Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ứng dụng mô hình ảo trong cải thiện đáp ứng động lực học và hiệu suất của máy ép thủy lực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS TÔN THIỆN PHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS LÊ THỂ TRUYỀN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp

HCM ngày 02 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS TS BÙI TRỌNG HIẾU – CHỦ TỊCH 2 PGS TS LÊ THANH DANH – ỦY VIÊN 3 TS TÔN THIỆN PHƯƠNG – PHẢN BIỆN 1 4 PGS TS LÊ THỂ TRUYỀN – PHẢN BIỆN 2 5 TS BÀNH QUỐC NGUYÊN – THƯ KÝ

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS TS BÙI TRỌNG HIẾU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : VŨ ĐÌNH HẢI MSHV : 2070313 Ngày, tháng, năm sinh : 01/01/1977 Nơi sinh : Khánh Hòa Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 8520103

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Tìm hiểu tổng quan về ứng dụng mô hình ảo trong thiết kế hệ thống truyền động thủy lực

- Đề xuất một hệ thống thủy lực truyền động dùng van servo điều khiển vị trí cho một xi lanh thủy lực và sử dụng bơm thủy lực servo để cung cấp lưu lượng biến đổi theo nhu cầu của hệ thống

- Mô hình hóa hệ thống truyền động thủy lực servo được đề xuất trên phần mềm - Mô phỏng hệ thống trên phần mềm AmeSim và phân tích đáp ứng động lực học và

hiệu suất năng lượng của hệ thống

- Xây dựng mô hình thực nghiệm vật lý thực tế tương ứng với hệ thống đề xuất phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Hồ Triết Hưng, người đã đưa ra ý tưởng về hướng nghiên cứu ứng dụng hệ thống ảo trong thiết kế hệ thống thủy lực trong máy ép Thầy đã cho tôi cơ hội được tiếp cận với xu hướng mà thế giới vẫn đã và đang nghiên cứu phát triển về lĩnh vực này Với sự nhiệt huyết tận tình hướng dẫn và chỉ dạy của Thầy đã giúp tôi trao dồi thêm nhiều kiến thức về hệ thống thủy lực, về mô phỏng để phục vụ nghiên cứu thực hiện cho đề tài luận văn này và ứng dụng trong công việc thực tiễn

Tác giả cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Nhà trường và Khoa Cơ khí, trường Đại học Công nghệ Sài Gòn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, đặc biệt là về thời gian cho tôi trong quá trình học tập nâng cao trình độ Tác giả cũng đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bạn Nguyễn Thanh Hùng cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tác giả muốn đặc biệt cảm ơn đến Quý Thầy/Cô khoa Cơ khí trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM cùng toàn thể các phòng ban liên quan đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này./

Trân trọng cám ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này sẽ nghiên cứu về ứng dụng mô hình ảo sử dụng phần mềm mô phỏng AmeSim để mô phỏng hệ thống truyền động thủy lực trên các máy ép Hệ thống thủy lực được đề suất bao gồm một xi lanh tác động kép được điều khiển vị trí bởi van servo và các thành phần cơ bản cần thiết khác của hệ thống thủy lực Bơm thủy lực được sử dụng trong mô hình là loại bơm biến đổi lưu lượng bằng cách thay đổi vận tốc quay của bơm thông qua việc dẫn động bằng động cơ điện sử dụng biến tần (hoặc bơm servo) nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống Hệ thống được mô phỏng ở các điều kiện tín hiệu vào khác nhau như dạng step, dạng ram và dạng sine và hệ thống được điều khiển thông qua giải thuật điều khiển PID để so sánh và cải thiện đáp ứng động lực học và hiệu suất của hệ thống

Bên cạnh phương pháp mô hình hóa hệ thống thủy lực trên phần mềm AmeSim, học viên cũng tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống thủy lực thực tế tương ứng với đầy đủ các thành phần cơ bản của hệ thống như mô hình mô phỏng như: Bơm thủy lực servo, van servo 4/3, van điều khiển áp suất, xilanh thủy lực và các thành phần khác của hệ thống Hệ thống được điều khiển bằng máy tính thông qua card giao tiếp Ni 6002 và phần mềm lập trình điều khiển Labview

Từ số liệu thu được từ mô hình vật lý thực tế sẽ tiến hành đối chiếu với kết quả thu được với mô hình mô phỏng ứng dụng chương trình Amesim để kiểm tra, kiểm chứng và có những điều chỉnh cần thiết nhằm mục đích hướng tới việc thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép có hiệu quả hơn

ABSTRACT

This thesis will study the application of virtual models using AmeSim simulation software to simulate hydraulic transmission systems on presses The proposed hydraulic system consists of a double acting cylinder controlled in position by a servo valve and other essential hydraulic system components The hydraulic pump used in the model is a variable-flow pump by changing the pump's rotational speed through the drive by an electric motor using an inverter (or servo pump) to improve energy efficiency of the system The system is simulated under different input signal conditions such as step, ram and sine, and the system is controlled through a PID control algorithm to compare and improve the dynamic response and performance of the system

In addition to the method of modeling the hydraulic system on AmeSim software, students also build an experimental model of the actual hydraulic system corresponding to all the basic components of the system such as the model model such as: Servo hydraulic pump, 4/3 servo valve, pressure control valve, hydraulic cylinder and other system components The system is controlled by computer through Ni 6002 interface card and Labview control programming software

From the data obtained from the actual physical model, it will be compared with the results obtained with the simulation model applying the Amesim program to check, verify and make necessary adjustments in order to achieve the goal The hydraulic system design for the press machine is more efficient./

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cảm đoan về nội dung trong nghiên cứu của luận văn này do chính mình thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS Hồ Triết Hưng và việc tìm hiểu, nghiên cứu qua các tài liệu tham khảo về lĩnh thủy lực đặc biệt trong hướng ứng dụng van servo và bơm servo Đối với mô hình thực nghiệm, tác giả đã cố gắng tìm và tuyển chọn được các thiết bị thủy lực tin cậy, phù hợp với mô hình mô phỏng

Tác giả rất mong được sự góp ý và chỉ dạy nhiều hơn từ Qúy Thầy/Cô để hướng nghiên cứu này được sáng tỏ hơn./.

Học viên/ tác giả

Vũ Đình Hải

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Tình hình phát triển về ứng dụng mô hình ảo trong thiết kế hệ thống thủy lực 4

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Tìm hiểu van servo được sử dụng nhiều trong các loại máy ép 7

1.5 Kết luận 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Hệ thống thủy lực có ưu điểm về năng lượng trên máy ép 13

2.1.1.Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực 13

2.1.2.Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng thủy lực 14

2.1.3.Van tỷ lệ và van servo 17

2.1.4.Bộ điều khiển PID 23

2.2 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG 28

3.1 Đề xuất hệ thống thủy lực 28

3.1.1.Sơ đồ nguyên lý hệ thống dung van servo 28

3.1.2.Mô tả hoạt động hệ thống thủy lực đề xuất 29

3.2 Giới thiệu hệ thống thủy lực truyền động servo 30

3.2.1.Đặc tính lưu lượng của hệ thống 30

3.2.2.Đặc tính công suất của hệ thống 32

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 34

4.1 Xây dựng mô hình trên AMESim 34

4.1.1.Mô hình hóa van servo trên phần mềm AMESim 34

4.1.2.Mô hình hóa hệ thống thủy lực đề xuất trên phần mềm AMESim 38

4.2 Kết quả mô phỏng 42

4.2.1.Mô phỏng hệ thống có phần tử chọn từ thư viện có sẳn với hệ thống có phần

tử thiết kế thành phần chi tiết (components) 43

4.2.2.Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở và bơm có lưu lượng cố định 46

4.2.3.Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín với bơm có lưu lượng cố định 50

4.2.4.Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín với bơm có lưu lượng biến đổi 57

4.2.5.So sánh hiệu suất năng lượng hệ thống cho 3 trường hợp tín hiệu vào khác nhau: 624.3 Kết luận chương 67

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VỚI MÔ HÌNH VẬT LÝ 69

5.1 Quá trình thực nghiệm 69

5.2 Kết quả thí nghiệm trên mô hình Vật lý 75

5.2.1.Với tín vào dạng Ramp, hệ thống thực cho kết quả thu được như sau 75

5.2.2.Với tín vào dạng Sine, hệ thống thực cho kết quả thu được như sau 78

5.2.3.Với tín vào dạng Step, hệ thống thực cho kết quả thu được như sau 80

5.3 Kết luận 82

Danh mục công trình khoa học 83

Tài liệu tham khảo: 84

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 87

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các thiết bị điều khiển bằng thủy lực được sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ở nhiều lĩnh vực công nghiệp Hệ thống thủy lực đóng vai trò đặc biệt quan trọng là nhờ có các ưu điểm như công xuất cao, cấu trúc hệ thống không quá phức tạp, làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo về độ chính xác, công xuất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng linh động theo không gian làm việc… chính vì những ưu điểm này mà các hệ thống thủy lực cần được phát triển lên một tầm cao mới và là tiền đề quan trọng cho các giải pháp truyền động hiện đại

Sau khi nghiên cứu qua một số phương pháp thiết kế hệ thống truyền động thủy lực, trong luận văn này học viên tập trung nghiên cứu về ứng dụng mô hình ảo sử dụng phần mềm mô phỏng AmeSim để mô phỏng hệ thống truyền động thủy lực trên các máy ép Hệ thống thủy lực được đề suất bao gồm một xi lanh tác động kép được điều khiển vị trí bởi van servo và các thành phần cơ bản cần thiết khác của hệ thống thủy lực Một bơm thủy lực servo cũng được sử dụng trong mô hình là loại bơm biến đổi lưu lượng bằng cách thay đổi vận tốc quay của bơm thông qua việc dẫn động bằng động cơ điện nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống Từ

yêu cầu đó mà trong luận văn này với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình ảo

trong cải thiện đáp ứng động lực học và hiệu suất của máy ép thủy lực” được

triển khai nhằm mục đích hổ trợ cho công việc thiết kế một hệ thống thủy lực trên máy ép có hiệu quả hơn

Luận văn này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực của bản thân học viên còn có sự giúp đỡ nhiệt tình từ Thầy hướng dẫn cùng nhiều bạn bè, đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn tới Thầy giáo hướng dẫn TS Hồ Triết Hưng, Khoa Cơ Khí Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh cùng tất cả đã giúp em hoàn thành luận văn này

Mọi đóng góp về các vấn đề liên quan đến luận văn xin gửi về địa chỉ Email: hai.vudinh@stu.edu.vn

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 6 năm 2022

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống thủy lực là yếu tố quan trọng góp phần gián tiếp vào chất lượng cuộc sống của con người Chúng được sử dụng phố biến cho nhiều ứng dụng khác nhau từ xây dựng đến công nghiệp, quân sự, hàng không vũ trụ, tàu thủy, nông nhiệp, cơ giới… nhờ vào các đặc tính đặc trưng độc đáo của nó So với các thiết bị truyền động khác thì truyền động thủy lực được đặc trưng bởi khả năng chịu tải cao, tỉ lệ công xuất trên trọng lượng cao mà điển hình là các loại máy ép thủy lực

Máy ép thủy lực là loại máy được sử dụng phổ biến trong đời sống hiện nay, đặc biệt là trong các hoạt động của một số ngành công nghiệp Chúng đóng vai trò lớn trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa của dất nước và trên thế giới Máy móc giúp nâng cao năng suất công việc, giải phóng sức lao động đồng thời thực hiện các nhiệm vụ mà con người khó có thể thực hiện được Một trong số đó là máy ép thủy lực, đây là loại máy đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau hiện nay

Hình 1.1 Minh họa một loại máy ép thủy lực dùng trong công nghiệp

Có nhiều phương pháp được sử dụng để cải thiện hiệu quả của hệ thống thủy lực trên máy ép như ứng dụng bộ phần mềm FluidSim, ứng dụng bộ phần mềm Automatin Studio trong việc hổ trợ tính toán và thiết kế hệ thống thủy lực trên máy ép Tuy nhiên những phần mềm này cũng còn nhiều hạn chế nhất định Do đó học viên lựa chọn ứng dụng có nhiều ưu điểm hơn để xây dựng mô hình ảo cho hệ thống thủy lực của máy ép thủy lực là chương trình phần mềm Amesim Minh họa sơ đồ của một hệ thống thủy lực của máy ép được thể hiện trong Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thủy lực của một máy ép thủy lực

Mô hình ảo của hệ thống thủy lực trên máy ép thủy lực được thể hiện minh

họa như Hình 1.3

Hình 1.3 Mô hình ảo ứng dụng trên Amesim tương ứng

1.2 Tình hình phát triển về ứng dụng mô hình ảo trong thiết kế hệ thống thủy lực

Nghiên cứu trong nước:

Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống thủy lực máy xúc Komatsu PC450 dùng phần mềm Automation Studio Nguyễn Văn Sĩ, Lê Văn Quỳnh, Khoa Kỹ thuật Ô tô và

Máy động lực, Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên., năm 2016 Nghiên cứu này tập trung vào hệ thống thủy lực của máy xúc Kumasu PC450 và mô phỏng hoạt động của hệ thồng thủy lực trên phần mềm Automation Studio Nghiên cứu không đi sâu vào vấn đề cải thiện động học và hiệu suất của máy

Nghiên cứu mô phỏng hệ thống thủy lực trên máy xúc đào Komatsu PC200, Lê

Văn Trường, Võ Thành Bắc, Đại học Cần Thơ, năm 2012 Nghiên cứu cũng hướng đến mô phỏng hoạt động của hệ thồng thủy lực của xe đào Komatsu PC200 trên phần mềm Automation Studio nhằm cải thiện năng lượng sử dung trong hệ thống máy

Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô, Dương Tuấn Tùng, Đại học SPKT TP HCM, 2020 Nghiên cứu tập trung tính

toán và mô phỏng hệ thống thủy lực trong việc thu hồi và tái tạo năng lượng thủy lực mà không đề cập sâu vào vấn đề cải thiện động học và hiệu suất của máy

Nghiên cứu ngoài nước:

Simulation and modeling of a hydraulic system in FluidSim [9] Nghiên cứu cho

ra mô hình toán học của một hệ thống rồi so sánh với mô hình được thiết kế bởi sơ đồ khối trong chương trình phần mềm FESTO FluidSim để mô phỏng hoạt động của hệ thống thủy lực Kết quả thu được từ mô hình hóa trong FluidSim cho thấy sự khác biệt so với biểu diễn toán học chung của hệ thống thủy lực

Optimal Design of Hydraulic System for an Industrial Press Machine for Performance Improvement and Noise Reduction [10] Hướng nghiên của bài báo này

là trình bày một thiết kế mới của hệ thống điều khiển thủy lực để giảm sự rung động của hệ thống Tác giả đã phát triển một phương pháp mô phỏng bằng phần mềm AMESim để tìm ra nguồn gốc của tác động thủy lực và xác nhận hiệu quả sự giảm áp suất trong hệ thống Nghiên cứu đánh giá kết quả mô phỏng là mức độ tiếng ồn do rung động mạnh của tác động thủy lực trên một loại máy ép gạch cụ thể

Modeling and Simulation of Hydraulic System of the Beam Part of the Tile

Press Based on AMESim [11] Trong nghiên cứu này, mô hình mô phỏng hệ thống

thủy lực của máy ép gạch được thiết lập thông qua chương trình AMESim, Tác giả thử nghiệm mô phỏng hướng đến thiết kế và tối ưu hóa hệ thống thủy lực của một máy ép cụ thể đó là máy ép gạch Nghiên cứu cũng chưa đi sâu vào vấn đề cải thiện đáp ứng động học và hiệu suất của máy

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Trước hết là tìm hiểu rõ đặc điểm của một số loại máy ép thủy lực điển hình trong công nghiệp bằng cách tham khảo tài liệu chuyên ngành và tài liệu của các Hãng sản xuất, chế tạo máy ép trên thế giới để từ đó xác định loại máy ép phổ biến và loại phần tử thủy lực dùng trong hệ thống truyền động của máy ép Sau đó tìm

hiểu và nắm rỏ từng phần tử thủy lực trong hệ thống, nắm rỏ các thông số cơ bản cũng như nguyên lý hoạt động và cấu tạo của từng loại Tiếp theo sẽ tìm hiểu chương trình phần mềm thiết kế và mô phỏng Amesim thông qua tài liệu hướng dẫn sử dụng và bộ phần mềm Amesim Sau đó tiến hành mô hình hóa các phần tử của hệ thống thủy lực dùng trong máy và kết nối thành một hệ thống hoàn chỉnh ứng dụng chương trình phần mềm Amesim như: Bơm thủy lực, Xilanh thủy lực, Van phân phối, Hệ thống ống dẫn, Van servo điều khiển lưu lượng, Van servo diều khiển áp suất, Động cơ điện dẫn động bơm thủy lực điều khiển bằng biến tần …

Bên cạnh phương pháp mô hình hóa hệ thống thủy lực trên máy ép, học viên cũng cố gắng xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống thủy lực thực tế tương ứng với đầy đủ các thành phần cơ bản của hệ thống như: Bơm thủy lực điều khiển lưu lượng sử dụng biến tần, van servo điều khiển áp suất, van phân phối, xilanh thủy lực và các thành phần khác của hệ thống Hệ thống được lựa chọn có sơ đồ như sau:

Hình 1.4 Sơ đồ thực hiện mô hình vật lý thực tế

Từ số liệu thu được từ mô hình vật lý thực tế sẽ tiến hành đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình ảo ứng dụng chương trình Amesim để kiểm tra, kiểm chứng và có những điều chỉnh cần thiết nhằm mục tiêu cải thiện động học và cải thiện hiệu suất của máy ép hướng tới việc thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép có hiệu quả hơn

1.4 Tìm hiểu van servo được sử dụng nhiều trong các loại máy ép

Ngày nay, van servo được sử dung nhiều trong các loại máy ép thủy lực, đặc biệt là các dòng máy ép trong ngành công nghiệp nhựa (máy ép nhựa) Trong hệ thống thủy lực, van servo có thể điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van với sai số thấp Hiện nay sản xuất và cung cấp van servo có thể đến các hãng Rexroth (Đức), MOOG (Nhật) hay Yuken (Nhật) và có giá thành dao động từ vài ngàn USD trở lên

Hình 1.4 Cấu tạo van servo MOOG

Ưu nhược điểm:

Ưu điểm - Với các hệ thống thủy lực yêu cầu làm việc mượt và độ chính xác cao ở nhiều vận tốc và áp suất làm việc khác nhau trong các hành trình nhỏ, khi dùng van servo sẽ cho kết cấu gọn nhẹ và ít linh kiện thủy lực (giảm phức tạp đấu nối, tổn hao) Khi một hệ thống thủy lực làm việc, tải thường xuyên thay đổi và công suất bơm có thời điểm sẽ lớn hơn nhiều công suất cần thiết, dẫn đến tổn thất năng lượng Van servo có ưu điểm giúp bơm thủy lực điều chỉnh công suất phù hợp với tải khi tải thay đổi (bơm linh hoạt theo tải), nâng cao hiệu suất hệ thống

Nhược điểm: Giá lắp đặt một hệ thống thủy lực có giá rất cao Nguyên nhân là bởi vì van servo có giá thành đắt hơn nhiều so với các van thủy lực thông thường (van ON/OFF) Các dòng van D633, D634 của Hãng Moog -Nhật có gia thành trung bình trên 7,000 USD, cộng thêm hệ thống điều khiển đi kèm và yêu cầu hệ thống thủy lực đi kèm phải đồng bộ, như lọc dầu tinh (lọc dầu đường nén) Dải lưu lượng và áp suất làm việc cho phép nhỏ Vì nhược điểm này nên thông thường người ta sử dụng kết hợp van servo và van tỷ lệ Valve servo đóng vai trò nhận tín hiệu điện và chuyển thành tín hiệu dầu thủy lực để điều khiển valve tỷ lệ con trượt, được đóng vai trò valve làm việc chính Van loại này gọi là “High Response Control Valve”

Hình 1.5 Sơ đồ van servo - Jet pipe (MOOG)

Nguyên lý vòi phun - bản chắn: Tên nguyên thủy tiếng Anh là: Double Flapper Nozzle Nguyên lý ống phun: Jet pipe Các valve servo, dù theo nguyên lý nào, bao gồm 3 phần chính sau: Phần thứ 1 là Cụm coil điện nhận tín hiệu điều khiển gắn liền với một bộ phát tín hiệu dầu thủy lực Phần thứ 2 là bộ nhận tín hiệu thủy lực và biến đổi thành tín hiệu điều khiển lõi con trượt phân phối Phần thứ 3 là lõi con trượt phân phối làm nhiệm vụ cung cấp lượng dầu cần thiết theo tín hiệu điều khiển ở trên Dưới đây mô tả nguyên lý làm việc của valve servo kiểu vòi phun - bản chắn hay vòi phun – cánh chặn

Bộ phận điều khiển con trượt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình gồm các chi tiết sau:

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt trên van servo

Nam châm vĩnh cửu Phần ứng và hai cuộn dây Cánh chặn và càng đàn hồi Ống đàn hồi Miệng phun dầu Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu (flapper) mềm, ngàm với phần ứng (gắn cố định), tạo nên một kết cấu cứng vững Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng Nối với cánh chặn là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con trượt

Khi dòng điện được cấp vào hai cuộn dây lệch nhau, dưới tác dụng của lực điện từ thì phần ứng bị hút lệch sang phải - trái theo biên độ tỷ lệ với tín hiệu điện đưa vào coil, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay Có hai vòi phun (tiết lưu - Nozzle) được đặt giữa bản chắn này và cả hai vòi phun này cùng được cấp một áp suất Ps Khi bản chắn ở vị trí "0", áp suất ở hai đầu vòi phun là như nhau giữ cho áp lực của hai phía lõi valve chia con trượt bên dưới là như nhau Lõi valve được cân bằng ở vị trí "0"

Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, cánh chặn bị lệch đi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại), nó sẽ tiết lưu và làm thay đổi áp suất ở hai vòi phun Do chênh lệch áp suất ở hai vòi phun dẫn đến áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau và con trượt

được di chuyển tương ứng để mở các cửa dầu (Giữa lõi valve con trượt và bản chắn sẽ có một "que dò” hay “càng đàn hồi” để đẩy cánh chặn về vị trí "0" khi lõi con trượt đã xác lập được vị trí "mở" yêu cầu theo tín hiệu điện từ đưa vào cuộn coil)

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo (a) Giai đoạn đầu van chưa làm việc, (b) Giai đoạn hai của quá trình điều khiển, (c) Giai đoạn cân bằng

Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con trượt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con trượt cân bằng nhau) - Khi dòng điện i1 ≠ i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn Giả sử phần ứng quay thuận chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía phải rộng ra và khe hở miệng phun phía trái hẹp lại, áp suất dầu vào hai buồng con trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con trượt di chuyển về bên phải, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đường dẫn dầu qua van) Quá trình trên thể hiện ở Hình 1.7b Đồng thời khi con trượt sang phải thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con trượt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo Lúc này khe hở ở miệng phun phải hẹp lại và khe hở ở miệng phun trái rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng phun bằng nhau và áp suất hai phía bằng nhau thì con trượt ở vị trí cân bằng Quá trình đó thể hiện ở Hình 1.7c Mômen quay phần ứng và mômen do lực đàn hồi của càng cân bằng nhau Lượng di chuyển của con trượt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây Tương tự như trên nếu phần ứng quay theo chiều ngược lại thì con trượt sẽ di chuyển theo chiều ngược lại

Nguyên lý “JET-PIPE” cũng gần giống “DOUBLE FLAPPER NOZZLE” Đường ống cấp dầu "mềm" sẽ được thổi vào 1 ống chữ V và áp suất ở hai phía là như nhau Khi đầu phun lệch sang một bên do lực điện từ, áp suất phun ở hai phía bị lệch nhau và trở thành tín hiệu điều khiển lõi con trượt phân phối dầu

Qua nguyên lý của van servo để so sánh với van tỉ lệ ta nhận thấy Van tỷ lệ thì bộ điều khiển chỉ làm cho dòng diện ở hai cuộn dây thay đổi, do đó làm cho con trượt của van phân phối chính thay đổi nhưng lại không có sự phản hồi lại, có chăng thì ở một số loại van có thêm bộ chuyển đổi tuyến tính vị trí con trượt (LVDT) Nhưng van servo thì khác, van servo có sự phản hồi này, khi con trượt thay đổi vị trí thì sẽ tạo ra một mô men trên thanh phản hồi "feedback spring" (đầu dò hay càng đàn hồi nêu ở trên) làm cho cánh chắn trở về vị trí cân bằng và giữ yên vị trí của con trượt cho tới khi có tín hiệu thay đổi dòng điện từ hai cuộn dây Vì lý do trên mà van servo có độ chính xác cao hơn

1.5 Kết luận

Qua khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả nhận thấy phần lớn các nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng hệ thống để khảo sát và giải quyết hoặc tối ưu một vấn đề cụ thể, riêng biệt cho từng loại máy cụ thể nào đó như máy xúc đào, máy ép gạch… Do đó trong đề tài này tác giả sẽ không tập trung nghiên cứu vào một hệ thống máy cụ thể nào như vậy mà sẽ giới thiệu tổng quát một hệ thống thủy lực trên máy ép có nhiều ưu điểm: Như hệ thống có dùng van servo để điều khiển chuyển động của xi lanh Hệ thống có dùng bơm có khả năng thay đổi được lưu lượng (bơm servo) để cung cấp lưu lượng thay đổi theo nhu cầu lưu lượng của hệ thống tại từng thời điểm nhằm hướng đến cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống

Cũng qua những khảo sát trên ta nhận thấy những ưu điểm nổi bật của việc ứng dụng mô phỏng hệ thống thủy lực trong thiết kế chế tạo hệ thống thủy lực của máy ép nói riêng và hệ thống thủy lực trong các ngành công nghiệp nói chung nhằm kiểm tra, xác định các thông số cơ bản của hệ thống, các thông số động học, động

lực học, thông số mức tiêu hao năng lượng, hiệu suất năng lượng hệ thống cụ thể cho từng trường hợp

Thông qua việc mô phỏng hệ thống trước khi tiến hành chế tạo thiết bị, máy ép, ta có thể giảm rủi ro, tránh sai sót trong quá trình tính toán thiết kế đồng thời dễ dàng kiểm tra, thẩm định được các ý tưởng thiết kế của mình Qua đó sẽ lựa chọn được cấu hình hệ thống tốt, lựa chọn được phương án tốt cũng như xác định được các bộ thông số hệ thống và giải pháp điều khiển phù hợp nhằn cải thiện các vấn đề về động học, động lực học và hiệu suất của máy ép

Học viên cũng sẽ trình bày thực nghiệm hệ thống một cách tổng quát cho các dạng tín hiệu, dữ liệu dầu vào của hệ thống tương ứng với 3 dạng truyền lực của máy ép thủy lực là dạng STEP, dạng RAMP và dạng SINE để mô tả các dạng hoạt động của hệ thống máy ép và so sánh các trường hợp với nhau Đồng thời học viên cũng nghiên cứu, trình bày việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển (PID) vào hệ thống nhằm hướng đến mục tiêu là cải thiện đáp ứng và cải thiện hiệu suất của hệ thống thủy lực trên máy

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ngày nay, hệ thống thủy lực điều khiển bằng van được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như các loại máy ép Tuy nhiên, nhược điểm phổ biến nhất của các hệ thống thủy lực điều khiển bằng van truyền thống là hiệu quả thấp do điều khiển tiết lưu hoặc công suất chưa phù hợp Để khắc phục những vấn đề này, dựa trên các hệ thống được điều khiển bằng van, trong luận văn này, một hệ thống thủy lực theo nguyên lý dùng bơm biến đo độc lập được đề xuất và nghiên cứu Hệ thống này là một hệ thống thủy lực điều khiển bằng van được xây dựng cho bộ truyền động xi lanh Hệ thống được đề xuất có các đặc điểm về tính linh hoạt và tiết kiệm năng lượng nhờ sử dụng bộ tích áp thủy lực để lưu trữ Khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống có được bằng cách thu hồi năng lượng từ ngoại lực

2.1 Hệ thống thủy lực có ưu điểm về năng lượng trên máy ép

2.1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực

Hệ thống điều khiển thủy lực là sự kết nối các thành phần riêng biệt với nhau để tạo ra một hệ truyền động thủy lực như mong muốn Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy lực [15], được thể hiện trong Hình 2.1

Hình 2 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy lực

Cấu trúc bao gồm:

- Nguồn cấp thủy lực, các thiết bị điều chỉnh và điều khiển (van, cảm biến, vv);

- Các thiết bị khác (đường ống, dụng cụ đo, vv); Các chức năng của một hệ thống thủy lực có thể mô tả như sau: 30

- Bơm dầu chuyển đổi công suất (cơ) truyền từ động cơ chính (động cơ điện hoặc động cơ diesel) sang công suất thủy lực (lưu lượng và áp suất);

suất, tức là lượng chất lỏng và áp suất cho bộ truyền động Một thiết bị truyền động tịnh tiến (xi lanh) hoặc bộ truyền động quay (động cơ) chuyển đổi công suất thủy lực sang công suất cơ học sử dụng theo yêu cầu;

điều khiển van và làm mát hệ thống;

tồn tại của lực tiếp tuyến trong chất lỏng chuyển động Giả sử hai tấm đang di

chuyển ở khoảng cách ngoài của dy và ở tốc độ tương đối dvx (Hình 2.2), thì áp suất cắt [15]

Trong đó  là hệ số áp suất, độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ

Tỷ trong (mật độ khối lượng), mô đun đàn hồi và các số liệu liên quan: Tỷ trọng 

 

mật độ chất lỏng thủy lực là một hàm của cả áp suất và nhiệt độ, tức là   ( , )p [14]

Mô đun đàn hồi, hay còn được gọi là mô đun đẳng nhiệt Nó ảnh hưởng đáng kể đến động lực học của hệ thống điều khiển thủy lực Đối với dầu khoáng, áp suất và nhiệt độ làm việc thông thường ( [-40,120]0C, p ≤ 450 bar)

Các công thức tính toán về dòng chảy của chất lỏng: Các nguyên tắc cơ bản của định luật bảo toàn, các luật điều chỉnh dòng chảy chất lỏng và các hiện tượng

liên quan sẽ được trình bày tóm tắt Các dẫn xuất chi tiết hơn có thể tìm thấy trong một số sách giáo khoa về cơ học chất lỏng [14],[16],[17].

Phương trình dòng chảy liên tục và áp suất chuyển tiếp: Xét một ống điều khiển như mô tả [14] trong Hình 2.3 Phương trình bảo toàn khối lượng (liên tục) có thể được xây dựng như:

Hình 2 3 Mô tả về dòng chảy

2 221 11(1)

dsv Av At

Lưu lượng qua van:

Lưu lương qua van [14] (Hình 2.4) thường được thể hiện qua phương trình (2.8) với mối quan hệ tuyến tính giữa vị trí của con trượt và vùng lưu lượng đi qua:

Hình 2 4 Mô tả về dòng chảy qua van

c  

2.1.3 Van tỷ lệ và van servo

van kết hợp giữa van đảo chiều và tiết lưu vô cấp, được ứng dụng điều khiển vòng kín Trong hệ thống thủy lực tùy thuộc vào tải, vận tốc, vị trí và các yêu cầu khác để tính toán, chọn các loại van đó cho phù hợp với từng máy cụ thể Hệ thống điều khiển vòng kín khi sử dụng van tỷ lệ hoặc van servo được sử dụng rộng rãi vì có mối

quan hệ chặt chẽ giữa tín hiệu đầu vào, đáp ứng tín hiệu ra và tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển sẽ làm giảm tối đa sai số của hệ thống Tóm tắt các tính chất và lĩnh vực ứng dụng của van servo và tỷ lệ được thể hiện trên Bảng 2.1 và Bảng 2.2

Trong những năm gần đây, van tỷ lệ chế tạo độ chính xác cao, công suất đầu vào cao, đặc tính động lực học rất tốt tương tự như van servo Các van tỷ lệ này được ứng dụng nhiều trong công nghiệp với yêu cầu kỹ thuật cao

Bảng 2.1 Đặc tính của van servo và van tỷ lệ

1 Phương pháp điều khiển Gián tiếp Trực tiếp 2 Công suất đầu vào ~ 0,02-0,1W 10-100W 3 Ảnh hưởng của môi trường Lớn Vừa phải

4 Độ trễ ~0,1-0,5% ~0,3-0,7% ~0,2-0,5% (áp suất cao)

5 Đường cong tín hiệu dòng chảy

Mượt hoặc ít gãy khúc

Không mịn do sự chồngchéo dòng chảy 6 Tần số tối đa ~100-200 HZ ~10-70Hz, 50-150Hz (áp

suất cao) 7 Dung sai chế tạo Rất nhỏ Lớn hơn

Bảng 2.2 Các ứng dụng van servo và van tỷ lệ.

STT Các lĩnh vực ứng dụng Van servo Van tỷ lệ

1 Điều khiển vòng kín/vòng lặp hở

Điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng lặp hở; Điều khiển vòng kín 2 Vị trí/góc và lực/điều khiển

mô men xoắn

Phù hợp Không thể do đường cong tín hiệu dòng chảy

không liên tục Có thể tinh chế

3 Điều khiển tốc độ Phù hợp Khả thi 4 Khả năng bù áp khi tải thai đổi Phù hợp không

Dòng chảy qua các lỗ van được mô tả bằng phương trình (2.16), theo hướng giảm áp suất (hướng dòng chảy), tức là:

QQ x  pc x p sign p (2.16)

Xét một van 4 cửa 3 vị trí (4/3) [15] thể hiện trên Hình 2.5 Các phương trình dòng chảy có thể được viết thành:

của các lỗ van (còn được gọi là hằng số van) và bằng nhau nếu tất cả các lỗ là giống

Các tài liệu trình bày đều cho rằng luôn tồn tại dòng rò dầu trong van, sự rò dầu này có ảnh hưởng đến hiệu suất và quá trình làm việc của các van Do đó, khi thiết lập mô hình toán có tính đến các dòng rò dầu (tổn thất) và tùy thuộc loại van cụ thể [1]

Hiện nay, các nhà sản xuất thường cung cấp đặc tính và đáp ứng tần số cho các loại van khác nhau Do đó, rất thuận lợi khi sử dụng thông tin này để ứng dụng trong mô hình nghiên cứu Mô hình thể hiện trên Hình 2.6 và 2.7 được dùng rộng rãi Nam châm vĩnh cửu dẫn động càng đàn hồi để di chuyển con trượt, được điều khiển bởi một dòng điện I, lượng di chuyển của con trượt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây Dòng điện này được tạo ra bởi một bộ khuếch đại tín hiệu, nó được chuyển đổi đầu vào điều khiển van u (điện áp) thành dòng điện, với:

Tuy nhiên, thường giả thiết rằng mô men xoắn trên phần ứng là tuyến tính với dòng đầu vào và cho phép quay phần ứng với một gốc nhỏ:

Hình 2.6 Kết cấu van tỷ lệ [Bosch Rexroth AG]

Hình 2.7 Sơ đồ khối điều khiển van [22]

Ta có phương trình về các quan hệ của các đại lượng như sau:

Với Vni (i=1, 2, 3) là thể tích dầu của buồng van

Lưu lượng của dầu đi qua các tiết diện đầu vào được thể hiện:

Lưu lượng rò Q3 trong van được tính là:

2.1.4 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển phổ biến nhất Trong kiểm soát và điều khiển quá trình ngày nay, hơn 95% là loại điều khiển PID hoặc PI Bộ điều khiển PID ngày nay được tìm thấy ở tất cả các khu vực sử dụng điều khiển Chúng đã tồn tại qua nhiều thay đổi trong công nghệ, từ cơ khí và khí nén đến bộ vi xử lý thông qua ống điện tử, bóng bán dẫn và mạch tích hợp Bộ vi xử lý đã có một ảnh hưởng đáng kể đến bộ điều khiển PID Thực tế tất cả PID bộ điều khiển ngày nay dựa trên bộ vi xử lý Điều này đã tạo cơ hội để cung cấp các tính năng bổ sung như điều chỉnh tự động và thích ứng liên tục

Thuật toán PID được mô tả như sau:

Hình 2.8 Kết nối của bộ điều khiển PID trong hệ thống phản hồi

Các tham số của bộ điều khiển là khâu tỷ lệ K, tích phân thời gian Ti và thời gian đạo hàm Td Các phương pháp nổi tiếng nhất cho ước tính và điều chỉnh các thông

số PID là những thông số được phát triển bởi Ziegler và Nichols Chúng đã có ảnh

hưởng lớn đến việc kiểm soát PID trong hơn nửa thế kỷ Các phương pháp này dựa trên các đặc trưng của động lực học quá trình bằng một vài tham số và các phương trình đơn giản cho các thông số bộ điều khiển Chúng có thể được thiết kế, theo

Quy tắc Ziegler – Nichols Quá trình thiết kế bộ điều khiển PID và việc triển khai

được thực hiện theo bốn bước sau:

Kết nối hệ thống như thể hiện trong Hình 2.9, sau đó áp dụng đầu vào (với K=1, chẳng hạn) Tính toán phản ứng theo bước và sau đó thay đổi tỷ lệ K cho đến khi quan sát thấy các dao động liên tục Các phản hồi bước kết quả được hiển thị trong Hình 2.10 Giá trị giới hạn độ lợi K, làm cho hệ thống ổn định một chút (phản ứng là dao động), được gọi là độ lợi cuối cùng Kl Cho hệ đã học Kl = 8 Thời gian của một chu kỳ hoàn chỉnh là:

Hình 2.9 Một hệ thống phản hồi với bộ điều khiển tỷ lệ của độ lợi K.

Hình 2.10 Đáp ứng bước của hệ thống vòng kín đối với K = 1 và Kl = 8

Giai đoạn cuối τ Đối với hệ đã nghiên cứu, τ = 3,63 s Vì độ lợi tỷ lệ thuận K = 1, phản ứng bước được tính toán cho thấy rằng phản hồi của hệ thống có một lỗi trạng thái ổn định đáng kể (ess 50%) Đối với K = 8, phản ứng nhất thời hội tụ thành dao động duy trì

Các hàm truyền của khâu (P), tích phân tỷ lệ (PI) và đạo hàm tích phân tỷ lệ (PID) như sau:

iD sK

Ước lượng đầu tiên của các tham số bộ điều khiển PID được tính toán bằng

cách áp dụng quy tắc Ziegler và Nichols (xem Bảng 2.3)

Bảng 2.3 Tham số bộ điều khiển PID.

Bảng 2.3 Tóm tắt các công thức được sử dụng để tính ước lượng các Tham số

của Bộ điều khiển P, PI và PID, Theo Quy tắc Ziegler–Nichols

Việc điều chỉnh độ lợi của bộ điều khiển tỷ lệ không cải thiện đáp ứng của hệ thống, do mâu thuẫn giữa yêu cầu về độ ổn định và độ chính xác Việc điều chỉnh bộ điều khiển PI và PID đã cải thiện triệt để cả độ ổn định và độ chính xác của hệ thống Hình 2.13 cho thấy phản ứng của hệ thống với PI và bộ điều khiển PID hồi

tiếp nhanh chóng đến trạng thái ổn định đến giá trị cần thiết, không có lỗi trạng thái ổn định

Hình 2.11 Hệ thống vòng kín được trang bị bộ điều khiển PID

Hình 2.12 Đáp ứng bước của hệ thống vòng kín, với bộ điều khiển P, PI và PID.

Hình 2.13 Đáp ứng bước của hệ thống vòng kín, được trang bị P, Bộ điều khiển PI và PID, với các thông số được

điều chỉnh

Bộ điều khiển đã cải thiện cả độ ổn định và độ chính xác của hệ thống Hình 2.13 cho thấy phản ứng của hệ thống với PI và bộ điều khiển PID hội tụ nhanh chóng đến trạng thái ổn định cần thiết giá trị, không có lỗi trạng thái ổn định

Về lý thuyết về hệ thống truyền động bằng thủy lực: Đã phân tích cấu trúc cơ bản về hệ thống thủy lực, các tính chất vật lý của lưu chất truyền năng lượng, phân tích đặc điểm và phương pháp xác định lưu lượng dòng chảy qua van servo Các lý thuyết này được các nhà xây dựng phần mềm đã tích hợp vào cho từng thiết bị, phần tử liên quan thành các bộ cộng cụ tính toán mạnh mẽ Tác giả cũng phải tìm hiểu và nắm rõ để có thể mô hình hóa các phần tử và xác lập các thông số cấu hình cụ thể cho chúng

Về điều khiển hệ thủy lực: Nội dung tổng hợp các phương pháp điều khiển dùng PID, là phương pháp điều khiển hệ thủy lực thường được sử dụng phổ biến hiện nay Trong hệ thống thủy lực đề xuất sử dụng hai hệ điều khiển PID: Một dùng điều khiển hệ van servo 4/3 nhằm cải thiện đáp ứng động lực học hệ thống và một dùng hệ điều khiển cho bơm thủy lực servo nhằm hướng tới cải thiện hiện suất năng lượng hệ thống

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG

3.1 Đề xuất hệ thống thủy lực

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dung van servo

Hệ thống đề xuất được trình bày trong Hình 3.1 Hệ thống thủy lực dùng xilanh tác động kép, được điều khiển bởi van servo 4/3 (servovalve), cung cấp lưu lượng cho hệ thống bẳng một bơm thủy lực thay đổi lưu lượng (Pump), truyền động bơm bằng động cơ AC servo (IPM), một xi lanh thủy lực tác động hai chiều, một van tràn (relief valve) dùng để giới hạn áp áp trong hệ thống, một bồn chứa (Tank)

Trong hệ thống này, điều khiển vị trí tốc độ của xi lanh thủy lực được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh bằng thuật toán điều khiển van servo Hệ thống bơm biến đổi lưu lượng trong hệ thống với mục đích thay đổi được lưu lượng cung cấp vào xi lanh cho từng thời điểm nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng cho hệ thống

Hình 3.1 Hệ thống thủy lực đề xuất

Chức năng của các bộ phận chính trong hệ thống thủy lực đề xuất:

- Xilanh thủy lực: Chuyển đổi năng lượng thủy lực dưới dạng áp suất và lưu lượng sang cơ năng  Truyền lực ép

- Van servo 4/3: Điều khiển xilanh thủy lực tiến, lùi và dừng (điều khiển vị trí) Điều khiển vận tốc piston

- Bơm thủy lực biến đổi lưu lượng: Cung cấp lưu lượng thủy lực cho hệ thống, đầu bơm được dẫn động bằng động cơ đồng bộ 3 pha (IPM) và được điều khiển bằng biến tầng nhằm tạo ra được lưu lượng thay đổi tương ứng với vận tốc piston tại từng thời điểm

- Van tràn: dùng để giới hạn áp áp trong hệ thống

- Cảm biến vị trí piston: Chuyển đổi sự thay đổi vị trí piston sang tín hiệu điện để cung cấp cho bộ điều khiển

- Cảm biến áp suất: Chuyển đổi sự thay đổi áp suất của hệ thống thành tín hiệu điện để cung cấp cho bộ điều khiển

- Bộ điều khiển (controller): chức năng là điều khiển hoạt động của hệ thống Bộ điều khiển có ứng dụng các giải thuật điều khiển trong đó có giải thuật điều khiển PID cho bài toán điều khiển vị trí xilanh và điều khiển lưu lượng bơm - Thùng chứa dầu (tank): Chứa đủ lượng dầu thủy lực cung cấp cho bơm và nhận

lượng dầu quay trở về từ hệ thống… và một số thiết bị phụ khác

3.1.2 Mô tả hoạt động hệ thống thủy lực đề xuất

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển

Các bộ phận, phần tử thủy lực được thiết kế và lựa chọn vào hệ thống phù hợp với yều cầu thiết kế của hệ thống thủy lực Tín hiệu cài đặt đầu vào cho hệ thống có thể là STEP, RAMP hoăc hàm SINE Một chu kỳ hoạt động của hệ thống bắt đầu từ

tín hiệu xuất ra từ bộ điều khiển (controller) đến van servo 4/3 Van servo 4/3 sẽ điều khiển dòng lưu lượng thủy lực đi vào xi lanh làm cho xi lanh tiến Quá trình piston tiến sẽ được cảm biến vị trí liên tục báo về bộ điều khiển (feedback) Vận tốc tiến của piston được điều khiển bởi van servo Áp suất hệ thống phụ thuộc tải trọng và được giới hạn bởi van tràn Lực đẩy của piston phụ thuộc vào tải trọng tức thời và van điều khiển áp suất Khi đạt được hành trình ép và thời gian theo yêu cầu, piston lùi về vị trí ban đầu Hành trình lùi vận tốc lùi của piston củng được điều khiển bởi van servo Bơm thủy lực có khả năng biến đổi lưu lượng liên tục nhờ vào sự thay đổi tín hiệu vận tốc di chuyển của piston, giúp cung cấp lưu lương tương ứng với nhu cầu lưu lượng cần cung cấp cho xi lanh taị từng thời điểm Điều khiển van servo theo thuật toán điều khiển vị trí piston Hệ thống ứng dụng thuật toán PID cho điều khiển vị trí piston và điều khiển lưu lượng bơm thủy lực

3.2 Giới thiệu hệ thống thủy lực truyền động servo

3.2.1 Đặc tính lưu lượng của hệ thống

Trong trường hợp cơ cấu chấp hành servo thủy lực (HSA), độ dịch chuyển tối đa của con trượt so với thân van được giới hạn bởi các bộ hạn chế vị trí cơ học, thường trong khoảng ± 1 mm Khi yêu cầu dịch chuyển lớn hơn, thanh điều khiển phải được dịch chuyển liên tục bằng cách áp dụng lực cần thiết, cho đến khi piston đến vị trí cần thiết Suốt trong giai đoạn này, con trượt van được mở hoàn toàn, con trượt liên tục dịch chuyển và cần piston tuân theo sự dịch chuyển này

Hình 3.3 Cơ cấu chấp hành điều khiển bằng van servo

Trong chế độ hoạt động này, HSA hoạt động như một cơ cấu chấp hành điều khiển van đơn giản Hình 3.3 mô tả một xi lanh thủy lực đối xứng được điều khiển bởi van servo 4/3 lý tưởng (zero lapping) Tốc độ dòng chảy qua các van hạn chế được tính theo các phương trình sau:

- Các khu vực điều tiết của các cổng van tỷ lệ tuyến tính với sự dịch chuyển nòng van; (AX)

- Nòng van thuộc loại không mòn, không có rò rỉ khe hở xuyên tâm - Áp suất đường hồi bằng không: Pt = 0

Ở trạng thái ổn định, đối với sự dịch chuyển nòng van dương, tốc độ dòng chảy

Qb và Qd bằng nhau do tính đối xứng của hình trụ, và khu vực Ab và Ad cũng bằng nhau đối với các van phù hợp

Lưu lượng tải được xác định bởi: QQbQa QcQd sau đó, bởi thay thế cho PA và PB lưu lượng tải được đưa ra như phương trình sau:

C A xP P  C A xP P  (3.5)Trong trường hợp van lý tưởng, để dịch chuyển nòng van dương,