Tài liệu Nghiên cứu đáp ứng quá độ mạch điều khiển tốc độ của mô tơ thủy lực ROCKFORD ILLINOI S16Z3 khi ứng dụng bộ chuyển đổi số LAB- PC+ và Van servo BD90 ppt
NghiêncứuđápứngquáđộmạchĐiềukhiểntốcđộ
của môtơthủylựcrockfordillinois16z3Khiứng
dụng bộchuyểnđổisố Lab-PC+ vàvanservo bd90
Investigating transient response of the velocity control system in a RockfordillinoiS16Z3 hydraulic motor system equipped with Lab-PC+ and servo valve BD90
Trần Xuân Tùy, Đại học Đà Nẵng
Email : tranxuantuy@yahoo.fr
Tóm tắt :
Để lắp ráp một thiết bị điềukhiển tự động, ngoài việc nghiêncứu nối ghép cơ cấu chấp hành, bộđiều
khiển và phần mềm thì việc nghiêncứu các chỉ tiêu chất lợng của hệ điềukhiển là rất quan trọng.
Bài báo này giới thiệu các vấn đề liên quan đến việc nối ghép giữa môtơ thủy lực, cảm biến tốc độ, van
servo, bộ khuếch đại servo BD90, carte acquisition Lab-PC và các kết quảnghiêncứu ảnh hởng của hệ số
khuếch đại tích phân K
I
đến đápứngquáđộkhiđiềukhiểntốcđộcủa môtơ thủy lực.
Abstract :
In setting-up an automatic control system, besides studying the configuration of control system, actuator
and software packages, it is of critical importance to have the entire system to work with high performance.
This acticle introduces many features in setting-up such a system with hydraulic motor driven, velocity
sensors, servo-valve, BD90servo amplifier, acquisition card Lab-PC+, also gives the results in the influence
of the integral control gain K
I on transient response obtained in the system.
1. Đặt vấn đề
Tạp chí Jounal of dynamic systems, measurement and control và tạp chí The
Journal of fluid control đã công bố nhiều công trình nghiêncứu về lĩnh vực điều
khiển tự động hệ thuỷlựcchuyển động thẳng và quay của các nhà khoa học thế giới.
ở Việt Nam, lĩnh vực này ngày càng đợc ứngdụng mạnh vào công nghiệp và hiện
đợc nhiều nhà nghiêncứu quan tâm. Mỗi thiết bị đợc chế tạo, lắp ráp sẽ có tính
năng và đặc tính động lực học khác nhau nên việc nghiêncứu xác định các thông số
để hệ thống làm việc chính xác, ổn định và tin cậy là việc làm hết sức cần thiết.
Tại phòng thí nghiệm kỹ thuật điềukhiểncủa khoa cơ khí trờng đại học kỹ thuật-
ĐHĐN chúng tôi đã lắp ráp thành công hai thiết bị truyền động thuỷlựcđiềukhiển
bằng chơng trình máy tính. Bài Mô hình điềukhiển vị trí hệ thuỷlựcứngdụng van-
proportional đăng ở tạp chí khoa học và công nghệ các trờng Đại học kỹ thuật số -
21/1999 và bài Mô hình điềukhiểntốcđộcủamôtơthuỷlựcứngdụngvanservo
đăng ở tuyển tập công trình khoa học tại hội nghị khoa học toàn quốc về cơ học kỹ
thuật -2001 đã trình bày việc xây dựngmô hình vànghiêncứu ảnh hởng của hệ số
khuếch đại tỷ lệ Kp đến quá trình quáđộcủa hệ.
Lần này chúng tôi giới thiệu một kết quảnghiêncứu về ảnh hởng của hệ số
khuếch đại tích phân K
I
đến đặc tính củaquá trình quáđộkhiđiềukhiểntốcđộcủa
mô tơthuỷ lực.
2. Nội dung
Cơ sở lý thuyết : Nghiêncứu cơ sở lý thuyết để xây dựngmô hình điều khiển, lựa
chọn các thông số cho việc lắp ráp thiết bị.
Mô hình nghiêncứu là hệ tuyến tính đợc thể hiện ở hình 1, với các giả thuyết là
bộ khuếch đại, cảm biến vàvanservo đợc coi là một khâu khuếch đại; bỏqua biến
dạng của dầu trên đờng ống dẫn; không tính đến quán tính của dầu; trục truyền động
cứng vững tuyệt đối.
Hình 1. Mô hình điềukhiểntốcđộcủa môtơ thủy lực.
Trong đó : 1- Van servo; 2- Môtơ thuỷ lực; 3- Mômen quán tính khối lợng quy
đổi; 4- Tốc kế; 5- Bộ khuếch đại của van.
Phơng trình cân bằng mômen : M = M
a
+ M
D
Dp J
d
dt
f
m
.=+
(1)
Phơng trình lu lợng : Q = Q
+ Q
C
+ Q
QD
V
B
dp
dt
p
m
=+ +.
.
2
(2)
Q = K
V
.I - K
0
.p (3)
Các phơng trình khác : I = K
A
.E = K
A
.(U - F) (4)
F = K
A
.
Biến đổi (1), (2), (3) và (4) sang phơng trình Laplace ta có :
Dps Js s f s
m
.() () . ()
=
+
Qs D s
V
B
sps ps
m
() . ()
.
() . ()=+ +
2
Qs K I s K ps
V
() . () . ()
=
0
(5)
Is K Es
A
() . ()
=
Es Us K s
C
() () . ()
=
Hàm truyền của môtơ thuỷlực là :
2
2
m
2
m
m
2
m
s.
)f.D(B2
J.V
s.
)f.D.(B2
.J.B2f.V
1
D/)f.D(
)s(Q
)s(
+
+
+
+
+
+
=
Hay :
1
s
.2
s
K
1s.T.2s.T
K
)s(Q
)s(
0
1
2
0
1
22
1
+
+
=
++
=
(6)
Trong đó :
m
2
m
D
f.D
K
+
=
(7)
P
4
V
1
I
U
T
f
Q
D
m
P
T
P
S
F
E
K
A
K
V
K
0
J
K
2
3
5
J
C
J.V
)f.D.(B2
T
1
H
2
m
1
0
=
+
==
(8)
)f.D(J.V.B2
.J.B2f.V
2
1
T.2
T
2
m
1
2
1
+
+
==
(9)
Với : K - Hệ số khuyếch đại của cum môtơ thủy lực-tải.
T
1
- Hằng số thời gian của môtơ thủy lực-tải.
0
- Tần số dao động riêng của môtơ thủy lực-tải.
1
- Hệ số tắt dần của môtơ thủy lực-tải.
C
H
- Độ cứng của cụm môtơ thủy lực-tải.
Sơđồ khối củamạchđiềukhiển đợc biểu diễn nh hình 2.
Hình 2. Sơđồ khối củamạchđiềukhiểntốcđộmôtơthủy lực.
a, Sơđồ khối củamô hình toán (5) và(6).
b, Sơđồ khối rút gọn của hình 2a.
Sau khi rút gọn hình 2a về hình 2b ta có các ký hiệu là ;
f.K.KD
D.K
K
0m
m
+
=
(10)
J
C
J.D
)f.K.KD.(C
qd
m
0mH
n
=
+
=
(11)
J.D.V).f.K.KD).(f.D.(B4
)f.D.(J.K.K.B2D J.B2D.f.V
m0m
2
m
2
m0mm
2
++
+++
=
(12)
Với : K
- Hệ số khuyếch đại của cụm van-môtơ thủy lực-tải.
n
- Tần số dao động riêng của cum van- môtơ thủy lực-tải.
2
- Hệ số tắt dần của cụm van- môtơ thủy lực-tải .
C
qđ
- Độ cứng của cụm van- môtơ thủy lực-tải.
Qua phân tích trên ta thấy cụm van-môtơ thuỷlực là một khâu dao động có tần số
riêng, độ cứng và hệ số tắt dần đợc xác định theo các công thức (11) và (12) nên có
thể quy đổi về một mô hình dao động xoắn cơ học tơng đơng biểu diễn nh hình 3.
Mô hình này cơ thể sử dụng để nghiêncứuquá trình động lực học của hệ.
F(s)
(s)
P(s)
Q(s) I(s) E(s) U(s)
K
A
K
V
1
s
.2
s
K
0
1
2
0
+
+
m
D
fs.J
+
K
0
K
c
F(s)
(s)
E(s) U(s)
K
A
.K
V
1
s
.2
s
K
n
2
2
n
+
+
K
c
a,
b
,
Hình 3. Mô hình quy đổi tơng đơng của cụm van-môtơ thủy lực.
Thực nghiệm :
Từ sơđồ khối hình 2 ta có hệ số khuyếch đại của hệ thống K
H
là :
CVAH
K.K.K.KK
=
(13)
Các hệ số trong công thức (13) là hệ số khuếch đại của các phần tử trong mạchđiều
khiển khi hệ làm việc ở chế độ xác lập, các hệ số này đợc sử dụng để tính toán, hiệu
chỉnh mối tơng thích giữa các bộ phận của thiết bị khi rắp ráp.
Thứ nguyên của các hệ số khuếch đại thành phần là :
Von
mA
K
A
;
mA
s/Cm
K
3
V
;
s/C
m
s/Rad
K
3
;
s/Rad
Von
K
C
Từ các kết quả trên thiết bị thí nghiệm đợc lắp ráp theo sơđồ hình 4.
Hình 4. Sơđồ lắp ráp thiết bị thí nghiệm.
Các bộ phận và thông số chính của thiết bị là :
Mô tơthủylực : Delta power hydraulic co, Rockford illinois, Model 16 - Z-3.
Vanservo BD90 - Parker Electrohydraulic, Q = 0
ữ76l/p, p
max
= 315Bar, I
max
= 100mA, sai
số tuyến tính I-Q
<
= 5%
Amplificater BD90 - Parker Electrohydraulic, sai số tuyến tính
<= 0.1% .
Tốc kế : PITTMAN USA, No F8412G591, 2V/KRPM.
Carte acquisition (A/D và D/A) Lab-PC
+
, National Instruments Corporation, Điện áp vào
và ra
10v, I
max
2 mA, 01 bộ ADC 12 bít và 02 bộ DAC 16 bít, trạm liên kết SC-2071.
Các thông số chính khác : p
S
= 35 kg/cm
2
; Q
S
= 11 l/p ; J = 15 Nms
2
; D
m
= 12Cm
3
/Rad;
K
C
= 0,032v/(Rad/s); K
V
= 11,5(Cm
3
/s)/mA; B = 1,4.107kg/Cm
2
;
Thiết bị điềukhiển theo PI qua thuật toán trong chơng trình điều khiển, chơng trình
điều khiển viết theo ngôn ngữ Borland C
++
. Các tín hiệu điềukhiểnvà phản hồi đợc lu
trữ trong các fil vao.dat và ra.dat của chơng trình điều khiển. Sốliệuđódùng để vẽ đặc
tính nhờ chơng trình do_thi1.m viết theo phần mềm Matlab 4.2.
10 V 10 V
10 V
PC
T
A
J
Van
V
Lab - PC
+
C
qd
J
J
C
=
đq
n
Hình 5 là đápứngquáđộcủa hệ thống thu đợc bằng thực nghiệm điềukhiển bằng
chơng trình máy tính. Các hình 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f tơng ứng với hệ số khuyếch đại
tỷ lệ là K
P
= 0,6 , điện áp điềukhiển là U=2500mv và hệ số khuếch đại tích phân là :
K
I
= 0,5, 0.7, 1.0,1.5; 2.0, 2.5.
Qua các kết quả thực nghiệm ta thấy khi hệ số khuyếch đại K
I
tăng thì thời gian đáp
ứng tăng và khả năng ổn định kém.
3. Kết luận
B
ài toán trên đã xác định đợc tần số dao động riêng, hệ số tắt dần của cụm truyền động
van - môtơthủylực - tảivà hệ số khuếch đại hệ thống.
Thực hiện ghép nối tơng thích giữa các phần tử trong mạchđiều khiển, sốliệucủa
các tín hiệu điềukhiểnvà tín hiệu phản hồi thu đợc qua chơng trình điều khiển. Từ
các sốliệu này có thể vẽ đặc tính qua chơng trình do_thi1.m của phần mềm Matlab
hoặc vẽ tực tiếp từ chơng trình hoạt động của thiết bị.
Từ những kết quả trên chúng ta có thể nghiêncứu chọn hệ số khuếch đại tích phân K
I
tối u để hệ thống làm việc có đápứngquáđộ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đạt ra.
Các ký hiệu sử dụng :
U-Tín hiệu điều khiển; E-Tín hiệu so sánh; K
A
-Hệ số
khuyếch đại củabộ khuyếch đại A; I-Dòng điện điều khiển; K
V
, K
0
-Các hệ số kết cấu
của van; Q-Lu lợng cung cấp của van;
-Hệ số tổn thất lu lợng; p
S
-
á
p suất cung
cấp; p
T
-áp suất ra khỏi van; p-áp suất làm việc củamôtơthủy lực; f-Hệ số ma sát
nhớt; D
m
-Hệ số kết cấu củamôtơthủy lực; V-Thể tích chứa dầu trong buồng công
tác; B-Môđun đàn hồi của dầu; J-Giá trị của mômen quán tính khối lợng;
-Vận tốc
góc của trục quay; K
c
-Hệ số khuyếch đại của cảm biến tốc độ; F-Tín hiệu phản hồi;
M
a
-Mô men quán tính; M
D
-Mô men ma sát; Q
-Lu lơng làm quay trục môtơ; Q
-
Lu lợng do tổn thất.
tài liệu tham khảo
[1] H.Dorr,R.Ewald,A.Schmitt - Technique des valves proportionnelles et servo-valves.
RF00303, page 45-125,(10/1996).
[
2
]
DAQ.Lab-PC
+
User manual, National instruments corporation, June 1996.
[
3
]
Vickers . Closed loop electrohydraulic systems manual.
Printed in USA, 1993.
[4] Trần Xuân Tùy. Mô hình điềukhiểntốcđộcủamôtơthuỷlựcứngdụngvan servo.
Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc về Cơ kỹ thuật, tập 2. Hà nội 12-13/2001.
[5] Trần Xuân Tùy. Mô hình điềukhiển vị trí hệ điềukhiển tự động thủylựcứngdụngvan
proportional.
Tạp chí khoa học và công nghệ các trờng đại học kỹ thuật.
Số 21, Hà Nội-1999.
H
×nh 5. KÕt qu¶ thùc nghiÖm
a, b,
c, d,
f,
e,
. Nghiên cứu đáp ứng quá độ mạch Điều khi n tốc độ
của mô tơ thủy lực rockford illinoi s16z3 Khi ứng
dụng bộ chuyển đổi số Lab -PC+ và van servo bd90
. số khuyếch đại của cụm van- m tơ thủy lực- tải.
n
- Tần số dao động riêng của cum van- m tơ thủy lực- tải.
2
- Hệ số tắt dần của cụm van- m tơ thủy