Bai giang he thong dieu khien tu dong

N MỤC LỤC I Phần 1: Phần lý thuyết Chương CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 Các nội dung 1.2 Mơ hình diễn tả hệ thống điều khiển 1.3 Mơ tả toán học phần tử điều khiển 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển 1.4.1 Hệ thống điều khiển hở hệ thống điều khiển kín 1.4.2 Hệ thống điều khiển liên tục gián đoạn 1.5 Tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến 1.6 Ứng dụng MatLab Chương HÀM TRUYỀN ĐẠT 2.1 Hàm truyền đạt 2.2 Sơ đồ khối - Đại số sơ đồ khối 2.3 Graph tín hiệu qui tắc Mason 2.4 Các hệ thống lấy mẫu liệu 2.5 Hàm truyền đạt hệ thống rời rạc 2.6 Ứng dụng MatLab Chương KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI 3.1 Các mơ hình khơng gian trạng thái 3.2 Mơ hình khơng gian trạng thái phương trình vi phân 3.3 Xác định biến trạng thái từ hàm truyền 3.4 Xác định hàm đáp ứng từ phương trình trạng thái 3.5 Ứng dụng MatLab Chương ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH 4.1 Khái niệm chung 4.2 Khái niệm ổn định định nghĩa 4.3 Trị riêng tính ổn định hệ thống 4.4 Các tiêu chuẩn ổn định 4.5 Ứng dụng MatLab Chương TÍNH ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT ĐƯỢC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 5.1 Tính điều khiển hệ thống liên tục 5.2 Tính quan sát hệ thống liên tục 5.3 Tính điều khiển hệ thống gián đoạn 5.4 Tính quan sát hệ thống gián đoạn 5.5 Ứng dụng MATLAB Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 6.1 Mở đầu 6.2 Các khâu động học hệ thống điều khiển Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THUỶ LỰC 7.1 Các phần tử 7.1.1 Bơm dầu 7.1.2 Van tràn, van an toàn 7.1.3 Van giảm áp 7.1.4 Bộ điều chỉnh ổn định tốc độ 7.1.5 Van điều khiển 7.1.6 Cơ cấu chấp hành Chương CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1- Các nội dung hệ thống điều khiển * Điều khiển: Là tác động lên đối tượng để đối tượng làm việc theo mục đích * Hệ thống điều khiển: Là tập hợp thành phần vật lý có liên hệ tác động qua lại với để huy hiệu chỉnh thân đối tượng hay hệ thống khác * Xung quanh ta có nhiều hệ thống điều khiển phân chia thành dạng hệ thống điều khiển - Hệ thống điều khiển nhân tạo - Hệ thống điều khiển tự nhiên (bao gồm điều khiển sinh vật) - Hệ thống điều khiển tự nhiên nhân tạo Trong hệ thống đối tượng điều khiển hệ thống vật lý, thiết bị kỹ thuật, chế sinh vật, hệ thống kinh tế, trình v.v đối tượng nghiên cứu thiết bị kỹ thuật gọi điều khiển học kỹ thuật Mỗi hệ thống (hoặc phần tử hệ thống) kỹ thuật, chịu tác động bên cho ta đáp ứng Gọi tác động vào đầu vào, tác động đầu ( tín hiệu vào, tín hiệu ra) Các tác động vào Các đáp ứng Hệ thống (hoặc phần tử hệ thống) Hình 1-1 * Nhiệm vụ lý thuyết điều khiển tự động Lý thuyết điều khiển tự động giải nhiệm vụ chính: - Phân tích hệ thống - Tổng hợp hệ thống Phân tích hệ thống: Nhiệm vụ nhằm xác định đặc tính đầu hệ sau đem so sánh với tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp trực tiếp gián tiếp để giải vấn đề - Tính ổn định hệ thống - Chất lượng trình điều khiển- trình xác lập trạng thái tĩnh trạng thái động (trạng thái độ) Để giải vấn đề dùng mơ hình tốn học, tức phần tử hệ thống điều khiển đặc trưng mơ hình tốn phần tử cho mơ hình tốn tồn hệ thống Có thể xác định đặc tính ổn định hệ thống qua mơ hình tốn hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định toán học Tổng hợp hệ thống: Tổng hợp hệ thống xác định thông số cấu trúc thiết bị điều khiển Giải toán này, thực thiết kế hệ thống điều khiển Trong trình tổng hợp thường kèm theo tốn phân tích Đối với hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi, nhiệm vụ tổng hợp thiết bị điều khiển giữ vai trò quan trọng Trong hệ thống đó, muốn tổng hợp hệ thống phải xác định Algorit điều khiển tức xác định luật điều khiển Đ(t) Hệ thống điều khiển yêu cầu chất lượng cao việc tổng hợp trở nên phức tạp Trong số trường hợp cần đơn giản hố số u cầu tìm phương pháp tổng hợp thích hợp để thực 1.2- Các mơ hình diễn tả hệ thống điều khiển Để tiện việc nghiên cứu vấn đề điều khiển cần sử dụng sơ đồ (mơ hình) diễn tả thành phần hệ thống cho rõ ràng mối quan hệ bên hệ thống để dễ dàng phân tích, thiết kế đánh giá hệ thống Thực tế sử dụng mơ hình sau phổ biến thuận tiện: 1) Hệ thống phương trình vi phân 2) Sơ đồ khối 3) Graph tín hiệu 4) Hàm truyền đạt 5) Không gian trạng thái (Sơ đồ khối Graph tín hiệu cách biểu diễn đồ hoạ để diễn tả hệ thống vật lý hệ phương trình tốn đặc trưng cho phần tử hệ thống - Diễn tả cách trực quan hơn) * Về mặt lý thuyết hệ thống điều khiển diễn tả phương trình tốn Giải phương trình nghiệm chúng diễn tả trạng thái hệ thống Tuy nhiên việc giải phương trình thường khó tìm nghiệm (có trường hợp khơng tìm được) lúc cần đặt giả thiết để đơn giản hoá nhằm dẫn tới phương trình vi phân tuyến tính thường – Hệ điều khiển tuyến tính liên tục * Phần lớn kỹ thuật điều khiển đại, phát triển mơ hình tốn học cho tượng vật lý Sau dựa vào mơ hình tốn học để nghiên cứu tính chất hệ thống điều khiển 1.2.1 Phương trình vi phân Các hệ thống vật lý (hoặc trình) cần diễn tả xác quan hệ đại lượng biến động bên chúng Từ ta dễ dàng nghiên cứu tượng diễn biến hệ thống; định luật vật lý giúp ta giải vấn đề Các quan hệ đại lượng nói chung biểu diễn phương trình vi phân ( gọi mơ hình tốn hệ thống) Ví dụ: Phương trình định luật II Newton F = m.a Trong phương trình đại số giá trị đại lượng khơng thay đổi theo thời gian, diễn tả trạng thái ổn định hệ Nhưng thực tế hệ không tĩnh Đầu thường biến động thay đổi đầu vào, thêm vào tác động nhiễu thay đổi theo thời gian, nên hệ không ổn định tức đầu dao động Vì cần phải phân tích hệ điều kiện động lực gọi trạng thái độ, lúc biến số không cố định mà thay đổi theo thời gian Phương trình vi phân mô tả hệ trạng thái động lực khơng chứa thân biến số mà chứa tốc độ thay đổi gọi đạo hàm biến số * Các nội dung phương trình vi phân: Phương trình dạng: n d an y dt n n−1 d y + an-1 dt dy + a0 y = x(t) + + a1 (1.1) dt n−1 x(t) y(t) biến phụ thuộc, t biến độc lập * Các tính chất phương trình vi phân: Mọi hệ tuyến tính quan hệ vào- biểu thị phương trình vi phân tuyến tính: i n ∑a d i i i =0 i d y t d x = ∑ bi dt i Hoặc hệ tuyến tính quan hệ vào biểu thị tích phân: ∞ y(t) = ∫¦ W (t, )x( )d −∞ Trong W(t, ) hàm thể tính chất bên hệ, y(t) đầu x(t) đầu vào Hàm biến W(t, ) hàm trọng lượng hệ - Đáp ứng y(t) hệ tuyến tính nhiều đầu vào x 1(t), x2(t), , xn(t) tác động đồng thời lên hệ tổng đáp ứng đầu vào tác động riêng biệt (nguyên lý chồng chất) n y(t) = ∑ y (t) i =0 i Ví dụ: Phương trình vi phân nhất: + C.y(t) = A d y(t) B dy(t) + dt dt Có hai nghiệm y1(t), y2(t) theo nguyên lý chồng chất y1(t) + y2(t) nghiệm phương trình - Tốn tử vi phân phương trình đặc trưng: Xét phương trình vi phân tuyến tính hệ số cấp n a a d n dt n y + d n−1 n-1 n + + a dtn−1 Gọi toán tử vi phân D = d dt dy + a y = x(t) dt , D n= d n dt n Phương trình viết thành: n D y + an-1 D n−1 y + + a1Dy + a0y = x − (D n + an-1 D n + + a1D + a0 )y = x (1.2) − Đa thức D n + an-1 D n + + a1D + a0 gọi đa thức đặc trưng n Phương trình D + an-1 D n−1 + + a1D + a0 = phương trình đặc trưng Nghiệm phương trình đặc trưng có ý nghĩa xét tính ổn định hệ thống 1.2.2- Sơ đồ khối * Sơ đồ khối biểu thị khối liên kết với để diễn tả mối quan hệ đầu vào đầu hệ thống vật lý * Sơ đồ khối thuận tiện để diễn tả mối quan hệ phần tử hệ thống điều khiển Ví dụ: Vào A a)x Phần tử G Ra B A d d G1 B y = dx b) G2 C dt c) Hình 1-2 * Các khối thiết bị dụng cụ hàm (chức năng) xảy hệ thống Khối: Ký hiệu thuật toán phải thực đầu vào để tạo đầu Đường nối: Đường nối khối biểu thị đại lượng biến số hệ thống Mũi tên: Chỉ tiêu dòng thơng tin tín hiệu “Các khối nối tiếp đầu khối trước đầu vào khối sau” Điểm tụ: Biểu thuật toán cộng trừ ký hiệu vòng tròn đầu điểm tụ tổng đại số đầu vào x (x+y) + + y u (x-y) + x y + x (x+y-u) + y Hình 1-3 * Điểm tán: Cùng tín hiệu biến số phân nhiều nhánh điểm gọi điểm tán, tức đầu áp lên nhiều khối khác “ký hiệu nốt tròn đen” x x x x C C C Hình 1-4 Cấu trúc sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín u V GV R+ E B M G1 G2 C H Hình 1-5 Hình (1-5) diễn tả hệ thống điều khiển kín sơ đồ khối Các khối mơ tả phần tử hệ nối với theo quan hệ bên hệ thống * Các biến số hệ: (1) Giá trị vào V: tín hiệu ngồi áp vào hệ (2) Tín hiệu vào chuẩn R: rút từ giá trị vào V tín hiệu ngồi hệ áp lên hệ điều khiển lệnh xác định cấp cho đối tượng R biểu thị cho đầu vào lý tưởng dùng làm chuẩn để so sánh với tín hiệu phản hồi B (3) Biến số điều khiển M (tín hiệu điều chỉnh): đại lượng trạng thái mà phần tử điều khiển G1 áp lên phần từ (đối tượng) điều khiển G2 (quá trình điều khiển) (4) Biến số C (tín hiệu ra): đại lượng trạng thái đối tượng (hoặc q trình) điều khiển (5) Tín hiệu phản hồi B: hàm tín hiệu C cộng đại số với vào chuẩn R để tín hiệu tác động E (6) Tín hiệu tác động E (cũng gọi sai lệch tác động điều khiển) tổng đại số (thường trừ) đầu vào R với phần tử B tín hiệu áp lên phần tử điều khiển (7) Nhiễu u: tín hiệu vào khơng mong muốn ảnh hưởng tới tín hiệu C Có thể vào đối tượng theo M điểm trung gian (mong muốn đáp ứng hệ nhiễu nhỏ nhất) * Các phần tử hệ: (1) Phần tử vào chuẩn GV: chuyển đổi giá trị vào V thành tín hiệu vào chuẩn R (thường thiết bị chuyển đổi) (2) Phần tử điều khiển G1: thành phần tác động tín hiệu E tạo tín hiệu điều khiển M áp lên đối tượng điều khiển G2 (hoặc trình) (3) Đối tượng điều khiển G2 vật thể, thiết bị, trình mà phận trạng thái điều khiển (4) Phần tử phản hồi H: thành phần để xác định quan hệ (hàm) tín hiệu phản hồi B tín hiệu C điều khiển (đo cảm thụ trị số C để chuyển thành tín hiệu B (phản hồi) (5) Kích thích: tín hiệu vào từ bên ngồi ảnh hưởng tới tín hiệu C Ví dụ tín hiệu vào chuẩn R nhiều u kích thích (6) Phản hồi âm: điểm tụ phép trừ E = R - B (7) Phản hồi dương: điểm tụ phép cộng: E = R + B (Điều khiển kín gồm hai tuyến: Tuyến thuận truyền tín hiệu từ tác động E đến tín hiệu C Các phần tử tuyến thuận ký hiệu G (G1 , G2, ) tuyến phản hồi truyền từ tín hiệu C đến phản hồi B phần tử ký hiệu H (H1 , H2 , ) 1.2.3 Hàm truyền đạt: Hàm truyền đạt hệ thống * Hàm truyền đạt hệ thống hệ thống điều khiển liên tục đầu vào đầu định nghĩa: - Là tỷ số biến đổi Laplace đầu với biến đổi Laplace đầu vào với giả thiết tồn điều kiện đầu đồng khơng (điều kiện dừng) b S +b m G(s) = S m−1 m−1 n−1 n −1 m S + a S n + + b s + b (1.3) o + + a1 S + ao Đối với hệ thống vật lý thực số hàm truyền n ≥ m * Trong lĩnh vực thời gian gián đoạn (điều khiển rời rạc) việc biến đổi Z đóng vai trò biến đổi Laplace: Hàm truyền có dạng sau: b z +b m G(z) = z m−1 m−1 n−1 n−1 m + + b z + b (1.4) o z + a z + + a z + a n o * Đối với hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu với r đầu vào, p đầu ra, hàm truyền phần tử ma trận cấp p×r phần tử , với số i phần tử thứ i đầu vào, số thứ j phần tử thứ j đầu G(s) G11(s) G12(s) G1r(s) G21(s) G22(s) G2r(s) Gji(s) GPr(s) = GP1(s) Ở đây: G (s) = ji Yj(s) (1.5) ; đầu vào khác u (s) coi không i ui (s) (Nguyên lý độc lập tác dụng) * Một cách tương tự với hệ thống điều khiển gián đoạn ta có hàm truyền hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu G(z) = Ở đây: G11(z) G12(z) G1r(z) G21(z) G22(z) G2r(z) Gji(z) GP1(z) GPr(z) s - số phức - biến Laplace S.T z=e - biến phép biến đổi z 1.2.4 Không gian trạng thái p×r (1.6) Vậy ta cần tìm điều kiện xác định để chuyển hệ thống từ trạng thái x(o) đến trạng thái cuối x(n) cho Giả sử ta có phương trình trạng thái: x(k+1) = Ad x(k) + Bd u(k) y(k) = Cd x(k) (5-5) Ta viết lại (5-5): x(1) = Ad x(o) + Bd u(o) x(2) = Ad x(1) + Bd u(1) = A dx(o) + AdBd u(o) + Bd u(1) n n−1 x(n) = Adx(n-1)+Bdu(n-1) = A x(o)+A Bdu(o) + + Bd(u(n-1) d d là: n n− d d x(n) - A x(o) = [ A Vì: Bd A n− Bd Bd ] × u(o) u(1)      Μ  u(n − 1) d x(o) , x(n) Ad biết nên (5-6) tồn nghiệm u(k) hạng ma trận sau n n−1 M = [A d Bd A n−2 d Bd Bd ] Rank (M) = n Ví dụ: Cho hệ thống cấp II sau: x1 (k + 1)  1  =  x (k + 1)    0,488 x1 (k)  0,951 x (k)    ×  0,00123 +   u(k) 0,00488   y(k) = [ ] x (k)  x   (k)  Theo tiêu chuẩn Kalman: Ad Bd =   0,00123   0,00361   0,488 0,951 × 0,00488 = 0,00464      0,00361 0,00464 M=  0,00123  det(M) ≠ 0,00488  ⇒ Rank(M) = ⇒ Hệ điều khiển 5.4- Tính quan sát hệ thống điều khiển gián đoạn (5-6) Hệ thống gọi quan sát theo số liệu đo đầu y(k) ta xác định trạng thái x(k) y(k) = Cd x(k) y(o) = Cd x(o) y(1) = Cd x(1) = CdAd x(o) n−1 y(n-1) = CdA d x(o) Hay: N = [C’d A’d 5.5 Ứng dụng MatLab - Kiểm tra tính điều khiển được: >> C0 = Ctrb (A,B) Hoặc >> C0 = Ctrb (sys) Kết quả: Rank (C0) = k (hằng số) k: số trạng thái điều khiển - Kiểm tra tính quan sát được: >> Ob = Obsv (A,C) Hoặc >> Sys = ss (A,B,C,D) >> Ob = obsv (Sys) Kết quả: Rank (Ob) = k (n) C’d (A’d) (n-1) ….C’d ] có hạng n Chương 6.1 Mở đầu THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Thiết kế hệ thống điều khiển bao gồm bước toán tổng hợp hệ thống điều khiển, tuân theo số nguyên tắc thiết kế sau: Nguyên tắc điều khiển tự động: Các hệ thống điều khiển thường tuân theo nguyên tắc điều khiển chủ yếu sau: 1) Nguyên tắc giữ ổn định Tức trì đầu cố định, theo nguyên tắc tác động bên ngồi đo được, đặc tính đối tượng xác định trước sử dụng phương pháp bù tác U động bên ngoài, hình vẽ G4 R nguyên tắc cần đo nhiễu tính trị số tác động vào thiết bị điều chỉnh Trong thiết bị điều chỉnh ngồi phần G1 G2 H×nh G3 6-1 tử chuyển đổi cấu chấp hành có thiết bị đo G4 để tác động tới phần tử chuyển đổi G1, tạo “lệnh” cho cấu chấp hành G2 Phương pháp thứ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch (nguyên tắc phản hồi) sử dụng tác động bên ngồi khơng đo đặc tính đối tượng khơng xác định Đó hệ thống phản hồi mà tín hiệu C đưa so với tín hiệu vào chuẩn R để tạo U nên sai lệch E tác động phần tử điều khiển H×nh 6-2 Phương pháp thứ để giữ ổn định đầu hỗn hợp hai phương pháp R U C + E B Hình 6-3 2) Nguyên tắc điều khiển chương trình Tức nguyên tắc điều khiển để tín hiệu thay đổi theo chương trình mong muốn theo thời gian: C = C(t) Tín hiệu điều khiển phụ thuộc quy luật thay đổi theo thời gian đầu ra, ta xác lập quan hệ Rất nhiều hệ điều khiển theo nguyên tắc này, ví dụ thay đổi nhiệt độ lò nung, thay đổi cường độ ánh sáng phòng tuỳ theo giấc ngày, thay đổi tốc độ, bước tiến dao máy tiện chuyển từ chế độ gia công thô sang gia công tinh 3) Nguyên tắc thích nghi - - Hình 6-4 Khi cần điều khiển đối tượng phức tạp nhiều đối tượng đồng thời, mà phải đảm bảo cho tín hiệu có giá trị cực trị, tiêu tối ưu Hệ thống tự thích nghi bao gồm hai phần chủ yếu: Đối tượng điều khiển Thiết bị điều khiển Hệ thống hệ thống nhiều vòng: mạch vòng có đối tượng điều khiển thiết bị điều khiển Mạch vòng: Hệ thống điều khiển thông thường Là nguyên tắc điều khiển để tạo tín hiệu (đại lượng ra) theo biến đổi tín hiệu vào (đại lượng vào) 6.2 Các khâu động học hệ thống điều khiển Phạm vi môn học đề cập đến khâu động học thường sử dụng ngành khí a Khâu khuếch đại (P) Hình -1 TB§K1 V R TB§Kc R §T§K TB§K Cơ cấu đòn bẩy hình 6-1 hoạt động khuếch đại với hệ số khuếch đại Kp Hoặc lực quán tính gia tốc quan hệ F = m.a; điện áp dòng điện quan hệ U = R.I khâu khuếch đại, gọi phần tử P b Khâu qn tính (P- T1) Mơ hình tính tốn khâu qn tính (P- T1) có dạng: T dX a dt + Xa = K.Xe (6.1) Ví dụ xylanh thủy lực có pittong mang khối lượng m chuyển động với vận tốc v phương trình cân lực là: m dv dt = F - f.v , với f hệ số ma sát nhớt (6.2) Hình 6-2 a)Sơ đồ ví dụ b) Đặc tính c) Ký hiệu c Khâu tích phân (I) Mơ hình tốn khâu tích phân thể đầu tích phân đầu vào: + B - G1 G2 C G Xa = KI ∫ xe (t)dt (6-3) KI hệ số khuếch đại khâu tích phân Ví dụ 1: Hành trình pittong - xy lanh tính theo lưu lượng vào H S= Q.dt A ∫ Q.dt = KI ∫ Với A diện tích pittong KI hệ số khuếch đại khâu tích phân Ví dụ 2: Bộ truyền vít me đai ốc bi có quan hệ sau S = tx ∫ n.dt Nếu số vòng quay n khơng đổi S = tx.n.t (6-4) (6-5) G4 G1 G2 H G3 Hình 6-3 d Khâu vi phân (D) Mơ hình tốn khâu vi phân thể đầu tỷ lệ với vi phân đầu vào: xa = KD dX e (6-6) dt Ví dụ: quan hệ dòng điện điện áp qua tụ điện C thể theo công thức Ic = C duc dt = KD duc dt (6-7) KD = C hệ số khuếch đại khâu D Ic: tín hiệu Uc: tín hiệu vào Hình 6-4 e Khâu điều chỉnh PI Xa (s) X e (s) = K p+ (6-8) KI S f Khâu điều chỉnh PD Xa (s) p +K S Hình 65 (6-9) =K Xe (s) Hình 6-6 g Khâu điều chỉnh PID Xa (s) X e (s) =K p + KI S + K S (6-10) D Hình 6-7 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 7.1 Các phần tử thủy lực 7.1.1 Van điều khiển a Van trượt có mép điều khiển dương, trung gian âm Hình 7-1 Sơ đồ loại mép điều khiển van a- Van có mép điều khiển dương (+x0) b- Van có mép điều khiển trung gian (x0 = 0) cVan có mép điều khiển âm (- x0) d- Đặc tính lý thuyết Q - x(Q-I) Khi x0 > gọi van trượt có mép điều khiển dương, trượt di chuyển vùng x0 lưu lượng vùng gọi vùng “chết” Khi x0 = gọi van trượt có mép điều khiển trung gian Khi x0 < gọi van trượt có mép điều khiển âm, vị trí trung gian ( trượt chưa di chuyển) hình thành tiết diện chảy lưu lượng dầu qua van b Van solenoid Cấu tạo van solenoid gồm phận (hình 7-2) Con trượt van hoạt động hai ba vị trí tùy theo tác động nam châm Có thể gọi van solenoid loại van điều khiển có cấp Hình 7-2: Cấu tạo ký hiệu van solenoid a- Cấu tạo ký hiệu van solenoid điều khiển trực tiếp (1,5 - vít hiệu chỉnh vị trí lõi sắt từ; 2,4 - lò xo; 3,6 - cuộn dây nam châm điện) b- Cấu tạo ký hiệu van solenoid điều khiển gián tiếp ( 1- van sơ cấp; 2- van thứ cấp) c Van tỷ lệ Cấu tạo van tỷ lệ hình 7-3 gồm: Thân van, trượt, nam châm điện Để thay đổi tiết diện chảy van, tức thay đổi hành trình trượt cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm Có thể điều khiển trượt vị trí phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ gọi loại van điều khiển vơ cấp Hình 7-3 d Van servo * Nguyên lý làm việc: Hình 7-4: Sơ đồ nguyên lý phận điều khiển trượt van servo Bộ phận điều khiển trượt van servo thể hình 7-4 Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng có hai cuộn daayvaf cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên kết cấu vững Định vị phần ứng cánh chặn dầu ống đàn hồi, ống có tác dụng phục hồi cụm phần ứng cánh chặn vị trí trung gian dòng điện vào hai cuộn dây cân Nối với cánh chặn dầu đàn hồi, nối trực tiếp với trượt Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch phần ứng bị hút lệch, đối xứng cực nam châm mà phần ứng quay Khi phần ứng quay, ống đàn hồi biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu thay đổi ( phía hở phía hẹp lại) Điều dẫn đến áp suất hai phía trượt lệch trượt dịch chuyển Như vậy: - Khi dòng điện điều khiển hai cuộn dây phần ứng, cánh, trượt vị trí trung gian - Khi dòng i1 ≠ i2 phần ứng quay theo chiều tùy thuộc vào dòng điện cuộn dây lớn Giả sử phần ứng quay ngược chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu quay theo làm tiết diện chảy miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng khe hở miệng phun phía phải hẹp lại Áp suất dầu vào hai buồng trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy trượt di chuyển bên trái hình thành tiết diện chảy qua van( tạo đường dẫn dầu qua van) (hình 7-5a) Đồng thời trượt sang trái cong theo chiều di chuyển trượt làm cho cánh chặn dầu di chuyển theo Lúc khe hở miệng phun trái hẹp lại khe hở miệng phun phải rộng lên, khe hở hai miệng phun áp suất hai phía trượt vị trí cân (hình 75b) Tương tự phần ứng quay theo chiều ngược lại trượt di chuyển theo chiều ngược lại Hình 7-5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động van servo * Ký hiệu van servo: Hình 7-6 7.2 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển thủy lực Ví dụ: Hệ thủy lực thực chuyển động tịnh tiến Áp suất lưu lượng dầu cung cấp cho xylanh thủy lực hai đại lượng quan trọng đảm bảo cho hệ truyền tải trọng, vận tốc vị trí cần thiết Phân tích sơ đồ hệ thống hình 7-7 Hình 7- 7: Sơ đồ hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến Lực quán tính: Fa = m.a Fa = Lực ma sát: WL g (7.1) a ( Theo hệ Anh) Fc = m.g.f (7.2) Fc = WL.f ( Theo hệ Anh) Lực ma sát xylanh thường 10% lực tổng cộng, nghĩa là: Fs = 0,10 F Lực tải trọng FE Lực tổng cộng tác dụng lên pittong là: F = Theo hệ Anh F= m.a + Fc + Fs + FE (daN) 1000 (7.3) WL a + Fc + Fs + FE (lbf) 32,2.12 Trong đó: m khối lượng chuyển động, kg WL: Trọng lực (lbf) 2 a: gia tốc chuyển động, cm/s (in/s ) Fc: Lực ma sát phận chuyển động, daN (lbf) FE : ngoại lực, daN (lbf) Fs : Lực ma sát pittong- xylanh, daN (lbf) Phương trình cân pittong: P1.A1 = P2.A2 + F (7.4) Đối với xy lanh khơng đối xứng lưu lượng vào không nhau: Q1 = Q2.R với R = A1 (7.5) A2 Độ sụt áp qua van: Ps - P1 = ( P2 -PT) R Trong đó: P1 P2 áp suất buồng xy lanh (7.6) Ps áp suất cung cấp cho van PT áp suất dầu khỏi van A1, A2 diện tích hai phía pittong Từ cơng thức (7.5) (7.6) ta tìm P1, P2 sau: P1 = P A + R (F + P A ) s T (7.7) A2.(1 + R ) (7.8) Ps − P1 P2 = PT + R2 Lưu lượng dầu vào xy lanh để pittong chuyển động với vân tốc cực đại là: QL = vmax.A1 Hoặc QL = v max 16,7 (cm /s) (7.9) (l/p) A1 Nếu tính theo hệ Anh: QL = vmax.A1 (in /s) QL = v max 3,85 A1 (7.10) (usgpm) Lưu lượng dầu qua van ứng với độ sụt áp 35 bar ( 500PSI) là: QR = Q L (l/b) Theo hệ Anh: QR = QL (7.11) (usgpm) Với cách phân tích pittong làm việc theo chiều ngược lại: P1 = PT + (Ps - P2) R (7.12) P2 = P A R + F + P A R s T (7.13) A2.(1 + R ) QR xác định tương tự công thức (7.11) Lưu lượng lớn hai trường hợp dùng để chọn van Bài toán ứng dụng cho xy lanh có kết cấu đối xứng (A1 = A2) tải trọng âm 35 Ps  P 500 Ps  P ... thống kín Hệ thống hở *Theo đặc điểm mơ tả tốn học có hệ thống sau: Hệ thống liên tục Hệ thống gián đoạn Hệ thống tuyến tính Hệ thống phi tuyến Hệ thống tuyến tính hố * Theo dạng lượng tiêu thụ:... gọi hệ thống tuyến tính Nếu phi tuyến ta gọi hệ thống phi tuyến Việc nghiên cứu hệ Interface Computer A/D Converter thống phi tuyến tương đối khó Trong thực tế, người ta tìm cách tuyến tính hố... khiển tuyến tính Relay Amplifier Interface 1.5- Tuyến tính hố hệ thống phi tuyến Trong thực tế khơng có hệ thống vật lý mơ tả tuyệt đối xác phương trình vi phân hệ số nhiên nhiều hệ phi tuyến