứng được tự động điều chỉnh sao cho sự đồng bộ được thực hiện càng chính xác càng tốt

Hệ thống điều khiển đồng bộ với các tính chất như trên được sử dụng rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp Ví dụ trong robot công nghiệp [35] việc đồng bộ hai cánh tay robot để cùng nâng hạ một trọng vật mà một cánh tay không thể nâng

nổi Trong các máy xây dựng, cần cẩu, giàn khoan với kết cấu đặc biệt trải rộng

phải sử dụng nhiều xy lanh chuyển động đồng bộ Một số trường hợp đặc biệt như máy nâng cống dẫn dòng thủy điện Sơn La mà tác giả được tham gia là một hệ

thống điều khiển đồng bộ áp dụng nhiều phương pháp đồng bộ và hình thành nên ý tưởng điều khiển hệ thống đồng bộ dựa trên hệ tiết lưu cơ bản với điều khiển hệ điều khiển vòng kín (Bảng 1.3.)

Trong đa số các trường hợp mà ta thường gặp trong thực tế, về bản chất, hệ

thống điều khiển đồng bộ là hệ thống khuyếch đại công suất Nhiệm vụ cuối cùng

của chúng là đảm bảo độ chính xác vị trí, vận tốc, khử được sai số tích lũy và lặp lại

quỹ đạo như nhau với tất cả các chấp hành tại một thời điểm nhất định

1.2 S ự cần thiết của tính đồng bộ trong hệ thống

Với tải trọng như nhau, các chấp hành, được hiểu theo nghĩa rộng như động

không đồng tốc với nhau Nguyên nhân của chuyển động không đồng bộ là do có sự

bất đối xứng (cả theo nghĩa tương đối và tuyệt đối) về kích thước, các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ không chính xác của trọng tâm tải trọng, kết cấu không hoàn toàn đối xứng, vật liệu không đồng nhất, ma sát trong của các chấp hành không

giống nhau…

Với những nguyên nhân đa dạng như trên, các hệ thống điều khiển chuyển động có yêu cầu về tính đồng bộ như máy ép cỡ lớn, cửa van chắn nước, máy điều

chỉnh vận tốc…cần thiết phải được trang bị hệ thống điều khiển có khả năng đảm

bảo sự chuyển động đồng bộ của các chấp hành Trong một số trường hợp đặc biệt,

ví dụ như nâng giàn khoan dầu khí, chuyển động đồng bộ của các cơ cấu chấp hành được yêu cầu rất cao về độ chính xác, lực truyền động lớn và độ an toàn cao thì hệ

thống điều khiển đồng bộ cũng cần được trang bị Tuy vậy, cùng với sự phát triển

của khoa học công nghệ, các vấn đề điều khiển đồng bộ đã, đang và sẽ phải được

tiếp tục nghiên cứu và phát triển đầy đủ hơn

Phần tiếp theo sẽ trình bày sơ bộ phân loại, lược sử hình thành và phát triển

hệ thống điều khiển đồng bộ, ở đây trọng tâm là hệ thống điều khiển đồng bộ với các cơ cấu chấp hành thủy lực

1.3 Phân lo ại hệ thống điều khiển đồng bộ

Tiêu chí phân loại hệ thống điều khiển đồng bộ khá phong phú tùy theo yêu

cầu kỹ thuật, mục đích ứng dụng, môi trường làm việc hay đơn giản chỉ dựa trên

một thông số chính nào đó dễ quan sát và đo đạc Về tổng quan, hệ thống điều khiển đồng bộ có thể phân loại chủ yếu theo các phương pháp như sau:

- Phân loại theo phương pháp đồng bộ (Hình 1.1)

- Phân loại dựa loại chấp hành (Hình 1.2)

- Về chấp hành thủy lực Bảng 1.1 và Bảng 1.2 cho chúng ta thấy sai

số tương đối về việc sử dụng phương pháp và thiết bị khác nhau như

thế nào [42]

Phân loại theo độ chính xác, hệ thống điều khiển đồng bộ có thể chia thành 3 nhóm [29]:

- Độ chính xác thấp: sai số đồng bộ từ >5% đến 12%, điển hình cho loại sai số này là các hệ thống điều khiển đồng bộ sử dụng van chia dòng

kiểu tiết lưu;

- Độ chính xác trung bình: sai số đồng bộ từ >1% đến 5%, ví dụ điển hình là các hệ thống dùng bộ chia dòng kiểu quay, dùng van điều

chỉnh lưu lượng chính xác không phụ thuộc độ nhớt và nhiệt độ;

- Độ chính xác cao: sai số đồng bộ ≤1%, điển hình là các hệ thống đồng

bộ có điều khiển vòng kín, bộ điều khiển servo, bộ đong thể tích tuyến tính;

Theo vận tốc đầu ra, hệ thống điều khiển đồng bộ được chia làm 3 nhóm [29]:

- Vận tốc thấp: vận tốc chấp hành ≤ 0,5m/phút như các hệ thống điều khiển đồng bộ trong ngành thủy điện, thủy lợi, dầu khí, các thiết bị nâng tải trọng lớn hay có tải trọng phân bố rộng;

- Vận tốc trung bình: vận tốc chấp hành từ 0,5m/phút đến 1m/s như các

hệ thống điều khiển đồng bộ của máy tuyển quặng, điều khiển băng

tải;

- Vận tốc cao: vận tốc chấp hành trên 1m/s như các hệ thống servo, hệ

mô phỏng trong ngành hàng không

Theo cấu trúc điều khiển [42] có thể chia làm 2 nhóm (Hình 1.4 và Hình 1.5):

- Nhóm vòng điều khiển hở gồm 2 kiểu là điều khiển cơ khí cưỡng bức

và điều khiển thủy cơ, điện-thủy lực;

- Nhóm vòng điều khiển kín gồm 3 kiểu là điều khiển servo thủy cơ, điều khiển servo điện-thủy lực và điều khiển servo điện-thủy lực kết

hợp với cơ khí; nhóm kết hợp, cả cơ khí, thủy cơ và điều khiển servo;

về bản chất đây cũng là hệ thống điều khiển vòng kín;

Theo mạch thủy lực điều khiển có 2 loại [58]:

- Hệ thống thủy lực điều chỉnh tiết lưu, còn gọi là hệ thống mạch hở, sử

nhiều chấp hành, mỗi chấp hành được điều khiển bởi một tiết lưu điều

chỉnh được (ví dụ như van tiết lưu, van phân phối tỷ lệ), vận tốc chấp hành được điều chỉnh bằng van tiết lưu Hệ thống điều chỉnh tiết lưu

có ưu điểm tác động nhanh và điều khiển chính xác cao;

- Hệ thống thủy lực điều chỉnh thể tích, còn gọi là hệ thống mạch kín,

sử dụng một bơm nguồn điều khiển cho một chấp hành, vận tốc chấp hành được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh lưu lượng bơm nguồn (bơm điều chỉnh lưu lượng) Một biến thể của hệ thống thủy lực điều

chỉnh thể tích cho xy lanh thủy lực có cần một phía là hệ thống điều

chỉnh nửa kín, trong mạch vòng phía đường ống hút được lắp van

chống xâm thực Hệ thống thủy lực điều chỉnh thể tích có ưu điểm tiết

kiệm năng lượng nhưng độ chính xác và tốc độ tác động hạn chế

1.4 Nh ững nghiên cứu về hệ thống điều khiển đồng bộ

Hệ thống điều khiển đồng bộ hình thành ngay từ khi có truyền động thủy lực

ra đời [43] Trong thời kỳ đầu, hệ thống điều khiển đồng bộ là các thiết bị cơ-điện sau đó là các hệ thống thủy lực và khí nén Trong giai đoạn này, hệ thống điều khiển đồng bộ còn thô sơ, độ chính xác kém [29, 30, 31, 32] Sau chiến tranh thế

giới lần thứ 2, hệ thống điều khiển thủy lực được phát triển [11] Cùng với sự phát triển của ngành điện tử và điều khiển, hệ thống điều khiển đồng bộ ngày càng hoàn thiện hơn và có độ chính xác cao hơn Hệ thống điều khiển đồng bộ được tích hợp

cảm biến hành trình tạo thành hệ thống điều khiển vòng kín [5, 9, 10,] Một số hệ

thống mới phát triển sử dụng kỹ thuật điều khiển phi tuyến bù nhiễu rất hiệu quả [8, 13] Hệ thống điều khiển đồng bộ đã tận dụng được ưu điểm đơn giản và dễ điều khiển của logic mờ, điều khiển chế độ trượt [12] Những nguyên lý điều khiển này đang được phát triển nhanh chóng trong những năm đầu thế kỷ 21 [16, 18]

1.5 Các phương pháp đồng bộ trong thực tế

Các phương pháp đồng bộ thường được sử dụng trong thực tế có thể tổng

hợp trên hình 1.6 Các hệ thống điều khiển vòng hở thường sử dụng phương pháp

nối cứng cơ khí (Hình 1.6-a, b), nối tiếp thủy lực (Hình 1.6-d, e), truyền động bánh răng-thanh răng (Hình 1.6-c)

PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ

BƠM ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG

BỘ CHIA DÒNG

BUỒNG ĐONG

Hình 1.1 Phân lo ại theo phương pháp điều khiển đồng bộ thủy lực

PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ

CƠ KHÍ

THỦY KHÍ ĐIỆN

VÒNG KÍN VÒNG HỞ

ĐIỆN-CƠ-THỦY

ĐIỆN-THỦY-CƠ

Hình 1.2 Phân lo ại hệ thống điều khiển đồng bộ theo loại chấp hành

Bơm điều chỉnh

lưu lượng

Điều khiển vòng kín, hở Tổn thất năng lượng ít nhất

±0,5÷3%

B ảng 1.2 Sai số các phương pháp đồng bộ điều khiển vòng hở

Van chia

dòng đối

xứng

Tổn thất áp suất Phụ thuộc tải

<1%

B ảng 1.3 So sánh EH-SCS và hệ tiết lưu thông thường

Nguyên lý hoạt động ∆PR

1 R (van giảm áp) + ∆PR

2 R(tiết lưu cảm ứng) = ∆P = const

∆PR

1 R(van tỷ lệ) + ∆PR

2 R(cảm ứng tải

bằng cảm biến áp suất) = ∆P = const

Tự cân bằng Hẹp, trong miền làm việc Rộng, trong mọi dải

Sai số 5-8% (tùy loại, tùy theo tải) <0,25%-1% (tùy loại ứng dụng)

Tải trọng sai lệch Bù nhiễu bằng cảm ứng tải Bù nhiễu bằng cách tạo nhiễu ngược

pha Điều khiển Tuyến tính hóa chính xác Phi tuyếnP

Phạm vi áp dụng Cửa van cung, cửa sập, âu thuyền Tất cả

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý máy nâng cống dẫn dòng thủy điện Sơn La

Vùng nét đứt là thiết bị thêm vào trong lần vận hành thứ 2

B A

T P

b

S

P

S P

ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ

NỐI CỨNG

CƠ KHÍ THỦY LỰC NỐI TIẾP LƯU LƯỢNG VAN CHIA BƠM NHIỀU TẦNG

VAN ÔN ĐỊNH LƯU LƯỢNG BỘ CHIA DÒNG QUAY

BỘ ĐONG THỂ TÍCH

Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển đồng bộ vòng hở

ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN

ĐIỀU KHIỂN HÀNH TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN

ĐIỀU KHIỂN BÁM

ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG

ĐIỀU KHIỂN BÁM BỀN VỮNG

Hình 1.5 C ác phương pháp điều khiển vòng kín

Hình 1.6 Các phương án thực hiện hệ điều khiển đồng bộ (tiếp trang sau)

Các phương án thục hiện hệ điều khiển đồng bộ

Với phương pháp dùng van chia dòng, có thể sử dụng các sơ đồ trên Hình 1.6-f đến Hình 1.6-i, sai số của phương pháp này hoàn toàn phụ thuộc độ chính xác

của van chia dòng Phương pháp dùng van điều chỉnh (ổn định) lưu lượng trên Hình 1.6-j, 1.6-k cần sử dụng van có độ chính xác cao, bù được nhiệt độ và không phụ thuộc độ nhớt chất lỏng Trong thực tế, sai số của van điều chỉnh không cho phép đạt độ chính xác cao [30] Một phương pháp khác sử dụng nguồn cấp chất lỏng có nhiều bơm cùng lắp trên một trục quay tương đương với sử dụng bộ chia dòng kiểu quay (Hình 1.6-l và 1.6-r) Phương pháp đồng bộ này có sai số khá lớn và phụ thuộc vào mức độ rò rỉ của bơm Phương pháp có độ chính xác cao hơn là sử dụng sơ đồ điều khiển vòng kín, tức là sử dụng hệ thống điều khiển theo sai số tín hiệu phản hồi

từ cảm biến hành trình của các xy lanh thủy lực (Hình 1.6-m đến 1.6-r) Với phản

hồi cơ khí như hình 1.6-n, một xy lanh thủy lực chuyển động làm xy lanh cặp đôi chuyển động đồng tốc, phương pháp này là phương pháp điều khiển kiểu bám bằng servo cơ khí Các hình 1.6-m, o, p, q, r là sơ đồ điển hình của hệ thống đồng bộ servo điện-thủy lực vòng kín [30, 31]

1.6 Tình hình nghiên c ứu về các hệ thống EH-SCS

1.6.1 Tình hình nghiên c ứu ở nước ngoài

Chúng ta điểm qua các nghiên cứu về hệ thống điều khiển đồng bộ sử dụng các cơ cấu chấp hành thủy lực điển hình, trong những năm gần đây Năm 1935, Hans Ernst đưa ra hệ thống điều khiển đồng bộ sử dụng van chia dòng thủy lực Hệ

thống điều khiển mạch hở, không có hồi tiếp, sai số lớn đến từ 5-12% [45]

Năm 1940, P.E Flowers đưa ra cách nối cứng 2 xy lanh thủy lực tạo thành

kết cấu nối cơ khí đầu tiên dùng trên máy ép Ứng dụng chủ yếu của kết cấu loại này trên các máy ép có diện tích bề mặt nhỏ, lực tương đối tập trung và vẫn còn tồn

tại và hoạt động trong thực tế ngày nay [50]

Để giải quyết vấn đề điều khiển bằng thủy lực trên toàn bộ hành trình, với không gian lớn hơn, năm 1956, P.J Van Broekhoven (Hà Lan) và cộng sự đã nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng bộ với cụm van cảm ứng độ lệch thủy cơ Đây

là hệ thống điều khiển đồng bộ với cơ cấu servo thủy cơ đầu tiên [51] Với kết cấu này, có thể sử dụng hệ thống điều khiển đồng bộ trong những kết cấu lớn hơn so với

mẫu của Hans Nhược điểm chính của kết cấu điều khiển đồng bộ này là van cân

bằng lưu lượng kiểu cảm ứng phải được lắp trên đối tượng chấp hành, đấu dây dẫn

dầu phức tạp và độ chính xác không cao Sơ đồ nguyên lý điều khiển đồng bộ kiểu

thủy-cơ của Robert Raymond được đăng ký vào năm 1961 với cấu trúc khá phức

tạp [55] Hệ thống bao gồm một xy lanh chủ và một xy lanh tớ được điều khiển qua

cơ cấu tạo tín hiệu, tính hiệu so sánh và thiết bị điều tốc Đây là một trong những bộ điều khiển đồng bộ thủy lực có phản hồi vòng kín đầu tiên Tuy nhiên, do kết cấu

phức tạp và sai số lớn nên kiểu điều khiển đồng bộ này ít được ứng dụng.Năm

1972, Hãng Ransburg Electro-Coating Corp đưa ra nguyên lý điều khiển thăng

bằng xy lanh với các van riêng biệt và một van cân bằng tương tự như phương pháp

của Hans [54] Jack M Moe đưa ra nguyên lý điều khiển mới cho nhiều xy lanh

bằng cơ cấu phân phối thủy cơ nhiều đầu ra Thực chất đây là một động cơ bước

thủy lực công suất lớn có nhiều chấp hành được điều khiển cùng lúc bằng một xy lanh cấp dầu nhiều buồng Dầu được cấp đồng thời vào các xy lanh qua 1 xy lanh phân phối Hệ thống chuyển động đồng tốc hoạt động tốt nếu không có các rò rỉ [47] Năm 1983, hãng McDonnel Douglas Corporation đề xuất hệ thống điều khiển đồng bộ bằng xy lanh có 2 buồng điều khiển Theo nguyên lý này, một buồng của

xy lanh để điều khiển hành trình và một buồng để điều khiển đồng bộ Kết cấu của

xy lanh khá phức tạp và khó chế tạo, lắp ráp nên không phổ biến trong thực tiễn [56] Với nỗ lực đơn giản hóa hệ thống điều khiển đồng bộ, hãng Sugiyasu Industries Japan đã đưa ra một kết cấu thủy cơ vào năm 1991 Mỗi một xung áp lực điều khiển xy lanh tiến một bước cùng nhau Sai số đồng bộ là sai số của cơ cấu khóa bằng con cóc cơ khí Cơ cấu đồng bộ đơn giảm nhưng không cho phép điều khiển tải trọng lớn do con cóc cơ khí quá lớn [46] Nhóm tác giả của trường đại học Kanagawa, Nhật, đưa ra giải pháp điều khiển đồng bộ với cơ cấu servo thủy lực năm 1995 [27] Eizo Urata cùng nhóm tác giả đưa ra cấu trúc hệ thống điều khiển đồng bộ khá hoàn hảo khi sử dụng cặp đôi xy lanh thủy lực servo phản hồi tín hiệu hành trình Hệ thống điều khiển sử dụng máy tính số và các chuyển đổi tương tự -

số, số -tương tự qua giao tiếp truyền thông Với thiết kế như thế, hệ thống có thể dễ

tối ưu cho hệ thống điều khiển Theo sơ đồ khối, tín hiệu phản hồi vị trí được đưa

về vòng điều khiển đồng bộ và tính toán xác định điểm giữa cần đạt được Một xy lanh chuyển động chậm sẽ tăng tốc và xy lanh chuyển động nhanh sẽ giảm tốc để cùng đạt được độ tác động nhanh của hệ Hệ thống sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm

biến hành trình như trên cho độ chính xác điều khiển cao, tác động nhanh Tuy nhiên, khi tải chênh lệch nhau quá nhiều, sai số tích lũy của hệ thống cũng tăng lên Năm 2000, Hãng Hyco Pacoma GmbH được cấp bằng phát minh, sáng chế về hệ

thống điều khiển đồng bộ bằng cách đấu nối tiếp xy lanh thủy lực với nhau ( Hình 1.6-d và 1.6-e) Ưu điểm lớn nhất của nó là rất đơn giản trong khâu chế tạo và lắp ráp Hầu hết những máy chấn kim loại đều sử dụng nguyên lý này Nhược điểm của nguyên lý đã nêu là khi hệ thống bị rò rỉ khác nhau giữa các xy lanh hệ thống sẽ mất đồng bộ Do đó, nó chỉ được dùng ở các hệ thống không yêu cầu cao về độ chính xác, hành trình ngắn và vận tốc thấp [48] Năm 2000, Giáo sư Radan Durkovic đề

xuất hệ thống điều khiển đồng bộ 2 động cơ thủy lực theo nguyên lý phản hồi vận

tốc bằng cách đo tần số trục quay và áp suất của động cơ chấp hành [34] Hệ thống đồng bộ khác trên cơ sở phản hồi trạng thái là hệ thống của Hong Sun và George Chiu đưa ra vào năm 2001 Hệ thống đồng bộ này sử dụng phương pháp thiết kế ổn định bền vững Quantitative Feedback Theory (QFT) của Giáo sư Horowitz Đặc điểm của phương pháp QFT là phải xác định được miền ổn định của hệ thống sau

đó mới tổng hợp được hệ thống với các điều kiện biên Điểm đặc biệt là hệ thống được thiết kế cho một số lượng lớn các chấp hành [37, 38, 39] Nguyên lý điều khiển đồng bộ của Young B Chang, công bố năm 2003, cũng giống như nguyên lý

của Eizo Khác biệt duy nhất là hệ thống chỉ sử dụng một vòng điều khiển với van

tỷ lệ thông thường Hệ thống có độ chính xác kém hơn nhưng có giá thành rẻ hơn [41]

Năm 2004, Nicolae Vasiliu và cộng sự sử dụng bộ điều khiển PID kỹ thuật

số và mạng công nghiệp để thiết kế hệ thống điều khiển đồng bộ Với cảm biến hành trình, hệ thống điều khiển có thể dễ dàng điều chỉnh từ chế độ đồng tốc song song sang chế độ bám nhau Cấu trúc vật lý của hệ thống đơn giản dễ thực hiện nhưng chỉ thử nghiệm cho xy lanh đối xứng Hệ thống sử dụng phần mềm thương

mại ADwin và ADbasic chạy trên máy tính công nghiệp của hãng Jäger GmbH để điều khiển và thu thập dữ liệu [33] Hệ thống điều khiển đồng bộ thương mại đầu tiên có lẽ là của Hãng Husco International Inc và Kayaba Industry Ltd ứng dụng trên xe chuyên dùng đăng ký phát minh năm 2006 Hệ thống này sử dụng cầu tiết lưu cân bằng được điều khiển qua một tấm chất dẻo biến dạng khi hai xy lanh mất đồng bộ Cấu trúc hệ thống đơn giản và rất dễ chế tạo Kiến trúc này chỉ sử dụng được với các hành trình ngắn và có chênh lệch không đồng bộ đủ lớn để điều khiển các van tiết lưu trong mạch cầu cân bằng Một nhược điểm lớn của nguyên lý cầu cân bằng qua biến dạng của phần tử đàn hồi nên kém ổn định, chỉ sử dụng được với các chấp hành không yêu cầu cao về độ chính xác [49] Năm 2006, nhóm tác giả người Nhật đứng đầu là G.S Shibata đưa ra nguyên lý điều khiển đồng bộ servo cho hệ thống xy lanh Khác với các bộ điều khiển khác, bộ điều khiển này sử dụng logic mờ để thực hiện thuật toán điều khiển đồng bộ Tín hiệu phản hồi là bộ đếm vòng quay dạng xung-số [36] Năm 2006, S Li và các cộng sự ở Zhejiang University of Technology đề xuất hệ thống điều khiển đồng bộ kiểu bám Một trong

số các xy lanh thủy lực kéo theo cảm biến hành trình làm tín hiệu điều khiển các xy lanh còn lại, ứng dụng cho cánh tay robot công nghiệp Với cấu trúc như thế hệ

thống có thời gian đáp ứng chậm hơn so với các hệ thống có thuật toán điều khiển đưa về điểm trung bình Tuy nhiên, nó lại tỏ ra rất dễ dàng cho việc ứng dụng và thiết kế [35]

Hệ thống đồng bộ của Davor, đăng ký sáng chế năm 2007, là mạch nửa kín, vòng hở sử dụng một bộ chia thủy lực tác động kép để nạp dầu theo chu kỳ cho các

xy lanh thủy lực Tương tự như các hệ thống thủy cơ khác, sai số của nó đến 3% trong hầu hết các thử nghiệm [43] do khi muốn sử dụng cho xy lanh cỡ lớn, dầu

thủy lực phải đong làm nhiều lần làm phát sinh sai số tích lũy

Trong lĩnh vực thủy lợi, thủy điện, ở các nước công nghiệp phát triển, hệ

thống điều khiển các cửa van cỡ lớn như Emsperwerk (Đức) xem Hình 1.7., Macagua (Venezuela) xem Hình 1.9 , Delta Project (Hà Lan), Emswork (Mỹ), Panama (Panama) Hình 1.10 là các hệ thống điều khiển đồng bộ Không chỉ trong

nâng hạ tàu biển, thiết bị nâng trong nhà để xe ô tô nhiều tầng, giàn nâng gàu của máy chuyển than đá, tuyển quặng sử dụng tải trọng nâng lớn … đều sử dụng hệ

thống nâng thủy lực đồng bộ

Hình 1.7 H ệ thống cửa van Emsperwerk trên sông Ems (Đức)

Hình 1.8 C ửa sập cống Bình Triệu (Tp HCM)

Hình 1.9 C ửa van cung Macagua (Venezuela)