BÁO cáo hệ THỐNG điều KHIỂN tự ĐỘNG THỦY lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC GVHD: PGS TS Trần Xuân Tùy Nhóm SV: Đà Nẵng, tháng 11/2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu 1.2 Một số mơ hình điều khiển: 1.2.1 Mơ hình điều khiển vị trí: 1.2.1.1 Điều khiển vị trí bàn máy xylanh thủy lực kết hợp với van tỷ lệ: 1.2.1.2 Mơ hình bàn máy sử dụng mơ-tơ thủy lực kết hợp vít me bi điều khiển bơm dầu: 1.2.1.3 Mơ hình bàn máy 1.2.2 Điều khiển tốc độ trục dùng mô tơ thủy lực điều khiển van tỷ lệ.9 1.2.3 Mơ hình điều khiển theo tải: 1.2.3.1 Mơ hình dùng xylanh điều khiển tải: 1.2.3.2 Mơ hình dùng động thủy lực (Điều khiển momen): .10 1.3 Vị trí điều khiển tốc độ quay trục dùng motor thủy lực, điều khiển van tỉ lệ 11 1.4 Hệ thống khếch đại hệ thống 19 CHƯƠNG 2: ĐỘ CỨNG THỦY LỰC, TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG VÀ GIÁ TRỊ THU GỌN CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH 21 2.1 Độ cứng thủy lực 21 2.2 Độ cứng tương đương 22 2.2.1 Độ cứng tương đương hệ chuyển động thẳng 23 2.3 Sự thay đổi vủa tần số dao động riêng xylanh pít tơng chuyển 26 2.4 Tần số riêng môtơ thủy lực 27 2.5 Giá trị thu gọn 29 2.5.1 Thu gọn hệ truyền động vít me 30 2.5.2 Giá trị thu gọn hệ truyền động bánh 31 2.5.3 Giá trị thu gọn hệ truyền động bánh 31 2.5.4 Giá trị thu gọn cho truyền chuyển động quay (đai, bánh vít, trục vít, xích,…) 32 CHƯƠNG 3: CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN 34 3.1 Mạch thủy lực có tiết diện chảy ghép nối tiếp 34 3.2 Mạch thủy lực có tiết diện chảy ghép song song 35 3.3 Xác định thông số 35 3.4 Van điều khiển 36 CHƯƠNG 4: QUY LUẬT BIẾN ĐỔI CỦA ÁP SUẤT VÀ VẬN TỐC .38 4.1 Mạch R-C thủy lực 38 4.2 Quy luật biến đổi áp suất có ��, �, � (� = �) 39 4.3 Quy luật biến đổi vận tốc (bỏ qua rị dầu, có ma sát) .40 4.4 Tần số dao động hệ tính đến �, ��, �, � 41 4.5 Mơ hình điều khiển bánh máy bay xylanh thuỷ lực – van tỷ lệ 42 4.6 Mơ hình trục quay truyền động điều khiển thuỷ lực, vẽ sơ đồ khối theo thời gian 42 4.7 Mô tả hệ điều khiển ký hiệu đặc tính 43 4.8 Mô tả ký hiệu đặc tính, chức ký hiệu nguyên lý 43 4.9 Tính áp suất lưu lượng hệ điều khiển tự động 43 Phần tập 46 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu - Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị tự động cho hệ thủy lực (chuyển động thẳng chuyển động quay) Bảng 1.1: Các thông số điều khiển Điều khiển Vị trí Tốc độ Tải Chuyển động X(cm) V(mm/s) F(N) Thẳng Quay - �(rad) Ω(rad/s) M(Nm) Gần đúng: dX � =�� � =�∗� Khi x, v thay đổi � Q thay đổi F thay đổi � P thay đổi Ω = d� �� Q = Q D� � �� = � � = ��0 �  Điều khiển lưu�lượng Q: Điều khiển tiết lưu: van tỷ lệ, van servo (van tiết lưu + van đảo chiều) Điều khiển thể tích: - Van tỷ lệ: Q = K �� I thay đổi � Q thay đổi (vô cấp) - Van servo: Q = K�� � − K�� I thay đổi � Q thay đổi (vô cấp) � = �� � - Điều khiển áp suất: (Hiệu suất cao) Muốn thay đổi áp suất P ta điều chỉnh van tràn tự động � = �� ∗ � � = �� ∗ �  Ứng dụng: - Điều khiển cánh hướng nhà máy thủy điện - Điều khiển Robot có tải lớn - Máy CNC - Thiết bị quân (Rada, tên lửa, tàu chiến) - Máy ép, máy nhấn tải lớn 1.2 Một số mơ hình điều khiển: - Điều khiển tốc độ - Điều khiển vị trí - Điểu khiển tải 1.2.1 Mơ hình điều khiển vị trí: 1.2.1.1 Điều khiển vị trí bàn máy xylanh thủy lực kết hợp với van tỷ lệ: - Cảm biến biến trở: F= - Sơ đồ khối: u � � = K� � Kx: hệ số khuếch đại vơn � � 1.2.1.2 Mơ hình bàn máy sử dụng mơ-tơ thủy lực kết hợp vít me bi điều khiển bơm dầu: i= �� �� Sơ đồ khối: Xác định: G� � � (�) = Ω�(�) Ω0(�) Ω d = � Ω(s) = �θ(�) �� � θ(�) = Ω(s) � → �� � →� �� �= � � � N= Ω Ω0 Ω0 Ω �� � - Sơ đồ khối:  Chú ý: thu gọn giá trị momen quán tính khối lượng hệ số ma sát trục nguồn truyền động 1.2.2 Điều khiển tốc độ trục dùng mô tơ thủy lực điều khiển van tỷ lệ  ��  Bộ truyền đai thang �0 1.2.3 Mơ hình điều khiển theo tải: 1.2.3.1 Mơ hình dùng xylanh điều khiển tải: - Khi sử dụng van tỷ lệ: - Sơ đồ khối: 1.2.3.2 Mơ hình dùng động thủy lực (Điều khiển momen): - Khi sử dụng van tràn tự động: - Sơ đồ khối: - Quá trình nạp-xả R-C thủy lực Nếu ↝ �1, �2 ����, ���� ↝ Quy luật biến đổi áp suất có ��, �, � (� = �) 4.2 � � = � + � + � +� �� � = � �� � � �� �� + (1) � �⋅ �� − = � �� �� } (2) �� �(�) = �� + �� ��� Sau biến đổi ��� = �� �0 �2 ��� + � �� �� 2 ��� +�� � � � � + � � �� � �� � − � � � � = (3) � Dựa vào tính chất phương trình vi phân tuyến tính, tách (3) thành phương trình {�� = �� ⋅ �� (4) [�2� + + �2�] � �st = � 0� �� � Do � ≠ 0, �0 ≠ �� Phương trình dao động �2 + ��� � � � � �+ � � = �2 + 2� ���� +��2 = � �� � � = √� = √� � C m Tần số riêng �� �2 � � �� = � � = Giải (4) s có nghiệm - nghiệm thực phân biệt nghiệm kép nghiệm phức � phù hợp với thực tế 4.3 Quy luật biến đổi vận tốc (bỏ qua rò dầu, có ma sát) � = � +� � �� ⋅� � �� } �� − �� = � �� (1) �� � �(�) = �� + �0��� Sau biến đổi (2) � � �2� ��� + �� � ��� + �2 � + �� �� � � = �� � � � Tách thành phương trình độc lập �� �� � Quá trình xác lập � = � � �� � � � � �2 (�2 + � + � � � ) 0��� = � Quá trình độ ��� ≠ 0, �0 ≠ �� �2 � �2 + ⟹ �� � �+ � �� = �� �� =0 (6) � � � �� } (7) � + �� �� +�� = � � = √ � � = �√ � � �� (8) � �� �� = 2 �0 Tần số dao động riêng khơng phụ thuộc vào tín hiệu Giải phương trình (7) � s 4.4 Tần số dao động hệ tính đến �, ��, �, � Giải tương tự toán �2 + 2� �� + ��= � � �2� � ��� + � � � � � � = � � �� �� = √[ �� + � � ]⋅ = √ � � � �� � � = � + [ + ] = �; � � � ��� � 2�� ��� � �� = �� (Hz) �ℎ�� �ℎờ� ���� Độ�� �ự� ℎọ�: { �ℎ�� �ầ� �ố �(�) = �� + �⏟0_�¸�� �→∞ 4.5 Mơ hình điều khiển bánh máy bay xylanh thuỷ lực – van tỷ lệ Van: ���= �� ⋅��� Q= � +� + �� Xy lanh: �� � � 2� � + �� � � �� � � =� � �� −� � = �� − � � Càn quay: ��2 � � = �n nsin �=n �n sin Ở chế độ độ � – nhỏ sin � ≈ � , cos � ≈ 4.6 Mơ hình trục quay truyền động điều khiển thuỷ lực, vẽ sơ đồ khối theo thời gian � = ���� − �0� � �� � = �� +� �� �� + �� (1) �� ��0 = �2� + � � ��2 � �� � � � =� �� ) cđ thẳng ( � = 2� � Viết lại (1) �� ��2 �� � = (��� − � ) � �� � (2) = (� − �� − ��) �� � �� � = ���� − �0� � 4.7 Mô tả hệ điều khiển ký hiệu đặc tính 4.8 Mơ tả ký hiệu đặc tính, chức ký hiệu nguyên lý 4.9 Tính áp suất lưu lượng hệ điều khiển tự động ��1 − ��2 = � } (1) �1 = ��2 �� − �1 = (�2 − �� )�2 ���1 + �2(� + �� �1 = �2 ) �2(1 + �3) �2 = �� + �� − �1 � �2 �� = �max 35 35 �� = � � √ �� − �1 � � = ��� + �� + �� (1) {� } (2) � +� �� = � � + �2 = �� − �� � �1 + �� � (2) { �� = � � �0 ��� 1000 35 �� = √ ��−� �� �/� = �max � � (cm /�) � Phần tập Đề: Mơ hình điều khiển vị trí hệ điều khiển để sử dụng van tỷ lệ Ví dụ giới thiệu mơ hình tốn học mơ hình điều khiển vị trí hệ điều khiển động thủy lực ứng dụng để thực chuyển động tịnh tiến Mơ hình tìm hiểu cụm truyền động điều khiển dịch chuyển bàn cơng tác Hình 1, rơto động thủy lực nối với bàn cơng tác thơng qua truyền vít me- đai ốc bi Trong tính tốn khối lượng qn tính M bàn công tác quy trục rôto có momen qn tính khối lượng J, thể Hình momen qn tính J xác định theo công thức sau: � � = (222∗� �) Các thông số hệ thống điều khiển: U - Tín hiệu điều khiển E - Tín hiệu so sánh KA - Hệ số khuếch đại khuếch đại A I - Dòng điện điều khiển (1) Kv - Hệ số khuếch đại van Q - Lưu lượng cung cấp van  - Hệ số tổn thất lưu lượng ps - Áp suất cung cấp pt - Áp xuất khỏi van p - Áp suất làm việc động thủy lực Dm - Hệ số kết cấu động thủy lực V - Thể tích chứa dầu buồng cơng tác B - Mơ đun đàn hồi dầu J - Giá trị momen quán tính khối lượng quy đổi trục động thủy lực  - Vận tốc góc Roto  - Góc quay Roto Kc - Hệ số khuếch đại cảm biến vị trí F - Tín hiệu phản hồi H - Hành trình dịch chuyển tịnh tiến bàn cơng tác tx - Bước vít me bi Để thiết lập mơ tả tốn học hệ thống trên, ta có số giả thuyết sau: Hệ thống nghiên cứu hệ tuyến tính, khuếch đại van tỷ lệ khâu khuếch đại, bỏ qua ma sát trục truyền động, khơng kể đến tải trọng tác động từ bên ngồi, bỏ qua biến dạng đàn hồi dầu đường ống dẫn Các phương trình mơ tả hệ gồm: - Phương trình cần lưu lượng: � = � � = � � �� � �� 2� - � + �� + � � (2) Phương trình cần moomen trục roto: �� � = � � � - � (3) ��2 Quan hệ dịng điện điều khiển van với tín hiệu điều khiển tín hiệu phản hồi là: - � = ��(� − � ��) (4) �� � =� Quan hệ lượng dịch chuyển bàn công tác H góc quay trục roto � là: � = - �� � (5) Để thiết lập sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí, trước hết ta nghiên cứu quan hệ lưu lượng cung cấp van Q góc quay trục roto � - Từ phương trình (2) (3) ta có �= � � 2� �� , �� �� �=� � - = �� (6) � � 3� ��3 � � � �� �3� + �� �� ��3 �3 + � 2�.�� ��3 �� (7) Phương trình Laplace (6.7) : �(�) (� Hàm truyền � �(�) � �(� ) Trong đó:  = �� � +� � = � �� +2�.� � 1+2.�.�.�+� (9) 2.�2 Hằng số thời gian � = √ �2) ∗ � ∗ � (s) (8) � �.� 2���  Hệ số tắt dần � = √ �.λ � 2 � �.� = �� √  Tần số dao động riêng �0   Độ cứng thủy lực �� = � �.� Hệ số khuếch đại = �� �� (10) � � Sơ đồ khối: Từ sơ đồ khối hình ta tính hệ số khuếch đại hệ thống là: �� �� = ���� � � � Thời gian không đổi: � = �� �� ... điều khiển tải: 1.2.3.2 Mơ hình dùng động thủy lực (Điều khiển momen): .10 1.3 Vị trí điều khiển tốc độ quay trục dùng motor thủy lực, điều khiển van tỉ lệ 11 1.4 Hệ thống khếch đại hệ. .. KHIỂN  Van điều khiển (bơm điều khiển) - Van tỷ lệ - Van servo - Van tràn tự động  Bộ khuếch đại (có PID) - Điều khiển số - Điều khiển tương tự  Cảm biến Điều khiển trực tiếp – xác Điều khiển gián... lớn 1.2 Một số mơ hình điều khiển: - Điều khiển tốc độ - Điều khiển vị trí - Điểu khiển tải 1.2.1 Mơ hình điều khiển vị trí: 1.2.1.1 Điều khiển vị trí bàn máy xylanh thủy lực kết hợp với van tỷ