THIET KE MAY DIEU CHINH CHO VAN THUY LUC

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MÁY ĐIỀU CHỈNH CHO VAN TH ỦY LỰC

1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm 2020
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm 2020
GIÁO VIÊN CHẤM

2

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ CƠ CẤU THỦY LỰC .................................................... 5
1.1. Mô hình của máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực ............................................... 5
1.1.1. Các thông số cho hệ thống............................................................................... 5
1.1.2. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 6
1.1.3. Mục tiêu .......................................................................................................... 6
1.2. Mô hình hóa hệ thống và tuyến tính hóa hệ thống.................................................. 6
1.3. Hàm truyền của hệ thống..................................................................................... 10
1.4. Kết luận chương 1.............................................................................................. 15
CHƯƠNG II THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ...................... 16
2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID hệ thống.................................................................... 16
2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 19
2.3. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 20
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO HỆ THỐNG ....... 21
3.1. Cấu trúc mạch điều khiển điện tử cho hệ thống thủy lực...................................... 21
3.2. Kết luận chương 3.............................................................................................. 23
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 25

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước nhà nước đang bước vào thời kỳ công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách
thức lớn. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ những chủ nhân tương lai của đất nước những
nhiệm vụ nặng nề. Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung
và trong lĩnh vực điện – điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng
ngày. Để đáp ứng được những yêu cầu đó, chúng em những chủ nhân tương lai của đất

nước cần có ý thức học tập và nghiên cứu về chuyên môn của trường mình trong trường
đại học một cách đúng đắn và sâu rộng.
Điều khiển – đo lường là một trong những ngành mới, đang có đà phát triển một cách
tích cực trong nền CN nước nhà, chính vì vậy chúng em những kỹ sư tương lai của đất
nước đang nghiên cứu trên ghế nhà trường đều ý thức rõ ràng về Điều Khiển Tự Động.
Đồ án là một trong những đề tài mà chúng em đang nghiên cứu đã nói lên được phần
nào về vấn đề thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển. Rất quan trọng trong hệ thống
thiết bị công nghiệp hiện nay.
Được sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn chúng
em đã hoàn thành đồ án này. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô
trong bộ môn. Trong quá trình làm đồ án của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót,
em rất mong được sự góp ý các thầy để đồ án của chúng em được hoàn thành tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Ngày……tháng…..năm 2020
Sinh viên

4


CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ CƠ CẤU THỦY LỰC
1.1.

Mô hình của máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực

Hình 1 .Mô hình của máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực.
1.1.1. Các thông số cho hệ thống

Ps =45,5 ( kg cm2 )

Áp suất cung cấp

3
ρ=0.86 ( kg cm )

Khối lượng riêng của dầu

k=2 (cm)
c� =1,4 ; c� =1,6
b=2 ( Nm s )

Chiều cao của piston
Hệ số xả van
Hệ số ma sát nhớt

m

=60 ( kg )

k1 = 36 ( N

Khối lượng của vật
m

)

Độ cứng của lò xo

2
L=0,2 ( cm s )

Hệ số tổn thất của hệ

K=0,167.104 ( kg cm2 )

Mô đun đàn hồi khối

x0 =2 (cm)

Khoảng cách giữa các van lúc ban đầu

V=7 ( m 3 )

Thể tích chất lỏng của dầu
Hình 2. Bảng các thông số cho hệ thống

5


1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Hình 1 cho thấy một mô hình của máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực bao gồm
hệ thống truyền động điện cơ (điện từ), van ống và xi lanh thủy lực với piston.Tín hiệu
điện áp đầu vào được áp dụng cho bộ truyền động điện từ ( không được hiển thị trong
hình 1) , từ đó di chuyển van ống chỉ sang trái hoặc sang phải trong hình 1, chất lỏng
chảy từ áp suất cung cấp Ps qua lỗ van và đi vào phía bên phải của xi lanh. Nếu áp suất xi
lanh bên trái P1 cao hơn áp suất P2, piston di chuyển sang phải dẫn đến chuyển vị dương
y cho piston làm dịch chuyển vật.
1.1.3. Mục tiêu
Phát triển hệ thống điều khiển phản hồi máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực, nó
sẽ tự động điều chỉnh điện áp đầu vào để hành trình piston y để dịch chuyển vật như mong

muốn.
1.2.

Mô hình hóa hệ thống và tuyến tính hóa hệ thống

Hình 3. Động cơ servo thủy lực

Hình 4. Van m ở rộng
Hình 3 đưa ra một động cơ servo thủy lực. Về bản chất nó là một van điều khiển
được năng lượng thủy lực, khuyếch đại và chấp hành. Van đi ều khiển là một van cân bằng,
6


áp lực tác dụng từ mọi hướng là cân bằng. Một lượng rất lớn lực đầu ra có thể được điều
khiển bởi 1 van điều khiển, cái mà có thể định vị với một năng lượng rất nhỏ.
Trong thực tế, các cổng trong hình 4 thường được làm rộng hơn van tương ứng.
Trong mọi trường hợp, luôn có sự rò rỉ qua van. Sự rò rỉ đó ảnh hưởng đến cả độ nhạy và
sự tuyến tính của động cơ servo thủy lực. Sự phân tích dưới đây chúng ta sẽ giả thiết các
cổng được làm rộng hơn van, do đó các van là xếp chồng (Chú ý rằng thỉnh thoảng một tín
hiệu rung động tần số cao biên độ nhỏ có liên quan đến sự dịch chuyển lớn nhất của van)
được thêm vào sự chuyển động của van điều khiển. Điều này cũng ảnh hưởng đến độ nhạy
và tính chất tuyến tính.Trong trường hợp này cũng có sự rò rỉ qua van.
Chúng ta sẽ ứng dụng kỹ thuật tuyến tính hóa để được mô hình toán học của động
cơ servo thủy lực. Giả sử rằng các van là xếp chồng là đối xứng, và nhận vào dung dịch
thủy lực dưới áp suất cao vào trong xylanh có một piston để thành lập một lực thủy lực lớn
làm dịch chuyển tải. Giả thiết rằng tải có quán tính và ma sát là nhỏ so với lực thủy
lực.Trong phần phân tích dưới đây, dung dịch thủy lực là không nén được và lực quán tính
không đáng kể.Giả sử rằng trong một số trường hợp bề mặt diện tích (chiều rộng của rãnh
van ống ngoài) là tỷ lệ với độ dịch chuyển van x.
Trong hình 4 chúng ta có sơ đồ bổ xung của diện tích bề mặt van.Định nghĩa diện

tích bề mặt van cổng 1,2,3,4 tương ứng là A 1 ; A 2 ; A 3 ; A 4 .Định nghĩa tốc độ dòng chảy qua
cổng 1,2,3,4 tương ứng là q1;q 2 ;q3 ;q 4 .
Chú ý rằng, từ van là đối xứng ta có

A 1 = A 3 và

A2 =A4 .Giả thiết rằng độ dịch chuyển

x là nhỏ, chúng ta có:
⎛x
⎞
A 1 =A 3 =k. ⎜ 0 +x ⎟
⎝ 2
⎠
⎛x
⎞
A 2 =A 4 =k. ⎜ 0 -x ⎟
⎝ 2
⎠

Với k là hằng số
Hơn nữa, giả thiết rằng áp suất trở về trong ống là p0 nhỏ và có thể bỏ qua.
Dựa vào hình 3 tốc độ chất lỏng chảy qua diện tích bề mặt van

q1 =c1 .A1 .

2g
⎛x
⎞
(ps -p1 ) =C1 . ps -p1 ⎜ 0 +x ⎟

γ
⎝ 2
⎠
7


q 2 =c 2 .A 2 .

2g
⎛x
⎞
(ps -p2 )=C2 . ps -p 2 ⎜ 0 -x ⎟
γ
⎝ 2 ⎠

q 3 =c1 .A 3 .

2g
⎛x
⎞
(p 2 -p 0 ) =C1 . p 2 -p 0 ⎜ 0 +x ⎟
γ
⎝ 2
⎠

⎛x
⎞
=C1 . p 2 ⎜ 0 +x ⎟
⎝ 2
⎠

q4 =c2 .A4.

2g
⎛x ⎞
(p1 -p0 )=C2 . p1 -p0 ⎜ 0 -x ⎟
γ
⎝2 ⎠

⎛x ⎞
=C2. p1 ⎜ 0 -x ⎟
⎝2 ⎠

Ở đây: C 1 =c1 .k.

C2 =c2 .k.

2g
γ

2g
γ

γ=g.ρ
Với

γ: Trọng lượng riêng của dầu
ρ: Khối lượng riêng của dầu
g: Gia tốc trọng trường
Tốc độ chảy q phía bên trái của piston là:

q=q 1 -q 4 =C 1 . p s -p 1 (

x0
x
+x) - C 2 . p 1 ( 0 - x)
2
2

Tốc độ chảy phía bên phải piston là:

q=q 3 -q 2 =C1 . p 2 (

x0
x
+ x) - C 2 . p s -p 2 ( 0 - x)
2
2

Chất lỏng không nén được và van là đối xứng: q1 =q3 và q 2 =q 4
Từ q1 =q3 ta có

8


p s − p1 = p 2 ⇒ ps = p1 + p 2
Nếu ta định nghĩa chênh lệch áp suất qua piston là

⇒ p1 =

p s +Δp

2

p2=

Δp hoặc Δp=p1 -p2

p s -Δ p
2

Với van đối xứng như hình 3, áp suất mỗi bên nguồn là ps khi không có tải tác dụng
2

hoặc Δp=0. Khi van dịch chuyển, áp suất trong một đường tăng lên còn đường còn lại giảm
xuống với cùng một lượng.Từ ps và Δp ta có thể viết lại tốc độ chảy q như sau:

q=q1 - q4 =C1.

ps -Δp x0
p +Δp x0
( + x) - C2 . s
( - x)
2
2
2
2

Chú ý rằng áp suất nén ps là hằng số.Tốc độ chảy q có thể viết lại như hàm của độ
dịch chuyển x và chênh lệch áp suất ∆p

q=q1 -q4 =C1.

ps -Δp x0
p +Δp x0
( + x) - C2. s
( - x)=f(x,Δp)
2
2
2
2

Bằng cách áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn trong trường hợp này ta có:
x= x , Δp = Δp , q= q

q -q = a(x -x )+ b (Δ p -Δ p )

(1.1)

q=f(x,Δp)
a=

b=

Δf
x

= C1.
x=x,Δp=Δp

ps -Δp
p +Δp

+C 2 . s
2
2

Δf
C1
x
C2
x
= -[
( 0 +x)+
( 0 -x)]
Δp x=x,Δp=Δp
2 2 p s -Δp 2
2 2 p s +Δp 2

b<0

Hệ số a, b được gọi là hệ số van

9


Công thức (1.1) là một mô hình toán tuyến tính hóa của van gần điểm tác động:

x=x ; Δp=Δp ; q=q .
Giá trị của a và b là khác nhau với mỗi điểm tác động
Khi điểm tác động tại đó ( x=0,Δp=0,q=0 ) gần với điểm làm việc bình thường,
phương trình (1.1) trở thành

q=K1.x-K2.Δp

(1.2)
K 1 =(C1 +C 2 ).
K 2 =(C1 +C 2 ).

ps
2
x0
4 2. p s

Phương trình (1.2) là một mô hình toán học tuyến tính của ống van gần điểm gốc
( x=0;Δp=0;q=0 ).Chú ý rằng miền gần gốc là quan trọng nhất trong loại hệ thống này, bởi
vì hệ thống hoạt động thường xảy ra ở điểm này.
1.3.

Hàm truyền của hệ thống

Hình 5. Mô hình của máy điều chỉnh cho hệ thống thủy lực.
Bắt nguồn từ mô hình toán của hệ thống khi tải phản kháng lực là không đáng kể
những tác động như áp suất sụt giảm qua bề mặt, sự rò rỉ của dầu quanh van và piston và
sự nén của dầu cần phải được quan tâm đến.

10


Sự sụt giảm áp suất qua bề mặt là một hàm liên quan đến áp suất nén ps và chênh
lệch áp suất Δp=p1-p2
Do đó tốc độ chảy q là hàm phi tuyến của độ dịch chuyển van x và chênh lệch áp
suất Δ p

q=f (x,Δp )
Sự tuyến tính hóa phương tình phi tuyến này tại điểm gốc ( x=0,Δp=0,q=0 ) chúng
ta biểu diễn được phương trình như phương trình (1.2)

q=K1.x-K2 .Δp
Tốc độ chảy q có thể coi như gồm 3 thành phần:

q=q 0 +q L +q c

(1.3)

q0 : Tốc độ chảy có ích từ xi lanh làm dịch chuyển piston ( k g
qL : Tốc độ chảy rò rỉ ( k g

s

s

)

)

qc : Tốc độ chảy nén được tương đương ( k g

s

)

Ta có biểu thức cụ thể cho q 0 ,q L ,qc

Lưu lượng q0.dt ở phía bên trái piston làm cho piston dịch chuyển sang phải một
lượng dy .Ta có

Aρdy=q0dt
2

A : Diện tích piston ( m)
3
ρ : Mật độ dầu ( kg m )

dy :

Độ dịch chuyển của piston ( m )
q 0 =A ρ

dy
dt

(1.4)

Lượng rò rỉ qL có thể được viết

11


q L =L.Δp
(1.5)
L là hệ số tổn thất rò rỉ
Lưu lượng nén qc tương đương có thể được diễn tả thông qua mô đun đàn hồi khối
K của dầu (bao gồm ảnh hưởng của khí bị giữ lại, sự mở rộng của ống…).

K=

dΔp
-dV
V

Trong đó dV là âm => - dV là dương .Viết lại công thức ta có:
-dV=

ρ

Chú ý rằng:

V
dΔp
K

-dV ρV dΔp
=
dt
K dt

q c =ρ

-dV
dt

Ta tìm được
q c =ρ

V dΔp
K dt

(1.6)

Từ (1.4), (1.5) và (1.6) ta có:

q=Aρ

dy
ρV dΔp
+L.ΔP+
dt
K dt

(1.7)

Ở đây V là thể tích hữu ích của dầu chưa nén (xấp xỉ bằng một nửa thể tích của
xylanh).
Từ 2 phương trình (1.2) và (1.7) ta rút ra:

q=K1x-K2Δp=Aρ
⇒ Aρ

dy
ρV dΔp
+L.ΔP+
dt
K dt

dy ρV dΔp
+
+(L+K2 )Δp=K1x
dt K dt

Lực phát triển bởi piston là A.Δp và lực này được đặt lên tải.Do đó ta có

12

(1.8)


m

d2 y
dy
+b
+k 1 y=A.Δp
2
dt
dt
(1.9)

Từ phương trình (1.8) và (1.9) ta có
(L+K 2 ).b ⎤dy (L+K 2 ).k1
ρ.V.m d 3y ⎡ρ.V.b (L+K 2 ).m ⎤d 2y ⎡ k1.ρ.V
+⎢
+
+⎢
+A.ρ+

y=K1.x
3
2
⎥
⎥ dt +
K.A dt ⎣ K.A
A
A
A
⎦ dt ⎣ K.A
⎦

Laplace 2 vế của phương trình vi phân trên ta có:

(L+K2 ).k1
(L+K2 ).b ⎤
ρ.V.m 3
⎡ρ.V.b (L+K2 ).m⎤ 2
⎡ k .ρ.V
.S .Y(S)+ ⎢
+
.S .Y(S)+ ⎢ 1
+A.ρ+
.S.Y(S)+
.Y(S)=K1.X(S)
⎥
⎥
K.A
A ⎦
A ⎦

A
⎣ K.A
⎣ K.A
⇒ G(S)=

Y(S)
K1
=
X(S) ρ.V.m 3 ⎡ρ.V.b (L+K 2 ).m ⎤ 2 ⎡ k1.ρ.V
(L+K 2 ).k1
(L+K 2 ).b ⎤
.S + ⎢
+
.S + ⎢
+A.ρ+
.S+
⎥
⎥
K.A
A
A
A
⎣ K.A
⎦
⎣ K.A
⎦

Trong đó
⎛x
⎞

A=k ⎜ 0 +x ⎟
⎝2 ⎠
K1 =(C1 +C2 )
K 2 =(C1 +C2 )

ps
2
x0
4 2. ps

Như đã trình bày ở trên ta tuyến tính hóa tại điểm gốc ( x=0,Δp=0,q=0 ) nên với các
thông số đã cho ở đề bài:

Ps =45,5 ( kg cm2 )

Áp suất cung cấp

3
ρ=0.86 ( kg cm )

Khối lượng riêng của dầu

k=2 (cm)
c� =1,4 ; c� =1,6
b=2 ( Nm s )

Chiều cao của piston
Hệ số xả van
Hệ số ma sát

m

=60 ( kg )

k1 = 36 ( N

Khối lượng của vật
m

)

Độ cứng của lò xo

13


L=0,2 ( cm s )

2

Hệ số tổn thất của hệ

K=0,167.104 ( kg cm2 )

Mô đun đàn hồi khối

x0 =2 (cm)

Khoảng cách giữa các van lúc ban đầu

V=7 ( m 3 )

Thể tích chất lỏng của dầu

Ta tính toán được

γ=g.ρ=0,86.9,81= 8,436
C 1 =c1 .k.

2g
2.9,81
= 1, 4.2.
= 4, 3
γ
8, 436

C 2 =c 2 .k.

2g
2.9,81
= 1, 6.2.
=5
γ
8, 436

⎛x
⎞ ⎛2 ⎞
A=k. ⎜ 0 +x ⎟ =2. ⎜ +0 ⎟ =2(cm2 )
⎝ 2
⎠ ⎝2 ⎠

K1 =(C1 +C2 ).
K 2 =(C1 +C 2 ).

ps
45,5
= (4,3+5).
=44,358
2
2
x0
2
=(4,3+5).
=0,487
4 2. ps
4 2. 45,5

Ta có
G(S)=

K1
(L+K 2 ).k1
ρ.V.m 3 ⎡ρ.V.b (L+K 2 ).m ⎤ 2 ⎡ k1.ρ.V
(L+K 2 ).b ⎤
.S + ⎢
+
.S
+
+A.ρ+
.S+
⎥⎦

⎢⎣ K.A
⎥⎦
K.A
A
A
A
⎣ K.A

Trong đó
ρ.V.m
0,86.7.60
=
=0,108
K.A
0,167.10 4 .2
ρ.V.b (L+K 2 ).m
0,86.7.2
(0,2+0,487).60
+
=
+
=20,718
K.A
A
0,167.10 4 .2
2
k 1 .ρ.V
(L+ K 2 ).b
36.0,86.7
(0,2+ 0,487).2

+ A.ρ+
=
+2 .0,86 +
= 2,472
4
K .A
A
0 ,1 67.10 .2
2

14


(L+K 2 ).k 1
A

=

(0,2+0,487).36
=12,366
2

Sau khi thay các thông số, tính toán và lấy gần đúng ta được hàm truyền của hệ
thống như sau:

G(S)=

44,358
0,108.S +20,718.S2 +2,472.S+12,366
3

1.4. Kết luận chương 1
Như vậy chương 1 đã giới thiệu về mô hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của
máy điều chỉnh cho hệ thống van thủy lực và các mô hình toán học.
Chương 2 tiếp theo chúng em sẽ thiết kế bộ điều khiển của máy điều điều cho hệ
thống van thủy lực.

15


2.1.

CHƯƠNG II THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG
Thiết kế bộ điều khiển PID hệ thống

Giải bài toán theo phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được
� Đối tượng có hàm truyền:

G(S)=

44,358
0,108.S +20,718.S2 +2,472.S+12,366
3

� Chọn bộ điều khiển PID:
G PID (S)=K m (1+

1
+TdS)
TS

i

� Sơ đồ cấu trúc

Hình 6. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển
� Hàm truyền của hệ

Gk (S)=

G(S).GPID (S)
1+G(S).GPID (S)

1
44,358
+TdS).
TS
0,108.S3 +20,718.S2 +2,472.S+12,366
i
⇒ Gk (S)=
1
44,358
1+Km (1+ +TdS).
3
TS
0,108.S +20,718.S2 +2,472.S+12,366
i
Km (1+

2
44,358KmTdTS

i +44,358KmTS+44,358K
i
m
=
4
3
2
0,108TS
+(12,366T+44,358K
i +20,718TS
i +(2,472Ti +44,358KmTdT)S
i
i
mT)S+44,358K
i
m

16


Ta có:
⎧ a 0 =44,358K m
⎪
⎪⎪ a 1 =(12,366+44,358K m )Ti
⎨ a 2 =(2,472+44,358K m Td )Ti
⎪ a =20,718T
i
⎪ 3
⎪⎩ a 4 =0,108Ti

⎧a '0 =44,358K m
⎪ '
⎨a 1 =44,358K m Ti
⎪ '
⎩a 2 =44,358K m Td Ti
Đã có:

β3 =

a3 20,718Ti
=
=191,833
a4 0,108Ti

'
'
'
Chọn α1 =α 2 =α 3 =α'=6,5

Ta lại có
β2 =

β3 191,833
=
=29,513
α'3
6,5

β1 =

β2 38,367
=
=4,54
α'2
6,5

β0 =

β1 7,673
=
=0.699
α1'
6,5

Mặt khác ta có
β2 =

a 2 (2,472+44,358KmTd )Ti 2,472+44,358KmTd
=
=
=29,513
a3
20,718Ti
20,718

⇒ KmTd = 13,729
β1 =

(2.1)

a1 (12,366+44,358K m )Ti 12,366+44,358K m
=
=
=4,54
a 2 (2,472+44,358K m Td )Ti 2,472+44,358K m Td

17

(2.2)


Từ (2.1) và (2.2) suy ra

12,366+44,358K m
= 4, 54
2,472+44,358.13,729
4, 54.(2,472+44,35.13,729) − 12,366
⇒ Km =
= 62, 304
44,358
⇒ Td =

β0 =

K m Td 13, 729
=
= 0, 22
Km
62, 304

a0
44,358K m
=
=0,699
a 1 (12,366+44,358K m )Ti

⇒ Ti =

44,358K m
(12,366+44,358K m ).0,699

Ta có Km =62,304 thay vào công thức (2.3) suy ra

Ti =

44,358.62,304
=1,424
(12,366+44,358.62,304).0,699

Ta có các hệ số hàm truyền hệ kín

⎧a0' = 44,358Km = 44,358.62,304 = 2763,68
⎪'
⎨a1 = 44,358KmTi = 44,358.62,304.1,424 = 3935,482
⎪'
⎩a2 = 44,358KmTdTi = 44,358.62,304.0,22.1,424 = 865,806
� Tính chỉ tiêu chất lượng hệ kín
Ta có
β '0 2 =

a '0 2763, 68
=
=3,192
a '2 865, 806

a1' 2
3935,4822
4ξ = ' ' =
= → ξ2 =1,618 → ξ=1,272
a0.a 2 2763,68.865,806
2

-

Do hệ kín có tử bậc 2 nên ta có

18

(2.3)


β 02
α = 1 ,5 + 1 6 ξ . ' 2 ( α -1 ,5 )
β0
'

3

(5-1,5).3,192
(α' -1,5).β'02

→ α=
+1,5=
+1,5=2,492
16ξ3 .β02
16.1,2723.0,6992
� Độ quá điều chỉnh

log (δ% ) =4,8-2α=4,8-2.2,249=-0,184 → δ%=0,655%
Vậy ta có các thông số của bộ điều khiển:

⎧ K m =62,304
⎪
⎨ Td =0,22
⎪ T =1,424
⎩ i
Suy ra

1
⎛
⎞
G PID (S)=62,304 ⎜ 1+
+0,22S ⎟
⎝ 1,424S
⎠
2.2. Kết quả mô phỏng
� Mô phỏng cấu trúc bộ điều khiển trên Matlab

Hình 7. Mô phỏng cấu trúc bộ điều khiển trên Matlab

19

� Kết quả mô phỏng

Hình 8. Kết quả mô phỏng trên Matlab
Nhận xét:
-

Ta thấy đường đặc tính đầu ra của hệ thống có độ quá điều chỉnh

δ% =

2.3.

1,11-1
.100% =11%
1

- Thời gian xác lập là 1s . Như vậy bộ điều khiển thiết kế đạt yêu cầu
Kết luận chương 2

Ở chương này đã thiết kế được bộ điều khiển PID của máy điều chình cho hệ thống
thủy lực và sử dụng phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được.
Hệ ổn định với thời gian quá độ rất nhanh và độ quá điều chỉnh là nhỏ.
Ở chương 3 tiếp theo là thiết kế mạch điều khiển điện tử cho hệ thống.

20


CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO HỆ THỐNG

3.1 Cấu trúc mạch điều khiển điện tử cho hệ thống thủy lực
Các bộ điều khiển PID bằng điện tử có khả năng hoạt động rất bền vững và tin
cậy, công suất tiêu thụ nhỏ, kích thước và trọng lượng được tối thiểu hóa đến mức nhỏ
nhất, việc lắp đặt đơn giản và gọn nhẹ. Các thiết bị điều khiển PID điện tử hiện đại có
thể làm việc trực tiếp với các máy tính dễ dàng , việc cài đặt các thông số dễ dàng và
chính xác hơn bằng khí nén
Tuy nhiên bộ điều khiển PID điện tử còn có một số hạn chế: độ bền vững kém
trong khi làm việc ở chế độ khắc nghiệt như : độ ẩm, nhiệt độ lớn , trong môi trường
axit , bazo, dễ cháy nổ.

Hình 9. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID
Ta có

GPID (S)=

Ur Z2 ⎛ -R 4 ⎞ Z2 R 4
=- ⎜
⎟=
Uv Z1 ⎝ R3 ⎠ Z1 R3

Z2 = R 2 +

1
R C S +1
= 2 2
C 2S
C 2S

Trong đó

1
C 1S
R1
Z1 =
=
1
R 1C 1S + 1
R1+
C 1S
R 1.

21


Vậy

GPID (S)=

R4
⎡⎣1+(R1C1 +R2C2 )S+R1C1R2 C2S2 ⎤⎦
R1R3C2S

=

R4
R 1R 3 C 2

⎡1
⎤
⎢ S + (R 1C1 +R 2 C2 )+R1C1 R 2 C2 S⎥

⎣
⎦

=

R 4 (R 1C1 +R 2 C 2 ) ⎡
1
RCR C
+ 1 1 2 2
⎢1+
R 1R 3 C 2
⎣ (R 1C1 +R 2 C 2 )S R 1C1 +R 2 C2

⎤
S⎥
⎦

Từ đó ta có
⎧
R 4 (R 1C 1 +R 2 C 2 )
⎪K m =
R 1R 3 C 2
⎪
⎪
⎨ Ti =R 1C1 +R 2 C 2
⎪
R 1C1 R 2 C 2
⎪ Td =
R 1C 1 +R 2 C 2
⎪⎩

⎛

Với G PID (S )= 62 ,304 ⎜ 1+
⎝

1
⎞
+ 0,2 2S ⎟ được thiết kế ở chương 2 với các thông số
1,42 4S
⎠

tương ứng Km =62,304;T=1,424;T
i
d =0,22
Như vậy ta có hệ sau
⎧ R 4 (R 1C1 +R 2 C 2 )
=62,304
⎪
R
R
C
1 3 2
⎪
⎪
R
C
+R
⎨ 1 1 2 C2 =1,424
⎪ RCR C
⎪ 1 1 2 2 =0,22

⎪⎩ R 1C1 +R 2 C 2

Từ hệ trên ta có
⎧R 1C1 +R 2 C 2 =1,424
⎪
⎪ R4
=43,753
⎨
R
R
C
1
3
2
⎪
⎪⎩R 1C1 R 2 C 2 =0,313

Ta chọn C1 =C2 =100 (μF);R3 =1(KΩ)
22


Thay vào hệ phương trình ta có
⎧R1 =11,5 (KΩ )
⎪
⎨R 2 =2,7 (KΩ )
⎪
⎩R 4 =50,4 (KΩ )

3.2. Kết luận chương 3
Từ các bộ điều khiển đã thiết kế ở chương 2 sử dụng phương pháp đa thức đặc

trưng có hệ số suy giảm thay đổi được. Ở chương 3 này chúng em đã thiết kế được bộ
điều khiển điện tử sử dụng các IC khuếch đại thuật toán và các linh kiện điện tử khác.

23


KẾT LUẬN
Sau khi hoàn thành xong đồ án với đề tài “Thiết kế máy điều chỉnh cho van thủy lực
“. Chúng em đã có thêm nhiều hiểu biết về việc xây dựng một mô hình toán học cho một
đối tượng bất kì. Đã xây dựng và thiết kế được bộ điều khiển cho hệ thống van thủy lực.
Từ đó có thêm hiểu biết về kiến thức chuyên ngành kĩ thuật điều khiển để phục vụ cho
công việc sau này.
Tuy đã xây dựng được bộ điều khiển với đáp ứng thực tế tương đối tốt, nhưng các kết
quả thu được chỉ mang tính chất tương đối, đáp ứng phần nào yêu cầu điều khiển được đặt
ra. Quá trình thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn tận tình của cô giáo cũng như sự cố gắng
của bản thân, chúng em đã hoàn thành đồ án này. Trong quá trình th ực hiện chúng em đã
cũng cố và học hỏi thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm cho bản thân. Do vốn kiến thức
và thời gian có hạn nên đồ án của em không tránh khỏi sai sót. Vì vậy chúng em rất mong
nhận được sự góp ý đánh giá của các thầy cô để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong
bộ môn và đặc biệt là cô giáo hướng dẫn đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này.

24


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Modern Control Engineering - Katsuhiko Ogata (5th Edition Prentice Hall 2019)
Một số nguồn tài liệu tham khảo khác từ Internet

25