Phân tích động lực học hệ thủy lực cơ khí dùng van tỷ lệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG THÀNH LUÂN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỦY LỰC CƠ KHÍ DÙNG VAN TỶ LỆ DYNAMIC ANALYSIS OF HYDRAULIC MECHANICAL SYSTEM USING PROPORTIONAL VALVE Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐỆN TỬ Mã số: 60 52 01 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận vãn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2017 Thành phàn Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Chủ tịch hội đồng) (Thư kí) (Phản biện 1) (Phản biện 2) (ủy viên) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG THÀNH LUÂN MSHV: 13391045 Ngày, tháng, năm sinh: 19/06/1986 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520114 I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỦY LỰC CƠ KHÍ DÙNG VAN TỶ LỆ (DYNAMIC ANALYSIS OF HYDRAULIC MECHANICAL SYSTEM USING PROPORTIONAL VALVE ) NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết lập phương trình động lực học phi tuyến hệ thống thủy lực - tải trọng thay đổi - Mô Matlab Simulink, với PID - Chế tạo mơ hình thí nghiệm - Thực nghiệm để kiểm chứng kết II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài): 6/02/2017 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài): 3/12/2017 IV CÁN BỘ HUỚNG DẪN : PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Tp HCM, ngày tháng năm 2017 CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, với nổ lực thân, nhận nhiều giúp đỡ, động viên từ gia đình, thày cơ, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Phạm Huy Hoàng giáo viên hướng dẫn khoa học, người tận tình giúp đỡ, góp ý bảo cho tơi suốt q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Lê Quang Ngọc, TS Lê Thanh Danh giúp đỡ tơi q trình thực thí nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn q thầy Khoa Cơ Khí Trung tâm Đào Tạo Bảo dưỡng công nghiệp giúp tơi có thêm nhiều kiến thức q tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt khóa học luận vãn Cuối tơi xin chân thành cảm ơn sâu sắc cha mẹ tơi tạo điều kiện, quan tâm động viên tơi q trình học tập Tp Hồ Chí Minh, Ngày 03 tháng 12 năm 2017 Đặng Thành Luân TÓM TẮT TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ thống thủy lực sử dựng nhiều công nghiệp Thông thường, hành trình piston - thiết bị truyền động thủy lực điều khiển theo cách thức mở - tắc sử dụng van truyền thống công tắc chạy dừng hành trình di chuyển Đặc tính khác hệ thống thủy lực truyền thống thích hợp với tải trọng tĩnh Với tải trọng động, hành vi hệ thống không tốt Ngày nay, hệ thống thủy lực với van tỷ lệ sử dụng phổ biến Van tỷ lệ cho phép điều khiển hành trình thay đổi piston Nó cho phép hệ thống làm việc với tải trọng thay đổi Luận vãn trình bày phân tích động lực học hệ thống thủy lực - khí sử dụng van tỷ lệ điều khiển hướng Động lực học hệ thống đánh giá tải trọng thay đổi tuyến tính Một mơ hình tốn thành lập dùng cơng cụ Matlab để phục vụ cho việc xác định đặc tính động lực học hệ thống Điều khiển PID sử dụng để tăng cường tính tồn vẹn hệ thống ABSTRACT Power hydraulic systems are used very often in industry Usually, the sttoke of piston a hydraulic actuator is controlled in on-off manner using traditional valves and start/stop switches on the moving way Another characteristic of ttaditional hydraulic system is suitable with static load For applying dynamic load, the behavior of system is not properly good Nowadays, hydraulic systems with proportional valve are used commonly Proportional valve allows conttolling for a variable sfroke of piston It also allows the system work with variable load This paper presents the dynamic analysis of a mechanical - hydraulic system using proportional dữectional valve The system dynamics is evaluated when the load changes in linear manner A mathematical model is established and use the Matlab tool to serve for determining dynamic characteristics of the system PID control is also used to enhance the integrity of the system ii LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung nghiên cứu luận văn tơi tự viết, có sai phạm tơi xin chiụ hồn tồn trách nhiệm Tp Hồ Chí Minh, Ngày 03 tháng 12 năm 2017 Đặng Thành Luân iii MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH VẼ viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Cơ sở nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Độ nhớt dầu thủy lực 2.2 Độ nén dầu 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2Tác động khả nén dầu đến công suất thủy lực 2.3 Khối lượng riêng 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Tác động khối lượng riêng lên vận hành hệ thống thủy lực 10 2.4 Tổn thất cục 11 2.5 Quán tính thủy lực 12 2.6 Sự giãn nở nhiệt độ 13 2.7 Độ 14 2.7.1GĨỚĨ thiệu 14 2.7.2 Sự lẫn khơng khí 14 2.7.3 Sự lẫn nước 15 2.8 Phân loại dầu Thủy lực 16 2.8.1 Dầu Khoáng 16 2.8.2 Chất lỏng chống cháy 17 2.8.3 Chất lỏng nước Glycol 17 iv MỤC LỤC 2.8.4 Dầu tổng hợp 18 v MỤC LỤC 2.9 Các yêu cầu chất lỏng thủy lực 18 CHƯƠNG 3: CÁC PHÀN TỬ TRONG HỆ THỐNG THỦY LỰC 20 3.1 Đường Truyền Thủy lực 20 3.1.1 Giới Thiệu 20 3.1.2 Tổn thất lượng áp suất ống dẫn thủy lực 21 3.2 Bơm Thủy lực 23 3.3 Xy Lanh Thủy lực 26 3.3.1 Giới thiệu 26 3.3.2 Trạng thái ổn định xy lanh 26 3.4 Van phân phối thủy lực 27 3.4.1 Phân biệt van phân phối ON-OFF, TỷLệ Servo 27 3.4.2 Đặc điểm lưu lượng trượt van 27 3.4.3 Tổn thất áp suất lượng van trượt 30 3.5 Van phân phối tỉ lệ 31 CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ PHỎNG 37 4.1 Động lực học hệ thống thủy lực khí 37 4.2 Mơ hình phi tuyến hệ 37 4.2.1 Phương trình lực 37 4.2.2 Phương tình liên tục lưu lượng 38 4.2.3 Phương trình lưu lượng qua van 39 4.3 Phương pháp tuyến tính hóa cho phân tích tín hiệu nhỏ 41 4.3.1 Giới thiệu 41 4.3.2 Tuyến tính hóa phương trình phi tuyến hệ thống 41 4.4 Mô hình tuyến tính hệ thống 42 4.4.1 Phương trình hàm truyền hệ thống 42 4.4.2 Thông số hệ thống: 44 4.5 Mô hệ thống 47 4.5.1 Sơ Đồ điều khiển hệ thống tuyến tính với điều khiển PID 47 4.5.2 Thiết kế điều khiển PID mơ cho hệ tuyến tính 48 CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC 53 5.1 Giới thiệu mơ hình thí nghiệm 53 5.1.1 Phần Thủy lực - Cơ khí 53 5.1.2 Phàn điện điều khiển 55 V TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Antonio Carlos Valdiero, Raul Guenther, Victor Juliano De Negri, “New Methodology For Indentification Of The Dead Zone In Proportional Directional Hydraulic Valves” ABC Symposium Series Mechatronics, vol 2, pp 377-384 2006 [2] Liu Yan Fang, Dai Zhen Kun, Xu Xiang Yang, Tian Liang “MultiDomain Modeling And Simulation Of Proportional Solenoid Valve” J Cent Sounth Univ Techno 2011 [3] Radu, Iulian Radoi “Theoretical And Experimental Investigations Regarding The Dynamic Performances Of The Servo-Solenoid Dừectional Valve” U.P.B Sci Bull., Series D, Vol 74, Iss 2, 2012 [4] R Armrante, P.G Moscatelli, L.A Catalano “Evaluation Of The Flow Forces On A Dhect (Single Stage) Proportional Valve By Means Of A Computational Fluid Dynamic Analysis” Energy Conversion and Management 48 2007 [5] R Anrirante, A Lippolis , p Tamburrano “Theoretical And Experimental Analysis Of A Coupled System Proportional Conttol Valve And Hydraulic Cylinder” Universal Journal of Engineering Science 1(2): 45-56 2013 [6] Tamer M Menshawy, Mohamed A Moghazy, Ahmed H Lotfy “Investigation of Dynamic Performance of an Electro-1 Iydraulic Proportional System” 13th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation Technology, ASAT13, May 26 - 28, 2009 [7] Adam Bure_ekl, Lumfr Hruzikl and Martin Vasina “Simulation Of Dynamics Of Hydraulic System With Proportional Control Valve” EPJ Web of Conferences 114, 2016 [8] T X Bo, Indrawanto, and H Yanada “Sliding Mode Control of SingleHydraulically Actuated Manipulator” International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering IJMME-IJENS Vol: 11, No: 05 2011 [9] Mohga Abd Alrhman, Muawia Mohamed Ahmed “ Design of a Tuned PID Confroller for a Hydraulic System” International Journal of Science and Research 73 (IJSR) 2013 [10] Pomjit Pratumsuwan and Aphaiwong Junchangpood, “ Force And Position Control In The Electro-Hydraulic System By Using A Mimo Fuzzy Controller” IEEE 8th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA) 2013 [11] s Md Rozali, MF Rahmat, N Abdul Wahab, R Ghazali, and Zulfatman “Pid Controller Design For An Industrial Hydraulic Actuator With Servo System” Proceedings of 2010 IEEE Student Conference on Research and Development (SCOReD 2010) [12] Trần Xn Tùy “ Mơ hình điều khiển vị trí hệ điều khiển tự động thủy lực sử dụng van tỷ lệ” Tạp chí khoa học công nghệ trường Đại học kỹ thuật, 1999 [13] Trần Xuân Tùy “ Nghiên cứu động lực học hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến chịu tải thay đổi tuyến tính” Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đà Nang; 2007 [14] Trần Xuân Tùy “ Mơ hình tốn hệ điều khiển tự động Mô tơ thủy lực sử dụng van tỷ lệ”, 1998 [15] Xuan Bo Tran, War Htun Khaing, and Hỉdeki Yanada “Effect of Friction Model on Simulation of Hydraulic Actuator” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Vol 228, NO 9, pp 690-698, 2014 [16] Xuan Bo Tran, Nur Hafizah, and Hideki Yanada “Modeling of Dynamic Friction Behaviors of Hydraulic Cylinders” Mechatronics, Vol 22, No 1, pp 65- 75, 2012, ISSN:0957-4158 [17] Xuan Bo Tran, Akinori Matsui, and Hideki Yanada, Effects of Viscosity and Type of Oil on Dynamic Behaviors of Friction of Hydraulic Cylinder, JFPS International Journal of Fluid Power System, Vol 3, No 2, pp 16-23, 2010 ISSN:18815286 [18] JOWN WATTON, Fundamentals Of Fluid Power Control, USA,Cambridge: University Press,2009 [19] M GALAL RABIE, Fluid Power Engineering, USA: McGraw-Hill companies,2009 74 [20] HERBERT E MERRITT, Hydraulic Conttol Systems, USA: John Wiley & Sons, Inc, 1967 [21] NOAH D MANRING, Hydraulic Control Systems, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2005 75 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: ĐẶNG THÀNH LUÂN Ngày sinh: 19/06/1986 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: 268/ Lý Thường kiệt, Phường 14, Quận 10 Tp Hồ Chí Minh Điện Thoại: 0978690543 Email: thanhlưanbk@hcmưt.edư.vn Q TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2005-2008: Sinh viên TT Đào Tạo Bảo Dưỡng Cơng Nghiệp, Đại học Bách Khoa, Tp Hồ Chí Minh Từ 2010 - 2012 : Sinh viên Trường Đại học Cơng Nghệ Sài Gòn Từ 2013-2017: Học viên cao học Ngành Kỹ thuật Cơ Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa, Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 2009 - nay: Cán kỹ thuật Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh 76 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCES IN COMPUTATIONAL MECHANICS ACOME 2017 August 02 - 04, Phu Quoc, Vietnam DYNAMIC ANALYSIS OF HYDRAULIC -MECHANICAL SYSTEM USING PROPORTIONAL VALVE D Th Luan1, L Q Ngoc2, Ph H Hoang3 Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology - Vietnam National University of Ho Chi Minh City, Vietnam e-mail:thanhluanbk@hcmut.edu.vn, Industrial Mantenance Training Center, Ho Chi Minh City University of Technology - Vietnam National University of Ho Chi Minh City, Vietnam, e-mail: lqngoc@hcmut.edu.vn, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology - Vietnam National University of Ho Chi Minh City, Vietnam, e-mail: phhoang@hcmut.edu.vn Key words: Dynamics, hydraulic system, proportional valve ABSTRACT Power hydraulic systems are used very often in industry Usually, the stroke of piston - a hydraulic actuator is controlled in on-off manner using traditional valves and start/stop switches on the moving way Another characteristic of ttaditional hydraulic system is suitable with static load For applying dynamic load, the behavior of system is not properly good Nowadays, hydraulic systems with proportional valve are used commonly Proportional valve allows controlling for a variable stroke of piston It also allows the system work with variable load This paper presents the dynamic analysis of a mechanical - hydraulic system using proportional dhectional valve The system dynamics is evaluated when the load changes in linear manner A mathematical model is established to serve for determining dynamic characteristics of the system PID control is also used in the simulation to enhance the integrity of the system INTRODUCTION Hydraulic systems are widely in industry Providing powerfull force and having small size are the advantages of hydraulic system in comparative with electric systems Proportional valves are significantly improved in frequency response, accuracy, feedback system and dead band Those improvement reduce the distinction between servo valves and proportional valves Proportional valves can controll actuators with more flexibility and lower cost than servo valves Therefore, proportional valves are suitable to industrial applications The only difficulty is the control of hydraulic systems with unstability A lot of studies on proportional valves focus on the dead point of valves [1], dynamic analysis of coil of proportional valves [2], dynamic response of valve [3], dynamic analysis of fluid flow via valves [4] Those studies just concentrate on the characteristics of proportional valves without any interaction with actuators, hydraulic-mechanical systems There are also some studies on hydraulic systems using proportional valves such as: the theoretical and experimental analyses of symmetric-two-cylinder systems using proportional valves [5], study on the dynamical properties of hydraulic power systems [6], [7], In these studies, the mathematical models are simplified with assumption of linearization of the hydraulic system Actually, hydraulic systems works with nonlinear characteristics, therefore the linearization is only accepted within a certain range and this assumption reduces the authenticity of systems The control algorithms of hydraulic systems using proportional valves are recently studied Sliding mode control is applied to a lifting arm with one cylinder [8] Adaptive control is used for control fluid flow rate in a proportional valve [9] Mino fuzzy is applied to force and position control of hydraulic cylinder [10] PID control is also used to improve the control quality of hydraulic cylinder using proportional valve [11] Generally, recent studies are performed with constant loads rather than variable load as in real systems The studies also ignored the leakage, elasticity of fluid and damping of system This paper presents a study of a hydraulics-mechanical system using a proportional valve and adhering to the real characteristics of the system in order to accurately describe the system response Fhstly, the differential equations of the dynamic hydraulic system with variable load is established The equations represents the relationship between flow rate and pressure, the interaction of the valve with the hydraulic cylinder, the variable load causing system instability The mathematical model is simulated using the Matlab Simulink to compare the position response of the cylinder according to the working time and the displacement of the cylinder, with a PID controller The experiment is performed to validate the control Research has clarified the dynamics characteristics of mechanical hydraulic systems with linear change loads This study is the first step in studies of vibrator power using proportional valve with the accuracy ± 0.2 mm to test vehicle damping systems or vibration isolation systems It is necessary to reducing cost of systems EXPERIMENTAL SYSTEM Figure shows the schema of hydraulic-mechanical system using proportional valve The mechanical system includes a linear spring and a slider, which causes varied load Hydraulic system is a linear cylinder actuated by a proportional directional control valve and controlled by a displacement transducer and a PID controller The maximum flow rate of pump is set at 32 1/minute at rotating speed of 1500 rpm The pump pressure is set at 350 bar The proportional valve (PONAR - made by Netherlands) is a dừectional control valve with ways and positive overlaps Table describes technical characteristics of the valve The areas of piston head and piston rod side correspondingly are 0.001963 m2 0.001563 m2 Maximum stroke of cylinder is 0.25m The variable resistor displacement ttansducer has resolution 0.01 kQ/ mm and accuracy ±0.05% TABLE 1: SPECIFICATION OF THE PROPORTIONAL DIRECTIONAL VALVE Rated pressure 315 bar Rated flow 32 1pm Rated voltage 24V Rated current 1.5A Resistance of max hot solenoid coil 8.10 Figure 1: Schema of the hydraulic - mechanical system MODELLING OF DYNAMIC SYSTEM (1) The differential equations of the dynamic hydraulic system without considering friction is : Mxp + Blxxp + klx.xp = (2) - P 2A Where: M total mass of piston and load Xp Bix kix Piston displacement, damping coefficient spring stiffness, Al, A2 areas of the two chamber of the cylinder, Pl, p2 pressures inside two chambers of the cylinder Differentiating Eq 1, we have: Mxp + BlxXp + klx xv - P1A1 — P2A2 Where: (3) and Vị — Vo + AjXp total volume of the first chamber, v2 = Vo + A2 (LO — Xp) vo total volume of the second chamber, and Lf) dead volume and maximum stroke, & effective bulk modulus, fluid flows at head - side and rod - side Qi and Q2 Flow rate of the valve can be considered as Q1 - CMM - 4F = 2* ° (4) a = ww - d ; dP = g z £ Ĩ 0° Where: Cd Discharge coefficient Width of the valve port, Ú) - nD, with D - diameter of the valve port spool displacement, overlapping length, Supply pressure from the hydraulic pump Tank returned pressure Ú) xv £ ps pr Assume that the displacement of spool xv is proportional to the controlling current i in the coil of proportional valve = kịi (5) When xv > £ > 0, from Eq.4 and Eq 5, we have Q1 = Ca^kii-E] (6) Q2 = cda)(kii - £) j2Pz“Pr Substitute Equations and into Eq we have M'Xp = —B[XXp - klxXp - ^Alxp - A2Xp + cdú)[kịi - E) ỢeA1y^p — + ~Pr)) (7) Change: 71 = Xp (8) y2 = Xp y3 = Xp We have: 71 = 72 72 = 73 Blx (Klx Pe A2 Pe /12^., cd