THIET KE MAY DIEU CHINH CHO VAN THUY LUC

một mô hình của máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực bao gồm hệ thống truyền động điện cơ (điện từ), van ống và xi lanh thủy lực với piston.Tín hiệu điện áp đầu vào được áp dụng cho bộ truyền động điện từ, từ đó di chuyển van ống chỉ sang trái hoặc sang phải, chất lỏng chảy từ áp suất cung cấp Ps qua lỗ van và đi vào phía bên phải của xi lanh. Nếu áp suất xi lanh bên trái P1 cao hơn áp suất P2, piston di chuyển sang phải dẫn đến chuyển vị dương y cho piston làm dịch chuyển vật.

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY ĐIỀU CHỈNH CHO VAN THỦY LỰC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2020 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2020 GIÁO VIÊN CHẤM MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ CƠ CẤU THỦY LỰC 1.1 Mơ hình máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực .5 1.1.1 Các thông số cho hệ thống .5 1.1.2 Nguyên lý hoạt động 1.1.3 Mục tiêu 1.2 Mơ hình hóa hệ thống tuyến tính hóa hệ thống 1.3 Hàm truyền hệ thống .10 1.4 Kết luận chương 15 CHƯƠNG II THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG 16 2.1 Thiết kế điều khiển PID hệ thống 16 2.2 Kết mô 19 2.3 Kết luận chương 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO HỆ THỐNG 21 3.1 Cấu trúc mạch điều khiển điện tử cho hệ thống thủy lực .21 3.2 Kết luận chương 23 KẾT LUẬN 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng kiến thiết xây dựng đất nước nhà nước bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, đại hóa đất nước với hội thuận lợi khó khăn thách thức lớn Điều đặt cho hệ trẻ chủ nhân tương lai đất nước nhiệm vụ nặng nề Sự phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện – điện tử nói riêng làm cho mặt xã hội đất nước biến đổi ngày Để đáp ứng yêu cầu đó, chúng em chủ nhân tương lai đất nước cần có ý thức học tập nghiên cứu chun mơn trường trường đại học cách đắn sâu rộng Điều khiển – đo lường ngành mới, có đà phát triển cách tích cực CN nước nhà, chúng em kỹ sư tương lai đất nước nghiên cứu ghế nhà trường ý thức rõ ràng Điều Khiển Tự Động Đồ án đề tài mà chúng em nghiên cứu nói lên phần vấn đề thiết kế mô hệ thống điều khiển Rất quan trọng hệ thống thiết bị công nghiệp Được giúp đỡ thầy cô môn đặc biệt thầy giáo hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô mơn Trong q trình làm đồ án chúng em khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý thầy để đồ án chúng em hoàn thành tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! Ngày……tháng… năm 2020 Sinh viên CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ CƠ CẤU THỦY LỰC 1.1 Mơ hình máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực Hình Mơ hình máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực 1.1.1 Các thông số cho hệ thống Ps =45,5 ( kg cm ) ρ =0.86 ( kg cm ) k=2 (cm) =1,4 ; =1,6 b=2 ( Nm s ) m =60 ( kg ) k1 = 36 ( N m) Áp suất cung cấp Khối lượng riêng dầu Chiều cao piston Hệ số xả van Hệ số ma sát nhớt Khối lượng vật Độ cứng lò xo L=0,2 ( cm s ) Hệ số tổn thất hệ K=0,167.104 ( kg cm ) x0 Mô đun đàn hồi khối =2 (cm) V=7 ( m ) Khoảng cách van lúc ban đầu Thể tích chất lỏng dầu Hình Bảng thơng số cho hệ thống 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Hình cho thấy mơ hình máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực bao gồm hệ thống truyền động điện (điện từ), van ống xi lanh thủy lực với piston.Tín hiệu điện áp đầu vào áp dụng cho truyền động điện từ ( không hiển thị hình 1) , từ di chuyển van ống sang trái sang phải hình 1, chất lỏng chảy từ áp suất cung cấp Ps qua lỗ van vào phía bên phải xi lanh Nếu áp suất xi lanh bên trái P1 cao áp suất P2, piston di chuyển sang phải dẫn đến chuyển vị dương y cho piston làm dịch chuyển vật 1.1.3 Mục tiêu Phát triển hệ thống điều khiển phản hồi máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực, tự động điều chỉnh điện áp đầu vào để hành trình piston y để dịch chuyển vật mong muốn 1.2 Mơ hình hóa hệ thống tuyến tính hóa hệ thống Hình Động servo thủy lực Hình Van mở rộng Hình đưa động servo thủy lực Về chất van điều khiển lượng thủy lực, khuyếch đại chấp hành Van điều khiển van cân bằng, áp lực tác dụng từ hướng cân Một lượng lớn lực đầu điều khiển van điều khiển, mà định vị với lượng nhỏ Trong thực tế, cổng hình thường làm rộng van tương ứng Trong trường hợp, ln có rị rỉ qua van Sự rị rỉ ảnh hưởng đến độ nhạy tuyến tính động servo thủy lực Sự phân tích giả thiết cổng làm rộng van, van xếp chồng (Chú ý tín hiệu rung động tần số cao biên độ nhỏ có liên quan đến dịch chuyển lớn van) thêm vào chuyển động van điều khiển Điều ảnh hưởng đến độ nhạy tính chất tuyến tính.Trong trường hợp có rò rỉ qua van Chúng ta ứng dụng kỹ thuật tuyến tính hóa để mơ hình tốn học động servo thủy lực Giả sử van xếp chồng đối xứng, nhận vào dung dịch thủy lực áp suất cao vào xylanh có piston để thành lập lực thủy lực lớn làm dịch chuyển tải Giả thiết tải có qn tính ma sát nhỏ so với lực thủy lực.Trong phần phân tích đây, dung dịch thủy lực khơng nén lực qn tính không đáng kể.Giả sử số trường hợp bề mặt diện tích (chiều rộng rãnh van ống ngoài) tỷ lệ với độ dịch chuyển van x Trong hình có sơ đồ bổ xung diện tích bề mặt van.Định nghĩa diện tích bề mặt van cổng 1,2,3,4 tương ứng qua cổng 1,2,3,4 tương ứng q1 ;q ;q ;q Chú ý rằng, từ van đối xứng ta có x nhỏ, có: A1 ;A ;A ;A Định nghĩa tốc độ dòng chảy A1 =A A =A Giả thiết độ dịch chuyển �x � A1 =A =k � +x � �2 � �x � A =A =k � -x � �2 � Với k số Hơn nữa, giả thiết áp suất trở ống p0 nhỏ bỏ qua Dựa vào hình tốc độ chất lỏng chảy qua diện tích bề mặt van q1 =c1.A1 2g �x � (ps -p1 ) =C1 p s -p1 � +x � γ �2 � q =c2 A 2g �x � (ps -p2 ) =C2 ps -p � -x � γ �2 � q =c1.A 2g �x � (p -p0 ) =C1 p -p � +x � γ �2 � �x � =C1 p � +x � �2 � q =c A 2g �x � (p1 -p0 )=C2 p1 -p � -x � γ �2 � �x � =C p1 � -x � �2 � Ở đây: C1 =c1.k C2 =c k 2g γ 2g γ γ=g.ρ Với γ : Trọng lượng riêng dầu ρ : Khối lượng riêng dầu g : Gia tốc trọng trường Tốc độ chảy q phía bên trái piston là: q=q1 -q =C1 ps -p1 ( x0 x +x) - C p1 ( - x) 2 Tốc độ chảy phía bên phải piston là: q=q -q =C1 p ( x0 x + x) - C2 ps -p ( - x) 2 Chất lỏng không nén van đối xứng: Từ q1 =q q1 =q q =q ta có ps  p1  p � ps  p1  p Nếu ta định nghĩa chênh lệch áp suất qua piston � p1 = ps +Δp p2 = Δp Δp=p1 -p p s -Δp ps Với van đối xứng hình 3, áp suất bên nguồn khơng có tải tác dụng Δp=0 Khi van dịch chuyển, áp suất đường tăng lên đường lại giảm xuống với lượng.Từ q=q1 - q =C1 ps Δp ta viết lại tốc độ chảy q sau: ps -Δp x0 p +Δp x0 ( + x) - C s ( - x) 2 2 p Chú ý áp suất nén s số.Tốc độ chảy q viết lại hàm độ dịch chuyển x chênh lệch áp suất ∆p q=q1 -q =C1 ps -Δp x0 p +Δp x0 ( + x) - C2 s ( - x)=f(x,Δp) 2 2 Bằng cách áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa đoạn trường hợp ta có: x= x , Δp = Δp , q= q q-q=a(x-x)+b(Δp-Δp) (1.1) q=f(x,Δp) a= Δf x = C1 x= x,Δp=Δp ps -Δp p +Δp +C2 s 2 b= Δf Δp x=x,Δp=Δp [ =- x0 x C2 +x)+ ( -x)] 2 ps -Δp 2 ps +Δp C1 ( b - dV dương Viết lại cơng thức ta có: -dV= ρ Chú ý rằng: V dΔp K -dVρV dΔp = dt K dt q c =ρ -dV dt Ta tìm q c =ρ V dΔp K dt (1.6) Từ (1.4), (1.5) (1.6) ta có: q=Aρ dyρV dΔp +L.ΔP+ dt K dt (1.7) Ở V thể tích hữu ích dầu chưa nén (xấp xỉ nửa thể tích xylanh) 12 Từ phương trình (1.2) (1.7) ta rút ra: q=K1x-KΔp=Aρ � Aρ dyρV dΔp +L.ΔP+ dt K dt dyρV dΔp + +(L+K2 )Δp=K1 x dt K dt (1.8) Lực phát triển piston A.Δp lực đặt lên tải.Do ta có m d2 y dy +b +k1 y=A.Δp dt dt (1.9) Từ phương trình (1.8) (1.9) ta có k ρ.V (L+K ).b �dy  L+K  k1 ρ.V.m d y � ρ.V.b (L+K ).m �d y � + + + �1 +A.ρ+ + y=K 1.x � � � K.A dt �K.A A A A �dt �K.A �dt Laplace vế phương trình vi phân ta có:  L+K  k1 Y(S)=K X(S) ρ.V.m (L+K ).b � �ρ.V.b (L+K ).m � �k1.ρ.V S Y(S)+ � + S Y(S)+ +A.ρ+ S.Y(S)+ � �K.A K.A A A � A �K.A � � � � G(S)= Y(S) K1  X(S) ρ.V.m � ρ.V.b (L+K ).m � � k ρ.V (L+K ).b �  L+K  k1 S + � + S + �1 +A.ρ+ S+ � � K.A A A A �K.A � �K.A � Trong �x � A=k � +x � �2 � K1 =(C1 +C2 ) K =(C1 +C2 ) ps x0 ps Như trình bày ta tuyến tính hóa điểm gốc ( x=0,Δp=0,q=0 ) nên với thông số cho đề bài: 13 Ps Áp suất cung cấp =45,5 ( kg cm ) Khối lượng riêng dầu ρ =0.86 ( kg cm ) k=2 (cm) =1,4 ; =1,6 b=2 ( Nm s ) m =60 ( kg ) k1 = 36 ( N Chiều cao piston Hệ số xả van Hệ số ma sát Khối lượng vật Độ cứng lò xo m) L=0,2 ( cm s ) Hệ số tổn thất hệ K=0,167.104 ( kg cm ) x0 Mô đun đàn hồi khối Khoảng cách van lúc ban đầu =2 (cm) V=7 ( m ) Thể tích chất lỏng dầu Ta tính tốn γ=g.ρ=0,86.9,81  8, 436 C1 =c1.k 2g 2.9,81  1, 4.2  4, γ 8, 436 C =c k 2g 2.9,81  1, 6.2 5 γ 8, 436 �x � �2 � A=k � +x �=2 � +0 �=2(cm ) �2 � �2 � K1 =(C1 +C2 ) K =(C1 +C ) ps 45,5 =  4,3+5  =44,358 2 x0 ps =(4,3+5) =0,487 45,5 Ta có G(S)= K1 k1.ρ.V (L+K ).b �  L+K  k1 ρ.V.m � ρ.V.b (L+K ).m � � S + � + S + +A.ρ+ S+ � � K.A A A A �K.A � � �K.A � Trong 14 ρ.V.m 0,86.7.60 = =0,108 K.A 0,167.104 ρ.V.b (L+K ).m 0,86.7.2 (0,2+0,487).60 + = + =20,718 K.A A 0,167.104 2 k1.ρ.V (L+K ).b 36.0,86.7 (0,2+0,487).2 +A.ρ+ = +2.0,86+ =2,472 K.A A 0,167.10 2  L+K  k1 = (0,2+0,487).36 =12,366 A Sau thay thơng số, tính toán lấy gần ta hàm truyền hệ thống sau: G(S)= 44,358 0,108.S +20,718.S2 +2,472.S+12,366 1.4 Kết luận chương Như chương giới thiệu mơ hình hệ thống ngun lý hoạt động máy điều chỉnh cho hệ thống van thủy lực mơ hình tốn học Chương chúng em thiết kế điều khiển máy điều điều cho hệ thống van thủy lực 15 2.1 CHƯƠNG II THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG Thiết kế điều khiển PID hệ thống Giải toán theo phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi  Đối tượng có hàm truyền: G(S)= 44,358 0,108.S +20,718.S2 +2,472.S+12,366  Chọn điều khiển PID: G PID (S)=K m (1+ +TdS) TS i  Sơ đồ cấu trúc Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển  Hàm truyền hệ G k (S)= G(S).G PID (S) 1+G(S).G PID (S) 44,358 +TdS) TS 0,108.S +20,718.S2 +2,472.S+12,366 i � G k (S)= 44,358 1+K m (1+ +TdS) TS 0,108.S3 +20,718.S2 +2,472.S+12,366 i K m (1+ 44,358K m TdTS i +44,358K m TS+44,358K i m = 0,108TS i +20,718TS i +(2,472Ti +44,358K m Td Ti )S +(12,366Ti +44,358K m Ti )S+44,358K m 16 Ta có: a =44,358K m � � a1 =(12,366+44,358K m )Ti � � a =(2,472+44,358K m Td )Ti � � a =20,718Ti �3 � a =0,108Ti � � a '0 =44,358K m �' a1 =44,358K m Ti � �' a =44,358K m Td Ti � Đã có: β3 = Chọn a 20,718Ti = =191,833 a 0,108Ti α1' =α '2 =α3' =α'=6,5 Ta lại có β2 = β3 191,833 = =29,513 α3' 6,5 β1 = β 38,367 = =4,54 α'2 6,5 β0 = β1 7,673 = =0.699 α1' 6,5 Mặt khác ta có β2 = a (2,472+44,358K m Td )Ti 2,472+44,358K mTd = = =29,513 a3 20,718Ti 20, 718 � K m Td  13, 729 β1 = (2.1) a1 (12,366+44,358K m )Ti 12,366+44,358K m = = =4,54 a (2,472+44,358K m Td )Ti 2,472+44,358K m Td 17 (2.2) Từ (2.1) (2.2) suy 12,366+44,358K m  4, 54 2,472+44,358.13,729 4,54.(2,472+44,35.13,729)  12,366 � Km   62,304 44,358 � Td  β0 = a0 44,358K m = =0,699 a1 (12,366+44,358K m )Ti � Ti  Ta có K m Td 13, 729   0, 22 Km 62,304 44,358K m (12,366+44,358K m ).0,699 K m =62,304 Ti = thay vào công thức (2.3) suy 44,358.62,304 =1,424 (12,366+44,358.62,304).0,699 Ta có hệ số hàm truyền hệ kín �a0'  44,358K m  44,358.62,304  2763,68 �' �a1  44,358K m Ti  44,358.62,304.1,424  3935, 482 �' �a2  44,358K mTd Ti  44,358.62,304.0, 22.1, 424  865,806  Tính tiêu chất lượng hệ kín Ta có β '0 = a '0 2763, 68 = =3,192 a '2 865,806 a1' 3935, 4822 4ξ = ' ' = = � ξ2 =1,618 a a 2763,68.865,806 � ξ=1,272 - Do hệ kín có tử bậc nên ta có 18 (2.3) β 02 α =1,5+16ξ '  α-1,5  β0 '  5-1,5 3,192 (α ' -1,5).β '0 � α= +1,5= +1,5=2,492 16ξ β 16.1,2723 0,6992  Độ điều chỉnh logδ% �δ%=0,655%  =4,8-2α=4,8-2.2,249=-0,184  Vậy ta có thơng số điều khiển: K m =62,304 � � Td =0,22 � � Ti =1,424 � Suy � � G PID (S)=62,304 � 1+ +0,22S � � 1,424S � 2.2 Kết mô  Mô cấu trúc điều khiển Matlab Hình Mơ cấu trúc điều khiển Matlab 19  Kết mơ Hình Kết mô Matlab Nhận xét: - Ta thấy đường đặc tính đầu hệ thống có độ điều chỉnh δ%= 2.3 1,11-1 100%=11% - Thời gian xác lập 1s Như điều khiển thiết kế đạt yêu cầu Kết luận chương Ở chương thiết kế điều khiển PID máy điều chình cho hệ thống thủy lực sử dụng phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi Hệ ổn định với thời gian độ nhanh độ điều chỉnh nhỏ Ở chương thiết kế mạch điều khiển điện tử cho hệ thống 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO HỆ THỐNG 3.1 Cấu trúc mạch điều khiển điện tử cho hệ thống thủy lực Các điều khiển PID điện tử có khả hoạt động bền vững tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ, kích thước trọng lượng tối thiểu hóa đến mức nhỏ nhất, việc lắp đặt đơn giản gọn nhẹ Các thiết bị điều khiển PID điện tử đại làm việc trực tiếp với máy tính dễ dàng , việc cài đặt thơng số dễ dàng xác khí nén Tuy nhiên điều khiển PID điện tử cịn có số hạn chế: độ bền vững làm việc chế độ khắc nghiệt : độ ẩm, nhiệt độ lớn , môi trường axit , bazo, dễ cháy nổ Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID Ta có G PID (S)= U r Z2 �-R � Z2 R =- � �= U v Z1 �R � Z1 R Trong Z2  R + R C S 1  2 C 2S C 2S C1S R1 Z1 = = R 1C1S+1 R1 + C1S R1 21 Vậy G PID (S)= R4 � 1+  R1C1 +R 2C2  S+R 1C1R C2S2 � � � R1R 3C2S = R4 R 1R C = R  R1C1 +R C2  � � RCR C 1+ + 1 2 S� � R 1R C � (R 1C1 +R 2C )S R 1C1 +R 2C � � � +  R 1C1 +R C2  +R1C1R 2C 2S � � S � � Từ ta có � R  R C +R C2  Km = 1 � R R 3C � � Ti =R 1C1 +R 2C � � RCR C � Td = 1 2 � � R1C1 +R C2 � � G PID (S)=62,304 � 1+ +0,22S � � 1,424S � Với thiết kế chương với thông số tương ứng K m =62,304;Ti =1,424;Td =0,22 Như ta có hệ sau �R  R1C1 +R C2  =62,304 � � R 1R C � R 1C1 +R 2C2 =1,424 � �R C R C � 1 2 =0,22 � �R1C1 +R C2 Từ hệ ta có � R1C1 +R 2C =1,424 � � R4 =43,753 � �R1R 3C2 � R1C1R 2C =0,313 � 22 Ta chọn C1 =C2 =100μF KΩ  ;R  =1   Thay vào hệ phương trình ta có �R1 =11,5  KΩ  � �R =2,7  KΩ  � �R =50,4  KΩ  3.2 Kết luận chương Từ điều khiển thiết kế chương sử dụng phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi Ở chương chúng em thiết kế điều khiển điện tử sử dụng IC khuếch đại thuật toán linh kiện điện tử khác 23 KẾT LUẬN Sau hoàn thành xong đồ án với đề tài “Thiết kế máy điều chỉnh cho van thủy lực “ Chúng em có thêm nhiều hiểu biết việc xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng Đã xây dựng thiết kế điều khiển cho hệ thống van thủy lực Từ có thêm hiểu biết kiến thức chuyên ngành kĩ thuật điều khiển để phục vụ cho công việc sau Tuy xây dựng điều khiển với đáp ứng thực tế tương đối tốt, kết thu mang tính chất tương đối, đáp ứng phần yêu cầu điều khiển đặt Quá trình thực đồ án hướng dẫn tận tình giáo cố gắng thân, chúng em hồn thành đồ án Trong q trình thực chúng em cố học hỏi thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm cho thân Do vốn kiến thức thời gian có hạn nên đồ án em khơng tránh khỏi sai sót Vì chúng em mong nhận góp ý đánh giá thầy cô để đồ án chúng em hoàn thiện Cuối chúng em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy cô môn đặc biệt cô giáo hướng dẫn giúp chúng em hoàn thành đồ án 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO Modern Control Engineering - Katsuhiko Ogata (5th Edition Prentice Hall 2019) Một số nguồn tài liệu tham khảo khác từ Internet 25 ... máy điều chỉnh cho hệ thống van thủy lực mơ hình tốn học Chương chúng em thiết kế điều khiển máy điều điều cho hệ thống van thủy lực 15 2.1 CHƯƠNG II THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG Thiết... “Thiết kế máy điều chỉnh cho van thủy lực “ Chúng em có thêm nhiều hiểu biết việc xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng Đã xây dựng thiết kế điều khiển cho hệ thống van thủy lực Từ có thêm hiểu... phân tích giả thiết cổng làm rộng van, van xếp chồng (Chú ý tín hiệu rung động tần số cao biên độ nhỏ có liên quan đến dịch chuyển lớn van) thêm vào chuyển động van điều khiển Điều ảnh hưởng đến