Tóm tắt Bài báo này trình bày sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện thủy lực sử dụng van sécvô kiểu vòi phun tấm chắn, thiết lập các phương trình mô tả hoạt động của hệ thống, xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink; dựa trên mô hình này, thực hiện khảo sát các đặc tính tĩnh học và đặc tính quá độ của hệ thống. Abstract: This paper presents a typical architecture of electrohydraulic control system of steering aircraft, mathematic equations described operation of studied system , nonlinear model used Simulink; examination of the static charateristic and the transient process based on this model.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 151 Mã bài: 36 Mô phỏng hệ thống truyền động điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn Modeling of electrohydraulic control system using nozzle flapper servovalve Hoàng Văn Tiến Học viện kỹ thuật quân sự, e-Mail: tien.hoang0@gmail.com Nguyễn Đức Anh Học viện kỹ thuật quân sự, e-Mail: anh2522@yahoo.com Tóm tắt Bài báo này trình bày sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện - thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun - tấm chắn, thiết lập các phương trình mô tả hoạt động của hệ thống, xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink; dựa trên mô hình này, thực hiện khảo sát các đặc tính tĩnh học và đặc tính quá độ của hệ thống. Abstract: This paper presents a typical architecture of electrohydraulic control system of steering aircraft, mathematic equations described operation of studied system, nonlinear model used Simulink; examination of the static charateristic and the transient process based on this model. Chữ viết tắt HTTĐ Hệ thống truyền động CCCH Cơ cấu chấp hành 1. Giới thiệu Với những ưu điểm nổi bật như: tác động nhanh, khối lượng và thể tích nhỏ trên một đơn vị công suất, độ tin cậy cao, tuổi thọ động cơ lớn … các HTTĐ điện-thủy lực được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, đặc biệt là trong các hệ thống điều khiển máy bay. Trên thế giới, các HTTĐ điện thủy lực cánh lái máy bay đã trải qua quá trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn thiện; cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, công nghệ vật liệu, và phương pháp điều khiển số, những hệ thống này tiếp tục có những bước hoàn thiện và phát triển hơn nữa nhằm giảm khối lượng, tối ưu hơn nữa hiệu quả làm việc và các đặc tính kỹ thuật. Tuy nhiên, ở trong nước, việc nghiên cứu và phát triển các HTTĐ điện-thủy lực cho những ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ còn nhiều hạn chế, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu phục vụ khai thác, sửa chữa và học tập, giảng dạy. Các mô hình HTTĐ điện-thủy lực được xây dựng chủ yếu dựa trên các phương pháp tuyến tính hóa, còn nhiều hạn chế trong mô tả hoạt động của các hệ thống thực. Bài báo này giới thiệu mô hình phi tuyến của HTTĐ điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun tấm chắn. Mô hình này được xây dựng bằng cách sử dụng Simulink và dựa trên các phương trình vi phân mô tả quá trình hoạt động của hệ thống, qua đó khảo sát các đặc tính tĩnh và đặc tính động lực của hệ thống, khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số về kết cấu của các phần tử cơ bản tới những đặc tính của hệ thống. 2. Cấu trúc HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay Hiện nay trong lĩnh vực hàng không, các hệ thống điện điều khiển từ xa(hệ thống điện điều khiển tự động) được ứng dụng rất rộng rãi thay thế cho các hệ thống thủy-cơ truyền thống. Trong đó HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay đóng vai trò là cơ cấu chấp hành và cấu tạo gồm: khối các thiết bị điện có chức năng điều khiển và kiểm tra trạng thái hoạt động (bao gồm cả thiết bị điện tử tương tự và điện tử số) và khối CCCH điện-thủy lực (bao gồm: bộ khuếch đại điện-thủy lực, xilanh thủy lực với cảm biến phản hồi, bộ lọc, các van thủy lực, các khâu và khớp nối…). Nhằm đảm bảo yêu cầu cao về độ tin cậy, độ an toàn, trong hệ thống điều khiển bay các phần tử, thiết bị có xác suất hư hỏng, xảy ra sự cố cao(thường là các thiết bị điện, điện tử) được dự phòng bởi nhiều kênh khác, sẵn sàng hoạt động thay thế kênh hư hỏng, còn các phần tử có xác suất hư hỏng, xảy ra sự cố ít hơn sẽ ít được dự phòng hoặc được dự phỏng bởi ít kênh hơn. 152 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh VCM2012 Trên hình 1 trình bày sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điện điều khiển từ xa của các máy bay chiến đấu hiện đại [1]. Hệ thống này bao gồm: Bốn kênh điều khiển(mỗi kênh gồm các cảm biến xác định sự thay đổi tọa độ trạng thái máy bay và đưa ra tín hiệu(lệnh) điều khiển bay; các máy tính tính toán đưa ra luật điều khiển bay và các thiết bị vào-ra trao đổi thông tin với HTTĐ điện-thủy lực cánh lái); HTTĐ điện-thủy lực cánh lái bao gồm: bốn khối thiết bị điện tử(gồm cả thiết bị tương tự và thiết bị số) dùng để điều khiển, kiểm tra trạng thái hoạt động của CCCH điện-thủy lực và được chia đều cho hai CCCH điện-thủy lực(là HTTĐ bám điện-thủy lực, bao gồm: H. 1 HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay trong hệ thống điều khiển bay của các loại máy bay chiến đấu H. 2 Sơ đồ khối CCCH điện-thủy lực của HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay bộ khuếch đại điện-thủy lực, xilanh thủy lực với cảm biến phản hồi, bộ lọc, các van thủy lực, các khâu và khớp nối…). Trên hình 2 trình bày sơ đồ khối CCCH điện-thủy lực của HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay. 3. Mô hình hóa HTTĐ điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn 3.1 Mô hình hóa bộ khuếch đại tín hiệu điện Tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi: in fb U U U q (1) ở đây: in U - tín hiệu đầu vào; fb fb U k y - tín hiệu phản hồi fb k - hệ số phản hồi y - độ dịch chuyển của pít-tông. Hiệu điện thế đầu ra bộ khuếch đại tín hiệu điện khi không tính đến sự giới hạn công suất: , u U k U q (2) Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 153 Mã bài: 36 ở đây: u k - hệ số khuếch đại. Hiệu điện thế đầu ra của bộ khuếch đại điện: , max max , , max max , max max U khi U U U U khi U U U U khi U U (3) ở đây max U - hiệu điện thế đầu ra cực đại của bộ khuếch đại tín hiệu điện. 3.2 Mô hình hóa van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn H. 3 Hoạt động của van servo vòi phun – tấm chắn 3.2.1 Mô hình hóa bộ biến đổi điện cơ Phương trình mô tả hoạt động mạch điện điều khiển bộ biến đổi điện cơ: bef dI dh U R I L k dt dt (4) ( ) i bef dI dh U R I T k dt dt (5) ở đây: R- điện trở mạch điện điều khiển bộ biến đổi điện cơ, bao gồm điện trở các cuộn dây bộ biến đổi điện cơ và điện trở của bộ khuếch đại điện; L – hệ số tự cảm của các cuộn dây; bef k - hệ số sức điện động cản của mạch điện từ; i L T R - hằng số thời gian của mạch điện điều khiển bộ biến đổi điện cơ. Phương trình chuyển động của phần ứng của bộ biến đổi điện cơ với giả thiết rằng: ma sát khô, đặc tính từ trễ và sức điện động do chuyển động của phần ứng gây ra là nhỏ không đáng kể và có thể bỏ qua: 2 2 FI fb hd emt d h dh m k I F F C h b dt dt (6) ở đây: m - khối lượng của phần ứng và tấm chắn được quy về trục của vòi phun, h – độ dịch chuyển của tấm chắn, fb F - lực đàn hồi của cơ cấu phản hồi cơ, hd F - tác động thủy động lực của dòng dầu từ vòi phun lên hệ tấm chắn-con trượt, FI k - hệ số khuếch đại của đường đặc tính lực của bộ biến đổi điện cơ, phụ thuộc vào sức từ động phân cực, số vòng của cuộn dây điều khiển và các tham số kết cấu của mạch từ, emt C - hệ số độ cứng của phần ứng và tấm chắn b - hệ số ma sát nhớt. Thực hiện các phép biến đổi cần thiết, thu được hàm truyền biến đổi điện cơ có dạng: 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 1 emt hI emt emt emt k h s W s I s T s T s x (7) ở đây: FI emt emt k k C - hệ số truyền, emt emt m T C - hằng số thời gian điện cơ, 2 emt emt b C m x - hệ số tắt dần. 3.2.2 Mô hình hóa bộ khuếch đại thủy lực Phương trình cân bằng lưu lượng trong đường chéo mạch cầu thủy lực [3]: 2 k d Qh Qp d zol V dP dx K h K P A dt E dt (8) Trong đó: Qh Kqh inp t K K P P - hệ số khuếch đại theo lưu lượng của bộ khuếch đại thủy lực, Kqh K - hệ số tỷ lệ của hệ số K Qh ; x – độ dịch chuyển của con trượt. Kqp QP inp t K K P P - hệ số khuếch đại lưu lượng đầu ra theo áp suất, Kqp K - hệ số tỷ lệ của hệ số QP K , d P - hiệu áp suất trong đường chéo mạch cầu thủy lực. zol A - tiết diện của van trượt, k V - thể tích của khoang mặt nút van trượt và của các kênh dẫn dầu vào và ra khỏi đường chéo mạch cầu thủy lực, E - mô đun đàn hồi thể tích của dầu. Tác động thủy động lực của dòng dầu từ vòi phun lên hệ tấm chắn-con trượt [3]: 1 2hd s d s F K A P K A h (9) Trong đó: 1 2 , K K là những hệ số được xác định theo kinh nghiệm tính toán phản lực thủy động lực của dòng dầu tác động lên tấm chắn: 2 2 ( ) K inp t K K P P , ở đây 2 K K là hệ số thực nghiệm của 2 K . 154 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh VCM2012 Phương trình lực tác động lên con trượt: 2 2 d zol fb gdz vf df zol dx d x P A F C x B F m dt dt (10) Trong đó: ( ) fb fb F C x h - lực đàn hồi của cơ cấu phản hồi cơ, gdz C - độ cứng thủy động lực của con trượt, bao gồm độ cứng đặc trưng cho biến dạng đàn hồi của con trượt và độ cứng đặc trưng cho tác dụng làm con trượt dịch chuyển về vị trí trung gian của các dòng dầu chảy qua các cửa van servo, vf B - hệ số ma sát nhớt, df F - lực ma sát khô, m zol – khối lượng con trượt. Lực ma sát khô được xác định như sau: 0 ( ) 0 ( ) 0 zol zol fs df fs zol zol fs fk F khi x and F F F F sign F khi x and F F F sign x khi x (11) trong đó: zol d zol fb gdz vf dx F P A F C x B dt 3.3 Mô hình hóa xilanh thủy lực Sơ đồ HTTĐ bám điện-thủy lực dùng để mô phỏng được trình bày trên hình (4). Lưu lượng dầu vào khoang 1 của xilanh thủy lực: 1 1 1 H C Q Q Q (12) trong đó: 1 1 1 1 ( ) ( ) H H inp inp Q G x P P sign P P 1 1 1 1 ( ) ( ) C C t t Q G x P P sign P P 1 1 1 1 2 2 ( ) ( ) ; ( ) ( ) H H C C G x A x G x A x với G H1 , G C1 , A H1 , A C1 – tương ứng là hệ số dẫn dầu và tiết diện khe hở dẫn dầu vào và ra từ van séc-vô vào khoang 1; – hệ số lưu lượng; – khối lượng riêng của dầu. Phương trình cân bằng lưu lượng dầu đối với khoang 1: 1 1 1 1 1 2 ( ) ( ) p b ut Q A y y V P k P P (13) trong đó: 1 A - tiết diện của pít-tông phía khoang 1, - hệ số nén dầu, ut k - hệ số rò dầu. Tương tự với khoang 2: 2 2 2 C H Q Q Q (14) trong đó: 2 2 2 2 ( ) ( ) H H inp inp Q G x P P sign P P 2 2 2 2 ( ) ( ) C C t t Q G x P P sign P P 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ; ( ) ( ) H H C C G x A x G x A x với G H2 , G C2 , A H2 , A C2 – tương ứng là hệ số dẫn dầu và tiết diện khe hở dẫn dầu vào và ra từ van séc-vô vào khoang 2. Phương trình cân bằng lưu lượng dầu đối với khoang 2: 2 2 2 2 1 2 ( ) ( ) p b ut Q A y y V P k P P 3.4 Mô hình hóa chuyển động của pít-tông, tải trọng, thân xilanh Phương trình chuyển động của pít-tông: . pt df p p p F F m y (15) H. 4 Sơ đồ hệ thống truyền động bám điện-thủy lực dùng để mô phỏng Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 155 Mã bài: 36 H. 5 Sơ đồ phân phối dầu từ van séc-vô vào xilanh trong đó: m p - khối lượng pít-tông và cần đẩy pít- tông; 1 1 2 2 ( ) ( ) pt p p k p L F P A P A h y C y y , . df p F - lực ma sát khô và được xác định như sau: . . . . . 0 ( ) 0 ( ) 0 pt p pt fs p df p fs p pt p pt fs p fk p p p F khi y and F F F F sign F khi y and F F F sign y khi y p h - hệ số ma sát nhớt giữa pít-tông và xilanh, k C - độ cứng của khớp nối cần đẩy với tải trọng. Phương trình chuyển động của tải trọng: . L df L L L F F m y (16) trong đó: 0 ( ) L k p L L L F C y y h y F L h - hệ số ma sát nhớt của tải trọng. . df L F - lực ma sát khô và được xác định như sau: . . . . . 0 ( ) 0 ( ) 0 L L L fs L df L fs L L L L fs L fk L L L F khi y and F F F F sign F khi y and F F F sign y khi y Phương trình chuyển động của thân xilanh: . b df b b b F F m y (17) trong đó: 1 1 2 2 ( ) b b b b b F P A P A h y C y . df b F - lực ma sát khô và được xác định như sau: . . . . . 0 ( ) 0 ( ) 0 b b b fs b df b fs b b b b fs b fk b b b F khi y and F F F F sign F khi y and F F F sign y khi y b h - hệ số ma sát nhớt của thân xilanh, b C - độ cứng của khớp nối cần đẩy với tải trọng. Mô hình mô phỏng lực ma sát khô tác dụng lên pít-tông, tải trọng, thân xilanh tương tự như mô hình mô phỏng ma sát khô tác dụng lên con trượt của van séc-vô. Mô hình mô phỏng CCCH điện thủy-lực được trình bày dưới đây: H. 6 Mô hình mô phỏng cơ cấu chấp hành điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn 156 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh VCM2012 H. 7 Mô hình bộ khuếch đại điện H. 8 Sơ đồ nguyên lý và mô hình van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn với phản hồi cơ H. 9 Tham số mô hình van séc-vô Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 157 Mã bài: 36 H. 10 Mô hình bộ biến đổi điện cơ H. 11 Mô hình bộ khuếch đại thủy lực H. 12 Mô hình con trượt của van séc-vô 158 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh VCM2012 H. 13 Mô hình ma sát khô con trượt van séc-vô H. 14 Mô hình xilanh thủy lực Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 159 Mã bài: 36 H. 15 Mô hình mô phỏng chuyển động của pít-tông H. 16 Mô hình mô phỏng chuyển động của tải trọng 160 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh VCM2012 H. 17 Mô hình mô phỏng chuyển động thân xilanh 4. Kết quả khảo sát các đặc tính của HTTĐ điện-thủy lực dựa trên mô hình mô phỏng Thực hiện mô phỏng và khảo sát các đặc tính của HTTĐ điện-thủy lực dựa trên mô hình xây dựng được thu được kết quả như sau: H. 18 Quá trình quá độ của HTTĐ điện-thủy lực với tín hiệu đầu vào step H. 19 Quá trình quá độ của HTTĐ điện-thủy lực với tín hiệu đầu vào hình sin H. 20 Đặc tính cơ của HTTĐ điện-thủy lực H. 21 Đặc tính điều chỉnh của HTTĐ điện-thủy lực 5. Kết luận Bài báo xây dựng được các phương trình và mô hình toán mô tả hoạt động của các phần tử và cả HTTĐ điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn, từ đó mô phỏng và khảo sát được các đặc tính của hệ thống. Các kết quả đạt được của bài báo góp phần làm phong phú và sâu sắc thêm lý thuyết về HTTĐ điện-thủy lực, cung cấp công cụ mô phỏng chính xác hơn, sát thực tế hơn phục vụ cho các hoạt động nghiên cứu khác về HTTĐ điện-thủy lực nói chung và HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay và [...]...Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 CCCH của nó nói riêng (ví dụ như khảo sát hoạt động, các đặc tính, các yếu tố ảnh hưởng tới các đặc tính làm việc của các phẩn tử của hệ thống và cả hệ thống, mô phỏng kiểm tra và đánh giá kết quả thiết kế hệ thống ) Tài liệu tham khảo [1] Оболенский Ю Г., Ермаков С А., Сухоруков Р В.: Введение... nhận bằng kỹ sư về Các hệ thống truyền động trong các thiết bị bay của trường Đại học Hàng không Mátcơva(MAI) năm 2011;từ năm 2011 đến nay là giáo viên thuộc Bộ môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, Khoa Hàng không vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự Nguyễn Đức Anh sinh năm 1981 nhận bằng Kỹ sư Kỹ Thuật Hàng không tại trường Học viện Phòng không không quân năm 2005 Bằng thạc sỹ Tự động hóa tại trường Học... nhận bằng Kỹ sư Kỹ Thuật Hàng không tại trường Học viện Phòng không không quân năm 2005 Bằng thạc sỹ Tự động hóa tại trường Học viện Kỹ thuật Quân Sự năm 2011 Hiện đang là giảng viên thuộc Bộ môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, khoa Hàng không vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự Mã bài: 36 . hình mô phỏng ma sát khô tác dụng lên con trượt của van séc-vô. Mô hình mô phỏng CCCH điện thủy -lực được trình bày dưới đây: H. 6 Mô hình mô phỏng cơ cấu chấp hành điện-thủy lực sử dụng van. không, các hệ thống điện điều khiển từ xa (hệ thống điện điều khiển tự động) được ứng dụng rất rộng rãi thay thế cho các hệ thống thủy-cơ truyền thống. Trong đó HTTĐ điện-thủy lực cánh lái. HTTĐ điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun tấm chắn. Mô hình này được xây dựng bằng cách sử dụng Simulink và dựa trên các phương trình vi phân mô tả quá trình hoạt động của hệ thống,