Nghiên cứu đáp ứng quá độ mạch Điều khiển tốc độ của mô tơ thủy lực rockford illinoi s16z3 Khi ứng dụng bộ chuyển đổi số Lab-PC+ và van servo bd90 Investigating transient response of the velocity control system in a Rockford illinoi S16Z3 hydraulic motor system equipped with Lab-PC+ and servo valve BD90 Trần Xuân Tùy, Đại học Đà Nẵng Email : tranxuantuy@yahoo.fr Tóm tắt : Để lắp ráp một thiết bị điều khiển tự động, ngoài việc nghiên cứu nối ghép cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển và phần mềm thì việc nghiên cứu các chỉ tiêu chất lợng của hệ điều khiển là rất quan trọng. Bài báo này giới thiệu các vấn đề liên quan đến việc nối ghép giữa môtơ thủy lực, cảm biến tốc độ, van servo, bộ khuếch đại servo BD90, carte acquisition Lab-PC và các kết quả nghiên cứu ảnh hởng của hệ số khuếch đại tích phân K I đến đáp ứng quá độ khi điều khiển tốc độ của môtơ thủy lực. Abstract : In setting-up an automatic control system, besides studying the configuration of control system, actuator and software packages, it is of critical importance to have the entire system to work with high performance. This acticle introduces many features in setting-up such a system with hydraulic motor driven, velocity sensors, servo-valve, BD90 servo amplifier, acquisition card Lab-PC+, also gives the results in the influence of the integral control gain K I on transient response obtained in the system. 1. Đặt vấn đề Tạp chí Jounal of dynamic systems, measurement and control và tạp chí The Journal of fluid control đã công bố nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển tự động hệ thuỷ lực chuyển động thẳng và quay của các nhà khoa học thế giới. ở Việt Nam, lĩnh vực này ngày càng đợc ứng dụng mạnh vào công nghiệp và hiện đợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Mỗi thiết bị đợc chế tạo, lắp ráp sẽ có tính năng và đặc tính động lực học khác nhau nên việc nghiên cứu xác định các thông số để hệ thống làm việc chính xác, ổn định và tin cậy là việc làm hết sức cần thiết. Tại phòng thí nghiệm kỹ thuật điều khiển của khoa cơ khí trờng đại học kỹ thuật- ĐHĐN chúng tôi đã lắp ráp thành công hai thiết bị truyền động thuỷ lực điều khiển bằng chơng trình máy tính. Bài Mô hình điều khiển vị trí hệ thuỷ lực ứng dụng van- proportional đăng ở tạp chí khoa học và công nghệ các trờng Đại học kỹ thuật số - 21/1999 và bài Mô hình điều khiển tốc độ của mô tơ thuỷ lực ứng dụng van servo đăng ở tuyển tập công trình khoa học tại hội nghị khoa học toàn quốc về cơ học kỹ thuật -2001 đã trình bày việc xây dựng mô hình và nghiên cứu ảnh hởng của hệ số khuếch đại tỷ lệ Kp đến quá trình quá độ của hệ. Lần này chúng tôi giới thiệu một kết quả nghiên cứu về ảnh hởng của hệ số khuếch đại tích phân K I đến đặc tính của quá trình quá độ khi điều khiển tốc độ của mô tơ thuỷ lực. 2. Nội dung Cơ sở lý thuyết : Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình điều khiển, lựa chọn các thông số cho việc lắp ráp thiết bị. Mô hình nghiên cứu là hệ tuyến tính đợc thể hiện ở hình 1, với các giả thuyết là bộ khuếch đại, cảm biến và van servo đợc coi là một khâu khuếch đại; bỏ qua biến dạng của dầu trên đờng ống dẫn; không tính đến quán tính của dầu; trục truyền động cứng vững tuyệt đối. Hình 1. Mô hình điều khiển tốc độ của môtơ thủy lực. Trong đó : 1- Van servo; 2- Môtơ thuỷ lực; 3- Mômen quán tính khối lợng quy đổi; 4- Tốc kế; 5- Bộ khuếch đại của van. Phơng trình cân bằng mômen : M = M a + M D Dp J d dt f m .=+ (1) Phơng trình lu lợng : Q = Q + Q C + Q QD V B dp dt p m =+ +. . 2 (2) Q = K V .I - K 0 .p (3) Các phơng trình khác : I = K A .E = K A .(U - F) (4) F = K A . Biến đổi (1), (2), (3) và (4) sang phơng trình Laplace ta có : Dps Js s f s m .() () . () = + Qs D s V B sps ps m () . () . () . ()=+ + 2 Qs K I s K ps V () . () . () = 0 (5) Is K Es A () . () = Es Us K s C () () . () = Hàm truyền của môtơ thuỷ lực là : 2 2 m 2 m m 2 m s. )f.D(B2 J.V s. )f.D.(B2 .J.B2f.V 1 D/)f.D( )s(Q )s( + + + + + + = Hay : 1 s .2 s K 1s.T.2s.T K )s(Q )s( 0 1 2 0 1 22 1 + + = ++ = (6) Trong đó : m 2 m D f.D K + = (7) P 4 V 1 I U T f Q D m P T P S F E K A K V K 0 J K 2 3 5 J C J.V )f.D.(B2 T 1 H 2 m 1 0 = + == (8) )f.D(J.V.B2 .J.B2f.V 2 1 T.2 T 2 m 1 2 1 + + == (9) Với : K - Hệ số khuyếch đại của cum môtơ thủy lực-tải. T 1 - Hằng số thời gian của môtơ thủy lực-tải. 0 - Tần số dao động riêng của môtơ thủy lực-tải. 1 - Hệ số tắt dần của môtơ thủy lực-tải. C H - Độ cứng của cụm môtơ thủy lực-tải. Sơ đồ khối của mạch điều khiển đợc biểu diễn nh hình 2. Hình 2. Sơ đồ khối của mạch điều khiển tốc độ mô tơ thủy lực. a, Sơ đồ khối của mô hình toán (5) và(6). b, Sơ đồ khối rút gọn của hình 2a. Sau khi rút gọn hình 2a về hình 2b ta có các ký hiệu là ; f.K.KD D.K K 0m m + = (10) J C J.D )f.K.KD.(C qd m 0mH n = + = (11) J.D.V).f.K.KD).(f.D.(B4 )f.D.(J.K.K.B2D J.B2D.f.V m0m 2 m 2 m0mm 2 ++ +++ = (12) Với : K - Hệ số khuyếch đại của cụm van-môtơ thủy lực-tải. n - Tần số dao động riêng của cum van- môtơ thủy lực-tải. 2 - Hệ số tắt dần của cụm van- môtơ thủy lực-tải . C qđ - Độ cứng của cụm van- môtơ thủy lực-tải. Qua phân tích trên ta thấy cụm van-môtơ thuỷ lực là một khâu dao động có tần số riêng, độ cứng và hệ số tắt dần đợc xác định theo các công thức (11) và (12) nên có thể quy đổi về một mô hình dao động xoắn cơ học tơng đơng biểu diễn nh hình 3. Mô hình này cơ thể sử dụng để nghiên cứu quá trình động lực học của hệ. F(s) (s) P(s) Q(s) I(s) E(s) U(s) K A K V 1 s .2 s K 0 1 2 0 + + m D fs.J + K 0 K c F(s) (s) E(s) U(s) K A .K V 1 s .2 s K n 2 2 n + + K c a, b , Hình 3. Mô hình quy đổi tơng đơng của cụm van-môtơ thủy lực. Thực nghiệm : Từ sơ đồ khối hình 2 ta có hệ số khuyếch đại của hệ thống K H là : CVAH K.K.K.KK = (13) Các hệ số trong công thức (13) là hệ số khuếch đại của các phần tử trong mạch điều khiển khi hệ làm việc ở chế độ xác lập, các hệ số này đợc sử dụng để tính toán, hiệu chỉnh mối tơng thích giữa các bộ phận của thiết bị khi rắp ráp. Thứ nguyên của các hệ số khuếch đại thành phần là : Von mA K A ; mA s/Cm K 3 V ; s/C m s/Rad K 3 ; s/Rad Von K C Từ các kết quả trên thiết bị thí nghiệm đợc lắp ráp theo sơ đồ hình 4. Hình 4. Sơ đồ lắp ráp thiết bị thí nghiệm. Các bộ phận và thông số chính của thiết bị là : Mô tơ thủy lực : Delta power hydraulic co, Rockford illinois, Model 16 - Z-3. Vanservo BD90 - Parker Electrohydraulic, Q = 0 ữ76l/p, p max = 315Bar, I max = 100mA, sai số tuyến tính I-Q < = 5% Amplificater BD90 - Parker Electrohydraulic, sai số tuyến tính <= 0.1% . Tốc kế : PITTMAN USA, No F8412G591, 2V/KRPM. Carte acquisition (A/D và D/A) Lab-PC + , National Instruments Corporation, Điện áp vào và ra 10v, I max 2 mA, 01 bộ ADC 12 bít và 02 bộ DAC 16 bít, trạm liên kết SC-2071. Các thông số chính khác : p S = 35 kg/cm 2 ; Q S = 11 l/p ; J = 15 Nms 2 ; D m = 12Cm 3 /Rad; K C = 0,032v/(Rad/s); K V = 11,5(Cm 3 /s)/mA; B = 1,4.107kg/Cm 2 ; Thiết bị điều khiển theo PI qua thuật toán trong chơng trình điều khiển, chơng trình điều khiển viết theo ngôn ngữ Borland C ++ . Các tín hiệu điều khiển và phản hồi đợc lu trữ trong các fil vao.dat và ra.dat của chơng trình điều khiển. Số liệu đó dùng để vẽ đặc tính nhờ chơng trình do_thi1.m viết theo phần mềm Matlab 4.2. 10 V 10 V 10 V PC T A J Van V Lab - PC + C qd J J C = đq n Hình 5 là đáp ứng quá độ của hệ thống thu đợc bằng thực nghiệm điều khiển bằng chơng trình máy tính. Các hình 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f tơng ứng với hệ số khuyếch đại tỷ lệ là K P = 0,6 , điện áp điều khiển là U=2500mv và hệ số khuếch đại tích phân là : K I = 0,5, 0.7, 1.0,1.5; 2.0, 2.5. Qua các kết quả thực nghiệm ta thấy khi hệ số khuyếch đại K I tăng thì thời gian đáp ứng tăng và khả năng ổn định kém. 3. Kết luận B ài toán trên đã xác định đợc tần số dao động riêng, hệ số tắt dần của cụm truyền động van - mô tơ thủy lực - tải và hệ số khuếch đại hệ thống. Thực hiện ghép nối tơng thích giữa các phần tử trong mạch điều khiển, số liệu của các tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi thu đợc qua chơng trình điều khiển. Từ các số liệu này có thể vẽ đặc tính qua chơng trình do_thi1.m của phần mềm Matlab hoặc vẽ tực tiếp từ chơng trình hoạt động của thiết bị. Từ những kết quả trên chúng ta có thể nghiên cứu chọn hệ số khuếch đại tích phân K I tối u để hệ thống làm việc có đáp ứng quá độ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đạt ra. Các ký hiệu sử dụng : U-Tín hiệu điều khiển; E-Tín hiệu so sánh; K A -Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại A; I-Dòng điện điều khiển; K V , K 0 -Các hệ số kết cấu của van; Q-Lu lợng cung cấp của van; -Hệ số tổn thất lu lợng; p S - á p suất cung cấp; p T -áp suất ra khỏi van; p-áp suất làm việc của mô tơ thủy lực; f-Hệ số ma sát nhớt; D m -Hệ số kết cấu của mô tơ thủy lực; V-Thể tích chứa dầu trong buồng công tác; B-Môđun đàn hồi của dầu; J-Giá trị của mômen quán tính khối lợng; -Vận tốc góc của trục quay; K c -Hệ số khuyếch đại của cảm biến tốc độ; F-Tín hiệu phản hồi; M a -Mô men quán tính; M D -Mô men ma sát; Q -Lu lơng làm quay trục môtơ; Q - Lu lợng do tổn thất. tài liệu tham khảo [1] H.Dorr,R.Ewald,A.Schmitt - Technique des valves proportionnelles et servo-valves. RF00303, page 45-125,(10/1996). [ 2 ] DAQ.Lab-PC + User manual, National instruments corporation, June 1996. [ 3 ] Vickers . Closed loop electrohydraulic systems manual. Printed in USA, 1993. [4] Trần Xuân Tùy. Mô hình điều khiển tốc độ của mô tơ thuỷ lực ứng dụng van servo. Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc về Cơ kỹ thuật, tập 2. Hà nội 12-13/2001. [5] Trần Xuân Tùy. Mô hình điều khiển vị trí hệ điều khiển tự động thủy lực ứng dụng van proportional. Tạp chí khoa học và công nghệ các trờng đại học kỹ thuật. Số 21, Hà Nội-1999. H ×nh 5. KÕt qu¶ thùc nghiÖm a, b, c, d, f, e, . Nghiên cứu đáp ứng quá độ mạch Điều khi n tốc độ của mô tơ thủy lực rockford illinoi s16z3 Khi ứng dụng bộ chuyển đổi số Lab -PC+ và van servo bd90 . số khuyếch đại của cụm van- m tơ thủy lực- tải. n - Tần số dao động riêng của cum van- m tơ thủy lực- tải. 2 - Hệ số tắt dần của cụm van- m tơ thủy