Mô hình nghiên cứu độ đàn hồi của dầu , độ cứng thủy lực , tần số dao động riêng của xylanh và động cơ dầu
3 Đồ thị quan hệ lu lợng Q dòng điện điều khiển I Theo ISO 6404, đặc tính Q - I van đợc thiết lập sở đo xác định quan hệ Q - I cho áp suất PS không đổi chế độ không tải trọng (hình 5.14) Q QS(+) IA(-) (3) Q δQ (2) -I I IS(-) IS(+ ) (1) I0(+) I0 (3) (2) IA(+) QS(-) -Q Hình 5.14 Đặc tính Q - I van trợt điều khiển - Vùng bÃo hòa (Q = 0); - Vùng hoạt động cđa van; - Vïng b·o hßa (Q = Qmax) Vùng bÃo hòa vùng mà trợt vị trí trung gian (Q 1% QS), đợc xác định theo công thức : DZ (I (I (+) (+) S − I (0− ) − I (S− ) ) ) (5.1) Khi thiÕt kÕ van, DZ lÊy khoảng từ 10% đến 35% Vùng hoạt động vùng mà lu lợng Q thay đổi tỷ lệ với dòng điện điều khiển I, đợc xác định theo công thøc : (I ≈ (I (+) A (+) S ) ) − I (A− ) DA (5.2) − I (S− ) Vùng lu lợng bÃo hoà QS vùng mà tăng dòng điện điều khiển lu lợng không thay đổi nữa, lúc trợt đà mở hoàn toàn QS đợc gọi lu lợng tỷ lệ Đối với van servo, áp suất cung cấp để xây dựng đặc tính PS = 70 bar Vùng hoạt động van (2) thực tế không tuyến tính, nhng để tiện lợi cho việc sử dụng ngời ta thực tuyến tính hoá chịu sai số định Sai số lớn gọi sai sè tuyÕn tÝnh (h×nh 5.15) 117 ∆Imax Q ∆Qmax QtuyÕn tính Qthực tế Phạm vi làm việc I Hình 5.15 Tun tÝnh ho¸ quan hƯ Q - I C¸c giá trị Qmax Imax sai số tuyến tính Tuỳ thuộc vào trình độ chế tạo hÃng mà sai số tuyến tính van hÃng khác đợc ghi catalog Hệ số khuếch đại lu lợng hệ số khuếch đại áp suất Hệ số khuếch đại lu lợng tỷ số độ thay đổi lu lợng độ thay đổi dòng điện vào : KQ dQ dI (5.3) ∆PL =0 x0 < Q x0 =0 x0 > P A T B p I I0 (x0) b) a) Hình 5.16 Sơ đồ nghiên cứu hệ số khuếch đại lu lợng van a - Sơ đồ van trợt vị trí trung gian; b - Đặc tính Q - I x0 = 0, x0 > vµ x0 < Khi coi đặc tính Q - I tuyến tính hệ số khuếch đại lu lợng : 118 Q (5.4) I KQ hệ số góc đặc tính Q - I van Hệ số khuếch đại áp suất tỷ số áp suất với tín hiệu dòng điện vào van, p (5.5) đợc xác định theo công thức sau : Kp = I KQ = P A T B p P A ∆PL = T B p ∆PL a) b) P Ps X0 = X0>0 X0 x < Nếu trợt vị trí trung gian (hình 5.17a) áp suất cửa A cửa B (hiệu áp PL = 0) Nếu trợt di chuyển sang trái (hình 5.17 b) cửa A đợc thông với cửa p cửa B thông với cửa T Cửa A áp suất tăng cửa B áp suất giảm Khi mà cửa A áp suất áp suất cung cấp P cửa B áp suất giảm đến Hình 5.17c giới thiệu đặc tính P - I van trợt có mép điều khiển dơng, âm trung gian Đối với van trợt có mép điều khiển âm, hệ số khuếch đại thấp, van trợt có mép điều khiển dơng áp suất không tăng vùng "chết" van, van trợt có mép điều khiển trung gian, độ dốc đặc tính lớn tăng từ đầu nên loại có hệ số khuếch đại áp suất cao 119 Hệ số khuếch đại áp suất tiêu quan trọng mạch điều khiển áp suất hệ kín quan trọng liên quan đến độ xác mạch điều khiển vị trí Hiện tợng từ trễ trợt tín hiệu van Do ma sát trợt với thành van tợng tạo từ trờng cuộn dây mà gây tợng từ trễ (hình 5.18a) Đặc tính lu lợng tăng giảm dòng điều khiển I không trùng Lu lợng van phụ thuộc vào chiều tăng hay chiều giảm tín hiệu điều khiển Độ từ trễ đợc tính theo tỷ lệ phần trăm I* so với dòng điện điều khiển lớn nhÊt (∆I*%.Imax) ∆I* Q Q I Imax ∆I I * b) a) Hình 5.18 Đồ thị Q - I tợng từ trễ trợt tín hiệu van a - Đồ thị Q - I tợng từ trễ; b - Đồ thị Q - I tợng trợt tín hiệu Tơng tự nh tợng từ trễ đảo chiều làm việc van, thời điểm ban đầu đà giảm dòng điều khiển nhng lu lợng cha giảm trình gọi trợt tín hiệu I* hay gọi sai số nghịch đảo (hình 5.18b) Các tợng ảnh hởng đến độ xác điều khiển nên cần đợc quan tâm nghiên cứu chọn van Lu lợng tỷ lệ công suất truyền động Lu lợng van đợc điều khiển tiết diện chảy van xác định theo công thức gần dòng chảy rối : : (5.6) Q ≈ K o ∆P K0 - hÖ sè phụ thuộc nhiều yếu tố có liên quan đến tiết diện chảy van; P - hiệu áp qua tiết diện chảy Tuy nhiên tiết diện chảy đợc điều khiển theo dòng điện đầu vào nên lu lợng tỷ lệ đợc xác định theo dòng điện đầu vào Lu lợng tỷ lệ đợc tính ứng với dòng điện đầu vào 100% độ sụt áp qua van 70 bar (đối với van servo) Lu lợng qua van đợc xác định theo công thức: 120 : : Q L = Q R IA ∆PV 100 70 QL= QR.( IA ∆Pv ) 100 1000 (hÖ mÐt) (5.7) (hÖ Anh) (6.8) QL - lu lợng ứng với dòng điều khiển IA; QR - l−u l−ỵng tû lƯ (l−u l−ỵng lín nhÊt øng với Imax ); PV - độ sụt áp qua van Pv đợc xác định : Pv =PS −Pl −PT (5.9) PS - ¸p suÊt cung cÊp; PT - ¸p st cưa cđa van; PL - ¸p suất cần thiết để cấu chấp hành hoạt động Quan hệ lu lợng độ sụt áp Pv theo công thức (5.7) thể hình 5.19a Quan hệ biểu diễn dới dạng đặc tính logarit đợc vẽ nh hình 5.19b Q 100% Imax (3) 75% Imax 50% Imax (2) (1) ∆PV a) b) Hình5.19 Đồ thị đặc tính Q - PV a- đặc tính Q- Pv với dòng điều khiển khác nhau; b - Đặc tính Q-Pv vẽ toạ độ logarit VÝ dơ : Van servo cã l−u l−ỵng tû tƯ QR = 38 l/p TÝnh l−u l−ỵng QL qua van Pv =35 bar (500psi) dòng điện đầu vào IA = 75%Imax Từ đặc tính hình 5.19b ta thấy, PV =35 bar lu lợng QR =27 l/p với dòng điện đầu vào 100% Nh− vËy, nÕu sai sè tuyÕn tÝnh b»ng th× lu lợng 75% tín hiệu đầu vào : QL = 27 x 0,75 = 20,3 l/p C«ng suÊt thủy lực truyền cho cấu chấp hành (xylanh ®éng c¬ thủ lùc) nh− ®· giíi thiƯu ë mơc 1.1.1, tích lu lợng áp suất cung cấp van bỏ qua dạng tổn thất, xác định theo công thức sau : N=Q.P (5.10) 121 Nếu bỏ qua tổn thất lu lợng lu lợng qua cấu chấp hành lu lợng qua van Khi PV tăng QL tăng, nhng PV tăng áp suất PL truyền cho tải có xu hớng giảm Ngời ta đà xác định đợc rằng, độ sụt áp 1/3 áp suất cung cấp công suất đạt giá trị cực đại (PV = 1/3 PS) Quá trình thay đổi công suất theo áp st thĨ hiƯn ë h×nh 5.20b N P B Nmax Q N = Q.P C A P S PS PV b) a) Hình 5.20 Sơ đồ ví dụ tính công suất đặc tính N- P cấu chấp hành a - Sơ đồ ví dụ tính công suất động dầu; b - Đặc tính N- P cấu chấp hành Đặc trng động lực học van Đối với van servo van tỷ lệ hiệu suất cao vị trí trợt van đợc điều khiển trực tiếp mạch phản hồi học có kết cấu van Các loại van khác để có mạch phản hồi cần sử dụng cảm biến vị trí LVDT đo vị trí trợt, tín hiệu phản hồi từ LVDT đa khuếch đại van để so sánh với tín hiệu điều khiển van (hình 5.21) Sai số vị trí trợt ma sát thay đổi lu lợng đợc hiệu chỉnh cách tự động Bộ khuếch đại hệ Nam châm Con trợt Tín hiệu vào Vị trí trợt Phản hồi LVDT Hình 5.21 Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí trợt van 122 Con trợt van đợc điều khiển theo mạch điều khiển vị trí hệ kín, nên theo lý thuyết điều khiển tự động nghiên cứu động lực học van ta cần nghiên cứu đáp ứng step đáp ứng tần số Hành trình trợt Tín hiệu vào Hành trình trợt Tín hiệu vào A Tín hiệu TÝn hiƯu t t b) a) H×nh 5.22 Đặc tính động lực học trợt van a - TÝn hiƯu vµo lµ step; b - TÝn hiệu vào hình sin, (A - Độ lệch biên độ, - Độ lệch pha) Hình 5.22a đáp ứng độ trợt, nghĩa có tín hiệu vào dạng step tín hiệu dao động tắt dần trớc đạt giá trị vị trí ổn định Quá trình đợc gọi trình độ Các tiêu đánh giá chất lợng trình độ đà đợc giới thiệu lý thuyết điều khiển tự động Hình 5.22b đáp ứng tần số trợt van Khi tín hiệu vào thay đổi theo quy luật hình sin tín hiệu hình sin nhng pha trễ biên độ giảm Tín hiệu vào thấp khả trễ pha lệch biên độ ít; tần số vào cao độ lệch pha lệch biên độ tăng Hình 5.23 ví dụ đặc tính loại van servo Hình 5.23a đặc tính quan hệ biên độ pha, thể suy yếu biên độ trễ pha tính hiệu Hình 5.23b đặc tính quan hệ lu lợng Q hiệu áp p qua van, đặc tính quan hệ biên độ A tần số làm việc f van Sự suy yếu biên độ ®−ỵc tÝnh theo decibel (dB) : ⎛ Ra ⎞ )⎟ ⎝ Vao ⎠ dB = 20 log⎜ ( ®ã : Đầu tỷ lệ % tín hiệu đầu cực đại; Đầu vào tỷ lệ % tín hiệu đầu vào cực đại 123 (5.11) a) b) Hình 5.23 Một số đặc tính van servo a- Đặc tính thể suy yếu biên độ trễ pha tính hiệu ra; b- Đặc tính thể quan hệ lu lợng hiệu áp qua van, biên độ tần số làm việc van tần số thấp đầu bám sát đầu vào trùng nhau, : đ ầu = nên log = độ tắt dần lúc có dB = đ ầu vào 124 dB 900 -3 Tần số giới hạn Độ rộng 450 dải tần số 10 100 TÇn sè log a) 10 100 Tần số log b) Hình 5.24 Đặc tính tần số - biên độ - pha logarít a- Đặc tính tần số - biên độ; b- Đặc tính tần số - pha Hình 5.24 đặc tính tần số - biên độ pha logarit Trong hình 5.24a đồ thị xác định độ suy yếu (độ lệch) biên độ A tần số thay đổi hình 5.24b đồ thị xác định thay đổi ®é lƯch pha ∆ϕ tÇn sè thay ®ỉi VÝ dụ tần số có đầu vào 100% nhng biên độ đầu giảm xuống 70% : dB = 20log ( đ ầu 70 ) = 20 log = 20 (0.155) = đ ầu vào 100 Sự suy yếu biên độ 3dB dấu () thể tín hiệu thấp tín hiệu vào Đối với van điều khiển, độ rộng dải tần số hoạt động cho phép tín hiệu giảm xuống tối đa khoảng 1/2 tín hiệu vào (hay 70,7% tín hiệu vào) độ suy yếu 3dB chúng đợc thể hình 5.24a Khi tần số tăng độ trễ pha tăng Độ lệch pha van điều khiển giới hạn tối đa lệch 1/4 chu kỳ (ứng với 900) nh hình 5.24b Tần số giới hạn tiêu đánh giá chất lợng van, nhiên tần số giới hạn bị ảnh hởng áp suất cung cấp biên độ tín hiệu vào 125 5.2 Bộ khuếch đại Bộ khuếch đại hay gọi điều khiển nơi tổng hợp tín hiệu điều khiển tín hiệu phản hồi để truyền tín hiệu thích hợp đến van 5.2.1 Môđun khuếch đại Môđun khuếch đại Van điều khiển Tín hiệu vào Bộ phận khuếch đại Tín hiệu phản hồi a) Thiết lập lại Tín hiƯu vµo A I + S2 P S1 §Õn van B Tín hiệu phản hồi b) Hình 5.25 Sơ đồ môđun khuếch đại a- Sơ đồ khối ký hiệu; b- Sơ đồ khối thể nguyên lý hoạt động Hình 5.25a sơ đồ ký hiệu môđun khuếch đại đơn giản Hình 5.25b thể số phận chủ yếu thực chức môđun khuếch đại Tín hiệu điều khiển tín hiệu phản hồi đến cực A B đo điện ¸p thùc hiƯn tht to¸n "+" hc "-" víi chức điểm tụ Tuy nhiên giới hạn điện áp vào phản hồi phải tơng thích, không tơng thích phải hiệu chỉnh đo điện áp để thực bù trừ không tơng ứng ®ã 126 tÝn hiƯu ®iƯn ¸p thay ®ỉi theo thêi gian Khi ®iỊu chØnh biÕn trë R sÏ thay ®ỉi tèc ®é n¹p tơ ®iƯn C Bé khèng chÕ +10V UA UE + +6V t UA UE t -4V -10V a, c, b, Hình 5.30 Đặc tÝnh vµ ký hiƯu bé khèng chÕ a- TÝn hiƯu vào; b- Tín hiệu đà khống chế; c- Ký hiệu Hình 5.30 ví dụ đặc tính khống chế điện áp ra, giả sử có điện áp vào 10V qua khống chế điều chỉnh đợc điện áp VA = + V V theo yêu cầu Trên hình 5.30c nhánh ký hiệu cho điều chỉnh điện áp âm nhánh ký hiệu cho điều chỉnh điện áp dơng Bộ đảo tín hiệu UAQ UE +5V +5V UE t t -5V -5V -1 UA UA = -UE a) b) c) Hình 5.31 Đặc tính ký hiệu đảo tín hiệu a- Tín hiệu vào; b- Tín hiệu ra; c- ký hiệu Bộ đảo tín hiƯu thùc hiƯn chun cùc cđa tÝn hiƯu vµo, vÝ dơ tÝn hiƯu vµo lµ sãng bËc thang ± 5V , qua đảo tín hiệu cho ta tín hiệu ngợc dấu giá trị tuyệt U tín hiệu vào nên hệ số khuếch đại A = −1 (h×nh 5.31) UE 130 Bé khuÕch đại công suất Tín hiệu điện vào đợc chuyển thành tín hiệu dòng điện đợc ký hiệu nh− h×nh 5.32a IA UE H U UA H U I a) b) H×nh 5.32 Ký hiƯu vỊ bé chun đổi tín hiệu a- Bộ khuếch đại công suất (chuyển ®ỉi U/I); b- Bé chun ®ỉi (H/U) Khi chun tõ dạng tín hiệu sang dạng tín hiệu khác ngời ta dùng tín hiệu nh Ví dụ hình 5.32b ký hiệu chuyển đổi cảm biến vị trí, hành trình di chuyển H đợc biến đổi thành tín hiệu điện áp UA Bộ ngắt ®iÖn UA UE U1 (1) (0) U2 t t Dõng Chạy a) Chạy UA UE Dừng b) c) Hình 5.33 Đặc tính ngắt tín hiệu ký hiệu ngắt điện a- Tín hiệu vào; b- Tín hiệu ra; c- Ký hiệu Khi điện áp vào UE vợt U1 điện áp giữ nguyên U1 tơng ứng với trạng thái (1) Khi điện áp vào giảm xuống dới U2 điện áp giữ nguyên U2 tơng ứng với trạng thái (0) Nh điện áp từ U1 đến U2 tơng ứng với trạng thái (1) thiết bị hoạt động trạng thái (0) thiết bị dừng hoạt động (hình 5.33) 131 Bé tỉng (céng hc trõ ) +4V UA TÝn hiƯu vµo UE1 UE1 +4V +2V t TÝn hiƯu t -2 t -2V V -4V TÝn hiÖu vào UE2 UE2 a) b) UE1 UA UE2 c) Hình 5.34 Đặc tính cộng tín hiệu ký hiệu cuả tổng a- Hai tín hiệu vào; b- Tín hiƯu ra; c- Ký hiƯu Cã hai tÝn hiƯu vµo UE1 vµ UE2 qua bé tỉng sÏ cho ta mét tÝn hiÖu UA : UA = − (UE1 + UE2) Bộ so sánh khuếch đại tơng thÝch TÝn hiƯu ®iỊu khiĨn UE UA + TÝn hiƯu UE K UA UF - TÝn hiƯu ph¶n håi a) b) Hình 5.35 Bộ so sánh (a) khuếch đại tơng thích (b) Bộ so sánh đợc sử dụng mạch điều khiển hệ kín Bộ khuếch đại tơng thích chủ yếu dùng để điều chỉnh tín hiệu phản hồi cho phù hợp với tín hiệu vào để đa vào so sánh Ví dụ cảm biến tạo đợc điện áp tối đa 20 V lúc tín hiệu điều khiển tối đa 10 V lúc cần điều chỉnh tín hiệu phản hồi tối đa xuống 10 V để phù hợp với tín hiệu vào, nghĩa K = 1/2 Hình 5.36, hình 5.37, hình 5.38 ví dụ khuếch đại van tỷ lệ 132 Hình 5.36 Sơ đồ khuếch đại van tỷ lệ loại VT 3000- S -30 133 Hình 5.37 Sơ đồ khuếch đại van tỷ lệ loại VT 3006- S -30 134 Hình 5.38 Sơ đồ khuếch đại van tû lƯ lo¹i VT 5005- S -10 135 5.3 Các loại cảm biến Cảm biến thiết bị đo sử dụng để lấy tín hiệu phản hồi mạch điều khiển hệ kín Hiện có hai loại cảm biến : cảm biến tơng tự cảm biến số Cảm biến tơng tự (analog) : Đại lợng cần đo đợc chuyển đổi thành tín hiệu liên tục (hay gọi tín hiệu tơng tự) tơng thích Ví dụ đại lợng đo đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện áp cờng độ dòng điện (hình 5.39a) Tính hiệu t−¬ng tù TÝn hiƯu sè B A V Tun tÝnh hoá Thực tế v Độ phân giải S C Đại lợng đo Đại lợng đo b) a) Hình 5.39 Đặc tính cảm biến a- Cảm biến tơng tù (analog); b- C¶m biÕn sè (digital) C¶m biÕn sè (digital) : Đại lợng cần đo đợc chuyển đổi thành tín hiệu rời rạc (hay gọi tín hiệu số) tơng thích với khoảng cắt mẩu (s = const), khoảng cắt mẩu s gọi độ phân giải cảm biến (hình 5.39b) Các tín hiệu đa trực tiếp vào điều khiển PLC vi xử lý Thực tế loại cảm biến nói chung làm việc không hoàn toàn tuyến tính mà tồn sai số tuyến tính v, sai số phụ thuộc vào nguyên lý trình độ chế tạo Sai số tuyến tính tỉ lệ % ®é lƯch lín nhÊt ∆v so víi tÝn hiƯu lín nhÊt V : ∆% = ∆v 100 V H×nh 5.39a, A điểm có giá trị lớn tín hiệu (A = V), tơng ứng với điểm C đại lợng đo lớn Ví dụ : Giả sử ta có cảm biến áp suất với tÝn hiƯu thay ®ỉi tõ V ®Õn 10 V tơng ứng với phạm vi áp suất thay đổi tõ bar ®Õn 400 bar NÕu sai sè tuyÕn tÝnh ∆ = 0,5% 0,5.10V = 0,05 V 100 th× sai số đầu lớn v : v = sai số áp suất lớn tơng øng sÏ lµ : ⎛ 400 ⎞ 0,05V.⎜ ⎟ =2 ⎝ 10 ⎠ 136 bar ... 5.21 Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí trợt van 122 Con trợt van đợc điều khiển theo mạch điều khiển vị trí hệ kín, nên theo lý thuyết điều khiển tự động nghiên cứu động lực học van ta cần nghiên... áp hoạt động theo khâu tỷ lệ (P) S1 đóng hoạt động theo khâu tích phân (I) S2 đóng Điều khiển theo tỷ lệ ứng dụng cho mạch điều khiển vị trí điều khiển theo tích phân ứng dụng mạch điều khiển vận... tính N- P cấu chấp hành a - Sơ đồ ví dụ tính công suất động dầu; b - Đặc tính N- P cấu chấp hành Đặc trng động lực học van Đối víi van servo vµ van tû lƯ hiƯu st cao vị trí trợt van đợc điều khiển