(Tiểu luận) đồ án thiết kế thiết kế bộ điều khiển cho hệ thốngservo điện thủy lự c

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG SERVO ĐIỆN THỦY LỰC NGUYỄN NGỌC TRUNG MSSV: 20192122 Trung.nn192122@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: Khoa: Trường: PGS TS Nguyễn Tùng Lâm Tự động hóa Điện – Điện tử HÀ NỘI, 8/2023 Chữ ký GVHD BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO SĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Họ tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Trung Khóa: K64 Trường: Điện- Điện tử Tên đề tài: Ngành: KT ĐK &TĐH Thiết kế điều khiển cho hệ thống Servo điện thủy lực sử dụng điều khiển PID Nội dung đề tài: Giới thiệu hệ thống servo điện thủy lực, xây dựng mơ hình tốn học hệ thống servo điện thủy lực với xy lanh bất đối xứng Thiết kế điều khiển vị trí xylanh thủy lực điều khiển tốc độ động dựa phương pháp PID nhận dạng mơ hình Mơ hệ thống servo điện thủy lực với điều khiển thiết kế phần mềm Matlab/Simulink để kiểm tra hiệu chất lượng điều khiển, thông số lựa chọn với mô hình thực tế Từ triển khai điều khiển cho mơ hình thực tế kiểm tra kết thực, so sánh với kết mô Thời gian giao đề tài: 3/2023 Thời gian hoàn thành: 8/2023 Ngày tháng … năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Lời cảm ơn Lời em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy, trường nói chung thầy, viện nói riêng tạo cho chúng em mơi trường học tập nghiên cứu động, giúp em trang bị kiến thức, kỹ cần thiết cho trình học tập, nghiên cứu làm việc sau Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn vô sâu sắc chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm - người hướng dẫn chúng em tận tình suốt trình học tập trình thực làm Đồ án Thiết kế Em xin gửi lời cảm ơn anh Lê Đức Thịnh bạn lab giúp đỡ động viên em suốt trình thực đồ án Cảm ơn bạn nhóm Đồ án cố gắng hoàn thành Đồ án thiết kế Tuy cố gắng hoàn thành đồ án thời gian kiến thức lý thuyết trải nghiệm thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Em mong nhận ý kiến đóng góp q báu thầy để báo cáo hoàn thiện tương lai Em xin trân trọng cảm ơn! Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Hệ thống thủy lực Khái niệm Nguyên lý hệ thống thủy lực Các đại lượng hệ thống thủy lực Mơ hình hệ thống hệ thống thủy lực Một số ưu nhược điểm hệ thống thủy lực Ứng dụng hệ thống thủy lực 1.2 Hệ thống servo điện thủy lực Tổng quan Van servo điện thủy lực Ưu nhược điểm hệ thống servo điện thủy lực CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG SERVO ĐIỆN THỦY LỰC 2.1 Mơ hình chung hệ thống servo điện thủy lực 2.2 Mơ hình xy lanh bất đối xứng CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH 13 3.1 Quy trình nhận dạng mơ hình .13 Thu thập liệu 13 Xử lý phân tích liệu 14 Kết hàm truyền 15 3.2 Điều khiển vị trí xy lanh 16 Mục tiêu thiết kế điều khiển PID 16 Hàm truyền xy lanh 17 Thiết kế PID 18 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 19 4.1 Bộ điều khiển PID mơ hình tương đương vịng kín 19 4.2 Mơ hình tốn học .20 Giới thiệu 20 Nhận dạng mơ hình 21 4.3 Thiết kế điều khiển .24 4.4 Kết mô .26 CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 28 5.1 Mơ hình thực nghiệm .28 5.2 Giới thiệu Labview NI MyRIO 32 LabVIEW 32 NI myRIO 1900 32 5.3 Triển khai điều khiển PID điều khiển tốc độ động 33 5.4 Triển khai điều khiển PID điều khiển vị trí xylanh 37 CHƯƠNG MƠ PHỎNG KẾT HỢP MATLAB VÀ AMESIM 42 6.1 Phần mềm Amesim 42 6.2 Mô hệ thống điện thủy lực kết hợp Matlab Amesim 42 6.3 Kết mô .44 CHƯƠNG KẾT LUẬN .45 7.1 Hướng phát triển đồ án tương lai 45 7.2 Kết luận chung đồ án 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ trình biến đổi truyền tải lượng Hình 1.2 Ứng dụng xylanh thủy lực cơng nghiệp Hình 1.3 Mơ hình xy lanh thủy lực đối xứng(a) bất đối xứng(b) Hình 1.4 Van servo thủy lực Hình 1.5 Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việc Hình 1.6 Sơ đồ giai đoạn đầu trình điều khiển Hình 1.7 Sơ đồ giai đoạn hai trình điều khiển Hình 2.1 Mơ hình servo điện thủy lực Hình 2.2 Mơ hình tuyến tính hệ thống servo điện thủy lực Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Code LabVIEW xác định tín hiệu vào 14 Hình 3.2 Tín hiệu vào hình sin hệ thống 14 Hình 3.3 Hộp cơng cụ nhận dạng hệ thống Matlab .15 Hình 3.4 Tỷ lệ phần trăm phù hợp 15 Hình 3.5 Nhận dạng hàm truyền 16 Hình 4.1 Vịng điều khiển PID 19 Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống servo điện thủy lực 20 Hình 4.3 Sơ đồ kết nối mơ hình thực với máy tính 22 Hình 4.4 Chương trình thu thập liệu 22 Hình 4.5 Tín hiệu ngõ vào ngõ .23 Hình 4.6 Hộp công cụ nhận dạng với cực zero khác 23 Hình 4.7 Kết nhận dạng với mơ hình hàm truyền 23 Hình 4.8 Hàm truyền mơ hình tf2 24 Hình 4.9 Đáp ứng step đối tượng 24 Hình 4.10 Đáp ứng độ 26 Hình 4.11 Đáp ứng hệ thống chưa có điều khiển 26 Hình 4.12 Chương trình mơ điều khiển 27 Hình 4.13 Kết mô 27 Hình 5.1 Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việc 28 Hình 5.2 Các lĩnh vực ứng dụng .32 Hình 5.3 NI MyRIO 1900 33 Hình 5.4 Sơ đồ bố trí, lắp đặt mơ hình thí nghiệm 34 Hình 5.5 Giao diện phần mềm Labview .35 Hình 5.6 Chương trình khối tính tốn PID 35 Hình 5.7 Chương trình khối tính tốn tốc độ 36 Hình 5.8 Đồ thị liệu Matlab 36 Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 37 Hình 5.10 Mơ hình thực tế 38 Hình 5.11 Sơ đồ mạch đấu nối điện .38 Hình 5.12 Sơ đồ mạch thủy lực 39 Hình 5.13 Giao diện phần mềm Labview 39 Hình 5.14 Khối chương trình phần mềm Labview 40 Hình 5.15 Khối chương trình phần mềm Labview 40 Hình 5.16 Đồ thị liệu Matlab .41 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng chỉnh định tham số 25 Bảng 5.1 Danh mục thiết bị 29 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Hệ thống thủy lực Khái niệm Sự phát triển nhanh mạnh khoa học kỹ thuật làm cho ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ thay đổi Trong có góp phần khơng nhỏ thủy lực Thủy lực lực tạo chất lỏng bị dồn nén khơng gian kín, chất lỏng bị nén tạo áp suất, áp suất tạo lực Cũng hiểu thủy lực di chuyển lực thông qua di chuyển chất lỏng không gian giới hạn Chất lỏng dầu, nhớt, hóa chất… với độ nhớt, độ đậm đặc, nhiệt độ tính chất khác Tuy nhiên dầu thủy lực lựa chọn tối ưu ngồi tác dụng tạo lực cịn chất bơi trơn giúp hệ thống pít tơng hoạt động dễ dàng Một dây chuyền gồm nhiều thiết bị khí kết nối với để tạo thủy lực gọi hệ thống thủy lực, gồm phận xi lanh, piston, thùng chứa chất lỏng, đường ống dẫn van Nguyên lý hệ thống thủy lực Trong hệ thống thủy lực, chất lỏng chất vừa bơi trơn bề mặt tiếp xúc vừa truyền lực Chất lỏng dẫn đi, thông suốt mạch thủy lực kín gồm bơm dầu, van cấu điề u khiển hoạt động Chất lỏng di chuyển mạch có tính chất kín tuần hồn, nhờ vào bơm thủy lực với thiết bị cấu điều khiển Nguyên lý hệ thống thủy lực là: Động điện tạo chuyển động quay làm quay trục bơm dầu Bơm hút dầu từ bồn chứa đẩy đường ống đến với cấu Áp suất hệ thống khống chế đảm bảo van an toàn thủy lực Chất lỏng thủy lực chuyển đến cấu điều khiển mà cụ thể van phân phối, van điều hướng… nhờ vào áp suất, lưu lượng bơm tạo Cuối tạo chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay xi lanh Sau kết thúc chu trình làm việc dầu thủy lực dẫn thùng chứa Tại đây, lọc giải nhiệt để tái sử dụng cho chu kỳ lần sau Trong hệ thống thuỷ lực, chất lỏng có áp suất đóng vai trị trung gian truyền lực chuyển động cho máy công nghệ Các đại lượng hệ thống thủy lực Trong trình tìm hiểu, tiếp xúc với hệ thống thủy lực chắn phải làm việc, tính tốn cân nhắc đại lượng bản: lưu lượng, áp suất Lưu lượng đại lượng bản, nhắc đến nhiều sử dụng hệ thống thủy lực Lưu lượng lượng dầu hay chất lỏng thủy lực vận chuyển thông qua bơm thủy lực đơn vị thời gian cụ thể (có thể phút, giờ, giây) Để định đến tốc độ cấu chấp hành hay xi lanh phải dựa vào đại lượng lưu lượng Nếu lượng chất lỏng nhiều tốc độ tịnh tiến nhanh, chất lỏng tốc độ chậm lại.Trên bơm nguồn thủy lực ghi thông số lưu lượng quen thuộc như: in3/vịng hay CC/vịng, lít/phút…Về áp suất đại lượng đo lường lực tác dụng chất