Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật ngoài việc học tập lý thuyết từ giáo trình bài giảng cũng như sách vở thì việc thực hành thí nghiệm thực tế cũng thực sự quan trọng Nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những kiến thức mà chúng ta đã được học ở trên giảng đường Ngoài ra việc thực hành thí nghiệm còn giúp nâng cao tay nghề kĩ thuật của sinh viên trường Bách Khoa nói chung và ngành Cơ khí nói riêng Chính vì thế những giờ học thực hành thí nghiệm là vô cùng hữu ích đối với mọi sinh viên Trong quá trình học tập chúng em đã được tiếp xúc với rất nhiều trang thiết bị máy móc hiện đại mà nhà trường đã trang bị khoa Cơ khí Tuy nhiên sau một thời gian tìm hiểu chúng em nhận thấy hệ thống truyền động và điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng đã không hoạt động được vì lý do bo mạch kết nối máy tính và chương trình điều khiển đã không còn phù hợp với thực tế
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM TẠI KHOA CƠ KHÍ Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS TRẦN NGỌC HẢI HỒ TRỌNG QUÂN NGUYỄN PHƯỚC MINH Số thẻ sinh viên : 101120311 101120356 Lớp: 12CDT1 12CDT2 Đà Nẵng, 2017 Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng LỜI NÓI ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, việc học tập lý thuyết từ giáo trình, giảng sách việc thực hành, thí nghiệm thực tế thực quan trọng Nó giúp hiểu rõ kiến thức mà học giảng đường Ngoài việc thực hành, thí nghiệm cịn giúp nâng cao tay nghề kĩ thuật sinh viên trường Bách Khoa nói chung ngành Cơ khí nói riêng Chính thế, học thực hành, thí nghiệm vơ hữu ích sinh viên Trong trình học tập, chúng em tiếp xúc với nhiều trang thiết bị, máy móc đại mà nhà trường trang bị khoa Cơ khí Tuy nhiên, sau thời gian tìm hiểu, chúng em nhận thấy hệ thống truyền động điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng khơng hoạt động lý bo mạch kết nối máy tính chương trình điều khiển khơng cịn phù hợp với thực tế Hiện nay, hệ thống có tuổi đời lâu sử dụng Chính thế, hệ thống khơng cịn hồn chỉnh tiếp tục sử dụng Vì lý trên, chúng em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM TẠI KHOA CƠ KHÍ” Do hạn chế mặt thời gian kiến thức nên đề tài tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý quý Thầy giáo Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy Trần Ngọc Hải Thầy giáo khoa Cơ khí giúp chúng em hoàn thành đồ án cách hoàn chỉnh Đà Nẵng, ngày 26 tháng năm 2017 Sinh viên: Hồ Trọng Quân – Nguyễn Phước Minh SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh i Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng CAM ĐOAN Chúng em cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng phục vụ thực hành, thí nghiệm khoa Cơ khí” cơng trình nghiên cứu riêng chúng em hướng dẫn, cung cấp số liệu kỹ thuật nội dung yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Th.S Trần Ngọc Hải Các kết nghiên cứu tổng hợp nhiều tài liệu phịng thí nghiệm truyền động điều khiển thủy khí thuộc Bộ mơn Chế tạo máy, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Các số liệu trình bày đồ án trung thực, rõ ràng kiểm duyệt Thầy giáo hướng dẫn Chúng em giáo viên hướng dẫn xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan Sinh viên Hồ Trọng Quân – Nguyễn Phước Minh SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh ii Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN .ii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Lịch sử điều khiển tự động 1.1.3 Các nguyên tắc phân loại hệ thống điều khiển CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC 14 2.1 Cơ sở lý thuyết truyền động điều khiển tự động 14 2.1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển tự động 14 2.1.2 Chất lượng hệ thống điều khiển tự động 18 2.1.3 Chức hàm truyền điều khiển PID 24 2.2 Lý thuyết điều khiển tự động thủy lực .26 2.2.1 Phương pháp phân tích tính tốn thơng số mạch thủy lực .26 2.2.2 Phương pháp phân tích tính tốn van trượt điều khiển .28 2.2.3 Độ đàn hồi dầu, độ cứng thủy lực tần số riêng 31 2.2.4 Các phần tử điều khiển hệ điều khiển tự động thủy lực 34 2.2.5 Quy luật thay đổi áp suất 44 2.2.6 Quy luật thay đổi vận tốc 46 2.2.7 Quá trình ma sát 47 2.2.8 Thời gian đáp ứng hệ 48 2.2.9 Sai số điều khiển hệ 48 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP 50 3.1 Tổng quan hệ thống thủy lực công nghiệp 50 3.1.1 Giới thiệu tổng quan 50 3.1.2 Cấu trúc hệ thống thủy lực 50 3.1.3 Các ứng dụng thủy lực 51 3.2 Ứng dụng truyền động thủy lực công nghiệp 51 3.2.1 Mục đích 51 3.2.2 Các sơ đồ thủy lực 51 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY LỰC TRÊN BÀN THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM 56 SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh iii Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng 4.1.Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ chuyển động thẳng 56 4.1.1 Khái niệm .56 4.1.2 Van điều chỉnh áp suất 58 4.1.3 Van servo 63 4.1.4 Van chiều 66 4.1.5 Thiết bị phụ van thủy lực 67 4.2 Lựa chọn phần tử thủy lực 69 4.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống thủy lực chuyển động thẳng 70 4.3.1 Xy lanh thủy lực .70 4.4 Tính tốn thiết kế bàn 78 4.4.1 Thiết kế bàn lắp đặt 78 4.4.2 Lựa chọn tính tốn số phận hệ thủy lực 79 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG 87 5.1 Mô hình tính tốn điều khiển hệ thống lý thuyết 87 5.1.1 Mô hình tốn điều khiển hệ thống .87 5.1.2 Khảo sát trường hợp tổng quát .88 5.1.3 Giới thiệu điều khiển PID mờ 90 5.1.4 Giới thiệu phần mềm MATLAB .92 5.2 Khảo sát thực nghiệm .95 5.2.1 Đặc tính kỹ thuật số phận điều khiển 95 5.2.2 Khảo sát đặc tính động lực học hệ thống 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh iv Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống điều khiển vòng hở Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vịng kín Hình 1.3 Hệ thống điều khiển đa biến Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san sai lệch Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp Hình 1.8 Sơ đồ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DC vịng kín Hình 1.9 Sơ đồ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AC vịng kín Hình 1.11 Sơ đồ khối HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN tên lửa Hình 1.12 Nguyên tắc tự chỉnh định Hình 1.13 Hệ thống điều khiển tự động mức chất lỏng bể 11 Hình 1.14 Hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa 12 Hình 1.15 Một số hệ thống điều khiển vịng kín 12 Hình 1.16 Hệ thống điều khiển tay lái ô tô 12 Hình 1.17 Một hệ thống điều khiển máy tính 13 Hình 2.1 Sơ đồ chức hệ điều khiển tự động 14 Hình 2.2 Sơ đồ khối phần tử hệ thống điều khiển tự động 14 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống hở 15 Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển hệ kín 15 Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn trình động lực học hệ 16 Hình 2.6 Đáp ứng độ tín hiệu bậc thang 18 Hình 2.7 Đáp ứng độ xung 18 Hình 2.8 Đáp ứng độ hàm tuyến tính (hàm dốc) 18 Hình 2.9 Đáp ứng độ hàm điều hoà 18 Hình 2.10 Đặc trưng tính ổn định hệ điều khiển tự động 19 Hình 2.11 Sơ đồ phân tích chất lượng hệ điều khiển tự động 21 Hình 2.12 Đặc tính đáp ứng độ 23 Hình 2.13 Sơ đồ cắt mẩu để chuyển tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc 23 Hình 2.14 Sơ đồ ghép điều khiển PID với mạch điều khiển hệ thống 25 Hình 2.15 Đáp ứng hệ sử dụng phương pháp 25 Hình 2.16 Sơ đồ ghép nối tiếp ghép song song 27 Hình 2.17 Đồ thị quan hệ Q x, Q i van trượt điều khiển 28 SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh v Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng Hình 2.18 Sơ đồ tính tốn lực chiều trục trượt điều khiển 29 Hình 2.19 Đồ thị quan hệ Q - x Q - i van trượt 30 Hình 2.20 Sơ đồ mạch thủy lực có kết cấu đối xứng 31 Hình 2.21 Mơ hình nghiên cứu độ đàn hồi dầu 32 Hình 2.22 Mơ hình dao động hệ thủy lực 33 Hình 2.23 Kết cấu ký hiệu van solenoid điều khiển trực tiếp 35 Hình 2.24 Kết cấu ký hiệu van solenoid điều khiển gián tiếp 35 Hình 2.25 Cấu tạo ký hiệu van tỷ lệ 36 Hình 2.26 Cấu tạo van tỷ lệ hiệu suất cao loại vị trí cửa 36 Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý phận điều khiển trượt van servo 37 Hình 2.28 Bản vẽ thể kết cấu kí hiệu van servo 37 Hình 2.29 Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí trượt van 38 Hình 2.30 Đặc tính động lực học trượt van 38 Hình 2.31 Sơ đồ mơđun khuếch đại 39 Hình 2.32 Đặc tính hệ số khuếch đại 40 Hình 2.33 Đặc tính cảm biến 41 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý cảm biến vị trí 42 Hình 2.35Thước đo số theo nguyên tắc quang điện 43 Hình 2.36 Sơ đồ cảm biến điện trở đo góc ứng dụng 43 Hình 2.37 Sơ đồ máy phát tốc (tacs- gen) 44 Hình 2.38 Mơ hình nghiên cứu quy luật thay đổi áp suất 45 Hình 2.39 Sơ đồ khảo sát quy luật thay đổi vận tốc 46 Hình 2.40 Quan hệ lực ma sát vận tốc 47 Hình 3.1 Quá trình biến đổi truyền tải lượng 50 Hình 3.2 Máy dập thủy lực điều khiển tay 51 Hình3.3 Cơ cấu rót tự động cho quy trình cơng nghệ đúc 52 Hình 3.4 Sơ đồ mạch thủy lực cấu rót phơi tự động 52 Hình 3.6 Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ chi tiết sơn lò sấy 53 Hình 3.7 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 53 Hình 3.8 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt chi tiết gia công 53 Hình 3.9 Máy khoan bàn 54 Hình 3.10 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt gia công 54 Hình 4.1 Hệ thống điều khiển thủy lực 56 Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 56 Hình 4.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển thủy lực 57 SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh vi Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng Hình 4.5 Kết cấu kiểu van trượt 59 Hình 4.6 Sơ đồ kết cấu van an toàn 60 Hình 4.7 Kết cấu van giảm áp 61 Hình 4.8 Kết cấu van cản 62 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý rơle áp suất 63 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý phận điều khiển trượt van servo 64 Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động van servo 65 Hình 4.12 Sơ đồ kết cấu ký hiệu van servo 66 Hình 4.13 Kết cấu van bi chiều 67 Hình 4.14 Sơ đồ kết cấu ắcqui dầu (ắcqui khí nén) 69 Hình 4.15 Ký hiệu nguyên lý kết cấu ắc quy thủy lực (ắcqui lò xo) 69 Hình 4.16 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động thẳng 70 Hình 4.17 Sơ đồ tính tốn xy lanh 71 Hình 4.18 Hành trình tiến tới pittơng 72 Hình 4.19 Hành trình lùi pittơng 75 Hình 4.20 Sơ đồ kiểm tra ổn định xylanh lực 76 Hình 4.21 Bàn thực hành thủy lực chuyển động thẳng 79 Hình 4.22 Sơ đồ cấu tạo bơm bánh 80 Hình 4.23 Sơ đồ cấu tạo lưới lọc thô 81 Hình 4.24 Sơ đồ cấu tạo lọc tinh 82 Hình 4.25 Sơ đồ kết cấu bể dầu 84 Hình 4.26 Mối nối ống thẳng cuối có ống nong 86 Hình 4.27 Một số loại ống nối ren vít 86 Hình 5.1 Mơ hình nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động tịnh tiến ứng dụng van servo 87 Hình 5.2 Sơ đồ tính tốn xylanh thủy lực 88 Hình 5.3 Sơ đồ khối hàm truyền x(s)/E(s) 89 Hình 5.4 Sơ đồ khối hàm truyền x(s)/U(s) 90 Hình 5.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ 91 Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ 91 Hình 5.6 Giao diện phần mềm MATLAB 92 Hình 5.7 Bộ điều khiển mờ 93 Hình 5.8 Mơ hình hệ thống điều khiển dùng điều khiển mờ 94 Hình 5.10Đồ thị khảo sát động lực học hệ thống có tải 97 Hình 5.11 Khảo sát động lực học hệ thống không tải 98 SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh vii Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 5.1 Kết quảkhảo sát đáp ứng đồ thị có tải 97 Bảng 5.2 Kết khảo sát đáp ứng đồ thị không tải 98 SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh viii Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT HTĐK : Hệ thống điều khiển LVDT : Cảm biến vị trí SVTH: Hồ Trọng Quân Nguyễn Phước Minh ix Hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Hải ... Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng CAM ĐOAN Chúng em cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài ? ?Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển. .. thế, hệ thống khơng cịn hồn chỉnh tiếp tục sử dụng Vì lý trên, chúng em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM TẠI KHOA. .. Ngọc Hải Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống điều khiển vòng hở Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vịng