Nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng bộ điệnthuỷ lực đóng mở van thuỷ lợi, thuỷ điện ở Việt Nam575

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Về vấn đề điều khiển cửa van cỡ lớn ngành thủy lợi, thủy điện, đặc trưng kết cấu cửa van dẫn đến chúng có số yêu cầu dẫn động khác hệ thống thường gặp công nghiệp Hệ thống cửa van ứng dụng thủy điện, thủy lực thường có kích thước lớn, khơng muốn nói lớn so với cấu thơng thường khác Kích thước bán kính cung cửa van đạt 100m, số trường hợp đặc biệt, bán kính vận hành đến 450m Với kích thước lớn vậy, cửa van thủy lợi, thủy điện thực việc điều khiển thông qua cấu chấp hành nhất, mà chúng thường điều khiển vài cấu chấp hành, có đến hàng chục chấp hành Các cấu chấp hành thường nối trực tiếp với cấu điều khiển, kích thước đối tượng điều khiển lớn, giao diện cấu chấp hành đối tượng điều khiển thơng qua kết cấu khí truyền lực khác Việc sử dụng nhiều chấp hành dẫn đến điều kiện để cửa van hoạt động chấp hành phải đảm bảo chuyển động đồng vận tốc vị trí tương Nói cách khác chúng cần chuyển động đồng với Về hệ thống máy đóng mở thủy lực cho cơng trình thủy lợi, thủy điện đến thời điểm chưa có cơng trình nghiên cứu cách đầy đủ, nước ta chưa có ngành chế tạo thiết bị thủy lực Xuất phát từ yêu cầu thực tế, tác giả nghiên cứu đề tài luận án: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng điện-thủy lực đóng mở tự động cửa van thủy lợi, thủy điện Việt nam” Mục đích nghiên cứu: Về lý thuyết: Nghiên cứu sở khoa học để thiết kế máy đóng mở thủy lực có khả điều khiển đồng chuyển động hai xy lanh Về thực tiễn: Nghiên cứu thực nghiệm xác định đặc tính độ sai số máy đóng mở thủy lực có độ xác cao, ứng dụng cho cửa van cỡ lớn thủy điện, thủy lợi Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu cấu hình, mơ hình tốn máy đóng mở thủy lực sử dụng hai xy lanh với tải trọng lệch không xác định sản phẩm lý thuyết thực nghiệm đề tài nghiên cứu Khoa học Công nghệ KC05-DA12 Phạm vi nghiên cứu lý thuyết giới hạn việc xây dựng mơ hình tốn hệ thống điều khiển máy đóng mở thủy lực hai xy lanh Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm giới hạn việc thí nghiệm với giàn thí nghiệm có tiết lưu gây tải 2 Ý nghĩa đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng cho máy đóng mở vấn đề Việt Nam Đề tài đề xuất cấu hình cho máy đóng mở thủy lực nâng hạ hai xy lanh cho cửa van cỡ lớn có mạch điều khiển gồm mạch điều khiển servo vịng kín, mạch phản hồi lực tải mạch khử sai số tĩnh Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tìm luật điều khiển máy đóng mở thủy lực cho cửa van cỡ lớn có độ xác vị trí cao: mơ hình lý thuyết thực nghiệm khẳng định độ xác vị trí xy lanh nhỏ 1% hệ thống thí nghiệm sử dụng đề tài dùng để phục vụ giảng dạy nghiên cứu Bố cục luận án: Luận án bao gồm chương trình bày vấn đề nghiên cứu, cơng trình cơng bố tác gi tài liệu tham khảo Nội dung vấn đề nghiên cứu cấu trúc sau: Chương 1: Giới thiệu chung Phân tích khía cạnh thực tế đề tài với nghiên cứu trước đây, xem xét phân loại hệ thống điều khiển tương tự, tổng quan nghiên cứu trước đây, đánh giá ưu, nhược điểm chúng Từ đó, xác định nhiệm vụ đề tài Chương 2: Cấu hình EH-SCS đề xuất Hệ thống EH-SCS hệ thống điều khiển theo nguyên lý điều khiển Hệ thống phối hợp ưu điểm vài loại điều khiển có, thêm số tính mới, phát triển sở điều khiển phi tuyến Chương 3: Xây dựng mơ hình EH-SCS Khảo sát đặc tính phần tử hệ thống Thực việc mơ hình bước thiết kế hệ thống điều khiển nhiều đầu vào nhiều đầu cho chấp hành tuyến tính Thiết kế tổng hợp luật điều khiển cho xy lanh thủy lực Chương 4: Một số kết mô Mơ tả thí nghiệm mơ theo vết vị trí hệ thống điều khiển thủy lực với kết ảnh hưởng tải trọng lệch đến sai số Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Mô tả chi tiết thức thực nghiệm, kết sai số đồng Kết luận kiến nghị Nêu kết luận rút từ nghiên cứu kiến nghị cho nghiên cứu Phụ lục 1: Hàm điều khiển Lyapunov trường hợp tổng quát 3 Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển đồng thực tiễn Hệ thống điều khiển đồng điều khiển đồng hệ thống có hai hay nhiều chấp hành loại có khả điều khiển chuyển động song song, với vận tốc vị trí tương chấp hành mang tải khác Trong hệ thống điều khiển đồng bộ, điều khiển xác, vị trí vận tốc chấp hành thời điểm Với hệ thống điều khiển đồng bộ, tải trọng chất lên cấu chấp hành khác không ảnh hưởng đến vị trí vận tốc chuyển đồng đồng Do đó, vị trí cấu chấp hành tương ứng với giá trị đặt đầu vào vận tốc chấp hành tương ứng tự động điều chỉnh cho đồng thực xác tốt Hệ thống điều khiển đồng với tính chất sử dụng rộng rãi dân dụng công nghiệp Một số trường hợp đặc biệt máy nâng cống dẫn dòng thủy điện Sơn La mà tác giả tham gia hệ thống điều khiển đồng áp dụng nhiều phương pháp đồng hình thành nên ý tưởng điều khiển hệ thống đồng dựa hệ tiết lưu với hệ điều khiển vòng kín xác cao Trong đa số trường hợp mà ta thường gặp thực tế, chất, hệ thống điều khiển đồng hệ thống khuyếch đại công suất Nhiệm vụ cuối chúng đảm bảo độ xác vị trí, vận tốc, khử tích lũy lặp lại với tất chấp hành thời điểm định 1.2 Sự cần thiết tính đồng hệ thống điều khiển Với tải trọng nhau, chấp hành, hiểu theo nghĩa rộng động điện, động thủy lực khí nén kiểu tịnh tiến, quay…đều chuyển động không đồng tốc với Nguyên nhân chuyển động khơng đồng có bất đối xứng (cả theo nghĩa tương đối tuyệt đối) kích thước, yếu tố bên ngồi nhiệt độ, độ khơng xác trọng tâm tải trọng, kết cấu khơng hồn tồn đối xứng, vật liệu không đồng nhất, ma sát chấp hành không giống nhau… Với nguyên nhân đa dạng trên, hệ thống điều khiển chuyển động có yêu cầu tính đồng máy ép cỡ lớn, cửa van chắn nước, máy điều chỉnh vận tốc…cần thiết phải trang bị hệ thống điều khiển có khả đảm bảo chuyển động đồng chấp hành Trong số trường hợp đặc biệt, ví dụ nâng giàn khoan dầu khí, chuyển động đồng cấu chấp hành yêu cầu cao độ xác, lực truyền động lớn độ an tồn cao hệ thống điều khiển đồng cần trang bị Tuy vậy, với phát triển khoa học công nghệ, vấn đề điều khiển đồng đã, phải tiếp tục nghiên cứu phát triển đầy đủ 4 1.3 Phân loại hệ thống điều khiển đồng Tiêu chí phân loại hệ thống điều khiển đồng phong phú tùy theo yêu cầu kỹ thuật, mục đích ứng dụng, mơi trường làm việc hay đơn giản dựa thơng số dễ quan sát đo đạc Về tổng quan, hệ thống điều khiển đồng phân loại chủ yếu theo phương pháp Hình 1.1 Sai số phương pháp đồng tham khảo Bảng 1.1 Bảng 1.2 1.4 Những điểm luận án Trong hệ thống EH-SCS giới thiệu trên, hệ bám-hệ điều khiển servo, tín hiệu đầu bám theo tín hiệu đầu vào, bao gồm vịng phản hồi tín hiệu đầu (hành trình) sử dụng vài phương pháp khác để giảm sai số điều khiển logic mờ hay điều khiển trượt Sự ảnh hưởng độ lệch lực tải thường khơng tính đến Ảnh hưởng đối tượng phi tuyến quan hệ tín hiệu điều khiển lưu lượng van, thông thường tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân Luận án trình bày phương pháp ứng dụng phương pháp mới, lợi dụng khả đo tất trạng thái hệ, thiết lập hàm điều khiển xy lanh có khử độ lệch tải trọng, ma sát điều khiển phi tuyến Ở vịng ngồi, hệ EH-SCS thực phản hồi servo điều khiển sai số tĩnh Phương pháp tổng hợp EH-SCS phương pháp điều khiển thông thường cho hệ thống sử dụng để tổng hợp luật điều khiển bám bền vững Điều khiển đồng EH-SCS thủy điện-thủy lợi, dùng xy lanh tác động đơn, trường hợp riêng EH-SCS tác động kép Tác giả chứng minh phương án điều khiển xy lanh tác động kép dùng phương pháp Lyapunov trực tiếp Phụ lục Phần mơ tả tốn học luận án lợi dụng tính đối xứng hệ, loại bỏ số thông số không cần thiết áp dụng ứng dụng thủy điện-thủy lợi để có hàm điều khiển gọn Chương CẤU HÌNH CỦA EH-SCS ĐỀ XUẤT Đề xuất hệ thống điều khiển theo nguyên lý điều khiển Hệ thống phối hợp ưu điểm vài loại điều khiển có, phát triển sở điều khiển phi tuyến Hình 2.7 sơ đồ EH-SCS phát triển Toàn đầu vào từ cảm biến hành trình áp suất đưa đến đầu vào thu thập liệu Các đầu tương tự thu thập liệu nối với điều khiển van tỷ lệ Cấu trúc mạch vịng điều khiển EH-SCS có sơ đồ khối kép Trong sơ đồ, EH-SCS có vịng điều khiển đồng thời tác động: - Vòng điều khiển servo nhận tín hiệu điều khiển từ Vin tín hiệu phản hồi hành trình từ cảm biến hành trình Sai lệch tín hiệu đưa đến đầu vào điều khiển van tỷ lệ EH-SCS sử dụng van tỷ lệ có phản hồi hành trình trượt qua cảm biến LVDT Cảm biến nằm vòng hồi tiếp điều khiển van tỷ lệ - Vòng điều khiển ngược nhận tín hiệu phản hồi áp suất từ hai cảm biến áp suất gắn cổng dầu xilanh Hai cảm biến cho phép máy tính tính nhiễu (tải) mức độ gia tăng nhiễu đặt xilanh, từ phát tín hiệu điều khiển ngược bù lại bất đối xứng tải xilanh Bộ điều khiển lực/áp suất dùng để khử nhiễu với điều kiện đo nhiễu Việc thiết kế điều khiển ngược lực/áp suất thực dựa mơ hình đối tượng, nên cần phải biết mơ hình Thực tế, điều khiển ngược thường áp dụng cho hệ thống có qn tính lớn, đặc điểm khâu điều khiển ngược tác động điều khiển hệ thống trước nhiễu ảnh hưởng đến chấp hành Trong trường hợp hệ quán tính lớn mà dùng phản hồi, điều khiển có tác động điều khiển sau nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, trễ, chất lượng điều khiển khơng tốt - Vịng điều khiển đồng sử dụng tín hiệu “trừ đại số” phản hồi hành trình hai xilanh chấp hành tuyến Giá trị cảm biến hành trình sử dụng để tính tọa độ điểm mà chấp hành: chấp hành chuyển động chậm tăng tốc, chấp hành chuyển động nhanh giảm tốc để tiến gần điểm tính tốn Hiệu giá trị đo đưa vào vòng phản hồi đồng 7 - Nguyên lý điều khiển sau: Với tín hiệu điều khiển vị trí ui, điều khiển van tỷ lệ điều khiển van tỷ lệ theo lệnh ui Dầu thủy lực từ van tỷ lệ cấp đến cổng xilanh thủy lực tuyến tính Tải chấp hành bao gồm tải trọng mang, ma sát, độ lệch khối lượng…được phản ánh qua áp suất đo cảm biến áp suất Áp suất tác động đến xy lanh chấp hành, tín hiệu áp suất (lực) sai lệch đưa vào điều khiển lực/áp suất phi tuyến Chấp hành chuyển động làm cho cảm biến hành trình phát tín hiệu phản hồi Sai số đặt vào điều khiển van tỷ lệ tín hiệu từ cảm biến hành trình trừ với ui Bộ điều khiển giữ van tỷ lệ giữ nguyên trạng thái sai số Do sai khác ma sát, trọng tâm, độ bất đối xứng vị trí, tải trọng…nên vị trí chấp hành xilanh xilanh khác nhau, hai giá trị đo cảm biến hành trình cảm biến hành trình Giá trị trung bình vị trí trọng tâm EH-SCS cần đạt Giả sử chấp hành xy lanh chuyển động chậm chấp hành xy lanh Mỗi giá trị hành trình thực xy lanh chấp hành đo cảm biến hành trình 2, trừ với giá trị trung bình để tính lượng sai số Trong trường hợp chấp hành khảo sát : có giá trị dương biểu thị chuyển động chậm xy lanh có giá trị âm biểu thị chuyển động nhanh xy lanh so với giá trị trung bình, mức tín hiệu dương làm xy lanh chuyển động nhanh hơn, mức tín hiệu âm làm xy lanh chuyển động chậm đến vị trí trung bình Khi hai chuyển động đồng vị trí với sai số định Ở chương này, ta thực giải vấn đề sau: Mô tả nguyên lý làm việc hệ thống điều khiển đồng bộ, điểm qua yếu tố ảnh hưởng đến độ xác điều khiển đề sơ đồ khối điều khiển đồng Mơ hình dựa sở sơ đồ khối làm sở để sử dụng phần mềm thiết kế việc tổng hợp hệ thống điều khiển đồng chương Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH EH-SCS 3.1 Giới thiệu Mục đích mơ hình hóa hệ thống thủy lực để thiết kế điều khiển phân tích EH-SCS lý thuyết Dựa vào kết mơ hình hóa, phát triển hệ thống điều khiển xác định tính hiệu lực mơ hình qua thực nghiệm Các giả thuyết đặt khảo sát động lực học tổng hợp hệ thống điều khiển: a) Độ nhớt dầu thủy lực ổn định b) Nhiệt độ hệ thống khơng đổi c) Hệ số rị rỉ ổn định bị giới hạn yp-y2 d) Ma sát ổn định không lớn tải trọng e) Áp suất bơm nguồn không đổi lưu lượng f) Lưu lượng bơm nguồn không bị ảnh hưởng áp suất nguồn g) Quá trình động học xảy miền làm việc ổn định đơn trị liên tục h) Mô đun đàn hồi chất lỏng L không đổi, không phụ thuộc vào L1 L2 áp suất nhiệt độ i) Dầu thủy lực không bị khí hịa tan (dịng pha) k2 D2 j) Q trình truyền sóng khơng ảnh m k1 D1 hưởng đến động học hệ f2 k) Chiều dài đường ống dẫn không f1 y2 y1 ảnh hưởng đến thời gian truyền áp suất m2 l) Hệ số lưu lượng van m1 số P q A P q A m) Lưu lượng van phụ thuộc khe tiết lưu u Q Q u n) Khơng có tổn thất ống dẫn, van xy lanh o) Áp suất đường dầu hồi p) Đường ống, vỏ xy lanh, van thủy lực không đàn hồi pn Các bước tiến hành mơ hình hóa: Qn Bước Lập phương trình động học để tính tốn thơng số hình học, vận tốc…đến lực tác dụng xy Hình 3.1 Sơ đồ vật thể tự lanh thủy lực; với tải trọng Bước Lập phương trình động lực học để tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động xy lanh lực ma sát, độ nhớt, gia tốc… Bước Lập phương trình điều khiển áp suất động để tính tốn áp suất điều khiển xy lanh; Bước Tách nhiễu để chia lực tác dụng xy lanh thành hai thành phần đo thành phần không chắn Thành phần đo so sánh với tải trọng yêu cầu, thành phần không đo (nhiễu) đưa qua ma trận G(s) làm thành phần bị triệt tiêu; Bước Thiết kế vịng điều khiển tuyến tính thiết kế vịng điều khiển bền vững cho vịng điều khiển phản hồi tín hiệu kiểu servo; y1-yp θ 1 a a 1 A B P T a b 2 Bước Thiết kế vòng điều khiển áp suất phi tuyến thiết kế vòng điều khiển lực phi tuyến vòng Lực điều khiển phi tuyến so sánh với lực yêu cầu để đưa tín hiệu điều khiển đồng bộ; Bước Kiểm tra tính ổn định mơ hình tiêu chuẩn Hurwitz Một mơ hình tổng qt cho xy lanh tác động hai chiều, với tải trọng so lệch tác giả áp dụng phương pháp chiếu đệ quy để tìm hàm điều khiển Lyapunov, trình bày phục lục luận án Trường hợp áp dụng cho cửa van, với xy lanh tác động chiều luận án áp dụng luật điều khiển đối xứng đơn giản 3.2 Mơ hình EH-SCS Xem sơ đồ tải trọng tự Hình 3.1, hai xy lanh bố trí với tải trọng phân bố khối lượng lệch mg Với cửa van thủy điện thủy lợi, hai thành phần lực tải mang tính đàn nhớt điển hình hầu hết cửa vận hành môi trường nước 3.3 Phương trình tính lực xy lanh Theo định luật thứ Newton viết phương trình cân lực cho hệ sau: + = (3-1) + = Xét tam giác đồng dạng Hình 3.1.:  y L y L =y L y L =  y (L + L ) = y L + y L  y L = y L + y L y = (3-2) Khoảng cách xy lanh thực tế lớn nhiều so với độ lệch chuyển động khơng đồng bộ, có nghĩa θ