Sử dụng thuật toán logic mờ để điều khiển cửa mở đập, chắn đập

Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các hệ điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác, có thể nói đi

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-

Đinh Quang Hiệp

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LOGIC MỜ ĐỂ ĐIỀU

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào và chưa được đăng trong bất cứ tài liệu, tạp chí, hội nghị nào khác Những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, tháng 3 năm 2012 Tác giả luận văn

Đinh Quang Hiệp

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ V LỜI CẢM ƠN VII

MỞ ĐẦU VIIVIII

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1

I.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 1

I.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 2

I.2.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến 2

I.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3

I.2.1 Giới thiệu 3

I.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 7

I.2.3 Bộ điều khiển mờ động 8

I.2.4 Hệ điều khiển mờ lai F-PID 10

I.2.5 Hệ điều khiển mờ trượt 13

I.2.6 Nhận xét 16

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU HỆ THỐNG MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP 17

II.1 TÌM HIỂU HỆ THỐNG CỬA MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP Ở MỘT SỐ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 17

II.2 VAN SERVO 20

II.2.1 Nguyên lý làm việc 20

II.2.2 Kết cấu của van servo 22

II.2.3 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng Q và dòng điện điều khiển I 27

II.2.4 Hệ số khuếch đại lưu lượng và hệ số khuếch đại áp suất 29

II.2.5 Hiện tượng từ trễ và trượt tín hiệu của van 32

II.2.6 Lưu lượng tỷ lệ và công suất truyền động 32

II.3 CẢM BIẾN ĐO MỨC 34

II.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung……….35

II.3.2 Mạch đo……….38

II.3.3 Một số cảm biến điện dung thực tế trên thị trường……… 41

II.4 NHẬN XÉT……….43

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG CHƯƠNG

TRÌNH 44

III.1 Mô hình hệ thống thủy điện hòa bình……… ……….44

III.2 Mô hình hệ thống cửa xả……….….………….49

III.3 Thiết kế hệ thống điều khiển……… ……… 52

III.3.1 Mô hình của bể chứa……… ……….52

III.3.2 Kết quả mô phỏng……….….…….59

III.4 NHẬN XÉT……… …….60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

BẢNG KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU Ý NGHĨA

FLC Điều khiển logic mờ

BFC Bộ điều khiển mờ cơ bản

If … then … Luật điều khiển nếu thì

F-PID Bộ điều khiển mờ lai

I Quy luật điều khiển tích phân

P Quy luật điều khiển tỉ lệ

D Quy luật điều khiển vi phân

PID Quy luật điều khiển tỉ lệ, vi phân, tích phân

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 6

Hình 1.2: hệ điều khiển mờ theo luật PI 8

Hình 1.3: hệ điều khiển mờ theo luật PD 9

Hình 1.4 : hệ điều khiển mờ PID 10

Hình 1.5 : Các vùng tác động của FLC và PID 11

Hình 1.6: Vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID 12

Hình 1.7: Hệ đối tượng tích phân kép 13

Hình 1.8: Bộ điều khiển mờ trượt hai đầu vào 15

Hình 1.9: Bộ điều khiển mờ trượt ba đầu vào 15

Hình 2.1: Mô hình hệ thống cửa xả mở đập, chắn đập 18

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo 20

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo 22

Hình 2.4: Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo 23

Hình 2.5: Kết cấu của van servo một cấp điều khiển 24

Hình 2.6: Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển 24

Hình 2.7: Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển có cảm biến 25

Hình 2.8: Kết cấu của van servo 3 cấp điều khiển có cảm biến……… 26

Hình 2.9: Đặc tính thể hiện quan hệ giữa hành trình của càng và áp suất ở hai cửa của ống phun 27

Hình 2.10: Đặc tính Q - I của van trượt điều khiển 28

Hình 2.11: Tuyến tính hóa quan hệ Q-I 29

Hình 2.12: Sơ đồ nghiên cứu hệ số khuếch đại lưu lượng của van 30

Hình 2.13: Sơ đồ nghiên cứu hệ số khuếch đại áp suất 31

Hình 2.14: Đồ thị Q - I về hiện tượng từ trễ và trượt tín hiệu của van 32

Hình 2.15: Đồ thị đặc tính Q - PV 34

Hình 2.16: Một số loại cảm biến điện dung thường gặp 35

Hình 2.17: Tụ điện mắc vi sai 37

Hình 2.18: Các mạch điện đo thường dùng với các cảm biến điện dung 39

Hình 2.19: Mạch đo dịch chuyển của cảm biến 40

Hình 2.20 : Mạch tạo xung dao động ……… ……40

Hình 2.21 : Mạch tạo tần số qua IC555 ……… 40

Hình 2.22 : Mạch tạo tín hiệu điện áp ……… 41

Hình 2.23 : Hình ảnh cảm biến điện dung LV4000……… 42

Hình 3.1 : Mô hình hệ thống cửa xả nước thủy điện hòa bình………… …………44

Hình 3.2 : Mô hình tính lưu lượng qua lỗ nhỏ ……….…….…… 45

Hình 3.3 : Mô hình tính lưu lượng qua lỗ lớn ……… ……47

Hình 3.4 : Mô hình nghiên cứu hệ thống tự động thủy lực mở cửa đập, chắn đập……… ……… 49

Hình 3.5 : Mô hình của hệ thống cửa xả……… 52

Hình 3.6 : Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P……… ……….53

Hình 3.7 : Đáp ứng của hệ kín……….……….53

Hình 3.8 : Cách tính các thông số PID theo Z-N 2……… ……….54

Hình 3.9 : Mô hình tìm bộ thông số PID của đối tượng……… ………….54

Hình 3.10 : Đáp ứng đầu vào và đầu ra của mô hình 3.9 ……… ……….54

Hình 3.11 : Hàm liên thuộc đầu vào thứ nhất ………… ……….………… … 56

Hình 3.12 : Hàm liên thuộc đầu vào thứ 2 ……….……… …….56

Hình 3.13 : hàm liên thuộc đầu ra ………… ……… …… 57

Hình 3.14 : Biểu diễn tập các luật điều khiển dưới dạng ma trận……… ……… 57

Hình 3.15 : Các luật điều khiển trong matlab……… ………… ………… 58

Hình 3.16 : Đồ hình quan sát ảnh hưởng các luật điều khiển ……… ………58

Hình 3.17 : Đồ hình quan sát dạng bề mặt hàm liên thuộc ……… 59

Hình 3.18 : Mô hình hệ thống trong Matlab-Simulink ……… …… 59

Hình 3.19 : Kết quả mô phỏng khi mức nước thực ở 120 mét ………….……… 60

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Thượng Hàn, người đã tận tình giúp

đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập, kinh nghiệm thực tế và trong quá trình thực hiện luận văn

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa, bộ môn Kỹ thuật đo – Tin học công nghiệp đã cho em những kiến thức, kinh nghiệm và những bài học giúp em trưởng thành trong quá trình học tập ở trường

Cuối cùng cho con gửi lời biết ơn và kính trọng sâu sắc nhất tới bố mẹ, bạn bè, người luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất, và luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc

Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2012

Học viên thực hiện

Đinh Quang Hiệp

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Hiện nay, các đập chắn nước đem lại lợi ích đáng kể cho xã hội: Giúp đảm bảo nguồn cung cấp nước tin cậy cho các thành phố và trang trại, quản lý lũ lụt và sản xuất điện Tuy nhiên, xây dựng và vận hành đập cũng gây ra một số tác động không mong muốn về kinh tế và xã hội Một số tác động đã được biết đến như hồ chứa làm ngập thung lũng sông, người dân và hoạt động kinh tế ở các khu vực đó phải di dời đi chỗ khác Đập có thể gây hậu quả nghiêm trọng đối với sự lành mạnh

về sinh thái của dòng sông và đời sống kinh tế, xã hội của người dân sống nhờ vào các hàng hóa và dịch vụ do con sông đem lại Xưa nay, việc đánh giá tác động của đập đối với môi trường và xã hội chủ yếu tập trung vào các khu vực liền kề với đập

và hồ chứa

Mặt khác, các đập kiểm soát lũ, kể cả đập đa dụng bao gồm chức năng quản

lý lũ, thường được thiết kế và vận hành để kiểm soát hoặc sửa đổi tất cả các con lũ

Lũ có thể gây đe dọa lớn tới cuộc sống của con người và gây thiệt hại cho các công trình ở hạ lưu Những con lũ nhỏ hơn có thể xả an toàn và đem lại lợi ích sinh thái

to lớn cho các hệ sinh thái sông phía hạ lưu Tính linh hoạt cao để dung nạp việc xả

lũ nhỏ có thể đạt được bằng cách khôi phục các khu vực bãi sông để chúng lại có khả năng tích trữ nước lũ Bằng cách tích trữ một phần nào đó khả năng trữ lũ tự nhiên ở bãi sông thay vì các hồ chứa, có thể giảm tổng dung tích cắt lũ cần thiết trong hồ chứa

Hệ thống đóng mở cửa xả nước, các đập trong các nhà máy thủy điện, các đập chắn nước, nói chung là đóng mở bằng tay Khi mực nước cao hơn một mực nước giới hạn thì sử dụng cơ cấu mở bằng tay để mở cửa đập Khi mực nước thấp hơn mực nước giới hạn thì lại đóng cửa đập lại Trong trường hợp khi chúng ta không quan sát, khi mực nước lên quá cao mà không mở cửa đập thì sẽ gây ra hiện tượng tràn đập, vỡ đập

Như vậy ta thấy việc mở nước và chắn nước có ý nghĩa vô cùng quan trọng hiện nay Việc điều khiển cửa mở đập, chắn đập có ý nghĩa vô cùng quan trọng

Trên cơ sở đó, luận văn của tôi sẽ nghiên cứu “sử dụng thuật toán logic mờ để điều

khiển cửa mở đập, chắn đập”nhằm thay thế quá trình mở cửa bằng tay, bằng cách

sử dụng quá trình tự động để điều khiển cửa mở đập, chắn đập Chúng ta có thể sử dụng một số thuật toán để điều khiển như dùng PID hoặc Logic mờ

Về phương diện kỹ thuật, các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thỏa mãn chất lượng đặt ra, các chỉ tiêu chất lượng đó phải tốt nhất theo một nghĩa nào đó Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là chỉ tiêu được quan tâm đầu tiên của các nhà thiết kế Xuất phát từ chỉ tiêu đó nhiều lý thuyết điều khiển hiện đại ra đời thay thế cho những lý thuyết cũ đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh và không đủ khả năng áp dụng cho các đối tượng phức tạp, khó mô hình hóa hoặc đối tượng phi tuyến có thông số thay đổi

Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ Ngành kỹ thuật mới mẻ này đã được giáo sư Zazech đặt nền móng từ năm 1965 Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các hệ điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác, có thể nói điều khiển mờ đã chuyển giao nguyên tắc xử lý thông tin, điều khiển của hệ sinh học sang hệ kỹ thuật Chính vì vậy, điều khiển mờ đã giải quyết thành công nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây chưa giải quyết được

Tuy nhiên với ngành điều khiển mới mẻ này việc triển khai ứng dụng chúng không phải một lúc mà hoàn thiện ngay được, nhất là khi tổng hợp một bộ điều khiển mờ Nói rằng, điều khiển mờ không cần biết chính xác mô hình đối tượng nhưng khi thiết kế lại rất cần kiến thức và kinh nghiệm vận hành của các chuyên gia Phải chăng đó cũng là “một dạng của đặc tính đối tượng” Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu theo các hướng khác nhau nhằm chuẩn hóa việc thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển mờ

Nhìn chung khi thiết kế bộ điều khiển mờ ta cần phải trải qua 5 bước với các khả năng ở mỗi bước như sau:

- Bước 1 là định nghĩa các tập mờ và chọn các hàm liên thuộc: Các hàm liên thuộc có thể chọn hình tam giác, hình thang, hàm Gaux đối xứng hoặc không đối xứng, hàm sigmoi v.v …

- Bước 2 là xây dựng các luật điều khiển: Số các luật điều khiển phụ thuộc vào số đầu vào và số hàm liên thuộc đầu vào Ví dụ với bộ điều khiển mờ

có 2 đầu vào với N1 hàm liên thuộc cho đầu vào 1 và N2 hàm liên thuộc cho đầu vào 2 thì ta có thể thiếp lập tối đa N1*N2 luật điều khiển, tuy nhiên trong nhiều trường hợp điều đó hoàn toàn không cần thiết

- Bước 3 là chọn thiết bị hợp thành: Ta có 4 nguyên tắc để chọn thiết bị hợp thành đó là nguyên tắc Max – Min, Max – PROD, Sum – Min, Sum – PROD

- Bước 4 là chọn phương pháp giải mờ: Ta có thể giải mờ theo phương pháp cực đại (theo nguyên lý trung bình hoặc cận trái hoặc cận phải ) hoặc giải

mờ theo phương pháp trọng tâm

- Bước 5: Mô phỏng và hiệu chỉnh hệ thống

Ta thấy rằng, từ bước 1 đến bước 4 mỗi bước đều có nhiều khả năng để chọn

và với mỗi cách chọn bộ điều khiển mờ sẽ cho chất lượng khác nhau Trong đó bước 2 là quan trọng nhất và khó khăn nhất Trong hệ thống cửa mở đập, chắn đập thì ta không xác định được rõ hàm truyền đạt của đối tượng Do đó việc sử dụng điều khiển mờ trong mô hình là tốt nhất

2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống ở các cửa xả đập, chắn đập ở các nhà máy thủy điện hiện nay cụ thể là nhà máy thủy điện Hòa Bình và nhà máy thủy điện Sơn

La

- Xây dựng mô hình điều khiển cho hệ thống

- Dùng mô phỏng để kiểm tra kết quả nghiên cứu

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hệ thống đóng mở cửa xả nước, các đập trong các nhà máy thủy điện, các đập chắn nước, nói chung là đóng mở bằng tay Khi mực nước cao hơn một mực nước giới hạn thì sử dụng cơ cấu mở bằng tay để mở cửa đập Khi mực nước thấp hơn mực nước giới hạn thì lại đóng cửa đập lại Trong trường hợp khi chúng ta không quan sát, khi mực nước lên quá cao mà không mở cửa đập thì sẽ gây ra hiện tượng tràn đập, vỡ đập

Về khoa học: luận văn đã góp phần hoàn thiện việc sử dụng thuật toán logic mờ

để điều khiển cửa mở đập, chắn đập

Về thực tiễn: Với các kết quả thu được, đề tài góp phần:

- Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển sử dụng van servo

- Giải quyết bài toán điều khiển tự động cửa mở đập, chắn đập bằng logic mờ

4 Nội dung đề tài

Nội dung chính của luận văn đề cập đến 3 vấn đề chính:

- Tìm hiểu thực tế mở đập, chắn đập (Nhà máy thủy điện Hoà Bình)

- Khảo sát lý thuyết các phương pháp điều khiển hiện có

- Tìm hiểu phương pháp điều khiển bằng logic mờ

- Thiết kế hệ thống điều khiển tự động

- Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab

Toàn bộ nội dung của luận văn chia thành 3 chương

Chương 1 là ”Tổng quan về các hệ thống điều khiển tự động” Chương này trình bày một số vấn đề cơ bản về hệ điều khiển kinh điển, hệ điều khiển mờ Chương 2 là “Tìm hiều hệ thống mở đập, chắn đập”

Chương 3: Trình bầy về “thiết kế hệ thống điều khiển và mô phỏng chương trình”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN TỰ ĐỘNG

Để có thể điều khiển được đối tượng, ta sử dụng các hệ điều khiển nhằm thu được những đặc tính mong muốn Ta có thể dùng các hệ thống điều khiển kinh điển như hệ điều khiển tuyến tính, phi tuyến … hay sử dụng hệ điều khiển mờ để thực hiện nhằm thu được kết quả điều khiển tốt hơn Hệ điều khiển kinh điển có

ưu điểm là đơn giản, khối lượng tính toán ít hơn Hệ điều khiển mờ cần tính toán nhiều hơn nhưng có khả năng cho kết quả điều khiển tốt hơn trong cho một số đối tượng

I.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN [4]

Trong các hệ thống điều khiển phân cấp hiện đại cũng như các hệ thống điều khiển đa cấp, hệ điều chỉnh từ động là khâu cuối cùng tác động lên đối tượng điều khiển Chất lượng của quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các quá trình công nghệ bao gồm: Chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và các chỉ tiêu khác của dây chuyền công nghệ…

Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá bởi tính ổn định và các chỉ tiêu khác của quá trình xác lập và quá độ Ổn định mới chỉ là chi tiêu nói lên rằng hệ thống có thể làm việc được hay không, còn chất lượng của quá trình quá độ mới nói tới việc hệ thống có được sử dụng hay không Vì vậy việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là đề tài được nhiều tác giả trong

và ngoài nước quan tâm

Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và đã có rất nhiều đóng góp trong các lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng, hằng hải …

Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành 2 loại : Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính và tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến

I.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (bao gồm P, PI, PD, PID) đã được nghiên cứu và phát triển tới mức hoàn thiện Để xác định thông số tối ưu (Kp, Ki, Kd) của PID ta có thể dùng phương pháp modul tối ưu, phương pháp modul đối xứng

và các phần mềm chuyên dụng (ví dụ Matlab) để tự động xác định tối ưu các thông số PID Đặc biệt của các phương pháp này là cần phải biết chính xác mô hình của đối tượng

I.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến

Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tính phi tuyến, chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp hệ phi tuyến có ý nghĩa thực tiễn và phổ biến Các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến không tiến bộ nhanh như hệ tuyến tính và hiện nay còn đang trong giai đoạn phát triển Hệ phi tuyến có những đặc điểm riêng khác hẳn

hệ tuyến tính, ví dụ tính tạo tần, tính phi tuyến, hệ phi tuyến không tuân theo tính chất xếp chồng Vì vậy, để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phải dùng các phương pháp gần đúng, các phương pháp gần đúng thường dùng là :

 Phương pháp tuyến tính hòa gần đúng: được áp dụng cho các hệ gần tuyến tính, lúc đó sai lệch so với tuyến tính không quá lớn Khi hệ thống làm việc ở lân cận một điểm nào đó ta có thể coi vùng làm việc đó của hệ là tuyến tính

 Phương pháp tuyến tính hóa điều hòa: là phương pháp khảo sát hệ thống trong miền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt Phương pháp này còn được gọi

là phương pháp hàm mô tả Việc dùng hàm mô tả là một cố gắng để mở rộng gần đúng hàm truyền của hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến

Hàm mô tả (hay hệ số khuếch đại phức) của khâu phi tuyến là tỉ số giữu thành phần cơ bản của đáp ứng đầu ra với kích thích hình sin ở đầu vào Nếu một

hệ có chứa nhiều khâu phi tuyến, ta phải gộp tất cả chúng lại để được hàm mô tả

tổ hợp

Phương pháp tuyến tính điều hòa cho phép đưa ra kết quả hợp lý và có thể dùng cho các hệ thống bậc bất kỳ, song vì là phương pháp gần đúng nên ta phải kiểm tra lại độ chính xác bằng các kỹ thuật khác hoặc bằng mô phỏng trên máy tính

 Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn: từ đặc tuyến phi tuyến của hệ ta chia thành nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn nhỏ coi là đoạn thẳng và được mô tả bởi phương trình tuyến tính Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra lời giả tương đối chính xác cho hệ phi tuyến bất kỳ, phương trình vi phân dẫn ra trên mỗi phân đoạn là tuyến tính và có thể gải được dễ dàng bằng các kỹ thuật tuyến tính thông dụng

 Phương pháp mặt phẳng pha: Tiện dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2 Trong điều khiển kinh điển, sự tác động của máy điều chỉnh được phân thành 2 vùng: Vùng tác động lớn và vùng tác động nhỏ Vùng tác động lớn tồn tại khi

hệ thống ở xa trạng thái cân bằng, khi có tác động lớn hệ thống sẽ nhanh chóng dịch chuyển về trạng thái cân bằng, với tốc độ dịch chuyển lớn như vậy

hệ thống sẽ dễ dàng vượt qua trạng thái cân bằng và gây độ quá điều chỉnh lớn, điều này không mong muốn Vì vậy khi hệ thống gần đến trạng thái cân bằng, cần phải chuyển sang vùng tác động nhỏ để giảm độ qua điều chỉnh Xuất phát từ ý tưởng đó các bộ điều chỉnh có cấu trúc thay đổi ra đời, phát triển đã đáp ứng phần nào yêu cầu nâng cao chất lượng hệ điều khiển phi tuyến

Tóm lại: trong một thời gian dài kể từ khi ra đời, lý thuyết điều khiển kinh điển đã có nhiều đóng góp để giải quyết hàng loạt bài toán điều khiển đặt ra trong thực tế Tuy nhiên chất lượng của hệ thống cũng chỉ đạt được ở mức độ khiêm tốn, nhất là đối với hệ phi tuyến Với sự ra đời của các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, mạng nơron… đã tạo điều kiện thuận lợi để các nhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm ngày càng nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển tự động, nhất là đối với các hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyến mạnh và khó mô hình hóa

I.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ [5], [9]

I.2.1 Giới thiệu

I.2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển

Từ năm 1965 đã ra đời 1 lý thuyết mới, đó là lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory) do giáo sư Loffi A.Zadeh ở trường đại học Canifonia – Mỹ đưa ra Từ khi

lý thuyết đó ra đời nó được phát triển mạnh mẽ qua các công trình khoa học của các nhà khoa học như: năm 1972 GS Terano và Asai thiết lập ra cơ sở nghiên cứu

hệ thống điều khiển mờ ở Nhật, năm 1980 hãng smith Co bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi… Những năm đầu TK 90 cho đến nay hệ thống điều khiển

mờ và mạng nơron (Fuzzy system and neural network) được các nhà khoa học, các kỹ sư và sinh viên trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm và ứng dụng trong sản xuất và đời sống Tập mờ và logic mờ đã dựa trên các thông tin “không đầy đủ” về đối tượng để điều khiển đầy đủ về đối tượng một cách chính xác

Trong những năm gần đây, lý thuyết tập mờ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như : các đồ vật dân dụng (điều hòa, máy giặt…) điều khiển nhiệt độ, điều khiển trong giao thông vận tải, chuẩn đoán và điều trị bệnh trong y học… các vi mạch chuyên dụng của điều khiển mờ cũng đã được chế tạo và ngày càng hoàn thiện Vi mạch mờ đầu tiên được chế tạo bởi hãng Masaki Togai và Hiroyuki Watanabe vào năm 1986 Ngày nay có rất nhiều hãng chế tạo được các chíp mờ như: Omron có vi mạch FP3000, FP5000, hãng Motorola với vi mạch

mờ sử dụng cùng với các vi mạch 68HC05, 68HC11, hàng Hitachi – America với

vi mạch 48/300, 48/500 điều khiển kiểu vi xử lý, hãng America neutralogic với các chíp NLX 230, ADS 230, NLX 110, NLX 112… đã có rất nhiều sản phẩm công nghiệp được tạo ra nhờ áp dụng kỹ thuật điều khiển mờ ở Nhật Bản, nơi mà điều khiển mờ được áp dụng rất thành công

Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển

là nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa được xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác, các quá trình được điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin Điều khiển mờ đã tích hợp kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu biết nhiều về các thông số của hệ thống

Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là 1 phương pháp điều khiển nổi bật bới tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy luận mờ

Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển trong quá trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật if then) trên các biến ngôn ngữ Luật điều khiển if – then là một cấu trúc điều khiển dạng nếu – thì trong

đó có một số từ được đặc trưng bởi các hàm liên thuộc liên tục Các luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển

So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để tổng hợp các hệ thống điều khiển, phương pháp tổng hợp hệ thống bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau:

 Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống

 Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (Cả về kỹ thuật)

mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng cho một đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đang là sự quan tâm của nhiều nhà nhgiên cứu

I.2.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm có 4 khối: Khối mờ hóa, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (Hình 1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của hệ điều khiển mờ vì nó

có khả năng mô phỏng những suy nghĩ, suy đoán của con người để đạt mục tiêu điều khiển mong muốn

Trong điều khiển logic mờ, kinh nghiệm chuyên gia cùng các kỹ năng đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các biến trạng thái và biến điều khiển Các biến vào của bộ điều khiển logic mờ thường là trạng thái sai lệch trạng thái, đạo hàm sai lệch trạng thái, tích phân sai lệch…

Số lượng các tập mờ là trọng tâm cần lưu ý khi thiết kế hệ điều khiển logic

mờ Trong một miền giá trị có thể chọn số tập mờ, thông thường miền giá trị tập

mờ đầu vào thường chia thành nhiều tập mờ gối lên nhau Thường người ta chia

số tập mờ từ 3 đến 9 giá trị, số lượng các tập mờ đầu vào xác định số lượng lớn nhất các luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển mờ

Khối hợp thành có nhiệm vụ đưa vào tập mờ đầu vào (trong tập cơ sở U) và tập các luật mờ (do người thiết kế lập ra) để tạo thành tập mờ đầu ra (trong tập cơ

sở V) Hay nói cách khác là nhiệm vụ khối hợp thành là thực hiện ánh xạ tập mờ đầu vào (trong U) thành tập mờ đầu ra (trong V) theo các luật mờ đã có

Các nguyên lý logic mờ được áp dụng trong khối hợp thành để tổ hợp từ các luật mờ If- then trong luật mờ cơ bản thành thao tác gán 1 tập mờ A’ (trong U) tới tập mờ B’ (trong V) Ta đã biết rằng các luật mờ If – then được diễn giải thành các quan hệ mờ trong không gian nền UxV Khi dùng quy tắc Max-Min thì dấu

“*”được thay thế bằng cách lấy cực tiểu Khi dùng quy tắc Max-Prod thì dấu

“*”được thực hiện bằng phép nhân bình thường

Các luật mờ cơ bản là tập hợp các luật if- then được xây dựng trên các biến ngôn ngữ, các luật mờ này đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của

hệ, nó là trái tim của hệ điều khiển logic mờ Sử dụng luật mờ cơ bản này làm công cụ để suy luận và đưa ra các đáp ứng một cách có hiệu quả

Ta xét hệ mờ với nhiều đầu vào và 1 đầu ra (hệ MISO) với U=U1xU2xU3…xUn  Rn và V  R Nếu hệ có m đầu ra từ y1, y2, … Yn thì có thể phân thành m hệ, mỗi hệ có n đầu vào và một đầu ra

Luật cơ sở là luật có dạng như sau:

ta có thể dựa vào tiêu chuẩn sau đây:

 Tính tin cậy: Điểm y*

phải đại diện cho tập mờ B’ một cách trực giác, ví dụ có thể nằm ở gần giữa miền xác định của tập mờ B hoặc là điểm có hàm liên thuộc cao nhất trong B

 Đơn giản trong tính toán: Đây là tiêu chuẩn quan trọng vì trong điều khiển mờ các tính toán đều làm việc trong chế độ thời gian thực

 Tính liên tục: thể hiện ở việc làm khi có sự thay đổi nhỏ trong B’

sẽ không gây

sự biến đổi lớn trong y*

I.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh

Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào ra y(x) liên hệ nhau theo một phương trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến) Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuếch đại P, bộ điều khiển rơlay 2 vị trí, 3 vị trí, … Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ tuyến tính

từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi khác của quá trình, do đó nâng cao chất lượng điều khiển

Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược điểm là chất lượng điều khiển không cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động (vận tốc, gia tốc ….) của quá trình, do đó nó chỉ sử dụng trong các trường hợp đơn giản

I.2.3 Bộ điều khiển mờ động

Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến động đột xuất của đối tượng

Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tủy lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân (PI, PD và PID)

Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khách nhau (hình 1.2 a,b)

Hình 1.2 hệ điều khiển mờ theo luật PI

Khi mắc nối tiếp ở đầu vào của một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khâu vi phân sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD

Bộ điều khiển

mờ

Đối tượng



E

-

(b)

Hình 1.3 hệ điều khiển mờ theo luật PD

Thành phần bộ điều khiển này cũng giống như bộ điều khiển theo luật PD thông thường bao gồm sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống e

và đạo hàm của sai lệch e' Thành phần vi phân giúp hệ thống phản ứng chính xác hơn với những biến đổi lớn của sai lệch theo thời gian Phát triển tiếp từ ví dụ về

bộ điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID được biết đến như là một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa về bộ điều khiển theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID Bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo 2 thuật toán:

 thuật toán chỉnh định PID

 Thuật toán PID tốc độ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm và tích phân của sai lệch Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t)

)

1 ( ) (

0

e dt

d T edt T e K t u

d e T

e dt

d K dt

du

I

2 2

) (

Trong thực tế thường có một hoặc hai thành phần trong (1-2), (1-3) được

bỏ qua nên thay vì thiết kế một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh người ta lại thường tổng hợp các bộ điều khiển PI hoặc PD

Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân (hình 1.4)

Hình 1.4 hệ điều khiển mờ PID

Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc của PID mờ hay còn được gọi là bộ điều chỉnh mờ ba thành phần đã được nghiên cứu Các dạng cấu trúc này thường được thiết lập trên cơ sở tách bộ điều chỉnh PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI (hoặc I)

Việc phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập các hệ luật cho PD và PI (I) gồm 2 (hoặc 1) biến vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập 3 biến vào Hệ luật cho bộ điều chỉnh PID mờ kiểu này thường dựa trên ma trận do Mac Vicar-WheLan đề xuất Cấu trúc này không làm giảm số luật mà chỉ đơn giản cho việc tính toán

I.2.4 Hệ điều khiển mờ lai F-PID

Hệ mờ lai viết tắt là F-PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần: thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ

Bộ điều chỉnh F-PID có thể thiết lập dựa trên 2 tín hiệu là sai lêch e(t) và đạo hàm của nó e'(t) Ý tưởng chính là FLC có đặc tính rất tốt ở vùng sai lệch lớn, ở đó với đặc tính phi tuyến của nó có thể tạo ra phản ứng động rất nhanh

Khi quá trình của hệ tiến gần đến điểm đặt (sai lệch e(t) và đạo hàm của nó

e’(t) xấp xỉ bằng không) vai trò của FLC bị hạn chế nên bộ điều chỉnh sẽ làm việc

Bộ điều khiển mờ

Đối tượng

như bộ điều chỉnh PID thường Trên hình 1.5 thể hiện ý tưởng thiết lập bộ điều chỉnh F-PID và phân vùng tác động của chúng

If e (t) dương nhỏ và e (t.) dương nhỏ thì u là PID

Để thực hiện chuyển đổi mờ giữa các mức FLC và bộ chuyển đổi PID ta có thể thiết lập nhiều bộ điều chỉnh PIDi (i = 1, 2, … n) mà mỗi bộ được chọn để tối

ưu chất lượng theo một nghĩa nào đó để tạo ra đặc tính tốt trong 1 vùng giới hạn của biến vào (Hình 1.6) Các bộ điều chỉnh này có chung thông tin ở đầu vào và

sự tác động phụ thuộc vào giá trị của chúng

Đối tượng

PID

FLC

dt d

PID

FLC

e(t) e’(t)

Hình 1.6 Vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID

Trong trường hợp này, luật chuyển đổi có thể viết theo hệ mờ như sau:

If (trạng thái của hệ) is Ei then (tín hiệu điều khiển ) = Ui

Trong đó i = 1, 2, ….n; Ei là biến ngôn ngữ của tín hiệu vào, Ui là các hàm với các tham số của tác động điều khiển Nếu tại mỗi vùng điều chỉnh, tác động điều khiển là do bộ điều chỉnh PIDi với:

dt

de K dt t e K e K u

t

Di Pi

0

) ( i1,2, n (1-4) Như vậy các hệ số của bộ điều khiển PID mới phụ thuộc các tín hiệu đầu vào, tổng quát hơn là phụ thuộc vào trạng thái của hệ Nếu coi các hệ số KPi, KDi và KIichính là kết quả giải mờ theo phương pháp trung bình trọng tâm từ ba hệ mờ hàm:

Ru(i) : if ER is Ep and CER is CEq then KiI = KIi (.)

Khi các hệ số KPi, KDi , KIi được mờ hóa bởi các tập mờ, có thể xem như hệ lúc đó gồm 3 tập mờ chuẩn đối với các hệ số KPi, KDi , KIi Trong trường hợp này các hệ

số của bộ điều chỉnh PID mới có thể tính như sau:

) ) ( (

K    ( ( ) )

1 Ii

n i

Trong đó y Pi, y Di, y Ii tương ứng là tâm các tập mờ của hệ số KPi, KDi và KIiđược mờ hóa

I.2.5 Hệ điều khiển mờ trượt

I.2.5.1 Nguyên lý điều khiển trượt

Điều khiển trượt dựa trên lý thuyết về hệ thống có cấu trúc thay đổi đã thu hút nhiều nghiên cứu trong những năm gần đây Ưu điểm nổi bật của phương pháp là bền vững đối với nhiễu bất định và hệ thống có tham số thay đổi, do vậy không cần phải biết chính xác mô hình hệ thống Khi áp dụng vào điều khiển cho

hệ MIMO (ví dụ như tay máy), phương pháp điều khiển trượt rất phù hợp và hữu ích vì đây là hệ có tính phi tuyến và các ảnh hưởng xuyên chéo của mô hình động lực học và sự thay đổi của các tham số của mô hình khi có tải Hệ thống điều khiển trượt sẽ nâng cao được độ chính xác điều khiển so với phương pháp tuyến tính thông thường

Hình 1.7 Hệ đối tượng tích phân kép

Trong hệ thống điều khiển trượt, tín hiệu điều khiển luôn đảo cực tính giữa hai giá trị +u và –u Đơn giản nhất ta xét đối tượng điều khiển gồm 2 khâu tích phân được điều khiển bởi rơle hai cực tính (hình 1.7) Ta có hệ phương trình sau:

2

1 y dt

2 Đây là phương trình Parabol mà quỹ đạo là 2 nửa Parabol với đường chuyển đổi e = -y = 0 tương ứng với chế độ tự dao động trong hệ rơ le

Khi hệ phản hồi nội thì đường chuyển đổi là đường thẳng đi qua gốc tọa độ với phương trình :

I.2.5.2 Điều khiển mờ trượt

Khi xây dựng hệ điều khiển mờ trượt, ta xét tới hàm chuyển đổi s(e) có dạng sau:

1

) 1 ( )

dt

d e

k k n

k

k n dt

t e d C t

1 0

0 ) sgn(

) (

0

.

u y y f y

e  khi

0

0

.

e e





(1-11)

0

) , (

) , (

y y y f e

y y y f e u

e e

.

e e K y y y f e

Có thể xây dựng bộ điều khiển mờ trượt hai hoặc ba đầu vào như hình 1.8:

Hình 1.8 Bộ điều khiển mờ trượt hai đầu vào

Trong (1.13) ứng với mỗi giá trị  ta nhận được một mặt trượt Nếu thể hiện trên mặt phẳng pha thì nó là một đường thẳng hay còn gọi là đường chuyển mức Trong quá trình điều chỉnh khi thay đổi tham số này ta được bộ điều chỉnh làm việc trên các mặt trượt khác nhau (hình 1.9):

Hình 1.9 Bộ điều khiển mờ trượt ba đầu vào

dt

d

Thiết bị hợp thành

e

γ

- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với bộ điều khiển khác (cả về kỹ thuật) và

dễ dàng thay đổi

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững

và chất lượng điều khiển cao hơn

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU HỆ THỐNG MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP

Hiện nay, các đập chắn nước đem lại lợi ích đáng kể cho xã hội: Giúp đảm bảo nguồn cung cấp nước tin cậy cho các thành phố và trang trại, quản lý lũ lụt và sản xuất điện Tuy nhiên, xây dựng và vận hành đập cũng gây ra một số tác động không mong muốn về kinh tế và xã hội Một số tác động đã được biết đến như hồ chứa làm ngập thung lũng sông, người dân và hoạt động kinh tế ở các khu vực đó phải di dời đi chỗ khác Đập có thể gây hậu quả nghiêm trọng đối với sự lành mạnh

về sinh thái của dòng sông và đời sống kinh tế, xã hội của người dân sống nhờ vào các hàng hóa và dịch vụ do con sôngđem lại Xưa nay, việc đánh giá tác động của đập đối với môi trường và xã hội chủ yếu tập trung vào các khu vực liền kề với đập

và hồ chứa

Mặt khác, các đập kiểm soát lũ, kể cả đập đa dụng bao gồm chức năng quản

lý lũ, thường được thiết kế và vận hành để kiểm soát hoặc sửa đổi tất cả các con lũ

Lũ có thể gây đe dọa lớn tới cuộc sống của con người và gây thiệt hại cho các công trình ở hạ lưu Những con lũ nhỏ hơn có thể xả an toàn và đem lại lợi ích sinh thái

to lớn cho các hệ sinh thái sông phía hạ lưu Tính linh hoạt cao để dung nạp việc xả

lũ nhỏ có thể đạt được bằng cách khôi phục các khu vực bãi sông để chúng lại có khả năng tích trũ nước lũ Bằng cách tích trữ một phần nào đó khả năng trữ lũ tự nhiên ở bãi sông thay vì các hồ chứa, có thể giảm tổng dung tích cắt lũ cần thiết trong hồ chứa

Như vậy ta thấy việc mở nước và chắn nước có ý nghĩa vô cùng quan trọng hiện nay Việc điều khiển cửa mở đập, chắn đập có ý nghĩa vô cùng quan trọng

II.1 TÌM HIỂU HỆ THỐNG CỬA MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP Ở MỘT SỐ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

Tại công trình tràn xả đáy của nhà máy thủy điện Hòa Bình được trang bị 12 cánh phai xả đáy kiểu van cánh cung kích thước (10x6)m, các cánh phai này được dẫn động bằng 12 xy lanh thủy lực (một cánh phai, một xi lanh thủy lực) Các xy lanh thủy lực được điều khiển bằng các bộ truyền động thủy lực Các bộ truyền

động thủy lực được đặt trên cao độ 82m, các ngưỡng dưới của cánh phai nằm trên cao độ 56m thuộc tòa nhà bờ trái nhà máy thủy điện Hòa Bình Các bộ truyền động thủy lực dùng để nâng, hạ các cửa van cung tràn xả đáy trong chế độ làm việc bình thường cũng như trong chế độ sửa chữa của công trình tràn xả đáy

Dưới đây là một mô hình hệ thống cửa mở đập, chắn đập tại nhà máy thủy điện Hòa Bình

Hình 2.1: Mô hình hệ thống cửa xả mở đập, chắn đập

Các xi lanh thủy lực làm bằng thép, được lắp đặt trên trụ đỡ, dùng làm giá đỡ

xi lanh Đầu pittong thủy lực được nối với cửa van cung tràn xả đáy nhờ chốt trục

và tai mấu Hệ thống dầu thủy lực được nối với khoang trên và dưới của xi lanh bằng các đường ống thép qua các bích nối, van chăn, hộp điều khiển Để làm kín giữa phần động và phần tĩnh trên và dưới có các gioăng chèn chịu dầu

Toàn bộ trọng lượng của xi lanh và cánh van cung được treo trên một chốt trục, chốt trục này được treo và bắt định vị vào hai gối trục của trụ đỡ, toàn bộ trụ

đỡ được bắt chặt cố định vào phần bê tông cốt thép của các khoang công trình tại

cao độ 82m Nhờ kết cấu như vậy, trụ đỡ cho phép trong quá trình nâng, hạ cánh phai cung Chốt trục có thể xoay trên gối trục tùy theo vị trí hành trình của xy lanh

và van cung Để đảm bảo trong quá trình làm việc các gối trục và trục đỡ có trang bị

hệ thống dầu, mỡ bôi trơn Tại vị trí các bộ truyền động thủy lực ứng với các khoang tràn xả đáy được lắp đặt các tủ điều khiển, tín hiệu dùng trong quá trình điều khiển vận hành nâng hạ các van cung tràn xả đáy

Động cơ bơm dầu của nhà máy điện có thể được vận hành, giám sát, và bảo

vệ bằng điều khiển bằng tay tại nơi vận hành nhằm cung cấp nguồn ổn định cho hệ thống thủy lực Trong quá trình điều khiển hệ thống sẽ gửi đèn thông báo và chuyển mạch khởi động bơm dự phòng khi nó phát hiện sự cố Khi động cơ này quá tải, hệ thống sẽ phát âm thanh, đèn báo và chuyển mạch sang sử dụng bơm dự phòng Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

 Khi nâng cánh phai

Khi ta đóng điện cho động cơ bơm của máy bơm và rơ le thời gian Bơm dầu được chạy không tải, dầu qua van xả tải về thùng dầu Khi bơm đạt được vòng quay định mức thì rơ le thời gian đóng điện cho nâm châm điện của van tháo xả tải, dầu

sẽ đi vào khoang phía dưới của xi lanh thủy lực Canh phai được nâng dần lên và dầu sẽ đi vào khoang phía dưới của xi lanh thủy lực Cánh phai được nâng dần lên

và dầu ở khoang phía trên của pittong sẽ bị đẩy đi qua các phin lọc, xả về thùng dầu Khi cánh phai nâng đến vị trí tận cùng phía trên thì tiếp điểm hành trình cuối sẽ

đi tác động cắt điện vào cuộn dây nam châm điện của van xả tải và sau đó là động

cơ bơm dầu cánh phai được giữ ở vị trí trên cùng bằng khối lượng dầu năm kín trong khoang dưới xi lanh Khi cánh phai bị lún xuống 300 mm thì tiếp điểm hành trình đóng điện cho bơm dầu làm việc nâng cánh phai lên đến vị trí trên cùng

 Quá trình hạ cánh phai

Nhân viên trực nhật từ bảng điều khiển tại chỗ xoay khóa SA4 về vị trí

“đóng”mạch tự động sẽ tác động đi đóng điện cho cuộn dây nâm châm điện của bộ phân phối Dầu áp lực được tạo thành do trọng lượng của cánh phai nằm ở phía dưới của xi lanh, đi xuống phía dưới van điều khiển 1 đóng (khóa thủy lực) 13MA

mở van này Các khoang phía trên và phía dưới của xi lanh lúc này được thông với nhau và dầu được cân bằng áp suất nhờ có trọng lượng cánh phai để đi vào khoang phía trên của pittong, cánh phai được hạ dần xuống

II.2 VAN SERVO [10]

II.2.1 Nguyên lý làm việc

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo

Bộ phận điều khiển con trượt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình 2.2 gồm các bộ phận sau :

- Nam châm vĩnh cửu; - Phần ứng và hai cuộn dây;

- Cánh chặn và càng đàn hồi; - Ống đàn hồi;

- Miệng phun dầu;

Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu cứng vững Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con trượt Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu

cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại) Điều đó dẫn đến áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau và con trượt được di chuyển Như vậy:

 Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con trượt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con trượt cân bằng nhau)

 Khi dòng i1 ≠ i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn Giả sử phần ứng quay ngược chiều kim đồng

hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở ở miệng phun phía phải hẹp lại áp suất dầu vào hai buồng con trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con trượt di chuyển về bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đường dẫn dầu qua van) Quá trình trên thể hiện ở hình 2.3a Đồng thời khi con trượt sang trái thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con trượt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo Lúc này khe hở ở miệng phun trái hẹp lại và khe hở miệng phun phải rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng phun bằng nhau và

áp suất hai phía bằng nhau thì con trượt ở vị trí cân bằng Quá trình đó thể hiện

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo

a - Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển;

b - Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển

II.2.2 Kết cấu của van servo

Ngoài những kết cấu thể hiện ở hình 2.2 và hình 2.3, trong van còn bố trí thêm bộ lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của van Để con trượt ở vị trí trung gian khi tín hiệu vào bằng không, tức là để phần ứng ở vị trí cân bằng, người ta đưa vào kết cấu vít điều chỉnh Các hình 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 là kết cấu của một số loại van servo được sử dụng hiện nay.

Hình 2.4 Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo

a, b- Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo; c- Ký hiệu của van servo

Hình 2.5 Kết cấu của van servo một cấp điều khiển

7- Thân của ống phun;

8- Thân của nam châm;

9- Không gian quay của lõi sắt nam châm;

10- Cuộn dây của nam châm;

11- Con trượt của van chính;

12- Buồng dầu của van chính

Hình 2.6 Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển

1 - Cụm nam châm

2 - ống phun

3 - Càng đàn hồi của bộ phận điều khiển điện thủy lực

4 - Xylanh của van chính

5 - Con trượt của van chính

6 - Càng điều khiển điện-thủy lực

7 - Thân của ống phun

Hình 2.7 Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển có cảm biến

1 - Cụm nam châm 6 - Con trượt của van chính

2 - Ống phun 7 - Càng điều khiển điện-thủy lực

3 - Xylanh của van chính 8 - Ống phun

4 - Cuộn dây của cảm biến 9,10 - Buồng dầu của van chính

5 - Lõi sắt từ của cảm biến