Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực tt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN NGỌC HẢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA
TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ
THỦY LỰC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã số ngành: 9520103
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2020


Công trình này được hoàn thành tại:
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Lê Cung
2. GS. TS. Ngô Văn Dũng

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Huy Ninh
Phản biện 2: TS. Nguyễn Thanh Hải
Phản biện 2: PGS.TS. Đinh Minh Diệm

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

vào hồi ……giờ, ngày ……. tháng …… năm 2020
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thƣ viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin Học liệu và thƣ viện Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng.


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, nhờ sự phát triển mạnh mẽ
của kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin, công nghệ điện tử và cơ
khí chính xác mà kỹ thuật điều khiển tự động quá trình công nghệ
trong lĩnh vực công nghiệp thế giới đã có những phát triển vượt bậc.
Trong đó, lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ngày càng được nghiên
cứu phát triển và được ứng dụng với chất lượng điều khiển ngày càng
cao. Hiện nay, các thiết bị thủy lực công suất lớn như: hệ thống điều
khiển cánh hướng ở các nhà máy thủy điện; máy ép điều khiển
chương trình số; robot công nghiệp hàn hay gắp các vật nặng trong
môi trường khắc nghiệt; các máy cắt gọt chuyên dùng hoặc máy CNC
(máy mài, máy bào, máy phay, máy tiện,..); các thiết bị quân sự ..v.v
đã được ứng dụng tại Việt Nam.
Các đề tài nghiên cứu về truyền động và điều khiển hệ thủy lực
đang được các nhà khoa học quan tâm và thường xuyên có các bài
báo công bố trên các tạp chí chuyên ngành của thế giới. Trong đó, tập
trung nghiên cứu về chất lượng của các phần tử thủy lực và chất
lượng của một hệ điều khiển thủy lực. Để có một thiết bị chất lượng
cao thì động lực học là một trong những vấn đề quan trọng, nhưng
nghiên cứu vấn đề này là rất phức tạp. Nghiên cứu động lực học của
một hệ điều khiển thủy lực chuyển động quay cho một trục công tác
(như trục quay của Rada, trục quay của Robot, trục quay bàn dao của

một máy CNC..v.v.) với những giả thiết để có kết quả sát với thực tế
cũng là vấn đề hết sức phức tạp. Nên việc nghiên cứu đáp ứng quá độ
về điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng thủy lực là hết
sức cần thiết. Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển thủy lực với sự kết
1


hợp giữa thủy lực - điện tử - tin học - thuật toán điều khiển thông
minh là đề tài mới và còn ít các công trình nghiên cứu được công bố.
Từ cơ sở phân tích trên, đề tài luận án “Nghiên cứu điều khiển tốc
độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” có tính khoa
học về mặt lý thuyết và thực nghiệm, góp phần phát triển và làm chủ
công nghệ về lĩnh vực kỹ thuật điều khiển thủy lực ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Về mặt lý thuyết: Xây dựng mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc
độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực, lập mô hình vật
lý, mô hình toán và sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu
vào/ra trong hệ thống. Nghiên cứu mô phỏng đáp ứng quá độ về điều
khiển tốc độ của trục quay trên máy vi tính.
Về mặt thực nghiệm: Thiết kế và lắp ráp mô hình nghiên cứu thực
nghiệm, tìm bộ tham số điều khiển PID tự điều chỉnh mờ, viết
chương trình điều khiển tốc độ của cụm trục quay. Khảo sát đáp ứng
quá độ thực nghiệm và so sánh với đáp ứng quá độ lý thuyết.
Mục đích của đề tài nhằm góp phần phát triển và làm phong phú
thêm các nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ở Việt Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của
một trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu mô phỏng về lý thuyết trên máy vi tính và nghiên cứu

thực nghiệm trên thiết bị được thiết kế, lắp đặt về điều khiển hệ thủy
lực chuyển động quay, tải trọng tác động lên trục quay là không đổi
trong quá trình vận hành thực nghiệm. Xác định bộ thông số điều
khiển nhằm đạt được các chỉ tiêu về đáp ứng quá độ (độ vọt lố, thời
2


gian đáp ứng, sai số xác lập).
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu như trình bày ở trên thì đề tài
thực hiện các nội dung sau:
Nghiên cứu lý thuyết về truyền động và điều khiển thủy lực. Phân
tích và xây dựng mô hình vật lý về điều khiển tốc độ của trục quay,
thiết lập các phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống, thiết
lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Phân tích và chọn
thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ thống.
Thiết kế và lắp đặt thiết bị thí nghiệm điều khiển tốc độ của một
trục quay. Trên đó, truyền động từ động cơ thủy lực đến trục quay
thông qua bộ truyền đai và tải trọng tác động lên trục quay là không
đổi. Chương trình điều khiển hệ thống có các kết quả về đáp ứng của
hệ được vẽ và lưu trữ theo thời gian thực trên máy vi tính.
Nghiên cứu thực nghiệm về đáp ứng quá độ của hệ thống, trong đó
quan tâm đến ảnh hưởng của tham số điều khiển cũng như ảnh hưởng
của nhiệt độ của dầu đến đặc tính của quá trình quá độ (độ vọt lố,
thời gian đáp ứng và sai số xác lập). Trên cơ sở đó, xác định bộ tham
số thực nghiệm phù hợp, đạt kết quả tốt như tiêu chuẩn ITAE.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Với mục tiêu và nội dung nghiên cứu như đã được trình bày ở trên,
đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:
Trong thực tế, cơ cấu chấp hành có thể có nhiều khâu đàn hồi và

nhiều khối lượng chuyển động nên mô hình nghiên cứu động lực học
về điều khiển tốc độ động cơ thủy lực qua khâu mềm (bộ truyền đai
thang) với hai giá trị mô men quán tính khối lượng và hai khâu đàn
hồi là có ý nghĩa thực tiễn.
3


Góp phần mở rộng phạm vi điều khiển với bộ tham số điều khiển
PID tự điều chỉnh mờ ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau.
Nghiên cứu này có thể phát triển để ứng dụng cho các thiết bị mà
không thể truyền động trực tiếp từ động cơ thủy lực đến cơ cấu chấp
hành hoặc qua truyền động bằng các bộ truyền ăn khớp.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Qua khảo sát các công trình đã công bố trên các tạp chí và sách
chuyên khảo, từ lý thuyết đến thực nghiệm, có thể rút ra một số công
trình đã thực hiện:
Hệ truyền động: Mô hình nghiên cứu được thiết lập từ động cơ
thủy lực đến trục quay thường truyền động trực tiếp hoặc qua bộ
truyền (bánh răng, bánh răng - thanh răng, vít me - đai ốc) với một
khâu đàn hồi.
Mô hình hóa mô tả hệ thống qua các phương trình vi phân, ứng
dụng lý thuyết điều khiển tự động để nghiên cứu động lực học hệ
thống.
Nghiên cứu về kết cấu, đặc tính động lực học và những vấn đề liên
quan khác đến việc điều khiển van tỷ lệ, van servo và ứng dụng của
chúng. Qua đó, có thể khẳng định kỹ thuật điều khiển vô cấp hệ thủy
lực bằng van tỷ lệ và van servo đã phát triển với công nghệ cao. Tuy
nhiên, với mỗi hãng sản xuất thiết bị khác nhau thì yêu cầu về độ chính
xác chế tạo cũng khác nhau, do đó đặc tính động lực học của hệ thống

phụ thuộc vào từng bài toán cụ thể cũng như yêu cầu về chỉ tiêu đáp
ứng của hệ thống đó.
Với bộ điều khiển: Bộ PID cổ điển trong nhiều công bố chỉ điều
khiển ở một tín hiệu ra cố định. Nhược điểm, mỗi bộ tham số (KP, KI,
4


KD) cố định chỉ sử dụng trong một dãi điều khiển hẹp. Nếu muốn
phạm vi điều chỉnh lớn sẽ có nhiều cặp tham số (KP, KI, KD); Với bộ
điều khiển PID mờ đã có một vài công trình nghiên cứu nhưng phạm
vi điều khiển bộ PID mờ này chỉ sử dụng trong một giới hạn điều
khiển nhất định.
Nhược điểm của hệ thủy lực thường là không tuyến tính. Các yếu
tố gây nên phi tuyến tính chính là khả năng nén của chất lỏng thủy
lực, tính chất dòng chảy phức tạp của van servo, van tỷ lệ và ma sát
trong phần tử thủy lực. Các công bố trước năm 2000 cho thấy, do
tính chất phức tạp của hệ thủy và hạn chế về kỹ thuật điều khiển nên
chỉ điều khiển vận tốc của cơ cấu chấp hành thủy lực thường ở vận
tốc thấp. Tuy nhiên, từ năm 2000 đến hiện nay sự phát triển mạnh
của kỹ thuật tin học (phần mềm điều khiển), điện, điện tử và các phần
tử thủy lực nên việc điều khiển trở nên dễ dàng và thuận lợi hơn khi
điều khiển ở vận tốc cao. Trên thế giới lĩnh vực này đang phát triển
mạnh và được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học cũng như nhà
sản xuất thiết bị, ngay cả các nhà xuất bản cũng đã biên tập tổng hợp
các công trình và xuất bản thành sách.
Trên cơ sở phân tích tổng quan các công trình đã công bố, hướng
nghiên cứu của đề tài được đề xuất là: Mô hình nghiên cứu sẽ xây
dựng truyền động từ động cơ thủy lực qua khâu mềm đến trục quay;
Điều khiển tốc độ động cơ thủy lực bằng van tỷ lệ; Bộ điều khiển
được chọn là bộ PID tự điều chỉnh mờ; Tốc độ điều khiển vô cấp ở

nhiều giá trị cài đặt khác nhau.

5


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC
Cơ sở lý thuyết về hệ thống truyền động bằng thủy lực là: Đã phân
tích cấu trúc cơ bản về hệ thống thủy lực; Các tính chất vật lý của lưu
chất truyền năng lượng; Phân tích đặc điểm và phương pháp xác định
lưu lượng dòng chảy qua van tỷ lệ hoặc van servo; Phân tích về động
cơ thủy lực truyền chuyển động quay. Lý thuyết trên là cơ sở để xây
dựng mô hình động lực học, phương pháp thiết lập các phương trình
toán học mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra trong hệ thống.
Cơ sở lý thuyết về điều khiển hệ thủy lực là: Đã đề cập một cách
tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ thủy lực thường được sự
dụng hiện nay; Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng động
lực học hệ; Ứng dụng lý thuyết này để xây dựng mối quan hệ của các
tín hiệu vào/ra qua các phương trình vi phân; Sơ đồ khối mô tả hệ
thống và ứng dụng bộ điều khiển hệ thống; Ngoài ra, nội dung còn đề
cập đến phương pháp đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển.
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG
ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
Hình 3.1 là ví dụ về một sơ đồ khối thể hiện đặc tính của các bộ
phận trong hệ điều khiển và được phân loại theo dạng đặc tính. Qua
sơ đồ này chúng ta thấy trong một hệ điều khiển, mỗi bộ phận sẽ có
một đặc tính riêng nhưng khi có sự tác động qua lại của các bộ phận
đó sẽ cho ta một đặc tính chung cho cả hệ. Có thể hình dung được
mục tiêu của bài toán lý thuyết là chọn được bộ điều khiển và bộ

thông số điều khiển phù hợp để đặc tính tín hiệu ra đạt yêu cầu (theo
tiêu chuẩn ITAE).
6


Trong các thiết bị cơ khí chủ yếu có 3 dạng tín hiệu ra, tức là có 3
tín hiệu cần điều khiển, đó là điều khiển theo vị trí, theo tải trọng và
theo tốc độ cho hệ chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay.
Cụm động cơ thủy lực và cơ
cấu chấp hành

Van tỷ lệ
Bộ điều khiển

E

u0

p
I

Ω

Q

+

n1
0

t

Tín hiệu ra

F

Cảm biến

Hình 3.1. Sơ đồ khối thể hiện đặc tính của hệ điều khiển

Nội dung của chương 3 là trình bày nghiên cứu mô phỏng về điều
khiển tốc độ của một trục chuyển động quay. Từ sơ đồ của mô hình
nghiên cứu, xây dựng mô hình tính toán và lập các phương trình mô
tả hệ, sử dụng lý thuyết điều khiển tự động để xây dựng sơ đồ khối về
mối quan hệ giữa tính hiệu vào (điện áp u0) và tín hiệu ra là tốc độ
của trục quay (n1). Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính bằng phần
mềm Matlab/Simulink để thể hiện quá trình điều khiển và vẽ đồ thị
đáp ứng quá trình quá độ của hệ thống. Xác định các chỉ tiêu của đáp
ứng quá độ tốc độ, đó là: Thời gian tăng tr; Thời gian xác lập tqđ; Độ
vọt lố cmax-cxl và sai số vòng quay ở chế độ xác lập exl.
3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu đáp ứng quá độ của cụm trục
quay truyền động bằng thủy lực
3.1.1. Phân tích tổng quan
Hình 3.2 là một số mô hình ứng dụng điển hình, trong đó: a) Ứng
dụng truyền động bằng động cơ thủy lực trong rada; b) Ứng dụng
truyền động bằng động cơ thủy lực trong robot; c) Ứng dụng truyền
động bằng động cơ thủy lực trong điều khiển vị trí bàn máy qua bộ
7

truyền bánh răng - thanh răng; d) Ứng dụng truyền động bằng động
cơ thủy lực trong điều khiển vị trí bàn máy qua bộ truyền vít me - đai
ốc [3]; e, g) Ứng dụng truyền động bằng xilanh thủy lực trong điều
khiển vị trí bàn máy [2].
Jt

Rada
Robot
Bộ truyền
bánh răng
Động cơ
thủy lực

Bộ truyền
bánh răng
Động cơ
thủy lực
Van servo

Van servo

a)

b)

Bàn máy
Bộ truyền
bánh răng

Bánh răng

thanh răng

Động cơ
thủy lực

Bàn máy
m

Động cơ
thủy lực
Van servo

Van servo

c)

d)

Hành trình dịch chuyển
Xilanh thủy lực
Bàn máy

e)
g)

Hình 3.2. Ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực

Các công trình nghiên cứu được công bố hầu hết mô hình nghiên
cứu chỉ tính toán và giả thiết là một khối lượng chuyển động và cơ
8

cấu chấp hành là một khâu đàn hồi. Trong thực tế, cơ cấu chấp hành
có thể nhiều khâu đàn hồi và nhiều khối lượng chuyển động. Nghiên
cứu mô hình của hai khối lượng quay và hai khâu đàn hồi chống xoắn
cũng rất có ý nghĩa.
3.1.2. Mô hình nghiên cứu
Mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc độ trục quay có hai khâu
đàn hồi (một khâu đàn hồi là cụm động cơ thủy lực và một khâu đàn
hồi là bộ truyền đai thang truyền động từ trục trung gian của động cơ
thủy lực đến trục quay) và hai giá trị mô men quán tính khối lượng
(một là trên trục quay và một là trên trục của động cơ thủy lực) được
thể hiện trên hình 3.3 và hình 4.1.
Bộ truyền n (Ω ,  )
1
1
1
đai thang

Van tràn và
van an toàn

Van tiết lưu
Đồng hồ đo áp suất
Valve
Bơm
dầu pt

Lọc

Bộ truyền
đai răng

J1

nt

Tốc kế

Bộ truyền
đai thang

Bộ truyền
đai thang

Bộ truyền
đai răng

Trục quay

Cụm tạo tải

Bộ truyền
đai thang

p, Q
J0

Ắc quy thủy lực

Bộ điều khiển

n0(Ω0, 0)
Đồng hồ đo áp suất

Lọc cao áp

Động cơ thủy lực

Bơm dầu
Bộ truyền
đai thang

M

Lọc

Van tràn và
van an toàn

p0

Bộ khuếch đại

Động cơ điện

Bộ nguồn thủy lực

Van tỷ lệ

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thủy lực của từng cụm truyền động cho
trục quay

9


Sơ đồ khối của hệ điều khiển thể hiện trên hình 3.4.
Cụm tạo tải
E

u0

Bộ điều khiển

I

Q
Van tỷ lệ

F
Tốc kế

Động cơ Ω0 Bộ truyền Ω1 Trục quay
thủy lực
đai thang
nt

n1

Bộ truyền đai răng

Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Động cơ điện ba pha truyền chuyển động cho bơm dầu thông qua
bộ truyền đai thang và trục trung gian. Điều khiển tốc độ của động
thủy lực bằng cách điều khiển lưu lượng dầu qua van tỷ lệ. Động cơ
thủy lực truyền động cho trục quay qua bộ truyền đai thang. Thiết bị
đo tốc độ của trục quay được sử dụng là tốc kế. Tốc kế sẽ nhận tín
hiệu tốc độ của trục quay qua bộ truyền đai răng. Để tạo tải trọng (mô
men) cho trục quay trong quá trình nghiên cứu, ta sử dụng bơm dầu.
Khi thay đổi áp suất pt của bơm này (bằng van tràn) thì mô men trên
trục quay sẽ thay đổi [1, 4].
Qua phân tích các khâu động lực học của mô hình nghiên cứu ta
thấy truyền động của động cơ thủy lực là một khâu đàn hồi và bộ
truyền đai được coi là 1 khâu đàn hồi chống xoắn nên mô hình
nghiên cứu sẽ là hai khâu đàn hồi. Mô hình động lực học của hệ
truyền động thể hiện ở hình 3.5.
p

đ=0-1.i1


ML

M0

J1
n1
(Ω1, 1)

J0

D

n0
(Ω0, 0)
b)

C1

a)

c

Q

0
m

Q

Hình 3.5. Mô hình động lực học của hệ truyền động
a) Mô hình dao động của trục quay; b) Mô hình động lực học của động cơ
thủy lực.

10


Trên mô hình động lực học hình 3.5b, ta có:
- Phương trình mô tả động cơ thủy lực:

D0m p

Q

d 0
dt

J0

Dm 0

f0 0

c

dp
dt

(3.1)

M0

(3.2)

p

- Phương trình Laplace (3.1, 3.2):
D0m p(s)
Q(s)

J 0s

Dm

f0

0 (s)

0 (s)

M 0 (s)

cs

(3.3)

p(s)

- Sơ đồ khối thể hiện ở hình 3.6.
1

Q(s)

M0(s)

p(s)

1
Ω0(s) Q(s)


J1.s f1

Dm0

c.s

cs

D0m
J1.s

Ω0(s)
f1

Dm

Dm

a)

D0m
J1.s f1

Q(s)
cs

Ω0(s)

0
m

b)

D Dm

c)

Hình 3.6. Sơ đồ khối

Theo nguyên lý chồng chất (đối với hệ tuyến tính), cho M0(s) = 0
để tìm mối quan hệ giữa Ω0(s) và Q(s), được thể hiện trên hình 3.6b.
- Hàm truyền trên sơ đồ khối rút gọn hình 3.6c là:
D0m /

0 (s)

Q(s)

[cJ 0 /

f0

0 (s)

Q(s)

Trong đó:

D0m Dm

f0

D0m Dm ]s 2

J0

cf 0 /

(3.4)
f0

D0m Dm s 1

KW
2

s /

2
H

2

H

(3.5)
/

H

s 1

KW- hệ số khuếch đại

H- là tần số dao động riêng
11

KW

H

D0m
f0

f0

D0m Dm

D0m Dm
J0

CH
J0


CH- là độ cứng thủy lực CH

f0

D0m Dm

; H- là hệ số tắt dần.

Phương trình (3.5) là một khâu dao động nên mô hình động lực học
của động cơ thủy lực là một khâu dao động và có thể vẽ tương đương
như hình 3.7.
0
M0

J0
n0
(Ω0, 0)

CH

Hình 3.7. Mô hình động lực học của động cơ thủy lực

Qua phân tích trên, ta thấy rằng mô hình nghiên cứu sẽ có hai khâu
đàn hồi với độ cứng chống xoắn là C1, CH và có 2 khối lượng quay là
giá trị mô men quán tính khối lượng J1 và J0.
3.2. Thiết lập mô hình tính toán và mô tả toán học của hệ thống
Mô hình tính toán với các giả thiết chính như sau: ma sát trên trục
quay và trên trục rô to động cơ thủy lực là ma sát nhớt; Có hai giá trị
mômen quán tính khối lượng là một giá trị trên trục quay và giá trị
trên trục rôto của động cơ thủy lực; Bộ truyền đai răng truyền động
từ trục quay đến cảm biến vận tốc coi như một khâu khuếch đại (do
tải rất nhỏ nên gần như không có đàn hồi); Mô hình này còn tính đến
biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang truyền động từ trục rô to
động cơ thủy lực đến trục quay.
Từ đó, mô hình tính toán của hệ truyền động thủy lực cho trục

quay được thể hiện trên hình 3.8.
Các phương trình mô tả toán học của hệ thống:
Trên trục quay:
- Phương trình cân bằng mô men trên trục quay:
12


F1

F2 .r1

J1.

d2 1
dt 2

f1.

- Lực kéo dây đai: F1

d1
dt

k.(r0 .

- Tín hiệu phản hồi: F

M0 ; (M0=i.ML, ML
0

K n .n t

r1. 1 ); F2

pt Dbt ) (3.6)

k.( r1. 1 r0 . 0 )
n
n1;( t 1)
n1

K n .n1; n t

(3.7)
(3.8)

Trong đó: 0- Góc quay của trục quay; 1- Góc quay của trục rô to; r0, r1Bán kính của bánh đai chủ động và bị động; M 0- Mô men tạo tải trên trục
quay; D0m - Thể tích riêng của động cơ thủy lực; B- Mô đun đàn hồi của dầu;
V1+V2- Thể tích dầu trong buồng làm việc; KV- Hệ số khuếch đại của van.
nt

n1(Ω1, 1)

1

n
i  t 1
n1

r1

J1

M0
F2
F2

k

k
r0

Bộ truyền đai
răng

f1
Bộ truyền đai
thang

F1
F1


D0m

J0
f0

0

p

n0(Ω0, 0)

Q, V2

C

Q, V1

I
Van tỷ lệ
Bộ khuếch đại

Bộ điều khiển

KV

I

Kn
-F
E + u0

Hình 3.8. Mô hình toán khi tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền
đai thang

Trên động cơ thủy lực:
- Phương trình cân bằng mô men trên trục rô to của động cơ thủy lực:
D0m .p

J0 .

d2 0
dt 2

f0 .

d 0
dt

F1

(3.9)

F2 .r0

- Phương trình cân bằng lưu lượng trên động cơ thủy lực:
Q

Dm .

d 0
dt

c.

dp
dt

.p (c

V1

V2
, Dm
2B

D0m
)
2

(3.10)

- Lưu lượng qua van tỷ lệ (tổn thất lưu lượng trong van là rất nhỏ nên
13


có thể bỏ qua): Q = KV.I
Biến đổi Laplace từ (3.6) đến (3.11), ta viết lại (3.12).

(3.11)

Từ phương trình (3.12), ta thiết lập sơ đồ khối mô tả mối quan hệ
giữa các tín hiệu trong hệ thống, thể hiện trên hình 3.9 và mô phỏng
bằng phần mềm Matlab/Simulink R2015a trên hình 3.10.
2k.r1. r0 . 0 (s)

J1.s 2

2k.r1.r0 . 0 (s)

0
m

D .p(s)

J 0 .s

D0m .p(s)

J1.s 2

r1. 1 (s)

2

f1.s

f 0 .s . 0 (s)

J 0 .s 2

f 0 .s

f1.s . 1 (s)

M 0 (s)

2k.r12 . 1 (s)

M 0 (s)

2k.r0 . r0 . 0 (s)

2k.r02 . 0 (s)

Q(s)

D m .s. 0 (s)

c.s

Q(s)

K V .I(s); F

K n .n1 (s); n1 (s)

M 0 (s)

i1.M L (s); M L

r1. 1 (s)

(3.12)

2k.r0 .r1. 1 (s)

.p (s)
30

. 1 (s);

1

(s)

s. 1 (s)

p t (s)D bt
Dm.s

u0(s) E(s)

I(s)

Bộ điều khiển

Q(s)

1(s)

0(s)

D0m
c.s  

KV

1
J 0 .s

2

 f 0 .s  2k.r02

F(s)

2k.r0.r1

1
J1.s

2

 f1.s  2k.r12

n1(s)

30s


ML(s)
M0(s)
i1
D bt

pt(s)

2k.r0.r1
Kn

Hình 3.9. Sơ đồ khối mô tả hệ thống
U_out

Dm
Gain4
p(s)

To Workspace2
U(s)

I(s)

E(s)
In1 Out1

Step

F(s)

FUZZY PID

1
Kv
Q(s) c.s+lambda
Gain
Transfer Fcn

Dm0
Gain1

Theta0/dt
Derivative1
1
2
J0.s +f0.s+2*k*r0^2

2*k*r0*r1

Theta0(s)

Transfer Fcn1
Dbt

Tai dot ngot

i1

Gain9

1.65

Gain2

n1
Theta1(s)
Vg/ph To Workspace
Omega
1
Theta1/dt (s)

30/pi
J1.s2+f1.s+2*k*r1^2
Derivative
Gain3
Transfer Fcn2

Gain8
Scope

Tai ban dau
2*k*r0*r1
Gain7

Kn/1.2
Gain5
1/Kn

n1_sp
t_out

Gain6
Clock

To Workspace3

To Workspace1

Hình 3.10. Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab/Simulink

3.3. Mô phỏng đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay

Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ được thể hiện trên hình 3.11.
14


e

Bộ điều chỉnh mờ

e
KP

Giá trị
cài đặt
+

-

KI

Bộ điều
khiển PID

KD
Bộ khuếch đại

Động cơ thủy lực + Tín hiệu ra
Trục quay

Cảm biến

Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ

Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ được mô phỏng bằng
Matlab/Simulink thể hiện trên hình 3.12.
0.12
Gain

Product

0.033
1
In1

0.0001

Constant
du/dt
Derivative

1
s
Integrator

1
Out1

Product1

Gain1

Fuzzy self-tuning
PID controller

du/dt
0.04
Gain2

Derivative1

Add
Product2

Hình 3.12. Mô phỏng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ

Hình 3.13. Đồ thị đáp ứng quá độ của trục quay với 5 tốc độ cài đặt

15


Đồ thị nghiên cứu mô phỏng khi điều khiển tốc độ trục quay bằng
bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ được nghiên cứu với tải bằng 0,
tải thay đổi ban đầu và tải thay đổi đột ngột. Tuy nhiên, giới hạn của
tóm tắt chúng tôi chỉ thể hiện một trường hợp là cài đặt tải ban đầu ở
hình 3.13. Bảng tổng hợp các giá trị khảo sát đáp ứng quá độ của hệ
thống được thể hiện trên bảng 3.1.
Qua bảng tổng hợp 3.1, chúng tôi thấy rằng ở năm tốc độ cài đặt của
hệ thống không có độ vọt lố, thời gian tăng nhỏ, nghĩa là thời gian đáp
ứng nhanh phù hợp với cơ sở lý thuyết.
Bảng 3.1. Tổng hợp các giá trị khảo sát
Tốc độ

của
trục
quay ở
giá trị
cài đặt
(vg/ph)

Giá trị
Đáp
ứng
khảo sát
(vg/ph)

Độ
vọt
lố
(%)

Thời
gian
trễ
(s)

Thời gian
tăng (s)

Thời gian
xác lập
(s)

Sai số
cận trên
(%)

Sai số
cận
dưới
(%)

300

300

0

0

1,189

2,318

0,43

0

500

500

0

0

1,189

2,316

0,46

0

700

700

0

0

1,189

2,317

0,46

0

900

900

0

0

1,189

2,317

0,47

0

1100

1100

0

0

1,189

2,316

0,55

0

3.4. Kết luận chƣơng

Kết quả nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tốc độ của trục quay
truyền động bằng động cơ thủy lực:
1) Phân tích tổng quan về các phương án truyền động để xây dựng
mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc độ của trục quay [1, 4].
2) Mô hình nghiên cứu được thiết lập với các giả thiết đặt ra không
trùng lặp với các công trình đã công bố. Đó là mô hình hai khối
lượng quay và hai khâu đàn hồi [1].
3) Thiết lập được mô tả toán học về mối quan hệ của các tín hiệu
16


vào/ra trong hệ thống. Từ đó biến đổi Laplace và mô tả hệ thống
bằng sơ đồ khối để phục vụ cho việc mô phỏng trên máy tính.
4) Chọn bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ
thống ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau.
5) Mô phỏng đáp ứng quá độ tốc độ của trục quay (hình 3.13) và bảng
tổng hợp số liệu (bảng 3.1) cho ta thấy rằng hệ thống có thời gian xác lập
nhanh, không có độ vọt lố và sai số xác lập nhỏ (sai số cho phép ≤ [5%]
theo chỉ tiêu đánh giá chất lượng động lực học hệ thống). Kết quả này
chứng tỏ rằng mô hình đề xuất là hoàn toàn phù hợp.
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG
ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết trong chương 3. Nội dung
chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về độ ổn định tốc độ
của trục quay. Kết quả nghiên cứu bao gồm, chọn các thiết bị thực
nghiệm (nguồn thủy lực, các van điều chỉnh và điều khiển), chế tạo trục
quay, chọn thiết bị điều khiển, lắp ráp mô hình thực nghiệm và viết
chương trình điều khiển hệ thống. Kết quả là vẽ đồ thị đáp ứng quá độ
về tốc độ của trục quay trên máy tính theo thời gian thực và so sánh với

các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Ngoài ra, để khẳng định với bộ thông
số PID tự điều chỉnh mờ ứng dụng trên hệ thống này vẫn hoạt động tốt
chúng tôi còn khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dầu đến đáp ứng của hệ.
4.1. Mô hình thực nghiệm của trục quay truyền động bằng động
cơ thủy lực
Sơ đồ nguyên lý thủy lực được thể hiện trên hình 4.1, sơ đồ khối
hệ thống điều khiển trên hình 4.2 và ảnh chụp mô hình thực nghiệm
được thể hiện trên hình 4.3.
17


n1(Ω1, 1)
10

J1

11

pt i
2

Lọc

i1

n0(Ω0, 0)
J0

n2(Ω2, 2)

1- Động cơ điện;
2- Bộ truyền đai thang (i0);
3- Lọc dầu đường hút;
4- Bơm dầu;
5- Đồng hồ đo áp suất;
6- Lọc cao áp;
7- Ắc quy thủy lực;
8- Van tỷ lệ;
9- Cụm bơm tạo tải;
10- Trục quay;
11- Bộ truyền đai thang (i1);
12- Động cơ thủy lực;
13- Van tràn và van an toàn.

12

9

p, Q

8

pS

7
6

pT

5

4

QT

p0
3
2

QS

nb

1

M

13

i0
nđc

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý thủy lực
Tốc kế
Bo Arduino

Bộ DAC

(Mega 2560)

(4921)

USB

Động cơ
thủy lực

Bộ khuếch đại

Trục quay

Cụm tạo tải

Máy vi tính
Matlab, IDE
software

Bộ truyền
đai thang

(Bơm + van)

Van tỷ lệ
Ắc quy
thủy khí
Lọc cao áp

Nguồn thủy lực
(Động cơ điện, bơm dầu, lọc
dầu, van tràn và van an toàn,
đồng hồ đo áp suất)

Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

18

n1


Hình 4.3. Ảnh chụp mô hình thực nghiệm [1, 4]

4.2. Xác định thông số điều khiển và viết chƣơng trình điều khiển
hệ thống
Qua thực nghiệm thì phạm vi của mỗi tham số là: KP(0.033,
0.153), KI(0, 0.0001) và KD(0, 0.04). Do đó, chúng có thể được
hiệu chỉnh trong khoảng (0,1) như sau:
K 'P
K 'I
K 'D

KP

K P min
K P 0.033
, K P 0.12K 'P
K P max K P min
0.153 0.033
K I K Im in
KI 0
, K I 0.0001K 'I
K Im ax K Im in

0.0001 0
K D K D min
K D max K D min

KD 0
, KD
0.04 0

0.033

(4.1)

0.04K 'D

Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm IDE. Quá trình
điều khiển tốc độ của trục quay theo thời gian thực và vẽ đồ thì đáp
ứng quá độ của hệ thống [1].
4.3. Khảo sát thực nghiệm độ ổn định về điều khiển tốc tộ của
trục quay
Trên hình 4.4 là tổng hợp kết quả khảo sát thực nghiệm về điều
khiển tốc độ của trục quay.
19


Hình 4.4. Khảo sát thực nghiệm về điều khiển tốc độ của trục quay
Qua bảng các kết quả thực nghiệm được tổng hợp thì ta thấy: Thời
gian trễ là rất nhỏ, không có vọt lố, thời gian đáp ứng nhanh và sai số
xác lập ≤ 2%. Giá trị này là đảm bảo phạm vi sai số cho phép khi đánh
giá chất lượng động lực học của hệ thống (≤ [5%]).
Bảng 4.1. Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm

Tốc độ
của trục
quay cài
đặt
(vg/ph)

Đáp ứng
thực
nghiệm
(vg/ph)

Độ
vọt
lố
(%)

Thời
gian
trễ (s)

Thời
gian
tăng (s)

Thời
gian
xác lập
(s)

Sai số

cận
trên
(%)

Sai số
cận
dưới
(%)

300

300

0

0,285

1,335

2,71

1,66

1,66

500

500

0

0,16

1,16

2,46

0,8

1,00

700

700

0

0,16

1,035

2,71

1,57

0,85

900

900

0

0,135

1,21

2,87

1,00

1,11

1100

1100

0

0,16

1,42

2,535

0,64

1,27

Giá trị

4.4. So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm
Hình 4.5 là đồ thị đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ giữa lý
thuyết và thực nghiệm. Từ đó, chúng ta thấy được tính phù hợp của
20


kết quả nghiên cứu đã đề xuất.

Hình 4.5. So sánh đáp ứng quá độ giữa lý thuyết và thực nghiệm

So sánh kết quả (bảng 3.1 và 4.1) đáp ứng giữa lý thuyết và thực
nghiệm, ta có một số nhận xét như sau:
1) Đáp ứng quá độ về điều khiển tự động tốc độ của trục quay ở
các giá trị cài đặt giữa lý thuyết và thực nghiệm gần giống nhau. Điều
đó chứng tỏ rằng, kết quả nghiên cứu thực nghiệm là phù hợp với kết
quả nghiên cứu lý thuyết.
2) Thời gian trễ của đáp ứng thực nghiệm là rất nhỏ. Các cặp giá
trị thời gian tăng, thời gian đáp ứng và sai số xác lập cũng có sai lệch
không đáng kể.
3) Các đáp ứng quá độ về tốc độ là không có độ vọt lố và bám sát
giá trị cài đặt. Đặc tính này gần giống với đặc tính của khâu quán tính
(hệ bậc nhất). Điều này phù hợp với đáp ứng theo tiêu chuẩn ITAE.
Qua kết quả nghiên cứu ở trên, chúng tôi thấy bộ điều khiển PID
tự điều chỉnh mờ là phù hợp với mô hình điều khiển hệ thống thủy
lực như trình bày ở trên [1].
21


4.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ của dầu đến độ ổn định tốc

độ của trục quay
Trên các hình từ 4.6, thể hiện các đáp ứng quá độ của hệ ở nhiệt độ
thay đổi từ 450C đến 750C, khi điều khiển tốc độ trục quay 300 vg/ph,
700 vg/ph và 900 vg/ph.

Hình 4.6. Đáp ứng tốc độ của trục quay từ 450C đến 750C

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của trục quay, có thể
rút ra các nhận xét sau:
1) Ở phạm vi thay đổi nhiệt độ của dầu từ 450C đến 750C hệ thống
vẫn cho đáp ứng dạng khâu quán tính, sai số xác lập vẫn đảm bảo
trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng dần thì thời
gian tăng (tr) và thời gian xác lập (tqđ) cũng sẽ tăng. Điều này hoàn
toàn phù hợp về mặt lý thuyết, có thể giải thích hiện tượng này là vì ở
nhiệt độ cao thì độ nhớt của dầu giảm nên độ đàn hồi của dầu tăng,
ma sát giữa dầu và các bộ phận thủy lực giảm, tổn thất tăng .v.v. làm
22


cho thời gian đáp ứng lâu hơn.
2) Trên tất cả các đáp ứng thực nghiệm chúng ta thấy rằng tốc độ trục
quay có sự dao động ở chế độ xác lập. Tuy nhiên phạm vi dao động
không quá 5% theo chỉ tiêu đánh giá đáp ứng quá độ của hệ thống.
4.6. Kết luận chƣơng
Nghiên cứu thực nghiệm đã thực hiện với kết quả như sau:
1) Thiết kế hệ thống, chế tạo các bộ phận truyền động và lắp ráp
các phần tử điều khiển cũng như thực hiện sự ghép nối tương thích
giữa thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành.
2) Thiết lập được thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ và
xác định được bộ thông số điều khiển là K’P, K’I và K’D.

3) Qua kết quả khảo sát thực nghiệm chứng tỏ bộ tham số điều
khiển K’P, K’I và K’D tự động điều chỉnh mờ cho kết quả tốt.
4) So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả nghiên cứu
lý thuyết thì các các đồ thị đáp ứng quá độ của hệ là gần như giống
nhau, sai lệch về các chỉ tiêu đáp ứng quá độ là không đáng kể.
5) Kết quả trên vẫn đúng với nhiệt độ của dầu thủy lực trong phạm
vi thay đổi lớn là từ 450C đến 750C. Tuy nhiên, theo khuyến cáo các
nhà sản xuất, để tăng tuổi thọ làm việc của dầu thủy lực thì nhiệt độ
dầu làm việc tốt nhất là ≤ 700C.
KẾT LUẬN CHUNG
Các kết quả đạt được của luận án:
Về nghiên cứu lý thuyết:
1) Xây dựng một mô hình nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tốc
độ cho trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực. Thiết lập được
mô tả toán học và sơ đồ khối trên cơ sở biến đổi Laplace và đại số sơ
đồ khối của cả hệ thống (hình 3.10, mô hình hệ bậc cao).
2) Mô phỏng được đáp ứng quá độ ở nhiều tốc độ của trục quay.
Về nghiên cứu thực nghiệm:
23