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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------------------------

TRẦN NGỌC HẢI

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

Hướng dẫn 1: PGS.TS. Lê Cung
Hướng dẫn 2: GS. TS. Ngô Văn Dũng

Đà Nẵng - Năm 2020


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Cung
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận án được báo cáo tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
ngày tháng năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng Luận án Tiến Sĩ)

TT
1
2
3
4
5
6
7

Họ và tên
GS. TS. Trần Văn Nam
PGS. TS. Nguyễn Huy Ninh
TS. Nguyễn Thanh Hải

PGS. TS. Đinh Minh Diệm
PGS. TS. Nguyễn Hữu Lộc
TS. Nguyễn Quận
PGS. TS. Lưu Đức Bình

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch hội đồng
Phản biện 1
Phản biện 2
Phản biện 3
Ủy viên
Ủy viên
Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án sau khi Luận án đã được
báo cáo và sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong Luận án là trung thực, các thông số kết cấu
được tham khảo trên các tạp chí, sách chuyên khảo của trong và ngoài nước.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận án này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Nghiên cứu sinh thực hiện Luận án
(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN
Em xin bày tỏ tình cảm của mình đối với hướng dẫn chính PGS. TS Lê Cung đã
giúp đỡ về phương pháp, nội dung và các hướng nghiên cứu chính trong quá trình
thực hiện Luận án, hướng dẫn hai GS. TS Ngô Anh Dũng (Trường Đại học Công
nghệ ÉTS, Canada) đã cung cấp các tài liệu nước ngoài kịp thời. Đồng thời cám ơn
tập thể cán bộ khoa Cơ khí, hiện đang ở tại Khoa cũng như đang học tập ở nước
ngoài đã giúp đỡ trong việc dịch thuật, góp ý về phương pháp và tải tài liệu liên
quan cho quá trình thực hiện Luận án.
NCS. Trần Ngọc Hải


TÓM TẮT
Ngày nay, tự động hoá quá trình sản xuất và tự động hoá quá trình công nghệ là
yêu cầu bức thiết của quá trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa học - kỹ thuật sang
cách mạng khoa học - công nghệ, đặc biệt nước ta đang hội nhập cuộc “Cách mạng
Công nghiệp 4.0”. Mặt khác, Việt Nam hiện đang phấn đấu để trở thành một nước
công nghiệp thì trình độ công nghệ của sản xuất được đánh giá bằng chỉ tiêu công
nghệ tiên tiến. Mà công nghệ tiên tiến được thể hiện qua công nghệ, trang thiết bị và
chất lượng sản phẩm.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động trong máy móc thiết bị,
dây chuyền thiết bị hiện đại ở các nước công nghiệp thì kỹ thuật điều khiển hệ thủy
lực đang được các nhà khoa học và sản xuất trên thế giới quan tâm. Bởi vì, hệ truyền
động và điều khiển hệ thủy lực có nhiều ưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
loại thiết bị, đặc biệt các loại thiết bị có công suất lớn, ví dụ như: máy ép nhấn chuyên
dụng, ép điều khiển số; robot công nghiệp; máy công cụ truyền thống, máy tự động
chuyên dụng hoặc máy CNC; thiết bị quân sự, rađa; bộ điều khiển tự động cánh
hướng của nhà máy thủy điện..v.v. Để nâng cao chất lượng điều khiển của các thiết bị
nói chung thì nghiên cứu chất lượng động lực học của hệ là một trong những vấn đề
hết sức cần thiết. Động lực học của hệ điều khiển thủy lực là hết sức phức tạp vì nó
liên quan đến nhiều yếu tố thay đổi trong quá trình làm việc (như độ nhớt, độ đàn hồi

của dầu, nhiệt độ của dầu..v.v). Qua tham khảo nhiều bài báo và sách chuyên khảo
quốc tế cũng như trong nước được công bố trong các năm gần đây thì đề tài “Nghiên
cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” là hết sức
cần thiết đối với sự phát triển lĩnh vực này ở Việt Nam.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay cho
mô hình hai khối lượng quay và hai khâu đàn hồi, khi ứng dụng bộ điều khiển PID
tự điều chỉnh mờ để điều khiển ở các tốc độ khác nhau.
Về lý thuyết là nghiên cứu mô phỏng trên máy vi tính, trong đó thiết lập được
mô tả toán học, tìm mối quan hệ của các tín hiệu trong hệ thống bằng lý thuyết điều
khiển tự động. Ứng dụng bộ điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ để nghiên cứu
đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay ở các tốc độ cài đặt khác nhau. Trong đó,


thiết lập giao diện Matlab/ Guide trực quan, tích hợp các thông số kết cấu cũng như
thông số điều khiển của hệ thống nhằm thuận lợi cho việc khảo sát và xử lý số liệu.
Từ đó, xác định và đánh giá được các chỉ tiêu về chất lượng thông qua đáp ứng quá
độ của hệ theo tiêu chuẩn ITAE. Khi nghiên cứu mô phỏng với điều khiển bộ thông
số này đã làm cho hệ bậc cao có đặc tính như của một hệ bậc nhất.
Về nghiên cứu thực nghiệm là đã thực hiện ghép nối tương thích giữa thiết bị
điều khiển và thiết bị chấp hành để lắp ráp thành một thiết bị nghiên cứu thực
nghiệm. Trong đó, tính toán và chọn nguồn truyền động, cơ cấu tạo tải, van tỷ lệ,
động cơ thủy lực, cảm biến tốc độ .v.v. cũng như nghiên cứu kết nối vi điều khiển
Arduino với máy vi tính.
Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu lý thuyết, thiết lập được thuật toán điều khiển
PID tự điều chỉnh mờ và xác định được bộ thông số điều khiển mờ K’P, K’I và K’D
bằng thực nghiệm. Viết chương trình điều khiển và giao diện của hệ thống, cũng
như xử lý, lưu số liệu khảo sát và vẽ đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục
quay được thực hiện trên phần mềm IDE và Matlab/Guide.
Khi điều khiển thiết bị thực nghiệm, tín hiệu phản hồi được truyền liên tục, theo
thời gian thực và vẽ đồ thị đáp ứng cũng như lưu các số liệu trên máy vi tính trong

suốt quá trình thiết bị hoạt động.
Ngoài ra đề tài còn khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dầu đến đáp ứng quá độ về
tốc độ của trục quay trên cơ sở của bộ thông số PID tự điều chỉnh mờ trên.
Nhờ bộ điều khiển trên mà đáp ứng của mô hình thực nghiệm cũng gần giống
khâu quán tính và tối ưu như theo tiêu chuẩn ITAE.
Kết quả của đề tài sẽ làm phong phú thêm về các loại mô hình điều khiển hệ
thủy lực chuyển động quay nói riêng cũng như hệ điều khiển thủy lực nói chung.
Các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài đã được công bố, gồm: 04 bài báo
cáo khoa học đăng trong kỷ yếu của các hội nghị chuyên ngành trong nước; 01 bài
báo đăng tạp chí trong nước; 01 đề tài KHCN cấp Bộ; 03 bài báo cáo khoa học được
đăng trong kỷ yếu của các hội nghị quốc tế và tạp chí chuyên ngành quốc tế, trong
đó 2 bài Scopus và 01 bài báo được đăng trên tạp chí quốc tế (ISI-ESCI).


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cám ơn
Tóm tắt
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, hình ảnh, đồ thị
Mở đầu ................................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................................. 3
4. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 4
5. Ý nghĩa khoa và thực tiễn của đề tài ............................................................................. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI
DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................................... 6

1.1. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực.............. 6
1.2. Các công trình đã được công bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu ............ 8
1.2.1. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực ...................................... 8
1.2.2. Hệ truyền động và điều khiển vận tốc hệ thủy lực ...................................... 12
1.2.3. Hệ truyền động và điều khiển vị trí hệ thủy lực.......................................... 22
1.2.4. Các công bố có liên quan khác................................................................... 24
1.3. Kết luận chương ..................................................................................................... 26
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
THỦY LỰC ....................................................................................................................... 29
2.1. Tổng quan về hệ thống truyền động thủy lực ..................................................... 29
2.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực ................................................ 29
2.1.2. Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng thủy lực ...................................... 30
2.1.3. Động cơ thủy lực ....................................................................................... 34


2.1.4. Van tỷ lệ và van servo ................................................................................ 37
2.1.5. Nguyên tắc tương tự điện - thủy lực ........................................................... 42
2.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển thủy lực ........................................................ 44
2.2.1. Phân tích tổng quan về lịch sử và phân loại điều khiển các hệ thống thủy
lực ....................................................................................................................... 44
2.2.3. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ................................................... 48
2.3. Kết luận chương ..................................................................................................... 51
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC........................................ 53
3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu đáp ứng quá độ của trục quay truyền động
bằng thủy lực ................................................................................................................. 54
3.1.1. Phân tích tổng quan ..................................................................................... 54
3.2.2. Mô hình nghiên cứu .................................................................................... 56
3.2. Thiết lập mô hình tính toán và mô tả toán học của hệ thống ............................ 60
3.2.1. Mô hình toán khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang .............. 60

3.2.2. Mô hình toán khi có tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang ........ 64
3.3. Mô phỏng đáp ứng quá độ về tốc độ của hệ ........................................................ 67
3.3.1. Phân tích các bộ điều khiển........................................................................ 67
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ ............................................. 68
3.4. Khảo sát đáp ứng quá độ về điều khiển tự động tốc độ của trục quay............. 71
3.4.1. Các số liệu mô phỏng ................................................................................ 71
3.4.2. Đáp ứng về tốc độ của trục quay ................................................................ 72
3.5. Kết luận chương ..................................................................................................... 81
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC........................................ 83
4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm của trục quay truyền động bằng động cơ
thủy lực........................................................................................................................... 83
4.1.1. Tính toán cơ bản nguồn truyền động thủy lực ............................................ 83
4.1.2. Chọn hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực .................................... 86


4.1.3. Chế tạo và lắp đặt thiết bị thực nghiệm của trục quay.................................... 95
4.2. Xác định thông số điều khiển và viết chương trình điều khiển hệ thống ......... 97
4.3. Khảo sát thực nghiệm độ ổn định về điều khiển tốc tộ của trục quay .............. 99
4.4. So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm................................................... 104
4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ của dầu đến độ ổn định tốc độ của trục
quay .............................................................................................................................. 109
4.6. Kết luận chương ................................................................................................... 112
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................... 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC
CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ............................................................................................ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 119
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu/
Từ viết tắt
D0m
Dtb

D0b

i0
i1
i2
1
2
Q
pS
P
pt
n0
n1
n2
nt
Mm
M0
NCH
NTL
Ndco
J1
J0
J01

I
KV
0
1
đ

Ý nghĩa
Thể tích riêng của động cơ thủy lực
Thể tích riêng của bơm dầu tạo tải
Thể tích riêng của bơm
Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ động cơ điện
đến bơm dầu
Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ động cơ thủy
lực trục quay
Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ trục quay
đến cụm bơm tạo tải
Hiệu suất truyền động từ động cơ thủy lực đến trục
quay qua bộ truyền đai
Hiệu suất truyền động từ động cơ điện đến bơm dầu
qua bộ truyền đai
Lưu lượng vào/ra của động cơ thủy lực
Áp suất cửa vào của van tỷ lệ
Áp suất làm việc động cơ thủy lực
Áp suất bơm tạo tải
Tốc độ của rô to động cơ thủy lực
Tốc độ của trục quay
Tốc độ của trục bơm tạo tải
Tốc độ của cảm biến
Momen từ áp suất bơm dầu tạo ra
Mô men tạo tải trên trục quay

Công suất của trục quay
Công suất trên trục động cơ thủy lực
Công suất của động cơ điện
Mô men quán tính khối lượng của trục quay
Mô men quán tính khối lượng của trục rô to
Mô men quán tính khối lượng thu gọn về trục rô to
của động cơ thủy lực
Dòng trên van tỷ lệ
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại điều khiển van tỷ
lệ
Góc quay của trục rô to
Góc quay của trục quay
Góc xoắn tương đối của bộ truyền đai thang do biến
dạng đàn hồi

Đơn vị
m3
m3
m3
m3/ph
N/m2
N/m2
N/m2
vg/ph
vg/ph
vg/ph
vg/ph
Nm
Nm
kW

kW
kW
2
Nms /rad
Nms2/rad
Nms2/rad
mA
(m 3/s)/m
A
Rad
Rad
Rad


Ký hiệu/
Từ viết tắt
Kn
u0
u1
f0
f1
f01
C1
CH
H
T1, T2
r0
r1
k
tr

tqđ
cmax-cxl
exl
PID
IAE
ISE
ITAE

Ý nghĩa

Đơn vị

Hệ số khuếch đại của tốc kế
Điện áp vào điều khiển bộ khuếch đại
Điện áp ra điều khiển van tỷ lệ
Hệ số ma sát nhớt tương đương của động cơ
Hệ số ma sát trên trục quay
Hệ số ma sát thu gọn của trục quay về trục rô to của
động cơ thủy lực
Độ cứng chống xoắn của bộ truyền đai thang
Độ cứng thủy lực
Hệ số tắt dần
Lực kéo dây đai ở 2 phía
Bán puly chủ động
Bán puly bị động
Hệ số đàn hồi của dây đai
Thời gian tăng
Thời gian xác lập
Độ vọt lố (POT - Percent of Overshoot)
Sai số vòng quay ở chế độ xác lập

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân
Tích phân độ lớn tuyệt đối của sai số
Tích phân của bình phương sai số
Tích phân thời gian nhân với giá trị tuyệt đối của sai
số

V/(vg/ph)
VDC
VDC
Nms/rad
Nms/rad
Nms/rad

mm
mm
giây
giây
%
%



DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
Bảng
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2

2.3
2.4
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13

Tên gọi
Bộ thông số điều khiển theo Ziegler-Nichols [46]
Kết quả khảo sát [16]
Kết quả tìm bộ thông số điều khiển PID [12]
Hệ số áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ [47]
Đặc tính của van servo và van tỷ lệ [47]

Các ứng dụng của van servo và van tỷ lệ [47]
Phân loại về điều khiển tự động thủy lực được công bố [47]
Mối liên hệ giữa số khâu tích phân trong G(s)H(s) và sai số xác lập
Thông số của hệ thống
Quy tắc mờ KP
Quy tắc mờ KI
Quy tắc mờ KD
Tổng hợp các giá trị khảo sát (M0 = 0)
Tổng hợp các giá trị khảo sát khi đặt tải ban đầu
Tổng hợp các giá trị khảo sát khi đặt tải sau thời gian 5(s)
Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của van
Thông số của thiết bị
Độ phân giải của phép đo
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0(Nm)
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0,5(Nm)
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1(Nm)
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1,5(Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 =
0,5Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 =
1,5Nm)
Tổng hợp kết quả đáp ứng quá độ khi xét đến nhiệt độ dầu

Trang
13
16
18

31
38
38
47
50
60
69
69
69
73
77
81
84
89
94
99
99
100
101
102
104
105
106
107
110


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
TT
Hình

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6.
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15

2.16
3.1
3.2
3.3
3.4

Tên gọi
Sơ đồ điều khiển theo áp suất [10]
Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển tốc độ của xilanh thủy lực với
hai tín hiệu vào [46]
Đáp ứng hình chữ nhật khi điều khiển tốc độ của xilanh thủy lực [46]
Mô hình điều khiển động cơ thủy lực [16]
Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển động cơ thủy lực bằng van tỷ lệ
[25]
Mô hình nghiên cứu [25]
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID tự điều chỉnh mờ [25]
Kết quả của 5 điều khiển khi áp suất được đặt tại 50bar [25]
Kết quả của 5 điều khiển khi áp suất được đặt tại 10bar
Sơ đồ khối và sai số của hệ điều khiển vận tốc [10], [24]
Sơ đồ khối [10], [24]
Sai số của hệ điều khiển vị trí [10], [24]
Mô hình độ cứng của xilanh thủy lực [10], [24]
Mô hình độ cứng của động cơ thủy lực [10], [24]
Mô hình thủy lực ứng dụng ắc quy thủy khí [51]
Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy lực [47]
Dòng chảy và ứng suất cắt [47]
Mô tả về dòng chảy [47]
Mô tả về dòng chảy qua van [47]
Mô hình động cơ thủy lực với tải quán tính [36]
Sơ đồ hệ thống [36]

Đặc tính hiệu suất của động cơ [36]
Sơ đồ con trượt van 4/3 [47]
Kết cấu van tỷ lệ [Bosch Rexroth AG]
Sơ đồ khối điều khiển van [47]
Quan hệ giữa các biến trong (a) điện và (b) hệ thống thủy lực [47]
Cấu trúc điều khiển chung của hệ điều khiển tự động thủy lực [47]
Sơ đồ khối và đặc tính sai số [8]
Độ vọt lố [8]
Thời gian quá độ và thời gian tăng [8]
Đáp ứng tối ưu của hệ thống [8]
Sơ đồ khối thể hiện đặc tính của hệ điều khiển [10], [23]
Mô hình ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực điển hình
Sơ đồ nguyên lý hệ thủy lực truyền động cho trục quay
Mô hình trục quay

Trang
10
13
14
15
17
19
20
20
21
21
22
23
24
25

26
29
31
33
33
35
36
37
39
40
40
43
46
48
49
49
51
53
55
57
57


TT
Hình
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9

3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12

Tên gọi
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Mô hình động lực học của hệ truyền động
Sơ đồ khối
Mô hình động lực học của động cơ thủy lực
Mô hình tính toán khi không xét đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền
đai thang
Sơ đồ khối mô tả hệ thống
Sơ đồ khối trong matlab/Simulink
Mô hình toán khi tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang
Sơ đồ khối mô tả hệ thống
Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab/Simulink
Sơ đồ khối bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ
Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ
Các hàm thành viên của biến đầu ra bộ điều khiển PID tự điều chỉnh
mờ
Mô phỏng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ bằng Matlab/Simulink
Giao diện mô phỏng đáp ứng tốc độ trục quay trên Matlab/Guide
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với 5 tốc độ cài đặt
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 0,5 (Nm)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 1 (Nm)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 1,5 (Nm)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 0,5 (Nm) cài
đặt sau 5 (giây)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 1 (Nm) cài
đặt sau 5 (giây)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 1,5 (Nm) cài
đặt sau 5 (giây)
Sơ đồ nguyên lý thủy lực
Hình dạng và ký hiệu van tỷ lệ 4/3 [24]

Kết cấu van tỷ lệ 4/3 [24]
Mối quan hệ giữa lưu lượng và tín hiệu điều khiển [10]
Tuyến tính hóa quan hệ Q-I [10]
Sơ đồ khối kết nối thiết bị điều khiển van [24]
Bo mạch và phần mềm điều khiển [23]
Sơ đồ mạch DAC4921
Sơ đồ mạch nguồn
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Sơ đồ mạch lắp ráp hệ thống điều khiển
Ảnh chụp mô hình thực nghiệm

Trang
58
58
59
59
62
64
64
65
66
67
68
70
70
70
71
73
74
75

76
78
79
80
85
87
88
88
89
91
93
92
92
93
93
95


TT
Hình
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22

4.23
4.24
4.25
4.26

Tên gọi
Sơ đồ lắp đặt hệ thống
Giao diện Matlab/Guide
Thực nghiệm trục quay với tải 0(Nm)
Thực nghiệm trục quay với tải 0,5(Nm)
Thực nghiệm trục quay với tải 1(Nm)
Thực nghiệm trục quay với tải 1,5(Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0,5Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1,5Nm)
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 450C
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 550C
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 650C
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 750C

Trang
96
98
99
100
101
102
103
104

105
106
108
109
109
110


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Công nghiệp Cơ khí là một ngành kinh tế có vị trí đặc biệt quan trọng đối với
sự phát triển của nền kinh tế, bởi vì đây là một ngành công nghiệp sản xuất ra máy
móc, thiết bị cung cấp cho toàn bộ các ngành kinh tế khác. Thực tế cho thấy, trên
thế giới không có bất kỳ quốc gia nào thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp
hóa, hiện đại hóa mà lại không có nền công nghiệp Cơ khí mạnh. Sự phát triển của
ngành công nghiệp Cơ khí vừa là nền tảng vừa là động lực cho sự phát triển của tất
cả các ngành nghề khác nhau trong xã hội, nó còn có tác động tích cực đến ngành
dịch vụ thông qua sự phát triển của mạng lưới phân phối, thu hút số lượng lao động
xã hội, tham gia vào quá trình phân công lao động và hợp tác quốc tế.
Nhận thức được tầm quan trọng lĩnh vực tự động hóa nền công nghiệp nói
chung và công nghiệp cơ khí nói riêng thì việc đầu tư nghiên cứu lĩnh vực thiệt bị tự
động là rất quan trọng. Nhiều đề tài cấp nhà nước đã được thực hiện ở các trường
đại học, viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất. Trong đó có nhiều đề tài đã được ứng
dụng vào thực tế sản xuất, mang lại lợi nhuận cao và giảm nhập ngoại ví dụ như:
công nghệ chế tạo khuôn mẫu; chế tạo máy CNC; chế tạo robot hàn tự động; chế tạo
các máy nhấn, ép thủy lực tải trọng lớn..v.v.
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 tự động 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.

1


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 tự động 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 rất khó khăn. Nên việc nghiên
cứu đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ
thủy lực là hết sức cần thiết. Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển thủy lực với sự kết
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 các 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” là 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 hệ 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, viết
chương trình điều khiển tốc độ của trục quay, sử dụng bộ điều khiển PID tự điều
chỉnh mờ. Khảo sát đáp ứng quá độ thực nghiệm và so sánh với đáp ứng quá độ lý
thuyết, từ đó xác định bộ thông số điều khiển của hệ điều khiển thủy lực chuyển
động quay.
Mục đích của đề tài này nhằm góp phần phát triển và làm phong phú thêm các
nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ở Việt Nam.
2


3. ĐỐI TƯỢNG 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.
Mô hình thực nghiệm được lắp ráp tại phòng thí nghiệm truyền động và điều
khiển thủy khí, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
Các thiết bị điện thủy lực, bộ điều khiển được sử dụng là:
- Động cơ thủy lực: Delta Power Hydraulic Co, Rockford Illinois.
- Van tỷ lệ: Festo Didactic (4/3).
- Bộ khuếch đại tỷ lệ: Festo Didactic.
- Ắc quy thủy lực: Schrader Bellows (nhằm ổn định thế năng của dầu vào van tỷ
lệ nâng cao độ chính xác điều khiển).
- Lọc cao áp: Parker Hannifin, Metamora, OH 43540 (đảm bảo độ tin cậy dầu
thủy lực vào van tỷ lệ).
- Tốc kế: PITTMAN USA, No F8412G591 (đo tốc độ của trục quay).
- Bộ nguồn thủy lực: Động cơ điện 3 pha, bơm dầu, van tràn và van an toàn,
đồng hồ đo áp suất,…
- Cụm tạo tải: bơm dầu, van tràn và van an toàn, van đóng mở 2/2, van tiết lưu.

- Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560.
Các phần tử trên hiện được sử dụng nhiều trong các thiết bị điều khiển của công
nghiệp trên thế giới, nên việc lựa chọn chúng để lắp ráp mô hình nghiên cứu thực
nghiệm là phù hợp với phát triển chung của công nghiệp thế giới hiện nay.
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 gian đáp ứng, sai số xác lập).
Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm IDE, giao diện các thông số
điều khiển, tham số cài đặt và tín hiệu phản hồi được thực hiện trên phần mềm
3


Matlab/Guide. Số liệu khảo sát được tự động lưu file.mat trên Matlab, từ đây có thể
vẽ đồ thị tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi của hệ thống.

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 hệ 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. Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nhằm xác định bộ tham số điều
khiển lý thuyết phù hợp.
Thiết kế và lắp đặt thiết bị thí nghiệm điều khiển tốc độ của 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 tối ưu như
theo tiêu chuẩn ITAE.

5. Ý NGHĨA KHOA 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.
Góp phần mở rộng phạm vi điều khiển với bộ tham số điều khiển PID tự điều

4


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.

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN
QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.1. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực

Công nghệ năng lượng chất lỏng [47] được phát minh bởi Alexander
Ktesbios 250 năm trước Công Nguyên về đồng hồ nước. Tuy nhiên, đến năm 1663
Principles thì hệ thủy lực được nhiều nhà khoa học quan tâm và máy ép thủy lực
đầu tiên ứng dụng trong công nghiệp (lúc đó sử dụng nước để làm lưu chất truyền
động) được thực hiện bởi Josef Bramah (1749 - 1814). Các động cơ chạy bằng động
cơ hơi nước cũng được phát minh và sử dụng rộng rãi trong khoảng thời gian này
(James Watt, 1736-1819).
Vào nửa cuối của thế kỷ 19, W.G. Armstrong (1810-1900) đã phát triển nhiều
máy thủy lực và thiết bị thủy lực nhưng chủ yếu sử dụng trong đóng tàu và một số
thiết bị điều khiển, vẫn giống với thiết bị điều khiển được sử dụng ngày nay.
Hệ truyền động thủy lực sau đó đã phát triển chủ yếu từ đầu thế kỷ 20, các hệ
thủy lực thế hệ đầu tiên bao gồm một số thiết bị điều khiển dòng chảy (áp suất và
lưu lượng), điều khiển cơ cấu chấp hành thủy lực theo phương pháp đóng, mở và
đảo chiều. Các ứng dụng phổ biến thời đó chỉ giới hạn trong các máy ép thuỷ lực và
tời thủy lực.
Ưu điểm chính đó là cho công suất lớn, tải trọng cao (lực hoặc mô men) và kết
cấu nhỏ gọn. Ngoài ra, thông thường là hệ truyền động trực tiếp không qua hộp tốc
độ nên hạn chế sai số tỷ số truyền, mài mòn,…
Trong thời kỳ ban đầu các hệ truyền động thủy lực được sử dụng chủ yếu đóng
mở điều khiển vòng hở. Blackburn và công sự (1960) [45] đã phát triển ứng dụng
trong điều khiển vô cấp hệ thủy lực vòng kín với độ chính xác cao. Kể từ đó đến
nay đã có hàng loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp. Hệ thống điều khiển vô
cấp thủy lực được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, theo Reinhard Brandstetter
và cộng sự [55] phân tích vai trò quan trọng của hệ điều khiển tự động thủy lực
trong “cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”:

6


- Một số máy đòi hỏi có lực hoặc mô men xoắn lớn (máy ép công nghiệp, nâng

di động, máy xúc, máy đào, thiết bị xử lý vật liệu, vv);
- Yêu cầu đáp ứng nhanh, độ chính xác về vận tốc và tải trọng (một số máy
công cụ, máy bay, máy cán tạo hình, vv);
- Yêu cầu điều khiển chính xác vị trí (các vị trí trong thiết bị bay, chuyển động
tịnh tiến trong máy công cụ, robot công nghiệp, vv);
- Khi cần, phải có điều khiển bằng tay đối với các chuyển động liên quan đến trợ
lực thủy lực (máy móc hạng nặng, điều khiển máy bay, hệ thống trợ lực tay lái ô tô,
vv).
Theo Merritt, 1967 [45]; Bauer, 1998 [17]; Will và công sự, 1999 [67] đã chứng
minh hệ thống truyền động và điều khiển tự động thủy lực có nhiều ưu điểm nổi bật
hơn so với các hệ truyền động và điều khiển tự động khác (truyền động cơ khí,
truyền động động cơ điện), cụ thể:
- Hệ thống thủy lực có thể tạo ra lực/mô men lớn hơn và có độ cứng cao hơn.
Lưu chất truyền năng lượng là dầu, ngoài chức năng tạo thế năng (áp suất, lưu
lượng) nó còn có chức năng như một chất bôi trơn, bảo quản thiết bị và phục hồi
năng lượng;
- Hệ truyền động thủy lực có tốc độ đáp ứng cao hơn khi khởi động, dừng và
đảo chiều tốc độ;
- Hệ thống thủy lực có thể được vận hành ở các điều kiện làm việc khác nhau
(liên tục, gián đoạn, đảo chiều, …);
- Cả hai cơ cấu truyền động tạo chuyển động thẳng và chuyển động quay đều
tiêu chuẩn hóa, tích hợp dễ dàng vào thế giới điện tử và kỹ thuật số nên linh hoạt
trong việc tính toán thiết kế các hệ truyền động cho cơ cấu chấp hành;
- Bảo vệ quá tải rất dễ dàng;
- Các phần tử thủy lực trong hệ thống có kết cấu nhỏ gọn với tuổi thọ của các
thiết bị cao;
- Các phần tử dẫn và bị dẫn không phụ thuộc nhau nên việc bố trí tổng thể hệ
thống dễ dàng và kết cấu chung gọn nhẹ;

7

- Cấu hình điều khiển hệ thống thông qua phần mềm.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm của truyền động và điều khiển hệ thủy lực
đề cập trên thì vẫn tồn tại một số nhược điểm sau (Merritt, 1967; Bauer, 1998; Will
và công sự, 1999) [17], [45], [67]:
- Giá thành cao, do độ chính xác chế tạo đòi hỏi cao (hiện nay chi phí đã có
giảm [60]);
- Các mối nguy hiểm về cháy và nổ có thể xảy ra nếu hệ thống thủy lực được sử
dụng gần nguồn gây cháy (hiện nay vấn đề này được khắc phục gần như hoàn toàn
vì trong lưu chất truyền động đã loại bỏ chất gây cháy);
- Chất lỏng bẩn nếu có rò rỉ ra ngoài và gây ô nhiễm. Mặt khác, chất cặn bẩn có
thể dẫn đến tắc nghẽn van và bộ truyền động;
- Các đặc tính động lực học của hệ thống thủy lực là phi tuyến tính và tương đối
khó điều khiển, đặc biệt ở vận tốc cao;
- Tiếng ồn: Tiếng ồn là đặc biệt quan tâm hiện nay, vì công suất cao đồng nghĩa
với áp suất vận hành cao và tiếng ồn tăng lên. Các nhà sản xuất thiết bị đã có yêu cầu
thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn để giảm tiếng ồn (nhằm tránh tình trạng ảnh hưởng
đến sức khoẻ của người vận hành) và đang được áp dụng ở nhiều nước hiện nay.

1.2. Các công trình đã được công bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu
Trong các tài liệu được công bố trên các tạp chí và sách chuyên khảo, hệ
truyền động và điều khiển thủy lực được ứng dụng để điều khiển tải trọng, vận tốc
và vị trí của cơ cấu chấp hành, cụ thể:
Xilanh thủy lực: điều khiển lực, vận tốc dài và vị trí di chuyển của cần piston;
Động cơ thủy lực: điều khiển mô men xoắn, vận tốc góc và góc quay của trục rôto.

1.2.1. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực
Garett A. Sohl và cộng sự [29] đã báo cáo kết quả các mô phỏng và thực
nghiệm về điều khiển tải trọng và vị trí của hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến, trong

đó, ứng dụng bộ điều khiển theo P, PD để điều khiển. Mô tả toán học bằng các
phương trình vi phân và thực hiện luật điều khiển phi tuyến, bộ điều khiển để ổn
định lực theo quy luật hàm mũ và điều khiển vị trí là chính xác (trong đó có tính đến
8