ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



VÕ HỒNG BỬU

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG THỦY LỰC CÓ SỬ DỤNG VAN SERVO.
DYNAMIC ANALYSIS AND CONTROL OF HYDRAULIC
SYSTEM WITH SERVO VALVE
CHUYÊN NGÀNH:

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ:

8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2023

i


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG-TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Phạm Huy Hoàng

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. Bùi Thanh Luân

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Hoài Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. Lê Thể Truyền

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM,
ngày 24 tháng 06 năm 2023.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Bùi Trọng Hiếu

- Chủ tịch hội đồng.

2. TS. Bành Quốc Nguyên

- Thư ký hội đồng.

3. TS. Lê Hoài Phương

- Ủy viên Phản biện 1.

4. PGS. TS. Lê Thể Truyền

- Ủy viên Phản biện 2.

5. TS. Nguyễn Hữu Thọ

- Ủy viên hội đồng.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS. TS. Bùi Trọng Hiếu

ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : VÕ HOÀNG BỬU

MSHV : 2070309

Ngày, tháng, năm sinh : 16/08/1997

Nơi sinh : An Giang


Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số : 8520103

I. TÊN ĐỀ TÀI :
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THỦY LỰC
CÓ SỬ DỤNG VAN SERVO.

(Dynamic analysis and control of hydraulic system with servo valve)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
-

Phân tích và thực hiện mơ phỏng động lực học – hệ phương trình vi phân mơ
tả hoạt động hệ thống thủy lực có sử dụng van tỷ lệ.

-

Áp dụng các phương pháp điều khiển vào mơ hình tốn được thiết lập.

-

Làm rõ thêm các tác động không mong muốn từ các yếu tố bên ngoài ảnh
hưởng đến độ chính xác, thời gian đáp ứng, hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống
thủy lực – cơ khí.

-

Xây dựng mơ hình thực nghiệm vật lý thực tế tương ứng với hệ thống đề xuất
phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm.


III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

06/02/2023

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 12/06/2023
V. CÁN

BỘ

HƯỚNG

DẪN

:

PGS.TS.

PHẠM

HUY

HỒNG,

TS. BÙI THANH LN.

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

iii



LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. PHẠM HUY HOÀNG

TS. BÙI THANH LUÂN.

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS Phạm Huy Hoàng và Thầy TS.
Bùi Thanh luân, những người đã đưa ra ý tưởng và góp ý rất nhiều trong hướng nghiên
cứu cũng như ứng dụng của hệ thống thủy lực. Với sự hướng dẫn tận tình từ các Thầy,
tơi đã được tiếp cận với các thiết bị cũng như các nghiên cứu cũng như xu hướng về
lĩnh vực này. Đây chính là sự hỗ trợ rất lớn và động lực mạnh mẽ để tơi có thể hồn
thành luận văn và tiếp tục trên con đường học tập, nghiên cứu tại trường Đại học
Bách Khoa TPHCM.

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Nhà trường và Khoa Cơ khí đã tạo
các điều kiện thuận lợi về thời gian cũng như thiết bị trong quá trình học tập và nâng
cao trình độ. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ths. Vũ Đình Hải, người đã ln giúp
đỡ, góp ý chân thành và các kiến thức vô cùng giá trị đối với bản thân tơi và đề tài
của mình trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Cảm ơn ba mẹ, gia đình và bạn bè là những người đã luôn theo dõi, quan tâm, hỗ trợ
tinh thần và động viên tôi để có thể hồn thành tốt cơng việc và có được những thành
quả của ngày hôm nay. Tác giả muốn đặc biệt cảm ơn đến Q Thầy/Cơ khoa Cơ khí
trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM cùng tồn thể các phịng ban liên quan đã tạo
điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này./.

Xin chân thành cảm ơn!

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống thủy lực có sử dụng van Servo, hệ thống
bao gồm các thiết bị sử dụng trong hệ thống thực tế. Mơ hình tốn được tính tốn
tuyến tính trong trường hợp cụ thể cho ra kết quả hàm truyển và được mô phỏng trực
quan trên Matlab. Hệ thống được đề xuất bao gồm xi lanh được tác động và điều
khiển vị trí bởi van Servo và các thành phần cơ bản cần thiết khác của một hệ thống
thủy lực.
Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab theo hàm truyền đã có của mơ hình
tốn, từ đó đưa ra các khảo sát về mức độ đáp ứng của hệ thống nhằm ứng dụng vào
thực tế. Hệ thống được mơ phỏng ở nhiều dạng tín hiệu đầu vào khác nhau và được

điều khiển qua giải thuật PID để cải thiện hiệu suất và đáp ứng động lực học của hệ
thống trong mơi trường mơ phỏng

Bên cạnh việc mơ hình qua thông qua sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab, tơi
tiến hành xây dựng mơ hình thực nghiệm cho hệ thống thủy lực thực tế tương ứng
với các thành phần, thiết bị được sử dụng để mô phỏng như: van servo 4/3, xylanh,
lị xo, cảm biến vị trí, ... Hệ thống sẽ được được điều khiển và giao tiếp qua arduino
và phần mềm lập trình điều khiển là Matlab.
Từ số liệu thực nghiệm ta đối chiếu với kết quả đã có trong mơ phỏng, từ đó đưa
ra các nhận xét, nhận định và có những điều chỉnh thích hợp nhằm hướng đến việc
hoàn thiện hơn về thiết kế cũng như khả năng điều khiển cho hệ thống thủy lực sử
dụng van servo.

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

ABSTRACT
Building mathematical models for hydraulic systems using servo valves, the
system includes equipment used in the actual system. The mathematical model is
calculated linearly in a specific case to give the counter function results and is
simulated directly on Matlab. The proposed system consists of cylinders actuated and
controlled in position by servo valves and other essential basic components of a
hydraulic system.

Simulate the system on Matlab software according to the existing transfer
function of the mathematical model, thereby giving surveys on the response level of

the system for practical application. The system is simulated in various input signal
types and controlled via PID algorithm to improve the performance and dynamic
response of the system in the simulation environment.

In addition to modeling through the use of Matlab simulation software, I
proceed to build an experimental model for the actual hydraulic system corresponding
to the components and equipment used for simulation such as: 4/3 servo valve,
cylinders, springs, position sensors, ... The system will be controlled and
communicated via arduino and the control programming software is Matlab.

From the experimental data, we compare it with the results already in the
simulation, thereby making comments, judgments and making appropriate
adjustments towards the improvement of the design as well as the controllability for
hydraulic system using servo valve.

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật Cơ Khí, với đề tài “Phân tích
động lực học và điều khiển hệ thống thủy lực có sử dụng van servo” là cơng trình
khoa học do Tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Phạm Huy Hồng,
TS. Bùi Thanh Ln.
Tơi rất mong nhận được sự góp ý và học hỏi từ các Q Thầy/Cơ để nghiên
cứu này trở nên hồn thiện hơn./.
Học viên cao học

(Ký tên, ghi họ tên)

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ vi
ABSTRACT ..............................................................................................................vii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... viii
MỤC LỤC ..................................................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................xi
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................xii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG.......................................................................... 1
1.1.

Giới thiệu về van servo và ứng dụng ............................................................. 1

1.2.

Tình hình phát triển về ứng dụng điều khiển vị trí trong thiết kế hệ thống

thủy lực. ................................................................................................................... 1
1.3.


Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài. .......................................................... 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 7
2.1.

Hệ thống thủy lực cơ bản............................................................................... 8

2.2.

Các tính chất cơ bản của chất lỏng thủy lực (dầu thủy lực) .......................... 9

2.2.1.

Độ nhớt ................................................................................................... 9

2.2.2.

Độ nén của dầu thủy lực ....................................................................... 10

2.3.

Đường truyền thủy lực ................................................................................. 10

2.4.

Bơm thủy lực ............................................................................................... 11

2.5.

Máy bơm lý tưởng ....................................................................................... 12


2.6.

Xy lanh thủy lực .......................................................................................... 13

2.7.

Van điện từ (solenoid valve) ....................................................................... 14

2.7.1.

Van điều khiển trực tiếp bằng con trượt ............................................... 14

2.7.2.

Van điều khiển gián tiếp ....................................................................... 16

2.8.

Van phân phối tỷ lệ (proportional valves) ................................................... 17

2.8.1.

Van tỷ lệ khơng có phản hồi ................................................................. 17

2.8.2.

Van tỷ lệ có phản hồi ............................................................................ 18

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM


ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.8.3.
2.9.

Van tỷ lệ hiệu suất cao .......................................................................... 19

Van servo ..................................................................................................... 20

2.9.1.

Nguyên lí làm việc ................................................................................ 20

2.9.2.

Kết cấu của van servo ........................................................................... 21

2.9.3.

Đặc tính hoạt động của van dựa vào lưu lượng và áp suất ................... 22

2.9.4.

Ứng dụng của van servo trong điều khiển vị trí ................................... 23
Các đặc tính của van................................................................................. 26


2.10.

2.10.1.

Đặc tính dịng chảy trong con trượt ................................................... 26

2.10.2.

Tổn thất áp suất và công suất trong con trượt ................................... 28

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MƠ HÌNH TỐN.......................................................... 30
3.1.

Xây dựng mơ hình nghiên cứu .................................................................... 30

3.2.

Thiết lập các phương trình mơ tả hệ thống. ................................................. 31

3.3.

Thơng số hệ thống ....................................................................................... 35

3.4.

Thiết kế bộ điều khiển PID và mô phỏng cho hệ thống .............................. 37

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VỚI MƠ HÌNH VẬT LÝ ...................................... 53
4.1.


Q trình thực nghiệm ................................................................................. 53

4.2.

Mơ hình hệ thống thủy lực thực tế được mơ phỏng và xây dựng thực tế ... 55

4.3.

Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý ....................................................... 58

4.3.1.

Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý với tín hiệu đầu vào dạng step và

sử dụng bộ PID theo mơ hình mơ phỏng ........................................................... 58
4.3.2.

Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý sử dụng bộ điều khiển PID theo

quy tắc Ziegler–Nichols 2 .................................................................................. 59
4.3.3.

Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý sử dụng bộ điều khiển PID theo

quy tắc Trial and Error ....................................................................................... 62
4.4.

Kết luận: ...................................................................................................... 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................... 65

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

x


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ hở ứng dụng van tỷ lệ khơng có phản hồi 2
Hình 1.2: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ kín sử dụng van tỷ lệ khơng có phản hồi . 2
Hình 1.3: Ngun lý động học mơ hình thí nghiệm................................................... 3
Hình 1.4: Ảnh thực tế của mơ hình ............................................................................. 3
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống thủy lực cơ bản .............................................................. 8
Hình 2.2: Dịng chảy và ứng suất cắt .......................................................................... 9
Hình 2.3: Các đầu nối thường được sử dụng ............................................................ 11
Hình 2.4: Phương pháp nối ống thơng dụng ............................................................. 11
Hình 2.5: Các loại máy bơm: (a) bơm thủy động (bơm ly tâm) và (b) bơm thủy tĩnh
(bơm bánh răng) [11] ................................................................................................ 12
Hình 2.6: Cấu tạo piston............................................................................................ 13
Hình 2.7: Sơ đồ chức năng của xy lanh thủy lực ...................................................... 14
Hình 2.8: Van điều khiển hai hướng hai vị trí .......................................................... 15
Hình 2.9: Van điều hướng trực tiếp 4/3 .................................................................... 16
Hình 2.10: Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ ......................................................... 16
Hình 2.11: Cấu tạo và ký hiệu của van tỷ lệ khơng có phản hồi .............................. 17
Hình 2.12: Van phân phối tỷ lệ điều khiển trực tiếp có phản hồi ............................. 18
Hình 2.13: Van phân phối tỷ lệ điều khiển gián tiếp có phản hồi............................. 18
Hình 2.14: Van tỷ lệ có hiệu suất cao ....................................................................... 19
Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo ......... 20

Hình 2.16: Kết cấu của van servo ............................................................................. 22
Hình 2.17: Sơ đồ làm việc của van khi con trượt ở các vị trí khác nhau .................. 23
Hình 2.18: Phân loại van dựa vào mép van con trượt ............................................... 26
Hình 2.19: Đặc tính dịng chảy con trượt của mép van dương ................................. 27
Hình 2.20: Đặc tính dịng chảy con trượt của mép van bằng khơng ......................... 28
Hình 2.21: Đặc tính dịng chảy con trượt của mép van âm....................................... 28
Hình 2.22: Độ sụt áp trong van điều khiển trực tiếp kích cỡ 6 của các đường ống
khác nhau................................................................................................................... 29

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 3.1: Mơ hình ngun lý của hệ thống............................................................... 30
Hình 3.2: Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống .................................................................. 31
Hình 3.3: Phương trình được biếu diễn trong sơ đồ khối ......................................... 34
Hình 3.4: Sơ đồ khối hàm truyền Ue(s)/ xp(s) ........................................................... 34
Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển hệ thống tuyến tính với đầu vào là hàm Step, Pulse và
Sin.............................................................................................................................. 38
Hình 3.6: Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu sử dụng cơng cụ Tune với bộ điều
khiển P ....................................................................................................................... 39
Hình 3.7: Cơng cụ Tune để tính các thơng số của bộ điều khiển P .......................... 39
Hình 3.8: Thông số của bộ điều khiển P sử dụng công cụ Tune .............................. 40
Hình 3.9: Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu với chỉ số Kp thay đổi .................... 40
Hình 3.10: Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu mất ổn định với chỉ số Kp tăng cao
................................................................................................................................... 41
Hình 3.11:Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu sử dụng cơng cụ Tune với bộ điều

khiển PI ..................................................................................................................... 42
Hình 3.12: Cơng cụ Tune để tính các thơng số của bộ điều khiển PI ....................... 43
Hình 3.13: Thơng số của bộ điều khiển PI sử dụng cơng cụ Tune ........................... 43
Hình 3. 14:Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu với thơng số KI tăng ..................... 44
Hình 3.15:Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu với thơng số KI giảm ..................... 45
Hình 3.16:Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu sử dụng cơng cụ Tune với bộ điều
khiển I ........................................................................................................................ 46
Hình 3.17: Cơng cụ Tune để tính các thơng số của bộ điều khiển I ......................... 46
Hình 3.18:Kết quả mơ phỏng bộ điều khiển I trong khoảng thời gian khác nhau .... 47
Hình 3.19:Kết quả đáp ứng của đường tín hiệu sử dụng công cụ Tune với bộ điều
khiển PD .................................................................................................................... 47
Hình 3.20: Cơng cụ Tune để tính các thơng số của bộ điều khiển PD ..................... 48
Hình 3.21: Cơng cụ Tune để tính các thơng số của bộ điều khiển PID .................... 49
Hình 3.22: Hàm Step có biên độ 150mm .................................................................. 50
Hình 3.23: Hàm Sine có biên độ 50mm .................................................................... 50
Hình 3.24: Hàm Pulse có biên độ 150mm ................................................................ 51

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

xii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.1: Hình thực tế hệ thống thủy lực đã được thực nghiệm tại xưởng .............. 55
Hình 4.2: Giao diện điều khiển hệ thống của phần mềm Matlab ............................. 56
Hình 4.3: Hệ thống điều khiển trong mơ hình thực tế .............................................. 56
Hình 4.4: Hệ thống thủy lực thực nghiệm................................................................. 57
Hình 4.5: Các thành phần trong hệ thống thủy lực đề xuất và thực nghiệm............. 57
Hình 4.6: Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý với tín hiệu đầu vào dạng step và

sử dụng bộ PID theo mơ hình mơ phỏng .................................................................. 58
Hình 4.7: Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý điều khiển PI theo quy tắc
Ziegler–Nichols 2 với tín hiệu đầu vào dạng step và sử dụng bộ PID theo mơ hình
mơ phỏng ................................................................................................................... 60
Hình 4.8: Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý điều khiển PID theo quy tắc
Ziegler–Nichols 2 với tín hiệu đầu vào dạng step và sử dụng bộ PID theo mơ hình
mơ phỏng ................................................................................................................... 61
Hình 4.9: Kết quả thí nghiệm trên mơ hình vật lý điều khiển PID theo phương pháp
thử sai tín hiệu đầu vào dạng step và sử dụng bộ PID theo mơ hình mơ phỏng ....... 62

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

xiii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: So sánh van on – off và van tỷ lệ.............................................................. 20
Bảng 2.2: Các ứng dụng của van servo và van tỷ lệ ................................................. 24
Bảng 2.3: So sánh van tỉ lệ với van servo ................................................................. 25

Bảng 3.1: Bảng thông số hệ thống ............................................................................ 37
Bảng 3.2: Các thông số KP,KI,KD của bộ điều khiển PID mô phỏng ....................... 49
Bảng 4.1: Các thiết bị thực tế được sử dụng trong mơ hình. .................................... 53
Bảng 4.2: Các thông số KP,KI,KD của bộ điều khiển PID mô phỏng ....................... 58
Bảng 4.3: Tham số bộ điều khiển PID theo quy tắc Ziegler–Nichols 2 ................... 59
Bảng 4.4: Tham số bộ điều khiển PID được sử dụng ............................................... 59
Bảng 4.5: Các thông số KP,KI của bộ điều khiển PID theo quy tắc Ziegler–Nichols 2
................................................................................................................................... 60

Bảng 4.6: Các thông số KP,KI,KD của bộ điều khiển PID theo quy tắc Ziegler–
Nichols 2 ................................................................................................................... 61
Bảng 4. 7: Các thông số KP,KI,KD của bộ điều khiển PID theo phương pháp thử sai
................................................................................................................................... 62

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

xiv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Giới thiệu về van servo và ứng dụng

Lượng tiêu thụ năng lượng của con người ngày càng tăng địi hỏi phải có sự kiểm
soát và yêu cầu nghiêm ngặc của hệ thống điều khiển, sự chú ý được đặt vào lý thuyết,
thiết kế và ứng dụng của các hệ thống điều khiển. Trong đó, thủy lực – một ngành
học rất lâu đời – đã thu hút nhiều sự quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển
thủy lực, chiếm một phần đáng kể trong lĩnh vực điều khiển [9].
Hệ thống thủy lực được ứng dụng trong nhiều ngành nghề trên thế giới như: cẩu trục,
xe cơ giới, các loại máy móc sử dụng trong công nghiệp sản xuất, v.v. Nhờ các ưu
điểm như cấu trúc nhỏ gọn, khả năng chịu lực, chịu tải lớn, khả năng vận hành linh
hoạt nên hệ thống thủy lực có vai trị rất quan trọng và khơng thể thiếu trong cơ cấu
máy móc hiện đại.
Hiện nay, hệ thống thủy lực tích hợp điện – thủy lực – cơ khí khi sử dụng van servo
khơng ngừng được nghiên cứu và phát triển trên nhiều mặt, cải thiện hiệu suất, cơng
suất cho hệ thống, nâng cao tính linh hoạt tùy theo nhu cầu và không gian làm việc

cho từng vị trí sản xuất hay sản phẩm cũng như ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời
sống. Trong đó được chú ý hơn cả là khả năng đáp ứng, tốc độ đáp ứng, tính chính
xác và kiểm sốt năng lượng tiêu thụ được quan tâm hàng đầu. Với sự tiến bộ nhanh
chóng của ngành cơng nghiệp, tự động hóa, phân tích động lực học và điều khiển hệ
thống van thủy lực có sử dụng van tỷ lệ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.
1.2.

Tình hình phát triển về ứng dụng điều khiển vị trí trong thiết kế hệ thống
thủy lực.

Nghiên cứu trong nước:
Nghiên cứu động lực học trong hệ thống thủy lực chuyển động tịnh tiến, điều khiển
vị trí con trượt sử dụng cảm biến dạng biến trở của thầy Trần Xuân Tùy [12].

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.1: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ hở ứng dụng van tỷ lệ khơng có phản hồi
a)
b)

Sơ đồ ngun lý.

Đặc tính lưu lượng (vận tốc).

Trong nghiên cứu, con trượt thay đổi hành trình dịch chuyển thơng qua việc thay đổi

dịng điện đầu vào cấp cho van. Phương pháp trên lợi dụng việc thay đổi tiết diện dẫn
đến lưu lượng dòng chảy qua van bị thay đổi. Sử dụng bộ khuếch đại cấp dòng và
điều khiển bằng điện áp. Vận tốc con trượt (v) được hiệu chỉnh thơng qua bộ khuếch
đại. Trường hợp có tín hiệu đầu ra từ cảm biến vị trí phản hồi theo thời gian thì ta sẽ
được mạch điều khiển vị trí liên tục.

Hình 1.2: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ kín sử dụng van tỷ lệ khơng có phản hồi

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phương pháp điều khiển vị trí của thầy Trần Xuân Tùy trong mạch trên sử dụng bộ
khuếch đại để cấp tín hiệu đầu vào cho hệ thống làm việc, sau đó tín hiệu đầu ra từ
cảm biến vị trí truyền về bộ khuếch đại và so sánh với điện áp điều khiển nhằm san
bằng sự sai lệch. Đến khi sai lệch bằng khơng thì con trượt sẽ dừng lại. Trong đó,
hành trình của piston, chiều dài, điện áp của cảm biến vị trí và điện áp của tín hiệu
đầu vào phải có quan hệ tương thích với nhau. Nhưng ở nghiên cứu này thiết bị được
sử dụng là van tỷ lệ nên khả năng xử lý tín hiệu, đáp ứng của van còn khá nhiều hạn
chế về thời gian hồi đáp tín hiệu, độ rung của van ảnh hưởng đến khả năng điều khiển
vị trí cũng như khơng đạt được sự chính xác mong muốn cho nghiên cứu.
Nghiên cứu ứng dụng valve tỷ lệ trong kỷ thuật điều khiển của Phan Văn Hán và
Phạm Huy Hồng [10].
400mm
y

3


2
1
φ1

250mm

B

x

A
0

Hình 1.3: Ngun lý động học mơ hình thí nghiệm

Hình 1.4: Ảnh thực tế của mơ hình

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong mơ hình ngun lý sử dụng van tỷ lệ của Phan Văn Hán đã sử dụng nguyên lý
bốn khâu phẳng: trong phương thức hoạt động sử dụng một van tiết lưu và một van
on – off để điều khiển vị trí và vận tốc cho xy lanh quay, trong đó hệ thống có tích
hợp sử dụng encoder và thước quang. Hệ thống tương đối đơn giản, chỉ mới nghiên
cứu sơ lược về phương thức hoạt động của van tỷ lệ, hầu như các yếu tố bên ngồi

ảnh hưởng đến hoạt động cũng như q trình làm việc của van chưa được quan tâm
và đầu tư.
Ứng dụng ngoài nước:
PID controller optimization by GA and its performances on the electrohydraulic servo control system[4], bài báo sử dụng phương pháp điều khiển PID trong
hệ thống truyền động để điều khiển vị trí góc quay của thiết bị. Ở đây thuật tốn được
tối ưu hóa bằng phương pháp GA và mô phỏng bằng Simulink. Kết quả thu được
thông được sửa lặp đi lặp lại để tìm ra các thơng số điều khiển thích hợp cho bộ điều
khiển PID.
Active vibration damping in hydraulic construction machinery[1], bài báo
nghiên cứu phương pháp điều khiển van thủy lực để tối ưu hóa khả năng đáp ứng của
hệ thống sử dụng van tỷ lệ thay vì sử dụng van servo đắt tiền. Tổng hợp, so sánh,
phân tích các phương pháp điều khiển (mơ hình hóa, ARC (adaptive robust
controller)) để tìm ra những lợi thế và hạn chế nhằm tìm ra phương pháp có hiệu suất
và độ chính xác tiệm cận nhất với van servo. Nghiên cứu cho thấy được tính chính
xác tại một thời điểm nhất định và so sánh được lợi và hại của các phương thức khác
nhau nhưng chưa đi sâu vào phương thức cụ thể [2].
Optimal sensor placement methodology of hydraulic control system for fault
diagnosis[7], nhằm bù đắp cho đặc tính thời gian đáp ứng chậm so với van servo,
mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra vị trí đặt cảm biến ở vị trí tối ưu nhất trong hệ thống
nhằm thu thập tín hiệu để điều khiển van một cách chính xác nhất, sử dụng một lượng
cảm biến đặt ở các vị trí khác nhau để so sánh sự chênh lệch của chúng với nhau trong
khả năng nhận tín hiệu cũng như trả tín hiệu nhằm tìm ra vị trí đặt cảm biến tốt nhất
giúp tối ưu hóa hiệu năng van tỷ lệ, ngày càng tiếp cận hơn với van servo trong khả

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ


năng điều khiển hệ thống. Nghiên cứu mặc dù hướng đến việc tối ưu hóa khả năng
điều khiển nhưng chưa tập trung, đi sâu vào van tỷ lệ và khả năng điều khiển của van.
1.3.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài.
Thiết lập phương trình động lực học phi tuyến của hệ thống thủy lực – tải trọng

thay đổi, thực hiện tuyến tính hóa để có được phương trình tuyến tính. Từ đó đưa ra
hàm truyền trong phần mềm Matlab để mô phỏng khả năng làm việc của hệ thống.
Tiến hành mô phỏng bằng Matlab Simulink, với bộ PID. Áp dụng bộ PID sau
khi hiệu chỉnh từ thực nghiệm cho mơ hình phi tuyến và đánh giá thời gian và tần số
đáp ứng của hệ thống, từ đó đưa ra các thơng số thích hợp cho hệ thống thực nghiệm
sau này
Sử dụng các thiết bị tương ứng với mô phỏng để lắp đặt trong hệ thống thủy
lực thực tế như van servo, xylanh, ... Hệ thống hướng đến sử dụng Matlab và arduino
để điều khiển từ đó cho ra các biểu đồ. So sánh thực nghiệm và mô phỏng để tinh
chỉnh và cải thiện khả năng hoạt động hệ thống, từ đó hướng đến ứng dụng thực tế
và các nghiên cứu sau này.
1.4.

Đối tượng nghiên cứu
Van servo, xy lanh, cảm biến vị trí được cấp nguồn thủy lực với dầu thủy lực

đạt tiêu chuẩn tại Trung tâm Đào tạo Bảo trì Cơng nghiệp của Đại học Bách khoa
Thành phố Hồ Chí Minh. Tải trọng thay đổi theo thời gian là điều kiện làm việc cần
nghiên cứu để đảm bảo tính chính xác trong điều khiển vị trí và tốc độ cho hệ thống
điều khiển thủy lực.
Nội dung nghiên cứu:
Với mục tiêu trên, đề tài tiến hành thực hiện 3 nội dung chính:

1. Xây dựng mơ hình vật lý, mơ hình tốn dựa trên thiết bị thực tế có sẵn tại
Trung tâm
• Xây dựng mơ hình vật lý bằng phần mềm Automation Studio 6.0
• Xây dựng mơ hình tốn dựa trên mơ hình vật lý có sẵn.
2. Mơ phỏng mơ hình trên Matlab Simulink
• Thiết kế hệ thống trên Matlab Simulink

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

• Vận hành hệ thống và đưa ra các thông số thông qua việc mô phỏng hệ
thống thủy lực
• Xuất ra và so sánh sau khi chạy thực nghiệm trên thiết bị thực tế.
3. Khảo sát trên thiết bị thực tế

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng các ngành cơng nghiệp, hệ thống luôn yêu
cầu rất nhiều yếu tố cần thiết để cải thiện hoạt động sao cho nhanh nhất và hiệu quả
nhất. Trong đó, động lực học đóng vai trị rất quan trọng trong việc đảm bảo chất

lượng cho thiết bị và sản phẩm. Thơng qua việc phân tích động lực học nhằm tìm ra
các thơng số giúp đáp ứng và phù hợp với yêu cầu người sử dụng về tính ổn định, độ
chính xác và thời gian đáp ứng cũng như hết sức cần thiết cho một mẫu máy mới.
Vấn đề hiện nay đang rất được quan tâm và chú ý.
Song song với việc phát triển của các ngành nghề tiêu biểu trong các lĩnh vực nòng
cốt như lĩnh vực điện, điện tử, công nghệ thông tin, tự động hóa, hệ thống tự động
điện – thủy lực ngày càng được xúc tiến và áp dụng vào các thiết bị cơng nghiệp u
cầu cao về tính ổn định và độ chính xác cao, hướng đến lợi nhuận cao nhất cho doanh
nghiệp. Được ứng dụng trong các thiết bị như máy CNC, các dây chuyền đóng gói,
dây chuyền sản xuất cơng nghệ cao, đảm bảo an toàn thực phẩm, hệ thống sản xuất
tự động linh hoạt cũng như Robot công nghiệp,... Do vậy, nghiên cứu động lực học
cho hệ thống thủy lực chính là nhu cầu thiết yếu và rất cần thiết, giúp cho việc khai
thác, sử dụng thiết bị sao cho hiệu quả nhất, mang đến thuận lợi cho người sử dụng
cũng như nghiên cứu thiết kế thiết bị mới cho công nghiệp và sản xuất.
Hệ thống thủy lực điều khiển bằng van đang dần lan tỏa rộng rãi trong tất cả các
ngành, các khâu của một hệ thống công nghiệp. Tuy nhiên nhược điểm cố hữu trước
nay vẫn tồn tại đấy chính là khả năng điều khiển bằng van truyền thống có hiệu quả
rất thấp và hạn chế nhiều mặt do yếu tố điều khiển tiết lưu và công suất vẫn chưa
thực sự chính xác. Một hệ thống truyền động thủy lực vịng kín sẽ có hiệu năng cao
và tiết kiệm năng lượng, hơn nữa, hệ thống tái tạo năng lượng, hiệu quả cao ngay cả
khi chỉ chạy một phần cơng suất[5]. Vì vậy, thì hệ thống thủy lực điều khiển bằng van
servo chính là lựa chọn phù hợp, trong đề tài này, hệ thống thủy lực sử dụng van
servo để điều khiển vị trí được đề xuất và nghiên cứu.

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ


2.1.

Hệ thống thủy lực cơ bản

Hệ thống thủy lực cơ bản bao gồm nhiều thành phần riêng biệt với nhau kết hợp lại
tạo thành một hệ thống truyền động thủy lực như mong muốn. Cấu trúc cơ bản của
hệ thống thủy lực được thể hiện [3], được thể hiện qua hình 2.1.

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống thủy lực cơ bản
Hệ thống thủy lực cơ bản bao gồm:
-

Nguồn cấp dầu thuỷ lực (máy bơm chuyển đổi cơ năng thành thủy lực), các

thiết bị điều chỉnh và điều khiển hoạt động (van, cảm biến, vv).
-

Các cơ cấu chấp hành như: xi lanh hoặc động cơ (cung cấp cơ năng cho hệ

thống)
-

Các thiết bị khác (đường ống, dụng cụ đo, vv). Dầu thủy lực mang thủy lực sẽ

được truyền qua các đường ống và được điều khiển thông qua các thiết bị, các loại
van khác nhau; Các chức năng của một hệ thống thủy lực có thể mơ tả như sau:
-

Bơm dầu chuyển đổi công suất (cơ) truyền từ động cơ chính (ta có thể sử dụng


động cơ điện hoặc động cơ diesel) sang công suất thủy lực (lưu lượng và áp suất);
-

Van được dùng để điều khiển hướng dịng chảy từ bơm, song song đó cịn có

thể điều chỉnh mức công suất, lượng dầu đi sẽ được kiểm sốt cũng như cơng suất

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

của bộ chuyển động sẽ được điều khiển một cách chính xác. Sau đó, có thiết bị truyền
động tịnh tiến (xi lanh) hoặc là bộ truyền động quay (động cơ) dùng để chuyển đổi
công suất thủy lực sang công thức cơ học theo nhu cầu sử dụng.
-

Dầu thủy lực đóng vai trị quan trọng trong hệ thống, là lưu chất để truyền

năng lượng cũng như bôi trơn các phần tử, điều khiển van và làm mát hệ thống;
-

Các bộ nối và ống dẫn, dẫn dầu và kết nối các phần tử hệ thống thủy lực lại

thành một hệ thống;
-


Thiết bị chứa và bảo quản chất lỏng đảm bảo đủ chất lượng, số lượng và làm

mát chất lỏng.
2.2.

Các tính chất cơ bản của chất lỏng thủy lực (dầu thủy lực)

Dầu thủy lực đóng vai trị quan trọng trong việc truyền tải năng lượng cho hệ thống.
2.2.1. Độ nhớt
Chất lỏng chịu ứng suất cắt, τ [3] do sự ma sát của hai lớp chất lỏng.

 =

du
dy

(2.1)

Hệ số độ nhớt động, μ, thu được từ tỷ lệ ứng suất cắt và tốc độ cắt

=
Trong đó:

τ là ứng suất cắt, N/m2



(2.2)

du / dy


 là hệ số nhớt động, Ns/m2,

Hình 2.2: Dịng chảy và ứng suất cắt

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đối với chất lỏng Newton thì hệ số nhớt động,  ,không phụ thuộc vào gradient vận
tốc mà phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ.
Hệ số nhớt động học μ là tỷ số của hệ số nhớt động và mật độ chất lỏng:

=
Trong đó:




(2.3)

μ là hệ số nhớt động học, m2/s

 là mật độ chất lỏng, kg/m3
Hệ số nhớt động học, μ, thường được biểu thị bằng stroke (St), trong đó 1 St = 10-4
m2/s.[3]
2.2.2. Độ nén của dầu thủy lực

Độ nén của chất lỏng được định nghĩa là khả năng thay đổi thể tích của nó trong điều
kiện áp suất bị thay đổi. Đối với chất lỏng ngun chất, ta có cơng thức về mối tương
quan của sự thay đổi thể tích và thay đổi áp suất như sau:

B=−
2.3.

P
dP
B
dP
dP dV
=−
=−
=−
/
hoặc
V / V
dV / V
V
dV
dV dt

(2.4)

Đường truyền thủy lực

Đường kính ống cứng có thể được chọn như sau

d=

Trong đó:

4Qmax
 .v

(2.5)

d là đường kính trong của ống, m
Qmax là lưu lượng dòng tối đa, m3/s
v vận tốc dịng trung bình, m/s

Ta có một số loại ống cứng như sau[3]:

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.3: Các đầu nối thường được sử dụng
Đường kính ống mềm có thể được chọn như sau:

d=
Trong đó:

4Qmax
 .v

(2.6)


d là đường kính trong của ống, m
Qmax là lưu lượng dòng tối đa, m3/s
v vận tốc dòng trung bình, m/s

Ta có một số cách nối ống mềm như sau [3]:

Hình 2.4: Phương pháp nối ống thơng dụng
2.4.

Bơm thủy lực

Chức năng chuyển đổi năng lượng chính trong hệ thống thủy lực được thực hiện bởi
máy bơm và bộ phần truyền động (động cơ và xy lanh). Bơm thủy lực đóng vai trị
cung cấp áp suất cho chất lỏng sau khi đẩy ra khỏi buồng bơm, chuyển đổi năng lượng

KHOA: CƠ KHÍ ĐHBK TP.HCM

11