Proceedings VCM 2012 22 mô phỏng hệ thống truyền động điện thủy lực sử dụng

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 151


Mã bài: 36
Mô phỏng hệ thống truyền động điện-thủy lực sử dụng
van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn
Modeling of electrohydraulic control system using nozzle
flapper servovalve
Hoàng Văn Tiến
Học viện kỹ thuật quân sự, e-Mail:
Nguyễn Đức Anh
Học viện kỹ thuật quân sự, e-Mail:
Tóm tắt
Bài báo này trình bày sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện - thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi
phun - tấm chắn, thiết lập các phương trình mô tả hoạt động của hệ thống, xây dựng mô hình mô phỏng trên
Simulink; dựa trên mô hình này, thực hiện khảo sát các đặc tính tĩnh học và đặc tính quá độ của hệ thống.
Abstract: This paper presents a typical architecture of electrohydraulic control system of steering aircraft,
mathematic equations described operation of studied system, nonlinear model used Simulink; examination of
the static charateristic and the transient process based on this model.

Chữ viết tắt
HTTĐ Hệ thống truyền động
CCCH Cơ cấu chấp hành

1. Giới thiệu
Với những ưu điểm nổi bật như: tác động
nhanh, khối lượng và thể tích nhỏ trên một đơn vị
công suất, độ tin cậy cao, tuổi thọ động cơ lớn …
các HTTĐ điện-thủy lực được ứng dụng nhiều
trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, đặc biệt là trong
các hệ thống điều khiển máy bay. Trên thế giới,

các HTTĐ điện thủy lực cánh lái máy bay đã trải
qua quá trình phát triển lâu dài và tương đối hoàn
thiện; cùng với sự phát triển của công nghệ điện
tử, công nghệ vật liệu, và phương pháp điều khiển
số, những hệ thống này tiếp tục có những bước
hoàn thiện và phát triển hơn nữa nhằm giảm khối
lượng, tối ưu hơn nữa hiệu quả làm việc và các đặc
tính kỹ thuật. Tuy nhiên, ở trong nước, việc nghiên
cứu và phát triển các HTTĐ điện-thủy lực cho
những ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ
còn nhiều hạn chế, phần lớn các nghiên cứu mới
chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu phục vụ khai thác,
sửa chữa và học tập, giảng dạy. Các mô hình
HTTĐ điện-thủy lực được xây dựng chủ yếu dựa
trên các phương pháp tuyến tính hóa, còn nhiều
hạn chế trong mô tả hoạt động của các hệ thống
thực. Bài báo này giới thiệu mô hình phi tuyến của
HTTĐ điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi
phun tấm chắn. Mô hình này được xây dựng bằng
cách sử dụng Simulink và dựa trên các phương
trình vi phân mô tả quá trình hoạt động của hệ
thống, qua đó khảo sát các đặc tính tĩnh và đặc
tính động lực của hệ thống, khảo sát sự ảnh hưởng
của các tham số về kết cấu của các phần tử cơ bản
tới những đặc tính của hệ thống.

2. Cấu trúc HTTĐ điện-thủy lực cánh lái
máy bay
Hiện nay trong lĩnh vực hàng không, các hệ
thống điện điều khiển từ xa(hệ thống điện điều

khiển tự động) được ứng dụng rất rộng rãi thay thế
cho các hệ thống thủy-cơ truyền thống. Trong đó
HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay đóng vai trò
là cơ cấu chấp hành và cấu tạo gồm: khối các thiết
bị điện có chức năng điều khiển và kiểm tra trạng
thái hoạt động (bao gồm cả thiết bị điện tử tương
tự và điện tử số) và khối CCCH điện-thủy lực (bao
gồm: bộ khuếch đại điện-thủy lực, xilanh thủy lực
với cảm biến phản hồi, bộ lọc, các van thủy lực,
các khâu và khớp nối…).
Nhằm đảm bảo yêu cầu cao về độ tin cậy, độ an
toàn, trong hệ thống điều khiển bay các phần tử,
thiết bị có xác suất hư hỏng, xảy ra sự cố
cao(thường là các thiết bị điện, điện tử) được dự
phòng bởi nhiều kênh khác, sẵn sàng hoạt động
thay thế kênh hư hỏng, còn các phần tử có xác suất
hư hỏng, xảy ra sự cố ít hơn sẽ ít được dự phòng
hoặc được dự phỏng bởi ít kênh hơn.
152 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh


VCM2012
Trên hình 1 trình bày sơ đồ cấu trúc chung của
hệ thống điện điều khiển từ xa của các máy bay
chiến đấu hiện đại [1]. Hệ thống này bao gồm:
Bốn kênh điều khiển(mỗi kênh gồm các cảm
biến xác định sự thay đổi tọa độ trạng thái máy
bay và đưa ra tín hiệu(lệnh) điều khiển bay; các
máy tính tính toán đưa ra luật điều khiển bay và
các thiết bị vào-ra trao đổi thông tin với HTTĐ

điện-thủy lực cánh lái);
HTTĐ điện-thủy lực cánh lái bao gồm: bốn
khối thiết bị điện tử(gồm cả thiết bị tương tự và
thiết bị số) dùng để điều khiển, kiểm tra trạng thái
hoạt động của CCCH điện-thủy lực và được chia
đều cho hai CCCH điện-thủy lực(là HTTĐ bám
điện-thủy lực, bao gồm:

H. 1 HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay trong hệ thống điều khiển bay của các loại máy bay chiến đấu

H. 2 Sơ đồ khối CCCH điện-thủy lực của HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay

bộ khuếch đại điện-thủy lực, xilanh thủy lực với
cảm biến phản hồi, bộ lọc, các van thủy lực, các
khâu và khớp nối…). Trên hình 2 trình bày sơ đồ
khối CCCH điện-thủy lực của HTTĐ điện-thủy
lực cánh lái máy bay.
3. Mô hình hóa HTTĐ điện-thủy lực sử dụng
van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn
3.1 Mô hình hóa bộ khuếch đại tín hiệu điện
Tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu đầu vào và tín
hiệu phản hồi:

in fb
U U U
q
 

(1)
ở đây:

in
U
- tín hiệu đầu vào;

fb fb
U k y
 
- tín hiệu phản hồi
fb
k
- hệ số phản hồi
y
- độ dịch chuyển của pít-tông.
Hiệu điện thế đầu ra bộ khuếch đại tín hiệu điện
khi không tính đến sự giới hạn công suất:
,
u
U k U
q
 

(2)
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 153


Mã bài: 36
ở đây:
u
k
- hệ số khuếch đại.

Hiệu điện thế đầu ra của bộ khuếch đại điện:
,
max
max
, ,
max max
,
max max
U
khi U U
U U khi U U U
U khi U U






   




  



(3)
ở đây
max

U - hiệu điện thế đầu ra cực đại của bộ
khuếch đại tín hiệu điện.
3.2 Mô hình hóa van séc-vô kiểu vòi phun-tấm
chắn

H. 3 Hoạt động của van servo vòi phun – tấm chắn
3.2.1 Mô hình hóa bộ biến đổi điện cơ
Phương trình mô tả hoạt động mạch điện điều
khiển bộ biến đổi điện cơ:
bef
dI dh
U R I L k
dt dt
     
(4)
( )
i bef
dI dh
U R I T k
dt dt
     
(5)
ở đây: R- điện trở mạch điện điều khiển bộ biến
đổi điện cơ, bao gồm điện trở các cuộn dây bộ
biến đổi điện cơ và điện trở của bộ khuếch đại
điện; L – hệ số tự cảm của các cuộn dây;
bef
k
- hệ
số sức điện động cản của mạch điện từ;

i
L
T
R
 -
hằng số thời gian của mạch điện điều khiển bộ
biến đổi điện cơ.
Phương trình chuyển động của phần ứng của bộ
biến đổi điện cơ với giả thiết rằng: ma sát khô, đặc
tính từ trễ và sức điện động do chuyển động của
phần ứng gây ra là nhỏ không đáng kể và có thể bỏ
qua:
2
2
FI fb hd emt
d h dh
m k I F F C h b
dt
dt
        
(6)
ở đây:
m
- khối lượng của phần ứng và tấm chắn
được quy về trục của vòi phun,
h – độ dịch chuyển của tấm chắn,
fb
F
- lực đàn hồi của cơ cấu phản hồi cơ,
hd

F
- tác động thủy động lực của dòng dầu từ
vòi phun lên hệ tấm chắn-con trượt,

FI
k
- hệ số khuếch đại của đường đặc tính lực
của bộ biến đổi điện cơ, phụ thuộc vào sức từ động
phân cực, số vòng của cuộn dây điều khiển và các
tham số kết cấu của mạch từ,

emt
C
- hệ số độ cứng của phần ứng và tấm chắn

b
- hệ số ma sát nhớt.
Thực hiện các phép biến đổi cần thiết, thu được
hàm truyền biến đổi điện cơ có dạng:
2 2
( )
( )
( )
2 1
emt
hI
emt emt emt
k
h s
W s

I s
T s T s
x
 
     
(7)
ở đây:
FI
emt
emt
k
k
C
 - hệ số truyền,
emt
emt
m
T
C

- hằng số thời gian điện cơ,

2
emt
emt
b
C m
x 
 
- hệ số tắt dần.

3.2.2 Mô hình hóa bộ khuếch đại thủy lực
Phương trình cân bằng lưu lượng trong đường
chéo mạch cầu thủy lực [3]:
2
k d
Qh Qp d zol
V dP
dx
K h K P A
dt E dt
      
(8)
Trong đó:
Qh Kqh inp t
K K P P
  
- hệ số khuếch đại theo lưu
lượng của bộ khuếch đại thủy lực,
Kqh
K
- hệ số tỷ
lệ của hệ số K
Qh
; x – độ dịch chuyển của con trượt.
Kqp
QP
inp t
K
K
P P



- hệ số khuếch đại lưu lượng
đầu ra theo áp suất,
Kqp
K
- hệ số tỷ lệ của hệ số
QP
K
,

d
P
- hiệu áp suất trong đường chéo mạch cầu
thủy lực.
zol
A
- tiết diện của van trượt,
k
V
- thể tích của khoang mặt nút van trượt và
của các kênh dẫn dầu vào và ra khỏi đường chéo
mạch cầu thủy lực,
E
- mô đun đàn hồi thể tích của dầu.
Tác động thủy động lực của dòng dầu từ vòi phun
lên hệ tấm chắn-con trượt [3]:
1 2hd s d s
F K A P K A h
     

(9)
Trong đó:
1 2
,
K K
là những hệ số được xác định
theo kinh nghiệm tính toán phản lực thủy động lực
của dòng dầu tác động lên tấm
chắn:
2 2
( )
K inp t
K K P P
  
, ở đây
2
K
K
là hệ số thực
nghiệm của
2
K
.
154 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh


VCM2012
Phương trình lực tác động lên con
trượt:
2

2
d zol fb gdz vf df zol
dx d x
P A F C x B F m
dt
dt
        
(10)
Trong đó:

( )
fb fb
F C x h
  
- lực đàn hồi của cơ cấu phản
hồi cơ,

gdz
C
- độ cứng thủy động lực của con trượt, bao
gồm độ cứng đặc trưng cho biến dạng đàn hồi của
con trượt và độ cứng đặc trưng cho tác dụng làm
con trượt dịch chuyển về vị trí trung gian của các
dòng dầu chảy qua các cửa van servo,

vf
B
- hệ số ma sát nhớt,

df

F
- lực ma sát khô,
m
zol
– khối lượng con trượt.
Lực ma sát khô được xác định như sau:
0
( ) 0
( ) 0
zol zol fs
df fs zol zol fs
fk
F khi x and F F
F F sign F khi x and F F
F sign x khi x

 



   



 




 

(11)
trong đó:
zol d zol fb gdz vf
dx
F P A F C x B
dt
      

3.3 Mô hình hóa xilanh thủy lực
Sơ đồ HTTĐ bám điện-thủy lực dùng để mô
phỏng được trình bày trên hình (4).
Lưu lượng dầu vào khoang 1 của xilanh thủy lực:
1 1 1
H C
Q Q Q
 
(12)
trong đó:
1 1 1 1
( ) ( )
H H inp inp
Q G x P P sign P P
    

1 1 1 1
( ) ( )
C C t t
Q G x P P sign P P
    

1 1 1 1
2 2
( ) ( ) ; ( ) ( )
H H C C
G x A x G x A x
 
 
     

với G
H1
, G
C1
, A
H1
, A
C1
– tương ứng là hệ số dẫn
dầu và tiết diện khe hở dẫn dầu vào và ra từ van
séc-vô vào khoang 1;

– hệ số lưu lượng;

–
khối lượng riêng của dầu.
Phương trình cân bằng lưu lượng dầu đối với
khoang 1:
1
1 1 1 1 2
( ) ( )

p b ut
Q A y y V P k P P

        
  

(13)
trong đó:

1
A
- tiết diện của pít-tông phía khoang 1,

- hệ số nén dầu,

ut
k
- hệ số rò dầu.
Tương tự với khoang 2:
2 2 2
C H
Q Q Q
 
(14)
trong đó:
2 2 2 2
( ) ( )
H H inp inp
Q G x P P sign P P
    

2 2 2 2
( ) ( )
C C t t
Q G x P P sign P P
    

2 2 2 2
2 2
( ) ( ) ; ( ) ( )
H H C C
G x A x G x A x
 
 
     

với G
H2
, G
C2
, A
H2
, A
C2
– tương ứng là hệ số dẫn
dầu và tiết diện khe hở dẫn dầu vào và ra từ van
séc-vô vào khoang 2.
Phương trình cân bằng lưu lượng dầu đối với
khoang 2:
2

2 2 2 1 2
( ) ( )
p b ut
Q A y y V P k P P

        
  

3.4 Mô hình hóa chuyển động của pít-tông, tải
trọng, thân xilanh
Phương trình chuyển động của pít-tông:
.
pt df p p p
F F m y
  

(15)

H. 4 Sơ đồ hệ thống truyền động bám điện-thủy lực dùng để mô phỏng
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 155


Mã bài: 36

H. 5 Sơ đồ phân phối dầu từ van séc-vô vào xilanh
trong đó: m
p
- khối lượng pít-tông và cần đẩy pít-
tông;

1 1 2 2
( ) ( )
pt p p k p L
F P A P A h y C y y
        

,
.
df p
F
- lực ma sát khô và được xác định như sau:
.
. . .
.
0
( ) 0
( ) 0
pt p pt fs p
df p fs p pt p pt fs p
fk p p p
F khi y and F F
F F sign F khi y and F F
F sign y khi y

 



   




 




 

p
h
- hệ số ma sát nhớt giữa pít-tông và xilanh,
k
C
- độ cứng của khớp nối cần đẩy với tải trọng.
Phương trình chuyển động của tải trọng:
.
L df L L L
F F m y
  

(16)
trong đó:
0
( )
L k p L L L
F C y y h y F
     


L
h
- hệ số ma sát nhớt của tải trọng.

.
df L
F
- lực ma sát khô và được xác định như sau:
.
. . .
.
0
( ) 0
( ) 0
L L L fs L
df L fs L L L L fs L
fk L L L
F khi y and F F
F F sign F khi y and F F
F sign y khi y

 



   



 





 

Phương trình chuyển động của thân xilanh:
.
b df b b b
F F m y
  

(17)
trong đó:
1 1 2 2
( )
b b b b
b
F P A P A h y C y
       


.
df b
F
- lực ma sát khô và được xác định như sau:
.
. . .
.
0

( ) 0
( ) 0
b b b fs b
df b fs b b b b fs b
fk b b b
F khi y and F F
F F sign F khi y and F F
F sign y khi y

 



   



 




 

b
h
- hệ số ma sát nhớt của thân xilanh,
b
C
- độ cứng của khớp nối cần đẩy với tải trọng.

Mô hình mô phỏng lực ma sát khô tác dụng lên
pít-tông, tải trọng, thân xilanh tương tự như mô
hình mô phỏng ma sát khô tác dụng lên con trượt
của van séc-vô.
Mô hình mô phỏng CCCH điện thủy-lực được
trình bày dưới đây:

H. 6 Mô hình mô phỏng cơ cấu chấp hành điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn

156 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh


VCM2012


H. 7 Mô hình bộ khuếch đại điện

H. 8 Sơ đồ nguyên lý và mô hình van séc-vô kiểu vòi phun-tấm chắn với phản hồi cơ

H. 9 Tham số mô hình van séc-vô
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 157


Mã bài: 36


H. 10 Mô hình bộ biến đổi điện cơ

H. 11 Mô hình bộ khuếch đại thủy lực

H. 12 Mô hình con trượt của van séc-vô

158 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh


VCM2012

H. 13 Mô hình ma sát khô con trượt van séc-vô





H. 14 Mô hình xilanh thủy lực
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 159


Mã bài: 36


H. 15 Mô hình mô phỏng chuyển động của pít-tông


H. 16 Mô hình mô phỏng chuyển động của tải trọng

160 Hoàng Văn Tiến, Nguyễn Đức Anh


VCM2012

H. 17 Mô hình mô phỏng chuyển động thân xilanh

4. Kết quả khảo sát các đặc tính của HTTĐ
điện-thủy lực dựa trên mô hình mô phỏng
Thực hiện mô phỏng và khảo sát các đặc tính
của HTTĐ điện-thủy lực dựa trên mô hình xây
dựng được thu được kết quả như sau:

H. 18 Quá trình quá độ của HTTĐ điện-thủy lực với
tín hiệu đầu vào step

H. 19 Quá trình quá độ của HTTĐ điện-thủy lực với
tín hiệu đầu vào hình sin


H. 20 Đặc tính cơ của HTTĐ điện-thủy lực

H. 21 Đặc tính điều chỉnh của HTTĐ điện-thủy lực

5. Kết luận
Bài báo xây dựng được các phương trình và mô
hình toán mô tả hoạt động của các phần tử và cả
HTTĐ điện-thủy lực sử dụng van séc-vô kiểu vòi
phun-tấm chắn, từ đó mô phỏng và khảo sát được
các đặc tính của hệ thống.
Các kết quả đạt được của bài báo góp phần làm
phong phú và sâu sắc thêm lý thuyết về HTTĐ
điện-thủy lực, cung cấp công cụ mô phỏng chính

xác hơn, sát thực tế hơn phục vụ cho các hoạt động
nghiên cứu khác về HTTĐ điện-thủy lực nói
chung và HTTĐ điện-thủy lực cánh lái máy bay và
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 161


Mã bài: 36
CCCH của nó nói riêng (ví dụ như khảo sát hoạt
động, các đặc tính, các yếu tố ảnh hưởng tới các
đặc tính làm việc của các phẩn tử của hệ thống và
cả hệ thống, mô phỏng kiểm tra và đánh giá kết
quả thiết kế hệ thống ).

Tài liệu tham khảo
[1] Оболенский Ю. Г., Ермаков С. А.,
Сухоруков Р. В.: Введение в проектирование
систем авиационных рулевых приводов, ГУП
г. Москвы “Окружная газета ЮЗАО ”,
Москва, 2011
[2] Баженов А. И., Гамынин Н. С., Карев В. И. и
др.: Проектирование следящих
гидравлических проводов, Машиностроение,
Москва, 1981
[3] Под общ. ред. П.Г. Редько: Гидравлические
агрегаты и приводы систем управления
полетом летательных аппаратов.
Информационно-справочное пособие ,
Оолита, Москва, 2004.

Hoàng Văn Tiến sinh năm 1986, nhận bằng kỹ sư

về Các hệ thống truyền động trong các thiết bị bay
của trường Đại học Hàng không Mátcơva(MAI)
năm 2011;từ năm 2011 đến nay là giáo viên thuộc
Bộ môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, Khoa Hàng
không vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Nguyễn Đức Anh sinh năm 1981 nhận bằng Kỹ
sư Kỹ Thuật Hàng không tại trường Học viện
Phòng không không quân năm 2005. Bằng thạc sỹ
Tự động hóa tại trường Học viện Kỹ thuật Quân
Sự năm 2011. Hiện đang là giảng viên thuộc Bộ
môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, khoa Hàng
không vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự.