Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng phục vụ thực hành thí nghiệm tại khoa cơ khí

Hệ thống điều khiển phản hồi là một hệ thống điều khiển có khuynh hướng duy trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên của hệ thống bằng các phép so sánh giữa các gi

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG

THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM

TẠI KHOA CƠ KHÍ

Người hướng dẫn: ThS TRẦN NGỌC HẢI

Sinh viên thực hiện: HỒ TRỌNG QUÂN

NGUYỄN PHƯỚC MINH

Số thẻ sinh viên : 101120311

101120356

Lớp: 12CDT1 12CDT2

Đà Nẵng, 2017

Trang 2

Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, ngoài việc học tập lý thuyết từ giáo trình, bài giảng cũng như sách vở thì việc thực hành, thí nghiệm thực tế cũng thực sự quan trọng Nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những kiến thức mà chúng ta đã được học ở trên giảng đường Ngoài ra việc thực hành, thí nghiệm còn giúp nâng cao tay nghề kĩ thuật của sinh viên trường Bách Khoa nói chung và ngành Cơ khí nói riêng Chính vì thế, những giờ học thực hành, thí nghiệm là vô cùng hữu ích đối với mọi sinh viên Trong quá trình học tập, chúng em đã được tiếp xúc với rất nhiều trang thiết bị, máy móc hiện đại mà nhà trường đã trang bị khoa Cơ khí Tuy nhiên, sau một thời gian tìm hiểu, chúng em nhận thấy hệ thống truyền động và điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng đã không hoạt động được vì lý do bo mạch kết nối máy tính và chương trình điều khiển đã không còn phù hợp với thực tế Hiện nay, hệ thống này đã

có tuổi đời khá lâu và hiếm khi được sử dụng Chính vì thế, hệ thống đã không còn được hoàn chỉnh và có thế tiếp tục sử dụng được nữa Vì những lý do trên, chúng em

đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM TẠI KHOA CƠ KHÍ”

Do hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của quý Thầy giáo

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Ngọc Hải cùng các Thầy giáo khoa Cơ khí đã giúp chúng em hoàn thành đồ án một cách hoàn chỉnh nhất

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 5 năm 2017 Sinh viên: Hồ Trọng Quân – Nguyễn Phước Minh

Trang 3

CAM ĐOAN

Chúng em cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phục hồi hệ thống

điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng phục vụ thực hành, thí nghiệm tại khoa

Cơ khí” là công trình nghiên cứu của riêng chúng em dưới sự hướng dẫn, cung cấp các

số liệu kỹ thuật và nội dung yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Th.S Trần Ngọc Hải Các kết quả nghiên cứu được tổng hợp nhiều tài liệu tại phòng thí nghiệm truyền động

và điều khiển thủy khí thuộc Bộ môn Chế tạo máy, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Các số liệu được trình bày trong bản đồ án là trung thực, rõ ràng và được kiểm duyệt của Thầy giáo hướng dẫn

Chúng em và giáo viên hướng dẫn xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên

Sinh viên

Hồ Trọng Quân – Nguyễn Phước Minh

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1

1.1 Giới thiệu về các hệ thống điều khiển 1

1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.2 Lịch sử của điều khiển tự động. 3

1.1.3 Các nguyên tắc và phân loại hệ thống điều khiển 4

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC 14

2.1 Cơ sở lý thuyết về truyền động và điều khiển tự động 14

2.1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động 14

2.1.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động 18

2.1.3 Chức năng và hàm truyền của bộ điều khiển PID 24

2.2 Lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực 26

2.2.1 Phương pháp phân tích và tính toán các thông số cơ bản trong mạch thủy lực 26

2.2.2 Phương pháp phân tích và tính toán van trượt điều khiển 28

2.2.3 Độ đàn hồi của dầu, độ cứng thủy lực và tần số riêng 31

2.2.4 Các phần tử điều khiển cơ bản trong hệ điều khiển tự động thủy lực 34

2.2.5 Quy luật thay đổi áp suất 44

2.2.6 Quy luật thay đổi vận tốc 46

2.2.7 Quá trình ma sát 47

2.2.8 Thời gian đáp ứng của hệ 48

2.2.9 Sai số điều khiển của hệ 48

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP 50

3.1 Tổng quan về hệ thống thủy lực trong công nghiệp 50

3.1.1 Giới thiệu tổng quan 50

3.1.2 Cấu trúc của hệ thống thủy lực 50

3.1.3 Các ứng dụng cơ bản của thủy lực 51

3.2 Ứng dụng của truyền động thủy lực trong công nghiệp 51

3.2.1 Mục đích 51

3.2.2 Các sơ đồ thủy lực 51

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY LỰC TRÊN BÀN THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM 56

Trang 5

4.1.Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ chuyển động thẳng 56

4.1.1 Khái niệm 56

4.1.2 Van điều chỉnh áp suất 58

4.1.3 Van servo 63

4.1.4 Van một chiều 66

4.1.5 Thiết bị phụ trong van thủy lực 67

4.2 Lựa chọn các phần tử thủy lực 69

4.3 Tính toán, thiết kế hệ thống thủy lực chuyển động thẳng 70

4.3.1 Xy lanh thủy lực 70

4.4 Tính toán thiết kế bàn 78

4.4.1 Thiết kế bàn lắp đặt 78

4.4.2 Lựa chọn và tính toán một số bộ phận chính của hệ thủy lực 79

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG 87

5.1 Mô hình tính toán và điều khiển hệ thống trên lý thuyết 87

5.1.1 Mô hình toán và điều khiển hệ thống 87

5.1.2 Khảo sát trường hợp tổng quát 88

5.1.3 Giới thiệu bộ điều khiển PID mờ 90

5.1.4 Giới thiệu phần mềm MATLAB 92

5.2 Khảo sát thực nghiệm 95

5.2.1 Đặc tính kỹ thuật của một số bộ phận điều khiển 95

5.2.2 Khảo sát đặc tính động lực học của hệ thống 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

Trang 6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển vòng hở 1

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vòng kín 2

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển đa biến 2

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 2

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu 5

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch 5

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp 5

Hình 1.8 Sơ đồ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DC vòng kín 7

Hình 1.9 Sơ đồ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AC vòng kín 8

Hình 1.11 Sơ đồ khối HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN tên lửa 8

Hình 1.12 Nguyên tắc tự chỉnh định 9

Hình 1.13 Hệ thống điều khiển tự động mức chất lỏng trong bể 11

Hình 1.14 Hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa 12

Hình 1.15 Một số hệ thống điều khiển vòng kín cơ bản 12

Hình 1.16 Hệ thống điều khiển tay lái ô tô 12

Hình 1.17 Một hệ thống điều khiển bằng máy tính 13

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng của hệ điều khiển tự động 14

Hình 2.2 Sơ đồ khối các phần tử của hệ thống điều khiển tự động 14

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống hở 15

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển hệ kín 15

Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn quá trình động lực học của hệ 16

Hình 2.6 Đáp ứng quá độ của tín hiệu bậc thang 18

Hình 2.7 Đáp ứng quá độ xung 18

Hình 2.8 Đáp ứng quá độ của hàm tuyến tính (hàm dốc) 18

Hình 2.9 Đáp ứng quá độ của hàm điều hoà 18

Hình 2.10 Đặc trưng về tính ổn định của hệ điều khiển tự động 19

Hình 2.11 Sơ đồ phân tích chất lượng hệ điều khiển tự động 21

Hình 2.12 Đặc tính của đáp ứng quá độ 23

Hình 2.13 Sơ đồ cắt mẩu để chuyển tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc 23

Hình 2.14 Sơ đồ ghép bộ điều khiển PID với mạch điều khiển của hệ thống 25

Hình 2.15 Đáp ứng của hệ khi sử dụng phương pháp 25

Hình 2.16 Sơ đồ ghép nối tiếp và ghép song song 27

Hình 2.17 Đồ thị quan hệ giữa Q và x, Q và i của van trượt điều khiển 28

Trang 7

Hình 2.18 Sơ đồ tính toán lực chiều trục của con trượt điều khiển 29

Hình 2.19 Đồ thị quan hệ Q - x và Q - i của van trượt 30

Hình 2.20 Sơ đồ mạch thủy lực có kết cấu đối xứng 31

Hình 2.21 Mô hình nghiên cứu độ đàn hồi của dầu 32

Hình 2.22 Mô hình dao động của hệ thủy lực 33

Hình 2.23 Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp 35

Hình 2.24 Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp 35

Hình 2.25 Cấu tạo và ký hiệu của van tỷ lệ 36

Hình 2.26 Cấu tạo của van tỷ lệ hiệu suất cao loại 4 vị trí 4 cửa 36

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo 37

Hình 2.28 Bản vẽ thể hiện kết cấu và kí hiệu của van servo 37

Hình 2.29 Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí con trượt của van 38

Hình 2.30 Đặc tính động lực học của con trượt của van 38

Hình 2.31 Sơ đồ của môđun khuếch đại 39

Hình 2.32 Đặc tính của hệ số khuếch đại 40

Hình 2.33 Đặc tính của cảm biến 41

Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến vị trí 42

Hình 2.35Thước đo số theo nguyên tắc quang điện 43

Hình 2.36 Sơ đồ của cảm biến điện trở đo góc và ứng dụng của nó 43

Hình 2.37 Sơ đồ của máy phát tốc (tacs- gen) 44

Hình 2.38 Mô hình nghiên cứu quy luật thay đổi áp suất 45

Hình 2.39 Sơ đồ khảo sát quy luật thay đổi vận tốc 46

Hình 2.40 Quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc 47

Hình 3.1 Quá trình biến đổi về truyền tải năng lượng 50

Hình 3.2 Máy dập thủy lực điều khiển bằng tay 51

Hình3.3 Cơ cấu rót tự động cho quy trình công nghệ đúc 52

Hình 3.4 Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu rót phôi tự động 52

Hình 3.6 Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ chi tiết được sơn trong lò sấy 53

Hình 3.7 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 53

Hình 3.8 Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 53

Hình 3.9 Máy khoan bàn 54

Hình 3.10 Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt gia công 54

Hình 4.1 Hệ thống điều khiển bằng thủy lực 56

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 56

Hình 4.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực 57

Trang 8

Hình 4.5 Kết cấu kiểu van con trượt 59

Hình 4.6 Sơ đồ kết cấu van an toàn 60

Hình 4.7 Kết cấu của van giảm áp 61

Hình 4.8 Kết cấu van cản 62

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý rơle áp suất 63

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo 64

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo 65

Hình 4.12 Sơ đồ kết cấu và ký hiệu của van servo 66

Hình 4.13 Kết cấu van bi một chiều 67

Hình 4.14 Sơ đồ kết cấu ắcqui dầu (ắcqui khí nén) 69

Hình 4.15 Ký hiệu và nguyên lý kết cấu ắc quy thủy lực (ắcqui lò xo) 69

Hình 4.16 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động thẳng 70

Hình 4.17 Sơ đồ tính toán xy lanh 71

Hình 4.18 Hành trình tiến tới của pittông 72

Hình 4.19 Hành trình lùi về của pittông 75

Hình 4.20 Sơ đồ kiểm tra ổn định xylanh lực 76

Hình 4.21 Bàn thực hành thủy lực chuyển động thẳng 79

Hình 4.22 Sơ đồ cấu tạo của bơm bánh răng 80

Hình 4.23 Sơ đồ cấu tạo lưới lọc thô 81

Hình 4.24 Sơ đồ cấu tạo lọc tinh 82

Hình 4.25 Sơ đồ kết cấu bể dầu 84

Hình 4.26 Mối nối ống thẳng cuối có ống nong 86

Hình 4.27 Một số loại ống nối bằng ren vít 86

Hình 5.1 Mô hình nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động tịnh tiến ứng dụng van servo 87

Hình 5.2 Sơ đồ tính toán của xylanh thủy lực 88

Hình 5.3 Sơ đồ khối của hàm truyền x(s)/E(s) 89

Hình 5.4 Sơ đồ khối của hàm truyền x(s)/U(s) 90

Hình 5.4 Sơ đồ cấu trúc một bộ điều khiển mờ 91

Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ 91

Hình 5.6 Giao diện phần mềm MATLAB 92

Hình 5.7 Bộ điều khiển mờ 93

Hình 5.8 Mô hình hệ thống điều khiển dùng bộ điều khiển mờ 94

Hình 5.10Đồ thị khảo sát động lực học của hệ thống khi có tải 97

Hình 5.11 Khảo sát động lực học của hệ thống khi không tải 98

Trang 9

Bảng 5.1 Kết quảkhảo sát đáp ứng của đồ thị khi có tải 97Bảng 5.2 Kết quả khảo sát đáp ứng của đồ thị khi không tải 98

Trang 10

HTĐK : Hệ thống điều khiển

LVDT : Cảm biến vị trí

Trang 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG

1.1 Giới thiệu về các hệ thống điều khiển

1.1.1 Giới thiệu chung

1.1.1.1 Giới thiệu

Một hệ thống điều khiển (control system) là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên một cấu hình hệ thống có khả năng đáp ứng một yêu cầu nhất định Cơ sở để thực hiện việc phân tích một hệ thống là kiến thức nền tảng cung cấp bởi lý thuyết hệ thống tuyến tính, trong đó giả thiết mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống là mối quan hệ nhân-quả Một thành phần hay quá trình (process) cần được điều khiển có thể biểu diễn bằng một khối có đầu vào và đầu ra Quan hệ vào - ra thể hiện mối quan

hệ nhân - quả của quá trình, trong đó tín hiệu vào được xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu

ra, thường là với công suất đã được khuyếch đại Một hệ thống điều khiển kiểu vòng

hở (open-loop) sử dụng một bộ điều khiển nhằm điều khiển một quá trình đáp ứng một yêu cầu xác định trước Trái với các hệ thống điều khiểnvòng hở, một hệ thống điều khiển kiểu vòngkín (closed-loop) sử dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu ra thực sự

để so sánh với đáp ứng đầu ra được mong muốn cho quá trình cần điều khiển Giá trị

đo này được gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal)

Hệ thống điều khiển phản hồi là một hệ thống điều khiển có khuynh hướng duy trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên của hệ thống bằng các phép so sánh giữa các giá trị này, sử dụng sự sai khác như một phương thức điều khiển

Hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop) sử dụng một bộ điều khiển nhằm điều khiển một quá trình đáp ứng một yêu cầu xác định trước

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển vòng hở

Hệ thống điều khiển kiểu vòng kín (closed-loop) sử dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu ra thực sự để so sánh với đáp ứng đầu ra được mong muốn cho quá trình cần điều khiển Giá trị đo này được gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal)

Bộ điều khiển Quá trình Đáp ứng mong

Trang 12

SVTH: Hồ Trọng Quân 2 GV Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vòng kín

Hệ thống điều khiển đa biến là khi các hệ thống trở nên phức tạp, chúng ta cần xem xét tới mối quan hệ giữa nhiều biến cần điều khiển của hệ thống Những hệ thống như vậy được gọi là hệ thống điều khiển đa biến (multi-variable control system )

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển đa biến

1.1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Trong đó:

- r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn

- c(t) (controlled output): tín hiệu ra

- cht(t): tín hiệu hồi tiếp

- e(t) (error): sai số

- u(t) : tín hiệu điều khiển

Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ

Bộ điều khiển Đối tượng

Cảm biến

C ht (t)

Trang 13

điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển

1.1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động

- Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số Bài toán đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ Bài toán này luôn giải được

- Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển Bài toán đặt ralàthiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng Bài toán nói chung là giải được

- Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống Vấn đề đặt ra

là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được

1.1.2 Lịch sử của điều khiển tự động

Hệ thống phản hồi đầu tiên được phát minh ở châu Âu là thiết bị khống chế nhiệt

độ của Cornelis Drebbel (1572 – 1633) ở Hà Lan Dennis Papin (1647 – 1712) phát minh ra thiết bị điều chỉnh áp suất cho nồi hơi vào năm 1681 Đây là một dạng thiết bị

an toàn, tương tự như van an toàn của nồi áp suất

Thiết bị điều khiển phản hồi tự động đầu tiên được sử dụng trong một hệ thống công nghiệp được ghi nhận là thiết bị điều tốc do James Watt phát triển vào năm 1769, dùng để điều khiển tốc độ của động cơ hơi nước

Theo người Nga thì hệ thống phản hồi đầu tiênlà một thiết bịđiều chỉnh mức nước,doI Polzunov phát minh vào năm 1765 Thiết bị này đo mức nước trong nồi hơi

và điều khiểnviệc đóng mở van cấp nước

Năm 1868, J.C Maxwell là người đã thiết lập một lý thuyết toán học liên quan tới lý thuyết điều khiển, sử dụng mô hình phương trình vi phân để giải thích các vấn đề

về tính thiếu ổn định mà thiết bị điều tốc của James Watt gặp phải Nghiên cứu của Maxwell quan tâm tới ảnh hưởng của các tham số của hệ thống tới hiệu suất của hệ thống.Cũng trong khoảng thời gian đó, nhà khoa học Nga I.A Vyshnegradskii đã thiết lập một lý thuyết toán học về các thiết bị điều chỉnh

Từ giai đoạn trước chiến tranh thế giới thứ II, lý thuyết và kỹ thuật điều khiển phát triển theo hai xu hướng khác nhau Tại Mỹ và Tây Âu, một trong những động lực chính thúc đẩy các ứng dụng của phản hồi là sự phát triển các hệ thống điện thoại và các bộ khuyếch đại phản hồi điện tử, thực hiện bởi Bode, Nyquist và Black tại Bell Telephone Laboratories (Bell Labs – thành lập bởi AT&T vào năm 1925, từ năm 1996 trở thành một bộ phận của Lucent Technologies) Đặc trưng của xu hướng này là sử

Trang 14

SVTH: Hồ Trọng Quân 4 GV Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nguyễn Phước Minh

dụng các phương pháp trong miền tần số, chủ yếu để mô tả hoạt động của các bộ khuyếch đại phản hồi bằng các biến tần số như dải thông Xu hướng thứ hai diễn ra ở Liên bang Xô viết, nơi mà lý thuyết điều khiển là lĩnh vực thống lĩnh bởi nhiều nhà toán học và cơ học ứng dụng danh tiếng Vì vậy, lý thuyết điều khiển Xô viết đi theo hướng dùng các mô hình toán học trong miền thời gian, sử dụng các phương trình vi phân

Các kỹ thuật trong miền tần số thống trị lĩnh vực điều khiển sau chiến tranh thế giới thứ II với ứng dụng ngày càng phổ biến của phương pháp biến đổi Laplace và mặt phẳng tần số phức.Vào những năm 1950s, trọng tâm của lý thuyết điều khiển là sự phát triển và ứng dụng của các phương pháp mặt phẳng s và đặc biệt là phương pháp quỹ tích nghiệm.Đến những năm 1980s, việc sử dụng máy tính số cho các bộ phận điều khiển trở nên phổ biến Những phần tử điều khiển sử dụng máy tính này có khả năng tính toán một cách nhanh chóng và chính xác, điều đó trước kia nằm ngoài khả năng của các kỹ sư điều khiển Ngày nay, máy tính là không thể thiếu trong các hệ điều khiển ở đó rất nhiều biến của hệ thống cần được đo đạc và điều khiển cùng một lúc

Với sự mở đầu kỷ nguyên không gian, một động lực nữa của kỹ thuật điều khiển xuất hiện, đó là sự cần thiết phải thiết kế các hệ thống điều khiển vô cùng phức tạp và có độ chính xác cao cho các hệ thống tên lửa và thăm dò không gian Thêm nữa, sự cần thiết phải giảm tới mức tối thiểu trọng lượng của các vệ tinh và điều khiển chúng một cách chính xác đã khai sinh một lĩnh vực quan trọng: điều khiển tối

ưu Do những yêu cầu đó, các phương pháp trong miền thời gian của Lyapunov, Minorsky và một số nhà khoa học khác ngày càng được quan tâm Ngoài ra, những lý thuyết về điều khiển tối ưu được phát triển bởi L.S Pontryagin (Nga) và R Bellman (Mỹ) cũng là những chủ đề được quan tâm

1.1.3 Các nguyên tắc và phân loại hệ thống điều khiển

1.1.3.1 Các nguyên tắc của hệ thống điều khiển

Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi

Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai dòng thông tin: Một từ bộ điều khiển đến đối lượngvà một từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (dòng thông tin ngược gọi là hồi tiếp) Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vòng hở) không thể đạt chất lượng cao, nhất là khi có nhiễu

➢ Điều khiển bù nhiễu: là sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu ra c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra c(t) Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốt

n(t)

Trang 15

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu

➢ Điều khiển san bằng sai lệch: Bộ điều khiển quan sát tín hiệu ra c(t) , so sánh với tín hiệu vào mong muốn r(t) để tính toán tín hiệu điều khiển u(t) Nguyên tắc điều khiển này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa sai Đây là nguyên tắc

cơ bản trong điều khiển

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch

➢ Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp

sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển san bằng sai lệch

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp

Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng

Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn quyết định, Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng

Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài

Bộ điều khiển Đối tượng

Trang 16

Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó Nguyên tắc bổ sung ngoài thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen Ý nghĩa của nguyên tắc này là khi thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống

có chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu của môi trường tác động vào hệ thống

Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ

Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc xảy ra

và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường Vốn dự trữ không

sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn

Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp

Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây, ví dụ như

hệ thống điều khiển giao thông đô thị hiện đại, hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất

Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội

Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra

1.1.3.2 Phân loại điều khiển

a Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế

Hệ thống tuyến tính - Hệ thống phi tuyến: Hệ thống tuyến tính không tồn tại

trong thực tế, vì tất cả các hệ thống vật lý đều là phi tuyến Hệ thống điều khiển tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn giản hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thống Khi giá trị của tín hiệu nhập vào hệ thống còn nằm trong giới hạn mà các phần tử còn hoạt động tuyến tính (áp dụng được nguyên lý xếp chồng), thì hệ thống còn là tuyến tính.Nhưng khi giá trị của tín hiệu vào vượt ra ngoài vùng hoạt động tuyến tính của các phần tử và hệ thống, thì không thể xem hệ thống là tuyến tính được.Tất cả các hệ thống thực tế đều có đặc tính phi tuyến, ví dụ bộ khuếch đại thường có đặc tính bão hòa khi tín hiệu vào trở nên quá lớn, từ trường của động cơ cũng có đặc tính bão hòa Trong truyền động cơ khí đặc tính phi tuyến thường gặp phải là khe hở và vùng chết giữa các bánh răng, đặc tính ma sát, đàn hồi phi tuyến Các đặc tính phi tuyến thường được đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lượng hay tăng hiệu quả điều khiển Ví dụ như để đạt thời gian điều khiển là tối thiểu trong các hệ thống tên lửa hay điều khiển phi tuyến người ta sử dụng bộ điều khiển on-off (bang-bang hay relay) Các ống phản lực được đặt cạnh động cơ để tạo ra mômen phản lực điều khiển Các ống này thường được điều khiển theo kiểu full on - full off, nghĩa là một lượng khí nạp vào một ống định trước trong khoảng thời gian xác định, để điều khiển tư thế của phi tuyến

Trang 17

Hệ thống bất biến - hệ thống biến đổi theo thời gian: Khi các thông số của

HTĐK không đổi trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống, thì hệ thống được gọi là

hệ thống bất biến theo thời gian Thực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần

tử trôi hay biến đổi theo thời gian Ví dụ như điện trở dây quấn động cơ bị thay đổi khi mới bị kích hay nhiệt độ tăng Một ví dụ khác về HTĐK biến đổi theo thời gian là hệ điều khiển tên lửa, trong đó khối lượng của tên lửa bị giảm trong quá trình bay Mặc

dù hệ thống biến đổi theo thời gian không có đặc tính phi tuyến, vẫn được coi là hệ tuyến tính, nhưng việc phân tích và thiết kế loại hệ thống này phức tạp hơn nhiều so với hệ tuyến tính bất biến theo thời gian

b Phân loại theo tín hiệu trong hệ thống

Hệ thống liên tục: hệ thống mà tín hiệu ở bất kỳ phần nào của hệ cũng là hàm

liên tục theo thời gian Trong tất cả các HTĐK liên tục, tín hiệu được phân thành AC hay DC Khái niệm AC và DC không giống trong kỹ thuật điện mà mang ý nghĩa chuyên môn trong thuật ngữ HTĐK HTĐK AC có nghĩa là tất cả các tín hiệu trong hệ thống đều được điều chế bằng vài dạng sơ đồ điều chế HTĐK DC được hiểu đơn giản

là hệ có các tín hiệu không được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều Các thành phần của HTĐK DC là biến trở, khuếch đại DC, động cơ DC, tachometer DC

Hình 1.8 Sơ đồ HTĐK DC vòng kín

Trang 18

Hình 1.9 Sơ đồ HTĐK AC vòng kín

Hệ thống rời rạc: HTĐK rời rạc có tín hiệu ở một hay nhiều điểm trong hệ

thống là dạng chuỗi xung hay mã số Thông thường HTĐK rời rạc được phân làm hailoại: HTĐK lấy mẫu dữ liệu và HTĐK số HTĐK lấy mẫu dữ liệu ở dạng dữ liệu xung HTĐK

số liên quan đến sử dụng máy tính số hay bộ điều khiển số vì vậy tín hiệu trong hệ được

mã số hóa Nói chung, một HTĐK lấy mẫu dữ liệu chỉ nhận dữ liệu hay thông tin trong một khoảng thời gian xác định Ví dụ, tín hiệu sai lệch của HTĐK chỉ có thể được cung cấp dưới dạng xung và trong khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp HTĐK sẽ không nhận được thông tin về tín hiệu sai lệch HTĐK lấy mẫu dữ liệu có thể xem là một HTĐK

AC vì tín hiệu trong hệ thống được điều chế xung

Hình 1.10 Sơ đồ khối HTĐK lấy mẫu dữ liệu

Hình 1.11 Sơ đồ khối HTĐK tên lửa

Máy tính

số

D/A

Cảm biến

t/h vào

số

Bệ phóng tên lửa

c(t) r(t) e(t

)

Thiết bị lấy mẫu

Trang 19

c Phân loại theo mục tiêu điều khiển

Điều khiển ổn định hóa: Mục tiêu điều khiển là kết quả tín hiệu ra bằng tín hiệu

vào chuẩn r(t) với sai lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập) Khi tín hiệu vào r(t) không đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổn định hóa hay hệ thống điều chỉnh, ví dụ như hệ thống ổn định nhiệt độ, điện áp, áp suất, nồng độ, tốc độ

| e(t)| = | r(t)- c(t)| ≤ exl

Điều khiển theo chương trình:Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu

cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình Ví dụ hệ thống điều khiển máy công cụ CNC, điều khiển tự động nhà máy xi măng Hoàng Thạch, hệ thống thu nhập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư ở nhà máy…

Điều khiển theo dõi: Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không

biết trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t), ta

có hệ thống theo dõi Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các HTĐK vũ khí, hệ thống lái tàu, máy bay…

Điều khiển thích nghi: Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho hệ

thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoài

Hình 1.12 Nguyên tắc tự chỉnh định

Điều khiển tối ưu-hàm mục tiêu đạt cực trị: Ví dụ các bài toán qui hoạch, vận trù

trong kinh tế, kỹ thuật đều là các phương pháp điều khiển tối ưu

1.1.4 Một số ví dụ về hệ thống điều khiển

1.1.4.1 Ví dụ các phần tử trong hệ thống điều khiển tự động

Các loại cảm biến, thiết bị đo lường:

Biến trở tuyến tính, biến trở góc quay dùng để chuyển đổi sự dịch chuyển thành điệnáp Ngoài ra còn có thể chuyển đổi kiểu điện cảm và điện dung Nguyên tắc chung để đo các đại lượng không điện như nhiệt độ, quang thông, lực, ứng suất, kích thước, di chuyển, tốc độ bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện Cấu trúc thiết bị đo gồm ba thành phần: bộ phận chuyển đổi hay cảm biến, cơ

Trang 20

cấu đo điện và các sơ đồ mạch trung gian hay mạch gia công tín hiệu ví dụ như mạch khuếch đại, chỉnh lưu, ổn định Cảm biến xenxin làm phần tử đo lường trong các hệ bám sát góc quay, truyền chỉ thị góc quay ở cự ly xa mà không thực hiện được bằng cơ khí Biến áp xoay hay còn gọi là biến áp quay dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp hoặc góc quay của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng Biến áp xoay sin, cos để đo góc quay của rôto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận với sin hay cos của góc quay đó Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay của rôto thành điện áp tỉ lệ tuyến tính Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tự do được sử dụng làm các bộ cảm biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các

hệ thống ổn định đường ngắm của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn

Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch mà ánh sang

có thể đi qua được Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác dụng của một nguồn sáng Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto là một chuỗi xung.Trên đĩa mã có khắc hai vòng vạch, ngoài A trong B có cùng số vạch, nhưng lệch90o (vạchA trước B là 90o) Nếu đĩa mã quay theo chiều kim đồng hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là 1/2 chu kỳ và ngược lại

Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer Cảm biến nhiệt độ…

Đối tượng điều khiển:

Đối tượng điều khiển có thể là thiết bị kỹ thuật, dây chuyền sản xuất, qui trình công nghệ là mục tiêu điều khiển của con người trong các lĩnh vực khác nhau

Các phần tử chấp hành thường dùng trong ĐKTĐ là các loại động cơ bước, động

cơ DC, servomotor, động cơ AC, động cơ thủy lực khí nén Động cơ bước được dùng

để định vị chính xác do có cấu trúc rôto và stato khá đặc biệt Rôto thông thường là các nam châm vĩnh cửu có cạnh được xẻ rãnh răng cưa suốt chu vi của rôto, để tập trung đường sức từ tại các mũi răng Tương tự, stato được chế tạo thông dụng có bốn bối dây quấn xen kẽ theo các từ cực Khi có dòng điện chạy qua một cuộn dây stato, rôto sẽ quay một góc đến vị trí cân bằng từ thông là giao điểm của hai răng stato và rôto.Thay đổi thứ tự các cuộn dây 1, 2, 3, 4 rôto sẽ lệch một góc là 90o Có ba cách điều khiển động cơ bước: Điều khiển hành trình năng lượng thấp, điều khiển thường, điều khiển ½ bước.Vì cuộn dây stato có điện trở thuần rất nhỏ khoảng 0,2Ω do vậy thường điều khiển bằng các nguồn dòng thông dụng nhất là transistor, Fet

Một loại đo lường điều khiển khác cũng thường gặp trong công nghiệp là hệ thống nhiệt, ví dụ như lò nung trong dây chuyền sản xuất gạch men, lò sấy trong dây chuyền chế biến thực phẩm, hệ thống làm lạnh trong các dây chuyền chế biến thủy

Trang 21

sản Yêu cầu điều khiển đối với hệ thống nhiệt thường là điều khiển ổn định hòa hoặc điều khiển theo chương trình

Kỹ thuật giao tiếp máy tính:

Thiết bị điều khiển rất đa dạng, có thể là một mạch RC, mạch khuếch đại thuật toán, mạch xử lý hay máy tính PC

b Ví dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bể: Tốc độ dòng chảy ngõ ra qua van

V1 là biến đổi, hệ thống có thể duy trì mức chất lỏng h= const với sai số cho phép khá chính xác Nếu mức chất lỏng trong bể không đúng, một điện áp sai lệch được tạo ra qua khuếch đại đưa vào bộ điều khiển động cơ điều chỉnh van V2 để khôi phục lại mức chất lỏng mong muốn bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng chảy ngõ vào Trong trường hợp dòng chảy vào có tốc độ hằng số, phao có hai cặp tiếp điểm thường đóng, thường mở để điều khiển đóng mở động cơ điện AC Để tránh động cơ bị đóng ngắt không dứt khoát, tạo hai mức tương ứng vùng trễ Trigger Schmidt Δh

Hình 1.13 Hệ thống điều khiển tự động mức chất lỏng trong bể

Hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa:Hệ thống hồi tiếp này được thiết kế

định vị bệ phóng khá chính xác dựa trên các lệnh từ biến trở R1 là tín hiệu vào được đặt ở xa hệ thống Biến trở R2 cho tín hiệu hồi tiếp trở về bộ khuếch đại vi sai, hoạt động như một bộ phát hiện sai lệch Nếu có sai lệch, được khuếch đại đưa đến động

cơ, điều chỉnh vị trí trục ngõ ra tương ứng với vị trí trục ngõ vào và sai lệch bằng 0

Trang 22

Hình 1.14 Hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa

Hệ thống điều khiển phản hồi âm: là hệ thống hoạt động theo một quy trình vòng

kín, tín hiệu ra bị trừ vào tín hiệu vào và sự sai khác đó được sử dụng làm tín hiệu vào cho bộ khuyếch đại

Hình 1.15 Một số hệ thống điều khiển vòng kín cơ bản

Hệ thống điều khiển ô tô:Những chiếc ô tô hiện đại có bộ phận trợ lực tay lái và

phanh, sử dụng các bộ khuyếch đại thủy lực để khuyếch đại lực do người lái xe tác động lên tay lái và phanh Hướng lái người lái xe mong muốn được so sánh với giá trị

đo của hướng chuyển động thực sự của xe để sinh ra một giá trị đo độ sai lệch Hướng chuyển động thực sự của xe được cảm nhận bởi bản thân người lái xe, bằng trực giác

và cảm giác về độ nghiêng của cơ thể Ngoài ra còn có một thông tin phản hồi nữa là cảm giác tay lái của người lái xe Các hệ thống điều khiển lái của tàu thủy hay máy bay cũng có nguyên lý tương tự Tất cả các hệ thống đó hoạt động theo một quy trình vòng kín

Hình1.16: Hệ thống điều khiển tay lái ô tô

Trang 23

Một ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điều khiển là các bộ phận điều khiển trong ô tô hiện đại: các hệ thống điều khiển cho giảm xóc, trợ lái, điều khiển hiệu suất làm việc của động cơ, hay các hệ thống lái bốn bánh, điều khiển chống trượt

Các hệ thống điều khiển bằng máy tính trong công nghiệp năng lượng điện đã được sử dụng để tăng tính hiệu quả trong việc sử dụng các nguồn năng lượng Ngoài

ra, việc kiểm soát lượng chất thải của các nhà máy điện để giảm thiểu ô nhiễm đã trở thành một vấn đề vô cùng quan trọng Các nhà máy điện hiện đại với công suất lớn tới hàng trăm MW cần những hệ thống điều khiển tự động chịu trách nhiệm về các mối quan hệ giữa các biến của toàn bộ quá trình và thực hiện việc tối ưu hóa quá trình sản xuất điện năng

Hình 1.17 Một hệ thống điều khiển bằng máy tính

Ứng dụng của khái niệm điều khiển phản hồi đã và đang xuất hiện trong rất nhiều lĩnh vực như điều khiển tự động việc tàng trữ hàng hóa, các hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp, các hệ thống sưởi ấm và làm lạnh sử dụng năng lượng mặt trời, các ứng dụng của lý thuyết điều khiển trong các lĩnh vực y-sinh học như thí nghiệm, chẩn đoán, cấy ghép bộ phận giả và các hệ thống điều khiển sinh học

Robot là một lĩnh vực rất quan trọng trong ứng dụng các HTĐK: Robot đã được sáng tạo ra để thực hiện nhiều công việc khác nhau, làm cầu nối giữa các lĩnh vực chế tạo, các nhiệm vụ vận chuyển không gian và chăm sóc y tế Ứng dụng chủ yếu của Robot là tự động hóa quá trình sản xuất Robot được sử dụng trong dây chuyền sản xuất xe hơi, là một thành phần trong tàu con thoi không gian của NASA, là bạn giúp việc cho con người … Robot trợ giúp trong các bệnh viện, thực hiện các công việc của

y tá chăm sóc bệnh nhân Các Robot này sử dụng các cảm biến quan sát, siêu âm và hồng ngoại … điều khiển thang máy, tránh các vật cản dọc theo đường đi, mang các khay thức ăn theo yêu cầu, lấy thuốc hay các vật mẫu của phòng thí nghiệm, ghi lại tình trạng sức khỏe của người bệnh, báo cáo công việc quản lý …

Trang 24

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG THỦY LỰC

2.1 Cơ sở lý thuyết về truyền động và điều khiển tự động

2.1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động

2.1.1.1 Khái niệm chung

Mỗi hệ thống điều khiển đều có tác động vào và đáp ứng ra hay còn gọi là tín hiệu vào và tín hiệu ra Trong một hệ thống có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra, thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng của hệ điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động gồm có các thành phần cơ bản là: thiết bị điều khiển (Controller), đối tượng điều khiển (Object) và thiết bị đo lường (Measuring Divice) (hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ khối các phần tử của hệ thống điều khiển tự động Trong đó: u - tín hiệu vào; y - tín hiệu ra; e - tín hiệu so sánh

x - tín hiệu tác động vào đối tượng điều khiển; f - tín hiệu phản hồi

Phân loại hệ thống điều khiển tự động có nhiều hình thức khác nhau, căn cứ vào hình thức tác động của các tín hiệu vào và ra có thể phân thành hai loại chính

Hệ thống hở (hình 2.3): là hệ thống mà các tín hiệu vào và ra có tính chất độc lập với nhau

-

Trang 25

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống hở

Hệ thống hở có đặc điểm sau: độ chính xác phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh

và độ tin cậy điều chỉnh của thiết bị, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tác động bên ngoài (sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, dao động xung quanh, dao động của tải trọng, ) và tín hiệu ra đáp ứng chậm khi thay đổi tín hiệu vào

Hệ thống kín (hình 2.4): là hệ mà các tín hiệu vào và ra phụ thuộc vào nhau, tín hiệu vào phụ thuộc vào tín hiệu ra thông qua bộ phản hồi Hệ thống kín cũng thường được gọi là hệ điều khiển có phản hồi

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển hệ kín

Hệ thống kín có các đặc điểm chính sau: đạt độ chính xác điều khiển cao, tốc độ đáp ứng nhanh, giảm được tính phi tuyến và nhiễu, tăng được bề rộng dãi tần mà tại dãi tần này hệ có đáp ứng tốt nhất Tuy nhiên với hệ thống kín, tín hiệu ra có khuynh

hướng dao động do quán tính của so sánh tín hiệu

Nội dung cơ bản của lý thuyết điều khiển tự động là bài toán phân tích và tổng hợp hệ thống:

Hệ thống thiết bị đang vận hành có sự cần điều chỉnh lại các tham số thì cần giải bài toán phân tích hệ thống, đánh giá lại bộ chỉ tiêu chất lượng của từng phần tử và của

cả hệ thống Điều này có nghĩa là khảo sát sự ổn định của hệ theo các chỉ tiêu đã được đặt ra mà công cụ giải bài toán này là máy vi tính

Thiết kế hệ thống thiết bị hoặc các dây chuyền sản xuất linh hoạt là xác định bộ tham số và cấu trúc dựa vào các yêu cầu như độ chính xác, thời gian đáp ứng, năng lượng tiêu hao cực tiểu, cũng như các đặc tính động học và động lực học khác Tuy nhiên, để cải thiện chất lượng có thể dựa vào một hệ cấu trúc mới đó là bộ điều khiển

tỷ lệ - tích phân - vi phân thường gọi là bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Differencial)

Trang 26

Để mô tả hệ thống điều khiển ta có thể dùng các phương pháp sau:

Dùng mô hình toán: dựa vào các quy luật cơ bản của vật lý, tìm mối quan hệ giữa

những đại lượng biến đổi trong hệ qua các phương trình biểu diễn (phương trình vi phân, phương trình Laplace, ) Các phương trình đó gọi là mô hình toán của hệ thống

Dùng sơ đồ khối hoặc Graphe tín hiệu: là các phương pháp mô tả hệ thống điều

khiển tự động bằng hoạ đồ, biểu diễn các quan hệ giữa các phần tử và biểu diễn cho các phương trình toán học đặc trưng cho các phần tử khác và cho cả hệ

Phương pháp biến trạng thái: là phương pháp mô tả hệ thống điều khiển tự động

dưới dạng phương trình vi phân bậc nhất, tức là bằng việc đặt các biến trạng thái để chuyển các phương trình vi phân bậc cao về bậc nhất hoặc các phương trình sai phân Phương pháp này còn có thể dùng để khảo sát các hệ điều khiển phi tuyến hoặc phương trình vi phân bậc cao mà các phương pháp trên không thực hiện được

2.1.1.2 Đáp ứng quá độ

Xét một sơ đồ khối hệ hở trên hình 2.5.a, tín hiệu vào là sóng chữ nhật có biên

độ là u, dạng này là tức thời, tại thời điểm t0 ngay lập tức đạt giá trị u và đáp ứng ra

y = u.G

Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn quá trình động lực học của hệ

a Sơ đồ khối; b Đáp ứng lý thuyết; c Các quá trình động lực học của hệ Thực tế không có một hệ thống vật lý nào có thể đạt được đáp ứng tức thời Tất

Quá trình quá độ Quá trình xác lập

t

 u.G

a)

b)

c)

Trang 27

cả các thiết bị nói chung đều có quá trình quá độ khi thay đổi trạng thái, gây ra sự chậm trễ về thời gian đáp ứng Có thể hiểu rằng thời gian này là để nạp yếu tố dự trữ năng lượng như trong hệ dầu ép, khí nén có dung tích nên áp suất không thể thay đổi ngay lập tức, hay vật có khối lượng không thể chuyển động ngay mà có quán tính của

nó, hay ma sát, Quá trình này được gọi là quá trình quá độ với khoảng thời gian t = t1

Để xác định đặc tính động học và động lực học của hệ điều khiển tuyến tính ta nghiên cứu trên hai lĩnh vực đó là lĩnh vực thời gian và lĩnh vực tần số

Lĩnh vực thời gian: là nghiên cứu đáp ứng quá độ, nghiên cứu tín hiệu ra của hệ

khi tín hiệu vào là hàm quá độ, thông qua lĩnh vực Laplace để tìm nghiệm của phương trình vi phân theo lĩnh vực thời gian

Lĩnh vực tần số: là đánh giá đặc tính động lực học của hệ mà không cần giải các

phương trình vi phân như trong lĩnh vực thời gian Phương pháp này thực hiện bằng cách áp lên hệ một tín hiệu điều hoà, sau đó phân tích đáp ứng ra của hệ qua các đầu ra

là biên độ, góc pha là hàm theo tần số của tín hiệu vào Việc phân tích đáp ứng tần số của hệ ta sẽ đánh giá được chất lượng của hệ điều khiển tự động

2.1.1.3 Tín hiệu tác động và phản ứng của hệ

Xét phản ứng của một khâu hay một hệ khi có một tín hiệu tác động vào x(t) chính là xét tác dụng biến đổi tín hiệu của khâu (hay hệ) đó Phản ứng của khâu thay đổi khi có tín hiệu vào x(t) thay đổi hoặc cấu trúc và tham số của cơ hệ thay đổi Phản ứng của một khâu (hệ) khi tín hiệu vào x(t) xác định chính là đặc tính quá độ hay đặc tính thời gian của khâu (hệ) đó Đáp ứng quá độ có thể nghiên cứu qua tín hiệu vào là các hàm thời gian sau đây:

Hàm quá độ của một khâu (hay một hệ) là phản ứng của khâu (hệ) đó khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị  ( t ) = 1 ( t )

Tín hiệu bậc thang 1 đơn vị 1(t): (t) = 1(t) =

0 0

t víi

W(s)

Tín hiệu

y(t)

Trang 28

Hình 2.6 Đáp ứng quá độ của tín hiệu bậc thang

- Hàm trọng lượng (hàm quá độ xung) là phản ứng của một khâu (hệ) khi tín hiệu vào là hàm xung đơn vị (t)

Tín hiệu xung đơn vị (t) :

0 t

0 t khi

khi 0 dt

) t ( d ) t

Hình 2.8 Đáp ứng quá độ của hàm tuyến tính (hàm dốc)

- Tín hiệu điều hoà:

Tín hiệu vào: x(t) = Xmsint = Xmejt

Tín hiệu ra: y(t) = Ymsin(t+) = Ymej(t+)

Hình 2.9 Đáp ứng quá độ của hàm điều hoà

2.1.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động

t

450v(t)

0

y(t)

Trang 29

2.1.2.1 Ổn định của hệ thống điều khiển tự động

Động lực học hệ thống điều khiển được thể hiện hai quá trình, đó là quá trình quá

độ và quá trình xác lập

Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian Hệ thống không ổn định nếu quá trình quá độ tăng dần theo thời gian Hệ thống ở biên ổn định nếu quá trình quá độ không đổi hoặc dao động không tắt dần

Một hệ thống điều khiển tuyến tính thường được biểu diễn bởi một phương trình

vi phân tuyến tính tổng quát:

x.bdt

dxb

dt

xdbdt

xdby.adt

dya

dt

ydadt

y

d

1 m 1 m m

m m 0

1 1

n

1 n 1 n n

m

1 j

j j j i

i i

dt

x d b dt

y d

Nghiệm của phương trình (2.2) sẽ có dạng: y(t)=y0(t)+yqđ(t) (2.3) Bất cứ một hệ điều khiển nào cũng có hai quá trình, quá trình quá độ và quá trình xác lập Hai quá trình này được thể hiện bởi nghiệm của phương trình vi phân mô tả hoạt động của chúng

y0(t) - nghiệm riêng của (2.2) đặc trưng cho quá trình xác lập

yqđ(t) - nghiệm tổng quát của (2.2) đặc trưng cho quá trình quá độ



=

= n

1 i

t Di i

qđ(t) C e

Hệ thống ổn định khi:

0 e

C lim ) t ( y

t qđ

Trang 30

a Hệ ổn định ; b Hệ không ổn định

Nếu gọi toán tử vi phân cấp n là n

n n

dt

d

D = ta có phương trình đặc tính sau:

0a

D.aD

0e

.Clime

Khi tín hiệu điều khiển là sóng hình sin thì tín hiệu ra sẽ là sóng hình sin nhưng

bị lệch pha và biên độ ra cũng khác đi Trường hợp lệch pha nhỏ thì đáp ứng ổn định, khi lệch pha >1800 thì độ lệch pha giữa biên độ vào và biên độ ra sẽ tăng đáng kể có thể dẫn tới mất ổn định Giới hạn lệch pha khi hệ còn nằm trong miền ổn định là  900 Tuy nhiên, vấn đề ổn định và độ chính xác có quan hệ với nhau Đáp ứng của hệ điều khiển tự động ở trạng thái xác lập cần phải khống chế trong một phạm vi dung sai cho phép 2.1.2.2 Tiêu chuẩn ổn định

Hiện nay khi xét điều kiện ổn định của hệ thống điều khiển tự động người ta sử dụng các tiêu chuẩn ổn định, đó là:

Tiêu chuẩn đại số: tìm điều kiện ràng buộc giữa các hệ số của phương trình đặc tính để hệ thống ổn định đó là tiêu chuẩn Routh - Hurwitz;

Tiêu chuẩn ổn định tần số: thông qua đặc tính tần số của hệ thống để xét ổn định

Nếu i 0 - hệ ổn định Nếu i = 0 - hệ ở biên ổn định

Nếu i 0 - hệ không ổn định

Trang 31

đó là tiêu chuẩn Mikhailov, tiêu chuẩn Nyquyst

2.1.2.3 Sai số điều khiển

Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động thường được đánh giá bởi độ ổn định, độ nhạy, độ chính xác, tính điều khiển được, quan sát được và đáp ứng quá độ Tuỳ theo mức độ của từng hệ thống mà có các yêu cầu đặc tính chất lượng khác nhau Khi có tác động đầu vào thì hệ sẽ có quá trình chuyển trạng thái, tức là chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác, quá trình đó gọi là quá trình quá

độ Sau khi kết thúc quá trình quá độ, hệ thiết lập một quá trình ổn định mới, quá trình

đó là quá trình xác lập.Ở trạng thái xác lập mới này hệ có một sai số nào đó và sai số này phụ thuộc vào các tham số và cấu trúc của hệ

Trạng thái động lực học của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của hệ

mà còn phụ thuộc vào sự thay đổi của tín hiệu vào.Phân tích đáp ứng quá độ tức là nghiên cứu chuyển trạng thái của hệ trong lĩnh vực thời gian - thường được gọi là đặc tính thời gian

Sai lệch sinh ra do tín hiệu vào không đổi sau khi kết thúc quá trình quá độ gọi là sai lệch tĩnh Chất lượng của hệ thống càng cao nếu sai lệch tĩnh càng nhỏ

Yêu cầu về độ chính xác và độ ổn định của hệ thống thường mâu thuẫn nhau Khi tăng hệ số khuếch đại thì độ chính xác càng nâng cao nhưng ngược lại độ ổn định càng giảm và hệ cũng dễ bị mất ổn định Nên trong một hệ thống điều khiển cần phải giải quyết thích đáng quan hệ giữa độ chính xác và ổn định

Khảo sát mạch điều khiển có phản hồi trên hình 2.11:

Hình 2.11 Sơ đồ phân tích chất lượng hệ điều khiển tự động

Trong đó: G(s) - Hàm truyền của hệ hở; F(s) - Tín hiệu phản hồi;

G(s)

Sai số Độ không ổn định

Trang 32

)s(R)s(

G =

thì hệ kín có:

C

K)

s(G1

)s(G)

s(C)s(R

+

C K

K)

s(G1

)s(G)

s(C

)s(R)s(G

K

1K

)

s(G

)s(G)

s(C

)s(R)s(

G = = = (2.11) Tức là, hàm truyền hệ kín phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của khâu phản hồi Khi G(s) lớn sai số giảm nhưng khả năng mất ổn định tăng (hình 2.11)

Việc đánh giá ổn định của hệ thống bằng các phương pháp trình bày ở công thức (2.5), (2.6), hình 2.10 và công thức (2.7), (2.8) sẽ rất phức tạp nếu như phương trình đặc tính từ bậc 4 trở lên Để tính toán ta phải tính gián tiếp theo các tiêu chuẩn ổn định với miền xác định

2.1.2.4 Các chỉ tiêu của đáp ứng quá độ

Các chỉ tiêu chất lượng của đáp ứng quá độ được nghiên cứu qua hệ bậc 2, khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị Các hệ cao hơn bậc 2, gần đúng có thể coi là bậc 2 nếu có một cặp nghiệm phức liên hợp

4) TP là thời gian mà đáp ứng quá độ đạt giá trị cực đại

5) n là số lần dao động quanh giá trị cuối cùng, thường n  3

Trang 33

Biến đổi Laplace với điều kiện đầu triệt tiêu:

s

1)s(u

)s(y)s(W)

s(u.s

1)s(

Tín hiệu ra theo là diện tích hình thang có chiều cao là T, hai đáy u(k) và u(k+1)

u(k 1) u(s)

.2

T)k(y)1k(

Hình 2.13 Sơ đồ cắt mẩu để chuyển tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc

Bằng phép biến đổi Z quan hệ giữa hàm gốc y[k] và ảnh Y(Z) là:

y[k+1] Z.Y(Z) y[k+2] Z2.Y(Z)

s 1

0 u(s) y(s)

Trang 34

y[k+n] Zn.Y(Z) Phương trình (2.15) gọi là phương trình sai phân, thay (2.16) vào (2.15) ta được phương trình đại số là: Z.u(Z) u(Z)

2

T)Z(Y)Z(Y

Từ (2.17) ta được hàm truyền rời rạc là:

1Z

1Z2

T)Z(u

)Z(Y)s(W

1ZT

2s

+

−

2.1.3 Chức năng và hàm truyền của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative controller) là thiết bị dùng để hiệu chỉnh tín hiệu tác động đối tượng điều khiển nhằm cải thiện đặc tính động lực học và nâng cao độ chính xác điều khiển của hệ điều khiển tự động (có thể gọi PID là bộ hiệu chỉnh )

Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến trong công nghiệp PID có các loại là: điện tử, khí nén và PID số Hiệu chỉnh PID có thể thực hiện bằng thuật toán trong chương trình điều khiển thiết bị

Phương trình vi phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu vào e(t) và tín hiệu ra I(t) của bộ điều khiển PID là:



++

dt

t de K t e K t

I( ) P ( ) D ( ) I ( ) (2.20)

Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:

s

Ks.KK)s(E

)s()s(

D P PID = = + + (2.21) Trong đó:

KP - Hệ số khuyếch đại tỷ lệ, đảm bảo cho thời gian đáp ứng nhanh;

KI - Hệ số khuyếch đại của khâu tích phân, đảm bảo cho việc triệt tiêu sai số ở chế độ xác lập;

KD - Hệ số khuyếch đại của khâu vi phân, nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điều khiển

Tùy theo yêu cầu của thiết bị mà sử dụng điều khiển theo P, PI, PD hoặc PID và xác định giá trị của các hệ số KP, KD và KI sao cho thoả mãn các yêu cầu chất lượng của hệ thống

Trang 35

KD.s E(s)

Hàm truyền của bộ điều khiển P, PI và PD là:

Điều khiển theo P: KP

)s(E

)s( = (2.22)

Điều khiển theo PI:

s

KK)s(E

)s

)s(

Hình 2.14 Sơ đồ ghép bộ điều khiển PID với mạch điều khiển của hệ thống

Hình 2.15 là đáp ứng của hệ khi áp dụng các phương pháp điều khiển P, PI, PD

và PID

Hình 2.15 Đáp ứng của hệ khi sử dụng phương pháp

điều khiển theo P, PI, PD và PID

Ngoài việc thực hiện điều khiển bằng phần cứng được bố trí như hình 2.16 còn

có thể thực hiện điều khiển theo PID bằng thuật toán phần mềm thể hiện trong chương trình điều khiển từ các công thức (2.21), (2.22), (2.23) và (2.24)

E +xH

Trang 36

2.2 Lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực

2.2.1 Phương pháp phân tích và tính toán các thông số cơ bản trong mạch thủy lực

2.2.1.1.Nguồn thủy lực và mạch thủy lực có tiết diện chảy ghép nối tiếp và song song Hiện nay, nguồn thủy lực được phân thành hai dạng là nguồn lưu lượng không đổi và nguồn áp suất không đổi

Công suất trong mạch thủy lực được xác định theo công thức là:

Trong đó: E - đặc trưng cho công; V - thể tích chất lỏng truyền được;

N - công suất truyền; p - áp suất chất lỏng

Tùy thuộc vào thứ nguyên của áp suất P và lưu lượng Q mà công thức (2.26) có thêm các hệ số

Mô hình tính toán của nguồn lưu lượng lý tưởng là: Nra = Nvào

Nghĩa là: p.Q = Mx. (2.27) Trong đó: Mx - mômen xoắn trên trục vào của bơm;

 - vận tốc góc của trục bơm

Nếu gọi V là thể tích chất lỏng bơm được, D là dung tích làm việc của bơm trong một radian và  là góc quay của bơm, ta có quan hệ: V = D. (2.28) Lấy đạo hàm (2.28):

dt

d D dt

D =

.2

Dvg

(2.31)

và: Mx = p.Dvg; Q = D. = 

 .2

Dvg (2.32)

Mạch thủy lực có các tiết diện chảy ghép nối tiếp và ghép song song:

Khi chất lỏng chảy qua khe hẹp thì lưu lượng tỷ lệ với căn bậc 2 của hiệu áp trước và sau khe hẹp: Q = K0 p (2.33) Trong đó: p - hiệu áp trước và sau khe hẹp;

Trang 37

K0 - hệ số liên quan đến sức cản thủy lực được xác định bằng thực nghiệm theo công thức:

K0 = (2.34) Lưu lượng và áp suất xác định theo công thức (2.33) là dòng chất lỏng chảy rối Đây là trường hợp phổ biến của dòng chất lỏng chảy trong hệ thống kín Tuy nhiên, thực tế cũng có không ít trường hợp chất lỏng thực hiện dòng chảy tầng, khi đó quan

hệ giữa áp suất và lưu lượng là tuyến tính: Q = K.p (2.35) (K là hệ số liên quan đến sức cản thủy lực khi chảy tầng)

Nếu giả thiết tổn thất lưu lượng không đáng kể thì phương trình liên tục của dòng chảy thể hiện là tổng lưu lượng đi vào một nút bằng tổng lưu lượng đi ra nút đó:

Qvào = Qra (2.36)

Để nghiên cứu mạch thủy lực ta có khái niệm về loại mạch ghép nối tiếp và ghép song song như sau:

Mạch nối tiếp: là mạch mà trong đó không có sự phân nhánh và lưu lượng ở mọi

nơi trên đường truyền dẫn đều bằng nhau

Mạch song song: là mạch khi phân nhánh hiệu áp ở mọi nhánh đều bằng nhau

Hình 2.16 Sơ đồ ghép nối tiếp và ghép song song

a Sơ đồ ghép nối tiếp; b Sơ đồ ghép song song

Trên hình 2.16a, các khe hẹp A, B và C (hay gọi là tiết diện chảy) được ghép nối tiếp nhau theo trình tự 1 - A - 2 - B - 3 - C - 4 Lưu lượng chất lỏng đi trong mạch là như nhau, tức là:

Q1A = QA2 = Q2B = QB3 = Q3C = QC4 ; pS = pA + pB + pC (2.37)

Ở hình 2.16b, các khe hẹp A, B và C được ghép song song với nhau, hiệu áp được tính là:

pS = pC = pB = pA (2.38)

Trang 38

Lưu lượng: QT = QA + QB + QC (2.39) Trong các loại van trượt điều khiển khi chất lỏng chảy qua khe hẹp có tiết diện chảy thay đổi thì quan hệ giữa lưu lượng và độ dịch chuyển về điều chỉnh tiết diện chảy của van xác định theo công thức sau:

Q = Kv f(x) p (2.40) và: Qđm = Kv.f(xmax) pdm (2.41) Trong đó: Kv - hệ số; Qđm và pđm - lưu lượng và hiệu áp định mức của van;

f(xmax) - hàm quan hệ giữa tiết diện chảy và độ dịch chuyển lớn nhất của

van

Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng Q và độ dịch chuyển của con trượt x của van theo công thức (2.40) thể hiện ở hình 2.17a Các nhà thiết kế, chế tạo van luôn mong muốn quan hệ Q - x là tuyến tính, ngay cả các loại van điện thủy lực quan hệ giữa lưu lượng Q và dòng điện điều khiển van i, người ta cũng mong muốn là tuyến tính như ở hình 2.17b

Q = K p

i

max

 với 0 < i <imax (2.42)

Hình 2.17 Đồ thị quan hệ giữa Q và x, Q và i của van trượt điều khiển

a Đặc tính thực; b Đặc tính lý thuyết hoặc đã tuyến tính hoá

2.2.2 Phương pháp phân tích và tính toán van trượt điều khiển

Van trượt điều khiển là một bộ phận rất quan trọng trong mạch điều khiển thủy lực, chúng có nhiều loại, mỗi loại có những đặc điểm về kết cấu và tính toán riêng Nói chung van trượt điều khiển rất phức tạp về mặt kết cấu và tính toán Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này.Phần này chỉ giới thiệu những tính toán cần thiết cho nghiên cứu van trượt điều khiển

Khi con trượt di chuyển theo hướng x, cửa ra của van mở, chất lỏng đi qua cửa ra

Trang 39

và có véctơ vận tốc hợp với trục con trượt một góc là  áp suất thủy tĩnh tác động lên con trượt sẽ phân bố như trên hình 2.9b ở cửa vào B áp suất tác động lên con trượt phân bố đều, ở cửa ra A áp suất thay đổi theo quy luật bậc hai giảm dần gần phía mép cửa ra

Lực tác dụng lên con trượt ở phía B: fB = x

0

R R

B dA

p (2.43)

Vì áp suất phân bố đều trên toàn bộ bề mặt của con trượt nên:

fB = pB.FB với pB = p (2.44)

Hình 2.18 Sơ đồ tính toán lực chiều trục của con trượt điều khiển

a Sơ đồ nguyên lý làm việc của con trượt;

b Sơ đồ thể hiện sự phân bố áp suất trên con trượt;

c Sơ đồ thể hiện hướng chuyển động của dầu ở mép điều khiển

Lực tác dụng lên con trượt ở phía A: fA = x

0

R R

A dA

p (2.45)

Vì chất lỏng đi qua khe hẹp của van làm áp suất giảm xuống nên:

fB> fA tức là fB− fA = fQ> 0 (2.46)

Do có lực chiều trục fQ mà con trượt có xu hướng đóng van

Trong đó: FB , FA - diện tích hình vành khăn của con trượt có bán kính trong là

hay





= 2. pF

C

Q

A Q

= v (2.48)

Trang 40

Thay (2.48) vào (2.47) thì: fQ = CQ 2..Q p.cos

hoặc: fQ = KQ.Q  cosp  (2.49) Trong đó:

v - vận tốc chất lỏng ở cửa hẹp;  - tỷ trọng của chất lỏng;

KQ = CQ 2. - hệ số; p - hiệu áp trước và sau cửa hẹp;

CQ - hệ số phụ thuộc vào kết cấu hình học của tiết diện chảy;

 - góc hợp bởi véctơ vận tốc ở cửa ra của dòng chất lỏng với trục con trượt Như vậy, do tiết diện chảy thay đổi đột ngột gây ra hiệu ứng thủy động làm cho

áp suất của chất lỏng tác dụng lên bề mặt của con trượt ở phía A và B không cân bằng nhau Khi thiết kế van cần có biện pháp để cân bằng lực chiều trục fQ

Khi chất lỏng chảy qua khe hẹp có tiết diện thay đổi (trong van trượt điều khiển) thì quan hệ giữa lưu lượng và độ dịch chuyển về điều chỉnh tiết diện chảy của van xác định theo công thức: Q=KV (x) p (2.50)

và Qâm =KV.f(xmax) pâm (2.51) Trong đó:

Qđm và Pđm là lưu lượng và hiệu áp định mức của van;

f(xmax) - hàm quan hệ giữa tiết diện chảy và độ dịch chuyển lớn nhất của van

Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng Q và độ dịch chuyển của con trượt x của van theo công thức (1.50) thể hiện hình 1.20 Các nhà thiết kế, chế tạo mong muốn quan hệ

Q - x là tuyến tính Trong các van điện - thuỷ lực người ta cũng mong muốn quan hệ giữa lưu lượng Q và dòng điện điều khiển van (i) là tuyến tính

p.i

i.KQ

max

= với 0 < i < imax(2.52)

Hình 2.19 Đồ thị quan hệ Q - x và Q - i của van trượt

Mối quan hệ giữa van và cơ cấu chấp hành:

Động cơ dầu có kết cấu hoàn toàn đối xứng nên lưu lượng vào bằng lưu lượng ra

Vùng sử dụng

Q

x (i)

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	3,51 MB