Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu hệ thống truyền động thủy lực servo cho hệ thống nhiều xi lanh dùng van độc lập

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS TRẦN HẢI NAM

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS PHẠM SƠN MINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 01 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC – CHỦ TỊCH 2 PGS TS LÊ THỂ TRUYỀN – ỦY VIÊN 3 TS TRẦN HẢI NAM – PHẢN BIỆN 1 4 PGS TS PHẠM SƠN MINH – PHẢN BIỆN 2 5 GVC TS PHẠM QUANG TRUNG – 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 NGUYỄN HỮU LỘC

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 : NGUYỄN THANH HÙNG MSHV : 2070316 Ngày, tháng, năm sinh : 27/12/1987 Nơi sinh : Gia Lai Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 8520103

I TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

SERVO CHO HỆ THỐNG NHIỀU XY LANH DÙNG VAN ĐỘC LẬP

(Research of servo-hydraulic transmission systems for cylinder systems using independent valves)

multi-II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống truyền động thủy lực servo dùng van độc lập.

- Đề xuất một hệ thống truyền động thủy lực servo cho hệ thống nhiều xi lanh dùng van độc lập.

- Mô hình hóa hệ thống truyền động thủy lực servo được đề xuất.

- Phân tích khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống được đề xuất.

- Xây dựng mô hình thực nghiệm đơn giản và phân tích kết quả thực nghiệm

LỜI CÁM ƠN

Tác giả mong muốn bày tỏ sự trân trọng và xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Hồ Triết Hưng, người đã đưa ra ý tưởng về hướng nghiên cứu mới trong hệ thống thủy lực về tiết kiệm năng lượng mà hiện tại ở Việt Nam chưa được ứng dụng vào thực tế nhiều, 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 Thủy lực và đặc biệt ứng dụng vào việc nghiên cứu thực hiện cho đề tài luận văn này

Tác giả đặc biệt cảm ơn Công Ty TNHH Công Nghệ TM Nam Việt đã tạo điều kiện về việc tài trợ và cung cấp các thiết bị để tôi có thể tương đối hoàn thành được mô hình thực nghiệm trong giai đoạn đầu của việc nghiên cứu trong luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến anh Vũ Đình Hải, anh Hồ Hữu Hân là những người anh, người đồng nghiệp và cũng là những người Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, học hỏi và thiết lập mô hình thực nghiệm Công việc thực nghiệm sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự giúp đỡ của anh Ngoài ra, tác giả cũng đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các bạn bè, đồng nghiệp và cơ quan công tác đã hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình thực hiện luận văn được hoàn thành đúng thời hạn

Cuối cùng, tác giả muốn đặc biệt cảm ơn đến gia đình mình cùng với 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 cho tác giả được hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình./

Trân trọng cám ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này sẽ nghiên cứu về hệ thống truyền động thủy lực servo cho hệ thống nhiều xi lanh dùng van độc lập với những đặc tính về tính linh hoạt và tiết kiệm năng lượng Hệ thống này có thể làm việc ở các chế độ khác nhau thông qua thuật toán thay đổi các van, như vậy hệ thống có thể được điều chỉnh linh hoạt để đạt được các yêu cầu làm việc mong muốn bao gồm đạt được hiệu quả về thu hồi năng lượng từ tải Mô hình của hệ thống được phát triển trên phần mềm AMESim Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể tiết kiệm khoảng 20% năng lượng tiêu thụ so với hệ thống không thu hồi năng lượng truyền thống Hơn nữa, để đánh giá độ chính xác của mô hình mô phỏng, các thí nghiệm cũng đã được thực hiện thông qua mô hình thực nghiệm để thu thập các giá trị và so sanh với mô hình mô phỏng, kết quả thí nghiệm phù hợp với kết quả từ mô hình mô phỏng

ABSTRACT: This thesis will study the servo-hydraulic transmission system for the multi-cylinder system using independent valves with the characteristics of flexibility and energy-saving This system can work in different modes through the valve change algorithm, so the system can be flexibly adjusted to achieve the desired working requirements including achieving the efficiency of the system recover energy from the load The model of the system is developed on AMESim software The simulation results show that the system can save about 20% of energy consumption compared to the traditional non-energy recovery system Moreover, to evaluate the accuracy of the simulation model, experiments were also performed through the experimental model to collect values and then compare them with the simulation model, the experimental results are consistent with the simulation model

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 chỉ dạy 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 đo độc lập cho hướng nghiên cứu tiết kiệm năng lượng Đối với mô hình thực nghiệm, tác giã đã xin được nguồn tài trợ từ Công ty TNHH Công Nghệ TM Nam Việt về các thiết bị để bước đầu xây dựng mô mình

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

Nguyễn Thanh Hùng

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Tình hình phát triển về hệ thống đo độc lập (IM) 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Các loại van độc lập 7

1.5 Ưu và nhược điểm của IM 8

1.6 Kết luận 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Hệ thống thủy lực tiết kiệm năng lượng 9

3.2.1 Đặc tính tĩnh của chế độ xi lanh tiến 21

3.2.2 Đặc tính tĩnh của chế độ xi lanh lùi 23

3.2.3 Đặc tính tĩnh của chế độ xi lanh tiến nhanh và tiến chậm 23

3.2.4 Đặc tính tĩnh của chế độ thu hồi năng lượng khi xi lanh lùi 24

3.3 Nguyên lý điều khiển van 25

3.4 Đáp ứng về động học 30

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 thành phần van servo trên phần mềm AMESim 34

4.1.2 Mô hình hóa hệ thống thủy lực đề xuất trên phần mềm AMESim 37

Danh mục công trình khoa học 55

Tài liệu tham khảo 56

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển thủy lực được sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ truyền thống, máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy xây dựng, máy nâng chuyển, ô tô – máy kéo, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy y khoa, các dây chuyền sản xuất … vì vậy các hệ thống thủy lực đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nhờ các đặc điểm riêng biệt như có mật độ 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 hệ thống truyền động thủy lực, trong luận văn này học viên tập trung nghiên cứu vào hướng tối ưu hóa năng lượng dư theo phương pháp sử dụng hệ thống van đo độc lập để cải thiện về hiệu suất cũng như tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Từ yêu cầu đó mà trong luận văn này với đề tài

“Nghiên cứu hệ thống truyền động thủy lực servo cho hệ thống nhiều xy lanh dùng van độc lập” được triển khai nhằm mục đích đảm bảo đáp ứng động học, động lực

học, tiết kiệm năng lượng, cải thiện hiệu suất mà không phải sử dụng các bộ van tỉ lệ/servo như các hệ thống thông thường để giải quyết vấn đề

Đề cương/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 rất nhiều cá nhân, đơn vị và đặc biệt là sự động viên ủng hộ từ gia đình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành 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 tốt luận văn này

Mọi đóng góp về các vấn đề liên quan đến luận văn xin gửi về địa chỉ Email: thanhhung.bkme@gmail.com./

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021

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 điện thì truyền động thủy lực được đặc trưng bởi khả năng chịu tải cao, tỉ lệ công xuất trên trọng lượng cao Chúng có hiệu quả trong các ứng dụng thường xuyên dừng và có tải biến động đột ngột Tuy nhiên hệ thống thủy lực vẫn còn tồn tại những nhược điểm như tổn thất năng lượng và tính phi tuyến dẫn đến hệ thống điều khiển gặp nhiều thách thức hơn Tính phi tuyến này phần lớn là do ma sát và hiện tượng trễ cơ học Hình 1.1 minh họa cho các tổn thất đối với hệ thống thủy lực cơ giớ cảm biến tải Khoảng 25-30% năng lượng thất thoát do các hệ thống van truyền thống gây ra

Hình 1.1 Minh họa các tổn thất của hệ thống thủy lực sử dụng các loại van con trượt và van có hành trình thay đổi truyền thống trong máy cơ giới

Có nhiều phương pháp được sử dụng để cải thiện hiệu quả các tổn thất của hệ thống thủy lực như hệ thống cảm biến tải là một trong những hệ thống nổi tiếng

điều khiển bằng các van con trượt thông thường nên vẫn bị tổn thất bướm ga do kết nối cơ khí giữa đầu vào và đầu ra Các kết nối này được minh họa trong Hình 1.2

Hình 1.2 Các kết nối cơ khí giữa van con trượt truyền thống với nguyên lý điều khiển lưu lượng đầu vào và đầu ra của bộ truyền động

Để giảm những tổn thất này, các kết nối cơ học nên được ngắt bỏ để cải thiện về mật độ công suất và tính linh hoạt của hệ thống thủy lực, điều này dẫn đến việc phát triển công nghệ đo (định lượn) độc lập (Independent Metering-IM)

Việc kết hợp cả hai hệ thống này là cách tiếp cận có thể tiết kiệm được nhiều năng lượng hơn và tạo ra khả năng kiểm soát tốt hơn, nó cũng có khả năng chuyển chức năng từ phần cứng sang phần mềm, đẩy nhanh chu kỳ làm việc và thực hiện các chế độ hoạt động có thể điều chỉnh bằng điện tử

Do đó, các viện nghiên cứu khoa học, các công ty trên thế giới đã và đang nghiên cứu về hệ thống đo độc lập (IM) với nhiều cách tiếp cận khác nhau

1.2 Tình hình phát triển về hệ thống đo độc lập (IM)

Biểu đồ thống kê những phát triển về hệ thống IM được cập nhật hàng năm biểu thị thông qua Hình 1.3

Hình 1.3 Số lượng các nghiên cứu liên quan đến IM trong những năm qua

Các viện khoa học chính phát triển hệ thống thủy lực thông minh và công nghệ IM chính xác được tóm tắt như trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Các viện nghiên cứu phát triển về IM

STT University Research Trends Sample of Studies

1

Institute of Hydraulic and Automation at Tampere University of Technology, Finland

1 Digital Hydraulic 2 Hydraulic Manipulation Development

1 IM Hydraulic System

2 Hydraulic Manipulations

2

Institute of Fluid and Mechatronics systems at Linkoping University, Sweden

1 IM and Load Sensing System

2 Hybrid Hydraulic 3 Real-Time-Simulation of Hydraulic Systems

1 Load Sensing with IM

3

Institute of Fluid power at Dresden University of Technology, Germany

1 Hybrid Hydraulic STEAM 2 Intelligent Hydraulic Systems

3 Developing Mechatronics system

Fluid-1 Independent Metering and Decentralization for Energy Saving 2 Hybrid Hydraulic System

4

The George W Woodruff School of Mechanical Engineering at Georgia Institute of Technology, USA

1 Hydraulics Component Development

2 Intelligent Control of Hydraulic Manipulators

1 Poppet Valve Developments 2 Independent Metering System

5

State Key Laboratory of Fluid Power and

Mechatronics System, Zhejiang University, China

1 Development of Independent Metering Switching Methods

2 Hydraulic Drive Motion Improvement

1 Independent Metering Mode Switching

2 Mobile Hydraulic Systems 3 Noise Control

1 Load Sensing with IM

2 Modelling of Components

7

Key Lab of Advanced Transducers and Intelli- gent System, Taiyuan University, China

1 Hydraulic Manipulation System

2 Modelling of Hydraulic System

1 Independent

Metering Performance Analysis

8

School of Mechanical and Automotive

Engineering, University of Ulsan, South Korea

1 Independent Metering Implementation

2 Hydraulic Manipulation Energy

1 IM Systems 2 IM Energy Saving Institute of Mechanical

Số lượng các nghiên cứu và bằng sáng chế được phát triển bởi các viện nghiên cứu này và các công ty dược minh họa qua Hình 1.4

Hình 1.4 Đóng góp hàng đầu của những viện nghiên cứu và công ty cho sự phát triền về IM

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp tách riêng lẽ hệ thống thủy lực để cải thiện về công suất, khả năng tải và tính linh hoạt

Phương pháp tách riêng lẽ có thể được chia thành hai phần: điều khiển bơm và điều khiển van Về tách riêng lẽ điều khiển bơm được thể hiện trong Hình 1.5

Hình 1.5 Minh họa các kiểu tách riêng lẽ hệ thống truyền động thủy lực khác nhau dựa trên việc sử sụng bơm và động cơ

Sơ đồ đầu tiên bên trái là hình thức phổ biến nhất là sử dụng một bơm cho nhiều thiết bị truyền động Cách thiết lập được dùng nhiều trong các máy ép khuôn Sơ đồ ở giữa chủ yếu được dùng trong hệ thống truyền động thủy lực của máy cơ giới

Sơ đồ cuối bên phải được áp dụng cho các ứng dụng có công suất cao, là hình thức mà các thiết bị truyền động đều cần có bơm riêng Các đặc điểm chính của hệ thống loại này là tỉ lệ tiêu thụ năng lượn thấp hơn, do đó tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn Hạn chế chính của nó là động lực học chậm hơn so với bộ truyền động servo

Về tách riêng lẽ điều khiển van, có ba hình thức chính được thể hiện trong Hình 1.6

Hình 1.6 Tách riêng lễ hệ thống truyền động thủy lực dựa trên cấu trúc van

Tách riêng lẽ hệ thống truyền động thủy lực dựa trên cấu trúc van có thể đạt được tính linh hoạt bằng cách sử dụng nguyên lý đo độc lập

Sơ đồ đầu tiên bên trái là dạng đo thông thường được sử dụng phổ biến, nó là phương pháp điều khiển lưu lượng theo hướng truyền thống, mỗi cơ cấu chấp hành được điều khiển bởi một van Cách thiết lập này hạn chế tính linh hoạt của hệ thống nhưng nó có ưu điểm làm tăng độ cứng vững

Để cải thiện hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, xu hướng là thay đổi phương pháp điều khiển lưu lượng sao cho linh hoạt hơn, đây là lý do để nghiên cứu và phát triển phương pháp đo độc lập, các thuật ngữ khác được sử dụng cho IM như đo

riêng lẽ, van đa chức năng, kiểm soát riêng biệt lưu lượng đầu vào và và lưu lượng đầu ra Vì có các tính chất đó nên nó có thể lập trình được và nó thay đổi hệ thống điều khiển từ khái niệm cơ thủy lực thành một hệ thống điều khiển kiểm soát thông minh dựa trên phần mềm

1.4 Các loại van độc lập

Các loại van IM đã được sản xuất để triển khai cho hệ thống đo độc lập được liệt kê trong Bảng 1.2 và đặc điểm của các loại van điều khiển lưu lượng khác nhau được thể hiện trong Bảng 1.3

Bảng 1.2 Các loại van đo độc lập được sản xuất công nghiệp

STT Manufacturer Product Flow Rate Hysteresis Response Time

Pressure Drop 2 EATON EPV10 30 L/min < 4% 35 ms 200bar 3 BUCHER WS22GD 30 L/min < 5% 20 ms 350bar 4 EATON CMA90 90 L/min sub-micron 24 ms 25bar 5 EATON CMA200 200 L/min sub-micron 24 ms 35bar 6 HUSCO EHPV 75, 150, 800

L/min very Low 100 ms 15bar

Bảng 1.3 Đặc điểm của các loại van điều khiển lưu lượng khác nhau

1.5 Ưu và nhược điểm của IM

Nguyên lý IM có những ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm: Kiểm soát độc lập các vị trí đầu vào và đầu ra, tăng hiệu quả năng lượn bằng cách cho phép điều khiển lưu lượng bằng các chế độ riêng lẽ, ứng dụng các

van đơn, tránh tình trạng xâm thực trong quá trình kéo tải (xâm thực là sự hình

thành và vỡ ra của bóng bóng khí và đẩy dung dịch đi với một lực có thể làm rỗ bề mặt van hay của van), cấu hình hệ thống linh hoạt, có thể chuyển các chức năng từ

phần cứng sang phần mềm, có khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến…

Nhược điểm: Chi phí linh kiện cao, yêu bộ điều khiển phức tạp, khi chuyển đổi giữa các chế độ dẫn đến thay đổi vận tốc đột ngột, khó khăn trong việc tích hợp bộ bù áp, rung động mạnh

Với những ưu điểm vượt trội của phương pháp đo độc lập nên nó có thể kết hợp được với các mạch thủy lực để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng qua nhiều hình thức khác nhau như: Kết hợp giữa hệ thống cơ thủy lực cảm biến tải truyền thống với đo độc lập, Kết hợp giữa hệ thống cảm biến tải và cấu hình van đo độc lập, kết hợp mạch kín với phương pháp đo độc lập để loại bỏ tổn thất van tiết lưu, kết hợp với bộ tích áp lưu trữu năng lượng dự trữ để tái sử, kết hợp giữa thuật toán điều khiển bơm với điều khiển hệ thống van độc lập…

= > Từ những phân tích trên cho thấy việc hệ thống hóa phần cơ sở lý thuyết và cần

được kiểm chứng thông qua thực nghiệm

1.6 Kết luận

Với những ưu điểm nổi bật đã kể ở trên về hệ thống van IM và mặc dù cũng đã có rất nhiều nghiên cứu về mảng này trên thế giới Tuy nhiên, về cơ sở lý thuyết và đặc biệt là sự kết hớp với hệ thống servo mà tách riêng cho từng van tác giả chưa tìm thấy một cách đầy đủ Do đó, trong luận văn này tác giả thực hiện các phần tiếp theo để làm rõ và để kiểm chứng hệ thống về tính linh hoạt, khả năng đáp ứng động học và tiết kiệm năng lượng…

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 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 tiết kiệm năng lượng

2.1.1 Hệ thống van đo độc lập

Hình 2.1 Các kiểu tách chính được sử dụng cho cấu hình đo độc lập

Đa phần, các loại van thủy lực được sử dụng để thực hiện cho hệ thống IM có thể được phân loại thành các loại van 2/2 và van 3/3 Chúng được sử dụng để tạo ra các cấu hình khác nhau giữa đầu vào và đầu ra Tách riêng lẽ chia thành hai loại đó là tách về cơ học hoặc và về chức năng và được tóm tắt trong Hình 2.1

Tách cơ học là dựa trên việc thay đổi loại van từ 3/3 hoặc 4/3 thành van tỷ lệ 2/2 cho ra các cấu hình khác nhau của hệ thống IM

Tách chức năng dựa trên các van chuyển mạch và van tỷ lệ, trong đó chức năng phụ thuộc vào hướng van chuyển mạnh kết hợp với lưu lượng được điều khiển bởi các van tỷ lệ

• Hệ thống điều khiển IM

Minh họa hệ thống điều khiển lập trình thủy lực chứa 3 cấp độ chính như Hình 2.2

Hình 2.2 Ba mức điều khiển chính của hệ thống điều khiển thủy lực lập trình

Mức cao là mức chuyển đổi chế độ cho phép phục hồi và tái tạo năng lượng, nó thực hiện việc chuyển đổi chế độ để lựa chọn chế độ hiệu quả nhất cho phép tái tạo và phục hồi năng lượng Kỹ thuật lựa chọn dựa trên trạng thái áp suất và vận tốc của

Mức thấp hơn được sử dụng để kiểm soát hiệu suất của van, các van trong mỗi chế độ được kích hoạt để điều khiển lưu lượng kiểm soát tốc độ xy lanh Ở mức này, các thông số điều khiển khác nhau có thể được sử dụng để đo độc lập, các thông số này có thể được chia thành lưu lượng, chênh lệch áp suất và điều khiển vận tốc và vị trí được thể hiện trong Hình 2.3 Điều khiển lưu lượng và hành trình dựa trên các bộ cảm biến, do đó hệ thống không cần sử dụng các thành phần cơ học thuần túy

Mức chính là cấp kiểm soát áp suất và lưu lượng của bơm

Như vậy, khi tách riêng các bộ đo cơ cấu chấp hành nó sẽ làm tăng tính linh hoạt cho hệ thống từ đó ta có các chiến lược điều khiển khác nhau có thể áp dụng và nghiên cứu trên hệ thống

Hình 2.3 Các thông số điều khiển được triển khai cho hệ thống đo độc lập Trong đó PPC-primary pressure compensator, SPC-secondary pressure compensator,

EH-Electrohydraulic, P-Pressure, F-Flow và D-displacement

Ba sơ đồ hệ thống điều khiển chính được thực hiện trong phương pháp đo độc lập thể hiện như Hình 2.4

Hình 2.4 Các cách điều khiển khác nhau của phương pháp đo độc lập

Sơ đồ đầu tiên, điều khiển tốc độ tiến, chủ yếu được sử dụng trong máy cơ giới do người vận hành thực hiện tác động đóng vòng lặp

Sơ đồ thứ hai, là loại phản hồi điều khiển vòng kín dạng Singel Input Single Output (SISO), để đảm bảo rằng đầu ra tuân theo quỹ đạo

Sơ đồ cuối cùng, là hệ thống điều khiển vòng kín dạng Multiple Input Multiple Output (MIMO), nó được sử dụng để điều khiển nhiều hơn một biến mục tiêu trong đó các trạng thái khác nhau được kiểm soát đồng thời trong IM Các trạng thái này được kết hợp với nhau Việc tách các trạng thái cũng được thực hiện bằng điều khiển MIMO

Để tách tham số giữa vận tốc và áp suất của bộ truyền thường sử dụng kết hợp điều khiển bơm và điều khiển van

Sử dụng bộ điều khiển PID và Fuzzy PID để kích hoạt các van dựa trên biểu đồ lưu lượng và nâng cao hiệu suất của van Servo hai cấp để hình thành hệ thống đo độc lập Bộ điều khiển PID cũng để kiểm soát vận tốc và áp suất của bộ truyền động trong hệ thống đa chức năng Ngoài ra nó còn được sử dụng để kích hoạt bơm có lưu lượng thay đổi Nó cũng đã được ứng dụng để cải thiện hiệu suất cho máy xúc thủy lực

Kỹ thuật điều khiển thích nghi là một kỹ thuật mà nó có thể thay đồi điều khiển theo thời gian thực Có nghĩa là nó có thể duy trì mức độ mong muốn của hệ thống điều khiển, đặc biệt khi các tham số đo của mô hình không xác định và có tính phi tuyến trong các hệ thống thủy lực Ứng dụng điều khiển thích nghi vào hệ thống đo độc lập

• Các chế độ hoạt động của cấu hình IM

Đối vưới mức cao của hệ thống thủy lực có thể lập trình, cấu trúc của IM cho phép các chế độ hoạt động khác nhau giúp giảm tiêu thụ năng lượng Các chế độ hoạt động này biểu thị cho các đường dẫn lưu lượng nhất định vào và ra khỏi cơ cấu chấp hành Ngoài ra, nó có thể thay đổi được do sự thay đồi của tải và áp suất

Sơ đồ chính điển hình cho hệ thống đo độc lập được biểu diễn như Hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống van đo độc lập

Cấu hình này có 5 chế độ hoạt động được mô tả như Hình 2.6

+ Chế độ xy lanh lùi, chế độ xy lanh tiến, chế độ xy lanh tiến nhờ áp suất bơm và hồi tiếp đường về, chế độ xy lanh tiến nhờ áp suất bơm và tác động của ngoại lực, chế độ xy lanh lùi nhờ áp suất bơm và tác động của ngoại lực

Hình 2.6 Các chế độ hoạt động của hệ thống van IM

2.1.2 Hệ thống cảm biến tải

Hệ thống cảm biến tải (LS) là một bước triến vượt bậc của hệ thống thủy lực vì tính hiệu quả cao và hiệu suất tốt LS đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng thủy lực cơ giới, đặc biệt là đối với các hệ thống nhiều cơ cấu truyền động Tuy nhiên, tổn thất trong hệ thống LS vẫn còn do nguyên tắc làm việc của bơm cảm biến tải và điều khiển tiết lưu

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG THỦY LỰC SERVO DÙNG VAN ĐỘC LẬP

3.1 Đề xuất hệ thống thủy lực

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Hệ thống đề xuất được trình bày trong Hình 3.1 Hệ thống được chia thành hai cụm cho hai xi lanh, mỗi cụm hệ thống bao gồm một động cơ AC servo (M), một bơm thủy lực thay đổi lưu lượng (P), một xi lanh thủy lực, hai van servo (V1, V4), ba van ON/OFF 2/2 (V2, V3, V5), một bồn chứa (Tank), một van tràn (RV) và một bình tích áp thủy lực (HA) chung cho cả 2 cụm Trong hệ thống, một bộ tích áp thấp được sử dụng tăng áp cho bơm thông qua van một chiều CV2 Hai van một chiều (CV1, CV2) điều hướng lưu lượng đến bơm Trong hệ thống này, tốc độ của xi lanh thủy lực được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh bằng thuật toán điều khiển van Bộ tích áp cao HA được sử dụng để tích trữ năng lượng phục hồi và đóng vai trò như một bộ tăng áp cho bơm

Hình 3.1 Hệ thống thủy lực đề xuất

Trong sơ đồ hệ thống thủy lực đề xuất Hình 3.1 thì hai xi lanh được điều khiển độc lập bởi hai bơm và đồng thời nguồn lưu lượng của mỗi xi lanh cũng được khiển

riêng biệt thông qua hệ thông các van độc lập Do đó, từ phần tiếp theo của luận văn này tác giả trình bày và giải thích cho hệ thống một cụm xi lanh thì khi áp dụng cho nhiều xi lanh cũng có khả năng đáp ứng được

3.1.2 Chế độ hoạt động hệ thống

Hệ thống thủy lực đề xuất được tách ra và phân thích cho một cụm xi lanh như Hình 3.2

Hình 3.2 Hệ thống thủy lực cho một xi lanh

Bằng cách điều khiển chuyển đổi cụm năm van của mỗi xi lanh, hệ thống thủy lực được đề xuất có thể sử dụng năm chế độ làm việc khác nhau được xác định cho mỗi xi lanh và mô tả trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Các chế độ làm việc của hệ thống thủy lực

Các chế độ làm việc

V1 V2 V3 V4 V5

4 Xi lanh tiến (nhanh) nhờ áp suất bơm và hồi

5 Xi lanh tiến (chậm) điều khiền theo nguyên lý

Các chế độ làm việc của hệ thống được mô tả dưới dạng mạch thủy lực thu gọn như dưới đây Sử dụng các điều kiện trong Bảng 3.1, mạch thủy lực được vẽ lại theo từng chế độ như sau:

Chế độ xi lanh tiến bình Hình 3.3 Hoạt động ở chế độ này xi lanh sẽ được điểu khiển bởi van V1 và van ON/OFF V5, trong chế độ này van V1 đóng vai trò như một van ON/OFF thông thường Lưu lượng được cung cấp dưới áp suất cao từ bơm qua van V1 vào đầu buồng A của xi lanh làm cho pitston chuyển động tiến, chuyển động của pistong tạo lực đẩy và dẫn lưu lượng ra khỏi buồng B của xi lanh qua va V5 về bề chứa Tuy nhiên, sự khác nhau ở chế độ này là hai van V1 và van V5 được điều khiển riêng biệt do đó lưu lượng đến bề chứa không phải lúc nào cũng bị hạn chế, trong khi đối với ở mạch thủy lực sử dụng van tỷ lệ thông thường thì không thể điều khiển độc lập được và dĩ nhiên lưu lượng về bể chứ luôn luôn bị hạn chế

Hình 3.3 Xi lanh tiến bình thường

Chế độ xi lanh lùi bình thường được mô tả trong Hình 3.4 Tương tự như ở chế độ xi lanh tiến ở trên Hoạt động ở chế độ này xi lanh sẽ được điểu khiển bởi van V4 và van ON/OFF V2, trong chế độ này van V4 đóng vai trò như một van ON/OFF thông thường Lưu lượng được cung cấp dưới áp suất cao từ bơm qua van V4 vào đầu buồng B của xi lanh làm cho pitston chuyển động lùi, chuyển động của pistong tạo lực đẩy và dẫn lưu lượng ra khỏi buồng A của xi lanh qua va V2 về bề chứa Tuy nhiên, sự khác nhau ở chế độ này là hai van V2 và van V4 được điều khiển riêng biệt do đó lưu lượng đến bể dầu không phải lúc nào cũng bị hạn chế, trong khi đối với ở mạch thủy lực sử dụng van tỷ lệ thông thường thì không thể điều khiển độc lập được và dĩ nhiên lưu lượng về bể chứa luôn luôn bị hạn chế

Hình 3.4 Xi lanh lùi bình thường

Chế độ thu hồi năng lượng khi xi lanh lùi được mô tả trong Hình 3.5 Hoạt động ở chế độ này xi lanh sẽ được điểu khiển bởi van V4 và van ON/OFF V3, trong chế độ này van V4 vẫn đóng vai trò như một van ON/OFF thông thường Ở chế độ này khi có ngoại lực tác động làm cho piston chuyển động lùi tạo lực đẩy và dẫn lưu lượng ra khỏi buồng A của xi lanh qua van V3 vô bình tích áp, ở chế độ này năng lượn phục hồi khi có ngoại lực đẩy xi lanh lùi xi lanh và năng lượng của ngoại lực được thu hồi và tích trữ trong bộ tích áp dưới dạng năng lượng thủy lực Áp suất trong bộ tích áp tăng lên ở chế độ phục hồi này

Hình 3.5 Chế độ thu hồi năng lượng khi xi lanh lùi

Chế độ xi lanh tiến (nhanh) nhờ áp suất bơm và hồi tiếp đường về được mô tả trong Hình 3.6 Ở chế độ này có thể xem như một hình thức thu hồi năng lượng mà hệ thống thủy lực được đề xuất có thể đạt được thông qua điều khiển các van riêng lẽ mà ở hệ thống thủy lực với van tỷ lệ thông thường không thể thực hiện được Theo các hướng mũi tên ở trong Hình 3.6 thì lưu lượng ra khỏi buống B ở áp suất cao qua van V4 không đi về bể chứa mà đi qua van V1 vào buồng A của xi lanh làm cho piston tiến Tuy nhiên, lưu lượng ra khỏi buồng B nhỏ hơn lưu lượng cần thiết trong buồng A để đạt được tốc độ nhất định vì sự chênh lệch tiết diện (Aa>Ab) Lưu lượng ra khỏi một trong hai buồng là Q = A.ẋ với vận tốc cho trước, do sự chênh lệch về tiết diện (Qa>Qb) Phần lưu lượng còn lại được cung cấp từ bơm chỉ đủ để thấy sự chênh lệch về lưu lượng, so sánh với chế độ xi lanh tiến bình thường thì lưu lượng được cung cấp hoàn toàn từ bơm Chính vì vậy mà chế độ xi lanh tiến nhanh có thể sử dụng lại lưu lượng ra từ buồng B hay nói cách khác đây là phần năng lượng tái sinh và do đó tiết kiệm năng lượng

Ở chế độ này, van 1 và van 4 đóng vai trò như các van ON/OFF và tốc độ của xi lanh nhanh hơn khi so sánh với chế độ tiến bình thường vì lưu lượng đi qua V4 và V1 nằm ở phí bơm (phía áp cao P1)

Hình 3.6 Xi lanh tiến nhanh

Chế độ xi lanh tiến (chậm) theo nguyên lý Meter-In được thể hiện trong hình 3.7 Ở chế độ này lưu lượng qua van servo V1 và van servo V4 sẽ được điều khiển kiểm soát ở đầu vào để có thể thay đổi vận tốc xi lanh như mong muốn thông qua thuật toán điều khiển van, trong khi ở chế độ xi lanh tiến nhanh các van V1 và V4 đóng vai trò van ON/OFF không kiểm soát lưu lượng, ngoài ra đối với ở mạch thủy lực sử dụng van tỷ lệ thông thường thì không thể điều khiển độc lập được và lưu lượng đầu ra luôn đi về bể dầu do đó bị hạn chế sự linh hoạt

3.2 Phân tích đặc tính tĩnh của hệ thống

Trong phần trình bày dưới đây, các hệ số Kv1, Kv2, Kv3, Kv4, Kv5 được xem là hệ số dẫn tham chiếu đến các van tương ứng của hệ thống

3.2.1 Đặc tính tĩnh của chế độ xi lanh tiến

Hình 3.8 mô tả đặc tính cho hệ thống ở chế độ xi lanh tiến, ở chế độ này chỉ có hai van Kv1 và Kv5 hoạt động Hệ thống này về mặt toán học tương đương với hệ thống đơn giản trong đó ta có áp suất tương đương Ptd và hệ số dẫn tương đương của van là Ktd như trong hình và được chứng minh như sau:

Hình 3.8 Phân tích đặc tính của chế độ xi lanh tiến

Ta thấy hệ số Kv1 và Kv5 có thể được điều khiển riêng biệt bởi bộ điều khiển chính vì vậy mà hai van này đều được cung cấp lưu lượng độc lập không phụ thuộc nhau Các van sẽ được biểu thị qua các hạn chế về thay đổi lỗ [11]

Do đó, công thức 3.8 có thể được viết như sau:

3223222 5 1d 2 2 2 2

K KK

Từ phương trình 3.4 và 3.11 có thể suy ra phương trình sau [14-15]:

Từ phương trình 3.14 ta nhận thấy rằng nếu vận tốc ẋ = 0 thì Ktd = 0 nghĩa là tất cả các van đều đang ở trạng thái đóng

3.2.2 Đặc tính tĩnh của chế độ xi lanh lùi

Hình 3.9 mô tả đặc tính cho chế độ xi lanh lùi, ta có thể thực hiện phân tích các bước tương tự như chế độ xi lanh tiến và ta có kết quả Ktd và Ptd được viết lại như sau

Hình 3.9 Phân tích đặc tính của chế độ xi lanh lùi

Ktd ở chế độ lùi đại diện cho hệ số dẫn tương đương của cả hai van KV4 và KV2, và ta có thể suy ra phương trình sau:

Khi ẋ < 0 => xi lanh lùi

3.2.3 Đặc tính tĩnh của chế độ xi lanh tiến nhanh và tiến chậm

Như trên ta có thể thực hiện phân tích các bước tương tự thông qua Hình 3.10, thu được kết quả Ktd và Ptd cho xi lanh tiến nhanh và tiến chậm như sau

Hình 3.10 Phân tích đặc tính của chế độ xi lanh tiến nhanh và tiến chậm

K KK

Cũng thực hiện phân tích tương tự thông qua Hình 3.11 ta thu được kết quả Ktd và Ptd như sau

Khi ẋ < 0 => xi lanh lùi

3.3 Nguyên lý điều khiển van

Điều khiển van nghĩa là chọn các chế độ đóng mở của các van riêng lẽ trong hệ thống để đạt được Ktd từ đó chuyển thành tốc độ của xi lanh Giả sử ta có tốc độ của xi lanh là xs, Ktd có thể được tính toán cho một tải nhất định và áp suất cung cấp tương đương Ptd theo công thức sau:

A xK

Với mỗi chế độ khác nhau thì biểu thức Ktd sẽ khác nhau phụ thuộc và hai van nào được mở của chế độ tương ứng, tuy nhiên ta có thể viết lại một công thức chung Ktd cho tất cả các chế độ như sau:

K KK

Hình 3.12 thể hiện cho trạng thái Ktd so với các trạng thái khác nhau của Ka và Kb thu được từ phương trình 3.25 với giá trị a 1.3405

= = [16]

Hình 3.12 Biều đồ 3D thể hiện sự biến thiên của Ktd so với Ka và Kb

Hình 3.13 Biểu thị cho đồ thị điều khiển van thu được từ Hình 3.12 [16] Dựa trên đồ thị ta có thể thấy có thể sử dụng vô số sự kết hợp của Ka và Kb để đạt được giá trị Ktd cụ thể và tương ứng với tốc độ xi lanh nhất định Mỗi đường cong trong Hình 3.13 tương ứng với một giá trị Ktd nhất định Điều này liên quan đến việc điều khiển chọn khoản mở của các van riêng lẽ phù hợp nhất trong vô số các kết hợp có thể có của Ka và Kb

• Độ nhạy của van:

Dòng điện điều khiển cần thiết để đạt được độ mở van (Ktd) nhất định do đó bộ điều khiển phải hoạt động trong vùng của đường cong sao cho độ nhạy là nhỏ nhất đối với các sai số của van Để đo độ nhạy Ktd đối với các sai số trong Ka và Kb, Tabor đã sử dụng bộ khuếch đại Gradient của Ktd đối với Ka và Kb [14-15]:

666232 3

Hình 3.13 Đồ thị thể hiện sự biến thiên của Ktd với Ka và Kb (Đồ thị điều khiển van)

Hình 3.14 cho thấy bề mặt 3D của Ktd được biểu thị trong công thức 3.26 thay đổi theo Ka và Kb, tại điểm đáy của biểu đồ ta có thể thấy giá trị Ktd là nhỏ nhất.

Hình 3.14 Độ nhạy của Ktd đối với các sai số trong Ka và Kb được mô tả bằng bộ khuếch đại Gradient

Tại điểm đáy của biểu đồ chỉ ra mối quan hệ giữa Ka và Kb có độ dốc là nhỏ nhất [15]:

Áp suất tại nơi làm việc không được tăng quá một ngưỡng nhất định do các hạn chế về thiết kế như công suất, đường ống của các thành phần hệ thống khác nhau Nếu vượt quá áp suất đó thì hư hỏng của mạch thủy lực có thể xảy ra Chính vì vậy mà áp suất tối thiểu và áp suất tối đa (hay còn gọi là áp suất ngưỡng) có thể được xác định cho buồng A hoặc buồng B hoặc cả hai buồng của xi lanh Áp suất ngưỡng được xác định cho buồng A của xi lanh ký hiệu là Ptha và áp suất ngưỡng được xác định cho buồng B của xi lanh ký hiệu là Pthb Các áp suất này được biểu diễn bằng các đường thằng đứng và nằm ngang trên biểu đồ điều khiển van Phương trình tổng quát thể hiện mối quan hệ này giữa áp suất ngưỡng với KI hoặc KO như sau:

• Kiểm soát áp suất buồng đầu vào của xi lanh:

Thực hiện cho trường hợp đối với chế độ xi lanh tiến

x A

Hình 3.15 Độ mở van tối thiểu tương ứng áp suất tối thiểu trên sơ đồ điều khiển van

Công thức 3.31 được áp dụng cho chế độ xi lanh tiến Áp suất ngưỡng này có thể là áp suất đầu vào tối thiểu với độ mở van đầu vào phải lớn hơn KIth như trong Hình 3.15 để tránh tình trạng xâm thực xả ra hoặc là áp suất đầu vào tối đa không được vượt quá giới hạn thiết kế do đó độ mở van đầu vào phải nhỏ hơn KIth như trong Hình 3.16 Điều này có nghĩa là khi độ mở van đầu vào tăng thì chênh lệch áp suất trên van giảm ít hơn, do đó áp suất buồng đầu vào cao hơn Nếu độ mở của van đầu vào giảm thì sẽ dẫn đến hiện tượng sụt áp và áp suất buồng đầu vào giảm

• Kiếm soát áp suất buồng đầu ra của xi lanh:

bOthV th

Thông thường buồng đầu ra sẽ được kết nối với bể dầu hoặc trong một số chế độ khác sẽ kết nối với đường tăng áp nhưng với áp suất rất nhỏ Do đó, áp suất tối thiểu trong buồn đầu ra không quá quan trọng, áp suất tối đa là quan trọng hơn vì trong trường hợp này áp suất ngưỡng chính là áp suất đầu ra tối đa không được vượt quá giới hạn thiết kế do đó độ mở van đầu ra phải lớn hơn KOth như thể hiện trong Hình 3.17 Điều này có thể được hiểu là khi độ mở của van đầu ra tăng lên thì sự chênh lệch áp suất xảy ra trên van sẽ thấp hơn, tức là áp suất trong khoang đầu ra không tăng quá cao so với áp suất hồi lưu

Hình 3.17 Độ mở van đầu ra tối đa tương ứng áp suất tối đa trên sơ đồ điều khiển van

Như vậy, với hệ thống điều khiển van này, ta có thể kiểm soát vận tốc của xi lanh đồng thời hạn chế áp suất trong cả hai buồng của xi lanh

3.4 Đáp ứng về động học

• Chức năng chuyển van: Mạch thủy lực của hệ thống đề xuất được thu gọn lại như Hình 3.18 ta có thể thấy nhánh bao gồm các van KV1, KV2 và KV3 gọi là nhánh (a) vì các van này nối với buồng A của xi lanh Tương tự, nhánh bao gồm các van KV4 và KV5 gọi là nhánh (b) vì các van này nối với buồng B của xi lanh Các khả năng chuyển van có thể xác định được như sau:

S = −

S = −



Hình 3.18 Chức năng chuyển đổi van

Với:

Sa = 1 => KV1 ON

Sa = -1 => KV2 và KV3 ON Sb = 1 => KV4 ON

Sb = -1 => KV5 ON

Giả sử D là thông số để xác định hướng chuyển động của xi lanh: Với

D = 1 => Xi lanh tiến D = -1 => Xi lanh lùi

Vậy các chế độ điều khiển có thể được biểu diễn bằng tổ hợp (Sa, Sb, D):

Thu hồi năng lượng khi xi lanh lùi = (-1, 1, -1)

Hình 3.19 Sơ đồ biểu diễn hướng lưu lượng

• Lưu lượng cung cấp được biểu thị dưới dạng tổng quát như sau:

và Sb

Hệ số dẫn tương đương chung Ktd của van là:

K KK