Đề tài nghiên cứu khoa học Nghiên cứu ứng dụng các loại van tỷ lệ trong hệ điều khiển vị trí

Nội dung text: Đề tài nghiên cứu khoa học Nghiên cứu ứng dụng các loại van tỷ lệ trong hệ điều khiển vị trí

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Chủ nhiệm đề tài: TH.S. VŨ THỊ THU Hải Phòng, tháng 4/2016 1
2. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ DÙNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 3 1.1.KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI VAN ĐIỆN – THỦY LỰC TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 3 1.2.VAN ĐIỆN TỪ (SOLENOID VALVES) 4 1.3. VAN PHÂN PHỐI TỶ LỆ (PROPORTIONAL VALVES) 6 1.4. VAN SERVO (SERVO VALVES) 9 1.5. KẾT LUẬN 13 CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ 14 2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ KHÔNG CÓ PHẢN HỒI 14 2.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ CÓ PHẢN HỒI 16 2.3. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ HIỆU SUẤT CAO 16 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG VAN TỶ LỆ 18 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG VAN TỶ LỆ 18 3.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 22 KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 2
3. LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của của vấn đề nghiên cứu Đất nước ta đang tiến nhanh, tiến mạnh trên con đường công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Cùng với sự nỗ lực bên trong, kết hợp với mở rộng hợp tác đầu tư với nước ngoài, nền kinh tế nước ta đang có những bước tăng trưởng mạnh mẽ để có thể hòa nhập được với khu vực và thế giới. Đi đôi với sự phát triển không ngừng của lực lượng sản xuất, kỹ thuật thủy lực có sự phát triển nhảy vọt. Đó là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết động lực học, kỹ thuật thủy lực và các van điều khiển hiện đại. Nhờ sự kết hợp của các loại van điện – thủy lực hiện đại các hệ thống điện – thủy lực ngày càng linh hoạt và được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp. Do đó, việc nghiên cứu các loại van điện – thủy lực hiện đại từ đó ứng dụng xây dựng hệ thống điều khiển với độ chính xác cao có thể áp dụng trong sản xuất để nâng cao hiệu quả sản xuất là điều cần thiết. 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu Hiện nay hệ thống điều khiển điện – thủy lực được ứng dụng trong công nghiệp với nhiều yêu cầu khác nhau, tùy theo mục đích cụ thể mà có thể thực hiện điều khiển vận tốc, điều khiển vị trí hay điều khiển mômen. Trong các hệ thống đó các chức năng điều khiển được thực hiện thông qua các van điện – thủy lực. Các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này thường đi nghiên cứu một hệ thống cụ thể với yêu cầu điều khiển khác nhau. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi đề tài sẽ đi giải quyết các vấn đề sau: - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại van tỷ lệ. - Xây dựng hệ điều khiển vị trí dùng cơ cấu chấp hành thủy lực. - Xây dựng hệ thống điều khiển điện – thủy lực điều khiển vị trí ứng dụng van tỷ lệ. - Mô phỏng và đánh giá hệ thống. 1
4. Đề tài tập trung vào tìm hiểu về các loại van điện – thủy lực, đi sâu nghiên cứu về van tỷ lệ và ứng dụng của van tỷ lệ trong các hệ thống điện – thủy lực điều khiển vị trí. 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình Trên cơ sở tìm hiểu về các loại van tỷ lệ ứng dụng trong hệ thống thủy lực, xây dựng hệ thống điều khiển vị trí với hệ thống động lực dùng cơ cấu chấp hành thủy lực với độ chính xác cao. Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí tương ứng với van tỷ lệ, phân tích và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết cấu của đề tài gồm ba chương : Chương 1. Các loại van tỷ lệ dùng trong hệ thống điều khiển thủy lực Chương 2. Cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí ứng dụng các loại van tỷ lệ Chương 3. Khảo sát hệ thống điều khiển vị trí dùng van tỷ lệ 5. Kết quả đạt được của đề tài Ý nghĩa khoa học Trên cơ sở nghiên cứu về van tỷ lệ và ứng dụng của van trong điều khiển vị trí hệ thống thủy lực sẽ tạo tiền đề để xây dựng các hệ điều khiển vị trí với độ chính xác cao, ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại ứng dụng trong công nghiệp. Ý nghĩa thực tiễn Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành với các học phần: Kỹ thuật điều khiển thủy khí, PLC, Trang bị điện máy công nghiệp dùng chung 2
5. CHƯƠNG 1. CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ DÙNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI VAN ĐIỆN – THỦY LỰC TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC Hệ thống điều khiển tự động thủy lực có thể thực hiện các chức năng điều khiển như điều khiển vị trí (tịnh tiến hoặc quay); điều khiển vận tốc (tịnh tiến hoặc quay) hay điều khiển tải trọng (lực, mômen xoắn hay áp suất) [3]. Trong đó chức năng điều khiển vị trí là di chuyển cơ cấu chấp hành đến một vị trí nào đó theo yêu cầu. Nếu là xylanh thủy lực thì vị trí là hành trình dịch chuyển của pittông, nếu là động cơ dầu thì vị trí là góc quay của trục động cơ dầu. Tuy nhiên tùy theo yêu cầu mà pittông- xylanh hoặc động cơ dầu có thể truyền đến hệ truyền động cơ khí nào đó. Chức năng điều khiển vị trí này được thực hiện thông qua các van điều khiển với cấu trúc điều khiển thể hiện trên hình 1.1. Hình 1.1. Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực. Hiện nay van điều khiển thủy lực được chia làm ba loại, theo chất lượng điều khiển người ta sắp xếp theo trình tự từ thấp đến cao bao gồm [4]: - Van điện từ (solenoid valves) : + Van điện từ đóng mở (on/off solenoid valves). + Van điện từ điều khiển (on/off solenoid valves with spool control). - Van phân phối tỷ lệ (proportional valves): + Van phân phối tỷ lệ không phản hồi (non-feedback proportional valves). + Van phân phối tỷ lệ có phản hồi (feedback proportional valves). + Van phân phối tỷ lệ hiệu suất cao (high performance proportional valves). 3
6. - Van servo (servo-valves): + Van servo. + Van servo kỹ thuật số (digitally controlled servo-valves). 1.2. VAN ĐIỆN TỪ (SOLENOID VALVES) Van điện từ là loại van được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động thủy lực và khí nén. Hình 1.2. Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ. a- Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ điều khiển trực tiếp ( 1, 5 - vít hiệu chỉnh vị trí của lõi sắt từ; 2, 4 - lò xo; 3, 6 - cuộn dây của nam châm điện); b- Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ điều khiển gián tiếp (1 -van sơ cấp; 2 -van thứ cấp) Van điện từ (hình 1.2) gồm hai loại: loại điều khiển trực tiếp và loại điều khiển gián tiếp. Loại điều khiển trực tiếp (hình 1.2a) có cấu tạo gồm các bộ phận 4
7. chính là: thân van, con trượt và hai nam châm điện. Loại điều khiển gián tiếp (hình 1.2b) gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp và van thứ cấp 2 điều khiển con trượt bằng dầu ép, nhờ tác động của van sơ cấp. Con trượt của van sẽ hoạt động ở hai hoặc ba vị trí tùy theo tác động của nam châm. Có thể gọi van điện từ là loại van điều khiển có cấp [3]. Van điện từ gồm có hai loại: - Van điện từ đóng mở: Loại van này chỉ thực hiện nhiệm vụ đóng mở các đường dẫn dầu đến xylanh (hoặc động cơ dầu) mà không có tác dụng điều khiển lưu lượng dầu. Dòng điện cung cấp cho van có thể là một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC). Tùy theo kích thước của van mà thời gian đóng mở trong phạm vi 20- 100ms. Hình 1.3. Ứng dụng van điện từ trong hệ thống điều khiển vị trí. Hình thức điều khiển sử dụng loại van này đơn giản, giá thành thấp và phù hợp với yêu cầu của nhiều thiết bị, dây chuyền tự động (hình 1.3). Tuy nhiên khi khóa giới hạn (công tắc hành trình) bị tác động thì bàn máy không thể dừng ngay mà phải mất một khoảng thời gian nào đó. Điều này dẫn tới vị trí dừng của bàn máy không chính xác do ảnh hưởng nhiều yếu tố như: thời gian đáp ứng của van, khối lượng và vận tốc chuyển động, thể tích chứa dầu trong xylanh và đường ống dẫn, ma sát của các bộ phận chuyển động, thời gian tác 5
8. động của khoát giới hạn và của rơle, thời gian nhận tín hiệu phản hồi của bộ điều khiển Các yếu tố trên khó có thể xác định một cách chính xác và chúng có thể thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của máy. Nên vị trí dừng của bàn máy sẽ nằm trong một vùng nhất định [3]. -Van điện từ điều khiển: Van điện từ điều khiển có khả năng điều khiển được một số vị trí của con trượt nhờ kết cấu khống chế hành trình. Ứng với mỗi nấc điều chỉnh sẽ cho một giá trị lưu lượng nào đó. Nhờ các lỗ tiết lưu trong đường dẫn dầu về hai phía của con trượt mà con trượt di chuyển đều, không va đập, tức là có thời gian nhất định để tăng và giảm tốc, tuy nhiên vị trí dừng của pittông bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố nên để pittông dừng đúng vị trí cũng cần hiệu chỉnh thời gian tác động của khóa giới hạn. 1.3. VAN PHÂN PHỐI TỶ LỆ (PROPORTIONAL VALVES) Khác với van điện từ, van phân phối tỷ lệ có khả năng điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van. Cấu tạo của van phân phối tỷ lệ gồm ba bộ phận chính: thân van, con trượt và nam châm điện. Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con trượt bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Ứng với mỗi giá trị của dòng điện I, phải có một giá trị tương ứng độ dịch chuyển nòng van s. Như vậy có thể điều khiển con trượt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi là loại van điều khiển vô cấp. Đối với loại van này, nam châm điện trực tiếp kéo con trượt di chuyển nên dòng điều khiển lớn. Đối với loại van này, nam châm điện trực tiếp kéo con trượt di chuyển nên dòng điều khiển lớn.[2]. Van phân phối tỷ lệ bao gồm ba loại : - Van tỷ lệ không có phản hồi: Cấu tạo và ký hiệu của van phân phối tỷ lệ không có phản hồi thể hiện trên hình 1.4. Nếu hai cuộn dây điện từ (1) và (5) không có điện, nòng van nằm ở vị trí giữa được giữ bởi hai lò xo ở hai phía nòng van, khi đó tất cả các cửa van bị chặn. Nếu một trong hai cuộn dây điện từ có dòng điện, nòng van sẽ dịch chuyển về phía tương ứng, các cửa van được thay đổi phù hợp. Đồng thời khi 6
9. thay đổi độ lớn của dòng điện vào cuộn dây diện từ, vị trí nòng van sẽ dịch chuyển, vị trí các mép điều khiển đóng vai trò tiết lưu cũng thay đổi từ đó thay đổi lưu lượng qua van. Hình 1.4. Cấu tạo và ký hiệu của van tỷ lệ không có phản hồi. - Van tỷ lệ có phản hồi: Khi van làm việc, các yếu tố như ma sát của nòng van, áp lực dòng chảy hoặc độ trễ của lò xo sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của van, khi đó để khắc phục người ta sử dụng van có phản hồi. Hình 1.5. Van phân phối tỷ lệ điều khiển trực tiếp có phản hồi. 1.Cơ cấu đo vị trí nòng van; 2. Biến trở; 3. Bộ khuếch đại và điều chỉnh; 4. Mạch phản hồi; 5. Ký hiệu van 7
10. Hình 1.6. Van phân phối tỷ lệ điều khiển gián tiếp có phản hồi. 1. Van chính; 2. Van phụ trợ; 3. Cơ cấu đo lường; 4. Biến trở; 5. Bộ khuếch đại - Van tỷ lệ hiệu suất cao: Van tỷ lệ có hiệu suất cao ngoài các bộ phận và khả năng điều khiển như van tỷ lệ thông thường còn có thêm thiết bị dò hành trình di chuyển của con trượt. Các bộ phận chính của van gồm (hình 1.5) : Thân van và con trượt; Nam châm điện; Cảm biến vị trí đo lượng di chuyển con trượt (LVDT). Với mỗi giá trị của dòng điện điều khiển vào cuộn dây của nam châm điện thì con trượt của van sẽ di chuyển đến vị trí tương ứng. Vị trí của con trượt quyết định tiết diện chảy và các vị trí của van. Các lò xo có tác dụng phục hồi con trượt về vị trí ban đầu. Cảm biến vị trí dạng biến trở (potentiometer) ký hiệu LVDT, đo vị trí của con trượt và truyền tín hiệu dưới dạng điện áp về bộ khuếch đại của van, tại bộ khuếch đại tín hiệu phản hồi so sánh với tín hiệu điều khiển 8
11. nhằm truyền cho nam châm dòng điều khiển chính xác. Nên nhờ bộ cảm biến này mà vị trí di chuyển của con trượt điều khiển được chính xác. Hình 1.7. Van tỷ lệ có hiệu suất cao. 1.4. VAN SERVO (SERVO VALVES) a. Nguyên lý làm việc Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo. Bộ phận điều khiển con trượt của van servo thể hiện trên hình 1.8 gồm các ở bộ phận sau [3]: + Nam châm vĩnh cửu; + Phần ứng và hai cuộn dây; + Cánh chặn và càng đàn hồi; + Ống đàn hồi; + Miệng phun dầu. 9
12. Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu cứng vững. Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng. Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con trượt. Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay. Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại). Điều đó dẫn đến áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau và con trượt được di chuyển [3]. Như vậy: + Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con trượt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con trượt cân bằng nhau). + Khi dòng i1 khác i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn. Giả sử phần ứng quay ngược chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở ở miệng phun phía phải hẹp lại, áp suất dầu vào hai buồng con trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con trượt di chuyển về bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đường dẫn dầu qua van). Quá trình trên thể hiện ở hình 1.9b. Đồng thời khi con trượt sang trái thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con trượt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo. Lúc này khe hở ở miệng phun trái hẹp lại và khe hở miệng phun phải rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng phun bằng nhau và áp suất hai phía bằng nhau thì con trượt ở vị trí cân bằng. Quá trình đó thể hiện ở hình 1.9c. Mômen quay phần ứng và mômen do lực đàn hồi của càng cân bằng nhau. Lượng di chuyển của con trượt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây. + Tương tự như trên nếu phần ứng quay theo chiều ngược lại thì con trượt sẽ di chuyển theo chiều ngược lại. 10
13. b. Kết cấu của van servo Ngoài những kết cấu thể hiện ở hình 1.9 và hình 1.10, trong van còn bố trí thêm bộ lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của van. Để con trượt ở vị trí trung gian khi tín hiệu vào bằng không, tức là để phần ứng ở vị trí cân bằng, người ta đưa vào kết cấu vít điều chỉnh. a. Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việc; b. Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển; c. Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển. Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo. 11
14. Do hoàn thiện về thiết kế ,khả năng chế tạo với độ chính xác cao mà van servo có đặc tính tốt nhất hiện nay, phù hợp với các hệ thống điều khiển tự động thủy lực chất lượng cao. Van servo được ứng dụng vào ngành hàng không trong nhiều năm qua và gần đây được ứng dụng rộng rãi ở các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay nhiều hãng sản xuất đã chế tạo được van tỉ lệ có đặc tính gần giống với đặc tính của van servo nhưng giá thành lại thấp hơn, nên tùy theo yêu cầu của thiết bị mà khi chọn van cần cân nhắc cả yêu cầu kỹ thuật lẫn giá thành của chúng. a, b. Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo; c. Ký hiệu của van servo. Hình 1.10. Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo 12
15. 1.5. KẾT LUẬN 1. Trên cơ sở phân tích trên ta thấy, trong các hệ thống điều khiển xy lanh thủy lực như điều khiển vận tốc, điều khiển vị trí hay điều khiển tải trọng, các van điện – thủy lực đóng vai trò là van điều khiển chính trong hệ thống. Các van điều khiển điện – thủy lực này có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau. 2. Đối với những hệ thống điều khiển vị trí đơn giản, không yêu cầu thay đổi vận tốc, việc sử dụng các van điện từ (solenoid valves) tương đối hiệu quả. Trong những hệ thống điều khiển vận tốc hoặc điều khiển vị trí chính xác của xy lanh, thì van tỷ lệ có các đặc tính phù hợp. 3. Do đó, việc khảo sát đặc tính của van tỷ lệ từ đó ứng dụng của van trong hệ thống điều khiển bám vị trí là những nhiệm vụ cần giải quyết trong các chương tiếp sau. 13
16. CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CÁC LOẠI VAN TỶ LỆ 2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ KHÔNG CÓ PHẢN HỒI Từ những nghiên cứu về van tỷ lệ trong chương 1 ta thấy van tỷ lệ có khả năng điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van. Khi thay đổi dòng điện điều khiển van thì thay đổi được hành trình dịch chuyển của con trượt, làm cho tiết diện chảy của van thay đổi và dẫn đến lưu lượng qua van thay đổi. Từ đó ta có thể xây dựng hệ thống điều khiển vị trí dịch chuyển của xy lanh thủy lực sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi trong như hình 2.1. Qua bộ khuếch đại, dòng điện điều khiển van được điều khiển bằng tín hiệu điện áp vào. Độ dốc của đặc tính Q (hoặc v) được hiệu chỉnh trên bộ khuếch đại. Hình 2.1. Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ hở ứng dụng van tỷ lệ không có phản hồi trong a- Sơ đồ nguyên lý ; b- Đặc tính lưu lượng (vận tốc) 14
17. Các mạch điều khiển vị trí ứng dụng van vị trí không có phản hồi trong có thể ứng dụng để điều khiển logic, tuy nhiên nếu có cảm biến vị trí cung cấp tín hiệu phản hồi liên tục thì ta sẽ được mạch điều khiển vị trí liên tục như ở hình 2.2. Việc điều khiển vị trí trong sơ đồ hình 2.2 được thực hiện thông qua việc so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí gửi về. Khi cho tín hiệu điện áp đặt C (dạng tín hiệu điện áp), bộ khuếch đại sẽ tạo ra dòng điện I tương ứng để điều khiển tiết diện chảy của van từ đó thay đổi lưu lượng qua van cung cấp cho xylanh làm pittông dịch chuyển đạt vị trí theo yêu cầu từ tín hiệu đặt. Cảm biến vị trí dạng biến trở gần trên đầu của pittông cũng dịch chuyển, tạo ra điện áp phản hồi F truyền về bộ khuếch đại và so sánh với điện áp điều khiển C nhằm san bằng sự sai lệch E. Khi điện áp so sánh có sai lệch E = 0 thì pittông sẽ dừng ở vị trí tương ứng. Hình 2.2. Mạch điều khiển vị trí hệ kín sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi 15
18. Trong mạch điều khiển này, hành trình h của pittông, chiều dài và điện áp của cảm biến vị trí và điện áp tín hiệu vào phải có quan hệ tương thích. 2.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ CÓ PHẢN HỒI Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí sử dụng van tỷ lệ có phản hồi Khác với van tỷ lệ không có phản hồi, van tỷ lệ có phản hồi sẽ có bộ khuếch đại và bộ phận phản hồi vị trí con trượt riêng tích hợp trong van. Khi đó nếu sử dụng van tỷ lệ có phản hồi, ta sử dụng cấu trúc hệ thống điều khiển như hình 2.3. So với van tỷ lệ không có phản hồi thì van tỷ lệ có phản hồi có thời gian đáp ứng nhanh hơn, thông thường là từ 12ms đến 37ms và sai số nhỏ hơn do hiện tượng từ trễ nhỏ, khoảng 1%. [3] 2.3. CẤU TRÚC HỆ THỐNG DÙNG VAN TỶ LỆ HIỆU SUẤT CAO Đối với van tỷ lệ hiệu suất cao, như đã phân tích ở chương 1, kết cấu của van ngoài một nam châm điều khiển con trượt còn có một cảm biến vị trí LVDT (Linear Variable Differantial Tranformer). Cảm biến có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu vị trí của con trượt cho bộ khuếch đại của van. Nhờ phối hợp giữa nam châm điện, cảm biến vị trí và bộ khuếch đại mà con trượt rất nhạy đối với tín hiệu điều khiển,đặc biệt là vùng chết của con trượt.Thời gian đáp ứng nhanh,ví dụ khi điều khiển tín hiệu step với giá trị cực đại chỉ mất khoảng 10ms. Nhờ sự hoàn thiện về kết cấu và chất lượng điều khiển mà van tỷ lệ hiệu suất cao được sử dụng trong các thiết bị có yêu cầu chất lượng điều khiển cao. Sơ đồ mạch điều khiển của loại van này tương tự như mạch điều khiển của van 16
19. tỷ lệ không có phản hồi, và có thể điều khiển theo mạch vòng kín hoặc mạch vòng hở. 17
20. CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG VAN TỶ LỆ 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG VAN TỶ LỆ Để khảo sát quá trình hoạt động của van phân phối tỷ lệ, ta xét một van tỷ lệ 4 cửa, 3 vị trí, Series VPWP-4 do hãng Festo sản xuất có các thông số như bảng 3.1. A B Y P T a.Van tỷ lệ có vị trí không A B 1Y1 1Y2 P T b. Van tỷ lệ không có vị trí không Hình 3.1. Hình ảnh và ký hiệu của van tỷ lệ 4/3 của hãng Festo Bảng 3.1. Thông số của van phân phối tỷ lệ VPWP-4 Thông số Giá trị Áp suất làm việc 210 bar (3000psi) Giá trị điều khiển 0V→10V (van có vị trí không) -10V→10V (van không có vị trí không) Thời gian để đạt 75% giá trị đỉnh On :50ms ; Off :40ms Dải thay đổi dòng chảy ±15-75% dòng tiêu chuẩn(ΔP=hằng số) Giá trị ngưỡng đầu vào 25%-30% giá trị tín hiệu vào 18
21. Để đánh giá hoạt động của van tác động tới cơ cấu chấp hành tùy theo tín hiệu đầu vào khác nhau ta xây dựng mô hình mạch điều khiển vị trí sử dụng phần mềm Festo FluidSim – Hydraulic như hình 3.2. Trong mô hình này cơ cấu chấp hành là một xy lanh thủy lực tác động kép có thông số như bảng 3.2. Bảng 3.2. Thông số của xy lanh tác động kép Thông số Giá trị Hành trình cực đại 1000mm Đường kính piston 36mm Đường kính trục piston 20mm X +24V 2 3 4 F=600 +24V A B 1 10V Y Y X Z P T 0V V 0V Hình 3.2. Mô hình hệ điều khiển vị trí sử dụng van tỷ lệ có vị trí không Description Quantity v alue 9 10 11 12 10 8 Voltage Function 6 generator V 4 2 1000 800 Double Position 600 acting mm cy linder 400 200 0.2 Double Velocity 0.15 acting m/s cy linder 0.1 0.05 0 1 0.50 Position 4/3-way s 0 control v alv e -0.50 -1 a. Khi tín hiệu đặt là 10V- tương ứng hành trình h=1000mm 19
22. Description Quantity v alue 4 5 6 7 5 4 Voltage Function 3 generator V 2 1 1000 800 Double Position 600 acting mm cy linder 400 200 0.2 Double Velocity 0.15 acting m/s cy linder 0.1 0.05 0 1 0.50 Position 4/3-way s 0 control v alv e -0.50 -1 b. Khi tín hiệu đặt là 5V- tương ứng hành trình h=500mm Description Quantity v alue 1 2 3 4 1 0.80 Voltage Function 0.60 generator V 0.40 0.20 1000 800 Double Position 600 acting mm cy linder 400 200 0.16 Double Velocity 0.12 acting m/s 0.08 cy linder 0.04 1 0.50 Position 4/3-way s 0 control v alv e -0.50 -1 c. Khi tín hiệu đặt là 1V- tương ứng hành trình h=100mm Hình 3.3. Kết quả hoạt động của hệ thống sử dụng van có vị trí không với các giá trị đặt khác nhau 20
23. X +24V 2 3 F=600 +24V A B 1 Y1 10V X Z Y1 Y2 Y2 P T 0V V 0V X +24V 2 3 F=600 +24V A B 1 Y1 10V X Z Y1 Y2 Y2 P T 0V V 0V Hình 3.4. Mô hình hệ điều khiển vị trí sử dụng van tỷ lệ không có vị trí không. Description Quantity v alue 1 2 3 4 2 1.50 1 Voltage 0.50 Function 0 generator V -0.50 -1 -1.50 -2 1000 800 Double Position 600 acting mm cy linder 400 200 0.2 0.15 Double Velocity 0.1 acting m/s 0.05 cy linder 0 -0.05 -0.1 a. Khi tín hiệu đặt là 2V- tương ứng hành trình h=200mm 21
24. Description Quantity v alue 4 5 6 7 4 3 2 Voltage 1 Function 0 generator V -1 -2 -3 -4 1000 800 Double Position 600 acting mm cy linder 400 200 0.2 0.15 Double Velocity 0.1 acting m/s cy linder 0.05 0 -0.05 b. Khi tín hiệu đặt là 4V- tương ứng hành trình h=400mm Hình 3.5. Kết quả hoạt động của hệ thống sử dụng van không có vị trí không với các giá trị đặt khác nhau. 3.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Trong mạch điều khiển trên, hành trình h của pittông, chiều dài và điện áp của cảm biến vị trí và điện áp tín hiệu vào có quan hệ tương thích. Khi pittông ở vị trí 0 thì điện áp phản hồi phải báo giá trị bằng 0 V. Khi pittông ở vị trí max (h = 1000 mm) thì cảm biến vị trí có giá trị + 10 V. Tương ứng với mối quan hệ đó tín hiệu điện áp điều khiển thay đổi từ 0 đến +10V. Khi vào bộ so sánh, tín hiệu phản hồi ngược dấu với tín hiệu vào và thực hiện san bằng điện áp. Ví dụ, cần điều khiển pittông di chuyển đi 500 mm thì tín hiệu vào dạng step sẽ tương đương là +5 vôn. Khi pittông chưa di chuyển (ở thời điểm ban đầu) thì tín hiệu phản hồi F = 0 và lúc này tín hiệu so sánh là E = C − F = 5 V − 0 = 5 V. Bộ khuếch đại có tín hiệu vào 5 V sẽ sinh ra dòng điện tương ứng để điều khiển van. Giả sử 5 V tương ứng với vận tốc của pittông là 200 mm/s và di chuyển hết quãng đường là 500 mm với thời gian là 2,5s. Sau 1s pittông di chuyển được 200 mm/s tương 22
25. ứng với tín hiệu phản hồi F là 2 V và tín hiệu so sánh sẽ là : 5 V − 2 V = 3 V. Nếu tín hiệu so sánh giảm từ 5 V xuống còn 3V thì vận tốc pittông giảm từ 200 mm/s xuống còn 120 mm/s Hình 3.6. Đồ thị về sự so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi. Hành trình của pittông di chuyển sau 2s là : 200 + 120 = 320 mm. Cứ tiếp tục quá trình này cho đến khi tín hiệu so sánh E = 0 thì pittông di chuyển hết hành trình trong khoảng thời gian 2,5s (hình 3.6). Để thời gian đáp ứng nhanh ta có thể tăng tốc độ chuyển động của pittông bằng cách tăng hệ số khuếch đại. Một vấn đề nữa cũng cần quan tâm là vùng chết của van trượt điều khiển (hình 3.7). Khi con trượt di chuyển hết hành trình x0 thì dầu mới bắt đầu qua van. Thông thường x0= 25% giá trị của lượng dịch chuyển cực đại. Điều đó cũng có nghĩa rằng tín hiệu so sánh giảm đi 25% và pittông sẽ dừng sau 250 mm di chuyển. Để khắc phục sai số trên người ta tăng độ nhạy của van bằng cách tăng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Tạo ra hệ số khuếch đại chuẩn để tự động điều khiển con trượt với tín hiệu vào nhỏ và di chuyển con trượt qua vùng "chết". Với phương pháp này vùng "chết" có thể giảm xuống còn 1% giá trị max. Ngoài ra hiện tượng từ trễ (2 đến 8%) cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí điều khiển. Như vậy qua khảo sát khi sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi cho mạch điều khiển vị trí ta thấy mạch hoàn toàn đáp ứng yêu cầu điều khiển vị trí của xy lanh thủy lực chính xác theo tín hiệu đặt, do đó hoàn toàn có thể ứng dụng vào 23
26. các hệ thống điều khiển vị trí trong công nghiệp. Hình 3.7. Đồ thị nghiên cứu vùng chết của van tỷ lệ điều khiển a - Kết cấu van; b - Đặc tính Q-x (I); c - Đặc tính điều khiển thê hiện sai số do vùng chết; d - Đặc tính Q-x (I) cải tiến. 24
27. KẾT LUẬN Đề tài đã đạt được những kết quả sau đây: 1. Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại van điện – thủy lực : van điện từ, van phân phối tỷ lệ, van servo. 2. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí xy lanh thủy lực ứng dụng các loại van: van tỷ lệ không có phản hồi, van tỷ lệ có phản hồi và van tỷ lệ hiệu suất cao. 3. Xây dựng mô hình mô phỏng và đánh giá hệ thống điều khiển vị trí xy lanh thủy lực sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi trên phần mềm FluidSim. 4. Từ kết quả mô phỏng ta thấy hệ thống điều khiển vị trí xy lanh thủy lực sử dụng van tỷ lệ không có phản hồi, tương ứng với các giá trị đặt khác nhau hệ thống hoàn toàn đáp ứng yêu cầu điều khiển vị trí đặt ra, với sai lệch điều khiển xấp xỉ bằng 0. Từ đó có thể nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển vị trí dùng van tỷ lệ trong các ứng dụng công nghiệp. Hướng phát triển của đề tài: 1. Xây dựng những hệ thống điều khiển vị trí cho các xy lanh trong các ứng dụng công nghiệp. 2. Trên cơ sở những nghiên cứu về cấu tạo, đặc tính của các thiết bị chấp hành và điều khiển trong hệ thống thủy lực từ đề tài này để xác định mô hình toán học cho các phần tử của hệ thống thủy lực. 3.Thiết kế và triển khai các bộ điều khiển vị trí cho các thiết bị chấp hành thủy lực trên cơ sở các van điều khiển tỷ lệ, ứng dụng các thuật toán điều khiển thông minh như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển. 25
28. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Th.S. Lê Văn Tiến Dũng, Điều khiển khí nén và thủy lực, Đại học kỹ thuật và công nghệ Tp.HCM – 2004. 2. Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng thủy lực, Nhà xuất bản giáo dục, 2006. 3. Trần Xuân Tùy, Hệ thống tự động thủy lực, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng , 2005 4. Trần Xuân Tùy - Trần Minh Chính - Trần Ngọc Hải, Giáo trình hệ thống truyền động thủy khí, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng , 2005. 5. Yuken Kogyo Co., Hydraulics & Applications, LTD. 6. Lab-Volt, Hydraulics Applications, 2000. 26