PHAN VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH : CƠ KHÍ

NGÀNH CƠ KHÍ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
CỦA HỆ THỐNG XI LANH – PISTON SERVO KHÍ NÉN

PHAN VĂN

2005 - 2007
HÀ
NỘI
2007

HÀ NỘI 2007


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN VĂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
CỦA HỆ THỐNG XI LANH – PISTON SERVO KHÍ NÉN

CHUYÊN NGÀNH : MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CƠ KHÍ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS PHẠM VĂN HÙNG

HÀ NỘI – 2007


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU

TRAN
G

1
2
5
7
8

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KHÍ NÉN

1.1. VÀI NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN
1.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN
1.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.3.2. CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.3.3. PHẦN TỬ MẠCH LOGIC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC TRONG
KHÍ NÉN
1.4. TRẠNG THÁI DỊNG KHÍ NÉN ĐƯỢC QUA MIỆNG XẢ LÝ
TƯỞNG
L.4.1. GIỚI THIỆU
1.4.2. TRẠNG THÁI NHIỆT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ
1.4.3. MỘT SỐ KIỂU DỊNG CHẢY
1.4.4. MỘT SỐ CƠNG THỨC CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ LÝ
TƯỞNG
1.4.5. MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN LIÊN QUAN ĐẾN DỊNG KHÍ LÝ
TƯỞNG
1.4.6. DỊNG KHÍ ĐI QUA MIỆNG XẢ PHÌNH RA
1.4.7. DỊNG CHẢY ĐI QUA HỌNG THẮT - MỞ
1.4.8. TÍNH TỐN DỊNG CHẢY QUA HỌNG THỐT LÝ
TƯỞNG

10
10
10
11
11
13
19

CHƯƠNG 2 - LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

2.1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
2.2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
2.2.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỞ
2.2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍN
2.2.3. CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ĐIỀU KHIỂN
2.3. ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VÀ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ ĐIỀU
KHIỂN
2.3.L. ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ
2.3.2. CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG

36
36
37
37
37
38
39

CHƯƠNG 3 - NHẬN DẠNG VÀ MƠ HÌNH HĨA VAN TỶ LỆ VÀ
XY LANH KHÍ NÉN

44

22
22
22
26
26
27

29
30
31

39
40


3.1. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA VAN TỶ LỆ
5/3
3.1.1. GIỚI THIỆU
3.1.2. TÍNH TỐN LƯỢNG KHÍ NÉN ĐIỀU KHIỂN VAN
3.1.3. MÔ PHỎNG CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA VAN TỶ LỆ
5/3
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH MA SÁT
3.2.1. GIỚI THIỆU
3.2.2. MA SÁT TIẾP XÚC
3.2.3. MỘT SỐ MƠ HÌNH MA SÁT
3.2.4. NHẬN DẠNG MA SÁT
3.3. MÔ PHỎNG CƠ CẤU DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
3.3.L. GIỚI THIỆU
3.3.2. CƠ CẤU DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN
3.3.3. PISTON VÀ KHẢ NĂNG MANG TẢI
3.3.4. MƠ PHỎNG Q TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA XY LANH
3.4. MƠ PHỎNG TỒN BỘ HỆ THỐNG

44

CHƯƠNG 4 - XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN THIẾT KẾ BỘ
ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN

4.1. ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
4.1.1. KÍCH THÍCH TÍN HIỆU
4.1.2. MƠ HÌNH KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI CỦA HỆ
THỐNG SERVO VỊ TRÍ KHÍ NÉN
4.1.3. KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN VÂ QUAN SÁT
4.1.4. TRẠNG THÁI PHẢN HỒI
4.1.5. CỰC THAY THẾ (POLE PLACEMẸNT)
4.2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

78

CHƯƠNG 5 - THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SERVO VỊ TRÍ CHO CỤM XYLANH KHÍ NÉN
5.1. XÂY DỰNG CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THỰC NGHIỆM
5.1.1. CƠ CẤU CHẤP HÀNH
5.1.2. CÁC PHẦN TỬ XỬ LÍ
5.1.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN
5.1.4. BỘ PHẬN TẠO NĂNG LƯỢNG
5.2. MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
5.2.1. SƠ ĐỒ MẠCH
5.2.2. GIAO DIỆN MÀN HÌNH VÀ MÃ NGUỒN CHO CHIP
8051
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

85

44

46
49
52
52
52
56
59
64
64
64
66
66
68

78
78
79
80
81
82
82

85
85
85
86
86
87
87
89

106
107


Luận văn thạc sỹ khoa học

1

LI CM N
Tỏc gi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Phạm Văn Hùng đã tận tình hướng
dẫn, cung cấp tài liệu trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn. PGS đã dành
nhiều thời gian, công sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn
thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ mơn Máy và Ma
sát học, Khoa Cơ khí, Trường ĐHBK Hà nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn cũng như toàn bộ khóa học.

Học viên
Phan Văn


Luận văn thạc sỹ khoa học

2

DANH MC CC Kí HIU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu ý nghĩa

Đơn vị


NHIỆT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ
v

Vận tốc

m/s

A

Diện tích

m2

t

Thời gian

s

p

áp suất tuyệt đối

Pa

R

Hằng số khí

Nm/(Ks.K)


ρ

Tỷ trọng chất khí

kg/m3

T

Nhiệt độ phịng

K

u

Nhiệt độ riêng

J/kg

υ

Thể tích riêng

m3/kg

Cυ

Nhiệt độ riêng tại hằng số thể tích

J/kg.K


Cp

Nhiệt độ riêng tại hằng số áp suất

J/kg.K

κ

Hằng số đẳng Entropy

s

Entropy riêng

J/kg.K

m

Khối lượng khí

kg

DỊNG CHẢY NÉN ĐƯỢC
c

Tốc độ âm thanh

Mn


Số Mach

ψ

Hệ số lưu lượng

ψT

Hệ số lưu lượng của miệng xả lý tưởng

ψC

Hệ số lưu lượng khi nạp của van

ψD

Hệ số lưu lượng khi xả của van

b

Tỷ lệ áp suất tới hạn

m/s

HỆ THỐNG KHÍ NÉN
PS

áp suất nguồn

bar



Luận văn thạc sỹ khoa học

3

u

in ỏp iu khin

v

US

in ỏp bão hoà điều khiển van

v

U0

Điện áp tại vùng chết

v

M

Khối lượng tổng cộng bàn trượt

kg


L

Chiều dài xy lanh

m

x

Vị trí con trượt

m

QUÁ TRÌNH MA SÁT
FN

Lực tác dụng

N

Ff

Lực ma sát

N

FC

Lực ma sát Coulomb

N


FS

Lực ma sát tĩnh

N

vs

Vận tốc Stribeck

m/s

z

Trạng thái biến thiên nhám bề mặt

Fh

Lực ma sát trễ

N

Fb

Lực ma sát trễ tại điểm bắt đầu đường cong chuyển tiếp

N

Fd(Z)


Hàm ma sát trễ

N

σ0

Độ cứng tuyệt đối

σ1

Hệ số ma sát ướt phân tử

σ2

Hệ số ma sát ướt
MƠ HÌNH MA SÁT KHẢO SÁT

z

Chiều cao nhấp nhơ trung bình đàn hồi

mm

zb

Chiều cao nháp nhơ trung bình đàn hồi lại điểm bị phá vỡ

mm


k

Hệ số cứng tuyệt đối

N/mm

F

Lực

N

δ

Hệ số mũ ma sát Stribeck

FC1

Lực ma sát Coulomb khi tăng tốc độ

N

FC2

Lực ma sát Coulomb khi giảm tốc độ

N

σ1


Hệ số ma sát ướt khi tăng tốc độ

N/(m/s)

σ2

Hệ số ma sát ướt khi giảm tốc độ

N/(m/s)


Luận văn thạc sỹ khoa học

4

IU KHIN V TR
P

Ma trn chuyển của mơ hình khơng gian trạng thái

Q

Ma trận đầu vào của mơ hình khơng gian trạng thái

R

Ma trận đầu ra của mơ hình khơng gian trạng thái

x


Vectơ trạng thái

u

Tín hiệu vào

s

Giá trị biến đổi Laplace

xd

Vectơ trạng thái mong muốn

uff

Tín hiệu cấp

G

Hàm truyền

y

Vị trí y

m

x


Vị trí x

m


Luận văn thạc sỹ khoa học

5

DANH MC CC HèNH V, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ mạch điều khiển xy lanh
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển và các phần tử của mạch điều khiển
Hình 1.3: Cấu trúc của mạch điều khiển và các phần tử
Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều & ký hiệu cửa nối
Hình 1.5: Ký hiệu các loại van chắn
Hình 1.6: Ký hiệu van tiết lưu
Hình 1.7a: Kí hiệu xi lanh tác dụng đơn
Hình 1.7b: Ký hiệu xi lanh khơng có cần piston
Hình 1.7c: Xilanh màng (Hãng EFFBE)
Hình 1.8: Các phần tử cơ bản của mạch logic
Hình 1.9: Cấu trúc bộ điều khiển PLC
Hình1.10: Minh họa chu trình làm việc của PLC
Hình 1.11: Các ví dụ về 3 kiểu ngơn ngữ lập trình trên PLC
Hình 1.12: Thể tích qui ước để xác định dịng khí đẳng Entropy
Hình 1.13: Biểu thị mối quan hệ giữa

A
với M trong trường hợp khí lý tưởng
A*


đẳngEntropy với κ = 1,4
Hình 1.14: Đặc tính dịng chảy qua họng thắt có biến thiên áp suất ngược
Hình 1.15: Đường biểu diễn áp suất qua miệng xả thắt – mở
Hình 1.16: Dịng khí đi qua miệng xả lý tưởng
 p2 

 p1 

Hình 1.17: Hệ số lưu lượng lý tưởng ψ 

Hình 2.l: Sơ đồ chức năng của hệ thống điều khiển tự động
Hình 2.2: Sơ đồ khối các phần tử của hệ điều khiển tự động
Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển hệ hở
Hình 2.4: Sơ đồ hệ điều khiển kín
Hình 2.5: Các trạng thái làm việc của hệ điều khiển tự động
Hình 2.6. Sơ đồ phân tích chất lượng hệ điều khiển tự động
Hình 2.7. Đặc tính của đáp ứng q độ
Hình 3.1: Cấu tạo cơ bản của van tỷ lệ 5/3
Hình 3.2: Sơ đồ van tỷ lệ 5/3 với hệ thống phản hồi tín hiệu


Luận văn thạc sỹ khoa học

6

Hỡnh 3.3: S vn hnh của van 5/3
Hình 3.4: Tác động của diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 1, 4
Hình 3.5: Tác động của diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 1, 2
Hình 3.6: Tác động của diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 2, 3
Hình 3.7: Tác động của diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 4, 5

Hình 3.8: Sơ đồ van tỉ lệ 5/3 vói hệ thống phản hồi tín hiệu
Hình 3.9: Mơ hình mơ phỏng trên Matlab Simulink của van Servo
Hình 3.10: Mơ phỏng áp suất và tỷ lệ khối lượng qua van tỷ lệ
Hình 3.11: Mơ tả bề mặt tiếp xúc tế vi giữa hai khối rắn
Hình 3.12: Mơ tả q trình tiếp xúc thực giữa hai bề mặt cơng nghệ
Hình 3.13: Trạng thái đàn hồi trong vùng tiếp xúc
Hình 3.14: Trạng thái tổng quát của lực ma sát
Hình 3.15: Hiện tượng trễ của lực ma sát
Hình 3.16: Đường cong Stribeck - Các miền biểu hiện sự phụ thuộc của hệ sốma sát
vào áp suất và vận tốc trượt
Hình 3.17: Hiện tượng ma sát giữa 2 bề mặt tiếp xúc
Hình 3.18: Cơ chế trễ ma sát cua dịch chuyển ban đầu
Hình 3.19: Gia tốc đo được
Hình 3.20: Lực phá vỡ và khoảng dịch chuyển theo hai hướng
Hình 3.21: Tuyến tính hóa nhánh trễ của dịch chuyển ban đầu
Hình 3.22: Đồ thị biểu hiện sự phụ thuộc ma sát vào vận tốc
Hình 3.23: Xy lanh khí nén khơng có thanh đẩy
Hình 3.24: Biểu diễn các thơng số trong xy lanh khí nén
Hình 3.25: Mơ hình mơ phỏng cơ cấu xy lanh khí nén
Hình 3.26: Mơ phỏng áp suất tương ứng nạp – xả trong buồng xy lanh
Hình 3.27: Sơ đồ mơ phỏng tồn bộ q trình
Hình 3.28: Khối block Simulink mơ phỏng tồn bộ q trình
Hình 3.29: Biểu diễn kết quả mơ phỏng q trình với tải nhẹ
Hình 3.30: Biểu diễn kết quả mơ phỏng q trình với tải trung bình
Hình 3.31: Biểu diễn kết quả mơ phỏng quá trình với tải lớn nhất
Hình 4.l: Sơ đồ khối của hệ thống servo vị trí khí nén
Hình 4.2: Graph tín hiệu của hệ thống servo vị trí khí nén
Hình 4.3: Hệ điều khiển khí nén với bộ điều khiển



Luận văn thạc sỹ khoa học

7

Hỡnh 5.1: S tng quan hệ thống điều khiển servo vị trí khí nén
Hình 5.2: Sơ đồ mạch điều khiển xy lanh khí nén
Hình 5.3: Sơ đồ mạch điện điều khiển
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các tham số An của hệ số lưu lượng ψD
Bảng 3.2: Các tham số xác định trên đồ thị tuyến tính Fd(z)


Luận văn thạc sỹ khoa học

8

M U
I. Lí DO CHN ĐỀ TÀI
Điều khiển vị trí với hệ thống điều khiển servo khí nén thường bị cản trở bởi
các hệ phi tuyến xuất hiện trong hệ thống, như quan hệ phi tuyến giữa áp suất, lưu
lượng khí khi đi qua các tiết diện khác nhau của cửa van tỷ lệ; độ nén được của
khơng khí; quan hệ ma sát phi tuyến khi có sự tiếp xúc giữa piston với xy lanh...
Để khắc phục sự giới hạn của hệ thống điều khiển vị trí khí nén và nhằm
mục đích mơ phỏng hệ thống, các mối quan hệ phi tuyến cần phải được nghiên cứu
kỹ và mẫu hố.
Chính vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều
khiển vị trí của hệ thống xi lanh – piston servo khí nén“, nghiên cứu các đặc tính
phi tuyến của các phần tử khác nhau trong hệ thống điều khiển vị trí xi lanh khí nén
và xây dựng mơ hình.
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trên thế giới, bắt đầu từ khoảng năm 2000 trở lại đây đã có nhiều cơng trình
nghiên cứu về hệ thống điều khiển servo vị trí trong khí nén của nhiều nhóm tác giả
ở các nước. Nội dung nghiên cứu đa dạng, như: tính phi tuyến và các nhân tố ảnh
hưởng đến hệ thống, ứng dụng trong công nghệ nano, nghiên cứu với điều khiển
mờ, hệ thống điều khiển servo khí nén dùng biến đổi áp suất – biến đổi lưu lượng...
Tại Việt Nam, việc sử dụng van tiết lưu để điều khiển hệ thống khí nén là
khá phổ biến, nhưng việc nghiên cứu sâu và chi tiết về vấn đề này hầu như khơng
có sự đề cập đến. Vì vậy, đề tài mong muốn góp phần kết quả bước đầu cho một
mảng mới trong nghiên cứu về khí nén và điều khiển servo khí nén.
III. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ
TÀI
Mục đích của đề tài là xây dựng mơ hình điều khiển vị trí của hệ thống xi
lanh – piston khí servo khí nén trong điều kiện kỹ thuật Việt Nam


Luận văn thạc sỹ khoa học

9

Phm vi nghiờn cu gm 3 phần: Nghiên cứu về khí nén, điều khiển servo
trong xi lanh – piston khí nén; xây dựng mơ hình điều khiển vị trí hệ thống xi lanh –
piston khí nén; mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink.
IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Góp phần nghiên cứu và hoàn thiện lý thuyết về điều khiển vị trí đối với hệ
thống servo khí nén dưới tác động của các hệ phi tuyến xuất hiện trong hệ thống,
xây dựng mơ hình điều khiển vị trí của hệ thống xi lanh – piston khí servo khí nén
trong điều kiện kỹ thuật Việt Nam


Luận văn thạc sỹ khoa học


10

CHNG 1
TNG QUAN V KH NÉN
1.1. VÀI NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN
ứng dụng khí nén đã có từ thời kỳ trước cơng ngun. Khái niệm
“Pneumatica” cũng đã xuất hiện trong thời gian này.
Vào thế kỷ 17, kỹ sư người Đức Otto Van Guerike, nhà toán học và triết học
Pascal (Pháp), nhà vật lý Denis Papin đã xây dựng nền tảng cơ bản ứng dụng khí
nén. Trong thế kỷ 19, các máy móc, thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt
được phát minh như: phanh bằng khí nén, các đường ống dẫn khí nén lớn được chế
tạo để cung cấp cho các nơi tiêu thụ...
Với sự phát triển của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng khí nén bị
giảm dần. Tuy nhiên, nó vẫn đóng một vai trị hết sức quan trọng, chủ yếu ở những
lĩnh vực mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ rất nguy hiểm như: sử dụng năng lượng
bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ nhưng chuyển động với vận tốc lớn; sử dụng
trong các thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh... và nhiều nhất là trong các
dụng cụ, đồ gá, kẹp trong các máy gia cơng.
Ngày nay, việc ứng dụng năng lượng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát
triển rất mạnh. Với những thiết bị, dụng cụ, phần tử khí nén mới được sáng chế và
ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự kết hợp khí nén với điện - điện tử là
nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai.
1.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN
Ưu điểm:
- Nguồn khí nén là vơ hạn (khơng khí), khả năng chịu nén lớn nên có thể
trích, chứa khí nén thuận lợi. Chi phí để thiết lập một hệ truyền động bằng khí nén
thấp.
- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, độ an tồn làm
việc cao trong các mơi trường dễ cháy, nổ; có thể làm việc trong các mơi trường

khắc nghiệt (phóng xạ, hố chất... ).


Luận văn thạc sỹ khoa học

11

- Cỏc van khớ nộn phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành
logic, do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp, máy móc phức tạp. Kết
cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản.
- Hệ thống khí nén sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trường, có khả năng truyền
tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít.
Nhược điểm:
- Lực truyền tải trọng thấp. Độ ồn khí thoát ra ở đường dẫn cao.
- Các hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn so với các hệ thủy lực
có cùng cơng suất.
- Tính nén được của khơng khí lớn nên ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng
làm việc của hệ thống. Vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén khá lớn nên dễ
xảy ra va đập ở cuối hành trình.
Mặc dù có những hạn chế nhưng hệ truyền động khí nén vẫn được sử dụng
rất rộng rãi trong các thiết bị điều khiển, tự động hoá. Hiện nay, trong lĩnh vực điều
khiển thường kết hợp hệ thống điều khiển khí nén với cơ, điện, điện tử nên rất khó
xác định rõ những ưu, nhược điểm của từng hệ điều khiển.
1.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
1.3.1. Khái niệm cơ bản
Khái niệm “ Điều khiển ” theo tiêu chuẩn DIN 19226 được định nghĩa: Là
q trình của một hệ thống, trong đó dưới tác động của một hay nhiều đại lượng
vào, những đại lượng ra được thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ thống đó.
Ví dụ về mạch điều khiển đơn giản của xy lanh (hình 1.1):



Luận văn thạc sỹ khoa học
xe1

12
xa1 = xe2

1

xa2 = xe3

2

3

xa3

xa3
xe3
xe2

xe1

Hỡnh 1.1: Sơ đồ mạch điều khiển xy lanh
Dưới tác động của đại lượng vào xe1 (nút bấm của van đảo chiều 3/2), đại
lượng ra xa1 (khí nén) sẽ qua van đảo chiều. Đại lượng ra xal coi như là đại lượng
vào xe2 của phần tử tiếp theo, tác động vào phần tử 2 làm thay đổi vị trí của van đảo
chiều. Tiếp tục tín hiệu ra xa2 là tín hiệu vào xe3 tác động vào xy lanh. Quá trình xy
lanh đi ra là tín hiệu xa3.
Một hệ thống điều khiển bao gồm:

- Đối tượng điều khiển: là các loại thiết bị, máy móc trong kỹ thuật.
- Thiết bị điều khiển (mạch điều khiển): bao gồm phần tử đưa tín hiệu, phần
tử xử lý và điều khiển, cơ cấu chấp hành.
- Tín hiệu điều khiển là đại lượng ra xa của thiết bị điều khiển và đại lượng
vào xe của đối tượng điều khiển.
- Tín hiệu nhiễu z là các đại lượng tác động từ bên ngoài vào hệ thống và gây
ảnh hưởng xấu đến hệ thống.

TÝn hiƯu nhiƠu z
§ è i t u ợ ng

Dây chuyền sản xuất

xe

Tín hiệu điều khiển

xe1

xa
t h i ết bịđi ều k h i ển

xe2

đi Òu k h i Ón


Luận văn thạc sỹ khoa học

13


a) S h thng điều khiển
ph Çn t ư x ư l ý

ph Çn t ử đU a t ín h i ệu

v à ®i Ịu k h i Ĩn

c ¬ c Êu c h Êp h µn h

b) Các phần tử của mạch điều khiển
Ví dụ:

Ví dụ:

Ví dụ:

- Cơng tắc, nút bấm

- Van đảo chiều

- Xy lanh

- Cơng tắc hành trình

- Van chắn (van một chiều, - Động cơ khí nén

- Cảm biến bằng tia

van logic OR, AND)


- Bộ biến đổi áp lực

- Van tiết lưu
- Van áp suất
- Phần tử chuyển đổi tín hiệu
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển và các phần tử của mạch điều khiển
Thơng tin (tín hiệu vào xe và tín hiệu ra xa) để cho mạch điều khiển bằng khí
nén tuân theo một qui luật định sẵn có thể thực hiện được là tín hiệu áp suất. Đại
lượng đặc trưng của tín hiệu, giá trị áp suất được gọi là thơng số tín hiệu.
Khi tín hiệu áp suất được thay đổi liên tục, tương ứng những giá trị áp suất
khác nhau sẽ nhận được những thông tin khác nhau, gọi là tín hiệu tương tự. Khi tín
hiệu là biên độ thay đổi gián đoạn gọi là tín hiệu rời rạc.
Khi giá trị của tín hiệu thay đổi được định nghĩa dưới dạng mã nhị phân gọi
là tín hiệu số. Tín hiệu nhị phân là tín hiệu số chỉ có hai giá trị 0 và l và tín hiệu bộ
ba là tín hiệu số có ba giá trị.
Điều khiển bằng khí nén phần lớn sử dụng tín hiệu nhị phân.
Kỹ thuật điều chỉnh: Điều chỉnh là quá trình thực hiện điều khiển có phản
hồi. Tín hiệu ra được đo liên tục và so sánh với giá trị đầu vào. Chênh lệch giữa giá
trị đầu vào - đầu ra được thông báo cho thiết bị điều khiển để bộ điều chỉnh tạo ra
tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng điều khiển. Mạch điều khiển có cấu trúc
như vậy gọi là mạch điều khiển kín (mạch điều khiển có phản hồi).
1.3.2. Các phần tử trong hệ thống điều khiển
Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất một mạch điều khiển (open - loop
control system).


Luận văn thạc sỹ khoa học

14

Đ ối t u ợ ng điều khiển

1.5

Đ ạ i l u ợ ng ra
(dịch chuyển vật thể)

1.4
1.3

A

B
P R

Cơ cấu chấp hành

Cá c phần tử ®iỊu khiĨn

P2

P1
A

A

A

PhÇn tư xư lý tÝn hiƯu


0.2
PhÇn tư ®u a tín hiệu
0.1

A

Đ ạ i l u ợ ng vào
(l u u l u ợ ng, á p suất...)

P R

Hỡnh 1.3: Các phần tử trong cấu trúc của mạch điều khiển
Mạch điều khiển thường có các phần tử sau:
- Phần tử đưa tín hiệu: nhận những giá trị của đại lượng vật lý làm đại
lượng vào. Chúng là các phần tử đầu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ: van đảo
chiều, rơle áp suất,...
- Phần tử xử lý tín hiệu: xử lý tín hiệu vào theo một quy tắc logic xác định,
làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van tiết lưu,
van logic OR, AND...
- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng) theo yêu cầu
làm thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành. Ví dụ: van đảo chiều, ly hợp,...
- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại
lượng ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xy lanh, động cơ...
Dưới đây là một số phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển
1.3.2.1. Van đảo chiều
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dịng năng lượng bằng cách thay đổi
vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dịng khí nén.


Luận văn thạc sỹ khoa học


15

Cỏc van o chiu c ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái
o, a, b, c... hay các chữ số 0, l,...
ISO 5599

ISO 1219

Cổng nơí với nguồn cung cấp

1

P

Cổng nối làm việc

2, 4, 6,...

A, B, C,...

Cổng nối xả khí

3, 5, 7,...

R, S, T,...

Cổng nối tín hiệu điều khiển

1.2, 1.4,...


X, Y,...

Th©n van

KhÝnÐn ra (2)

Lõi van
(Piston điều khiển)

Tín hiệu tá c
động (12)

Lò xo
Nối vớ i nguồn
khínén (1)

Xả khí(3)

4(B)
Cửa nối điều khiển 14 (Z)

2(A)
0

1

12 (Y) Cưa nèi ®iỊu khiĨn

Cưa 1 nèi ví i cưa 4

Cưa 1 nèi ví i cưa 2
Cưa x¶ khÝcã mèi
3(R) Cửa xả khíkhông có mối nối
5(S) 1(P)
nối cho ống dẫn
cho èng dÉn
Nèi ví i ngn khÝnÐn

Hình1.4: Ngun lý hoạt động van đảo chiều & ký hiệu cửa nối
Các van đảo chiều có thể được tác động bằng các cách sau:
- Tác động bằng tay: nút bấm, tay gạt, bàn đạp.
- Tác động bằng cơ: đầu đó, cữ chặn bằng con lăn, tác động l hoặc 2 chiều; lò
xo;...
- Tác động bằng khí nén.


Luận văn thạc sỹ khoa học

16

- Tỏc ng bng nam châm điện: trực tiếp; bằng nam châm điện và van phụ
trợ...
1.3.2.2. Van chắn
Là loại van chỉ cho dòng năng lượng đi theo một chiều. Van chắn gồm có các loại
van sau: van một chiều, van logic OR, van logic AND, van x khớ nhanh.

Kíhiệu
A

B

A
Vòng đệm kín

B

Côn của van

a) Van mt chiều
A
KÝhiÖu
A
P1

P2

P1

P2

b) Van logic OR
A
KÝhiÖu
P1

P2

c) Van logic AND

A
P1


P2


Luận văn thạc sỹ khoa học

17

A

P

Kíhiệu
A

R
P

R

d) Van x khớ nhanh
Hỡnh 1.5: Ký hiệu các loại van chắn
1.3.2.3. Van tiết lưu
Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dịng chảy. Nguyên lý làm việc của
nó là lưu lượng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện. Van tiết lưu gồm
có: loại có tiết diện khơng thay đổi; loại có tiết diện thay đổi được; van tiết lưu một
chiều.
A

B


a) Ký hiệu van có tiết diện khơng thay đổi
VÝt ®iỊu chØ
nh
KÝhiƯu
A

B

TiÕt diƯn khe hë Ax
A

B

b) Van có tiết diện thay đổi được
VÝt ®iỊu chØ
nh b»ng tay
Khe hë cã tiết diện A
Lò xo
Màng chắn
Kíhiệu
B

A

c) Van tit lu mt chiu

A

B



Luận văn thạc sỹ khoa học

18

Hỡnh 1.6: Ký hiu van tiết lưu
Các loại van giới thiệu ở trên là các phần tử chính của một hệ thống điều
khiển bằng khí nén. Ngồi ra cịn có các phần tử khác như:
- Van áp suất: van an toàn, van tràn, rơ le áp suất,...
- Cảm biến khí nén.v.v...
1.3.2.4. Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành các
chuyển động cơ học. Nó có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động
quay.
Cơ cấu chấp hành gồm có:
Xy lanh:
Xy lanh có loại tác dụng đơn, tác dụng kép, xy lanh màng, xy lanh không có
cần piston,...

Hình 1.7a: Kí hiệu xi lanh tác dụng đơn
(Loại chiều tác động ngược lại do ngoại lực tác động – Loại chiều tác động
ngược lại do lò xo tác động)

Hình 1.7b: Ký hiệu xi lanh khơng có cần piston


Luận văn thạc sỹ khoa học

19

á p suất P
á p st P

¸ p st P

a.

b.

Hình 1.7c: Xilanh màng (Hãng EFFBE)
a) Xi lanh màng kiều cuộn

b) Xi lanh màng kiểu hộp

Động cơ khí nén:
Chúng có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của khí nén
thành năng lượng cơ học - chuyển động quay.
Động cơ khí nén gồm có:
- Động cơ bánh răng.
- Động cơ tua bin.
- Động cơ trục vít.
- Động cơ cánh gạt.
- Động cơ màng.
1.3.3. Phần tử mạch logic và điều khiển PLC trong khí nén
1.3.3.1. Các phần tử cơ bản của mạch logic
Điều khiển bằng khí nén phần lớn sử dụng tín hiệu nhị phân. Trong sơ đồ
mạch khí nén, chúng được biểu diễn bằng các phần tử logic cơ bản dưới đây:


Luận văn thạc sỹ khoa học


20
Số
TT

Ký hiệu

Tên gọi

1

1

No t

1

&

an d

1

&

n an d

1

>1


or

1

>1

No r

6

=1

xo r

Hình 1.8: Các phần tử cơ bản của mạch logic
1.3.3.2. Điều khiển PLC đối với mạch khí nén
PLC là bộ điều khiển khả năng lập trình (Programable Logical Controller).
PLC cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn
ngữ lập trình. Một bộ điều khiển lập trình được sẽ liên tục lặp trong chương trình do
người viết và chờ tín hiệu ở cổng vào để xuất tín hiệu ở cổng ra. Bộ điều khiển PLC
được thiết kế theo các hướng:
- Lập trìth dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học.
- Dung lượng bộ nhớ lớn, gọn nhẹ, dễ bảo quản, dễ sửa chữa.
- Tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác.
- Giá cả chấp nhận được.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình được xây dựng là những thành
phần cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lý hệ thống.
1.3.3.3. Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU là đơn vị xử lý trung tâm. Nó điều khiển các hoạt động diễn ra bên
trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ
thực hiện theo thứ tự từng lệnh trong chương trình để đóng hay ngắt các cổng ra.


Luận văn thạc sỹ khoa học

21

Cỏc tớn hiu ra s được đưa tới các đối tượng được điều khiển để thực hiện một hoạt
động theo theo yêu cầu thiết kế. Ngồi ra, PLC cịn phải có thêm các khối chức
năng đặc biệt khác như: bộ đếm, bộ thời gian,... và nhng khi hm chuyờn dựng.
Bộ nhớ chuơng trình

Timer
Bộ đếm I/O

Khối vi xử lý trung
tâm & Hệđiều hành

Bộ đếm
Bit cờ

Cổng vào - ra I/O

Quản lý ghép nối
Cổng ngắt
và đếm tốc độ cao

Hình 1.9: Cấu trúc bộ điều khiển PLC

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vịng lặp được gọi là một
vịng qt (hình 1.10). Mỗi vịng qt bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng
vào số tới vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong
từng vịng qt, chương trình được thực hiện từ câu lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc
của khối OB1 (Block End). Kế tiếp là giai đoạn chuyển nội dung của bộ đệm ảo O
tới các cổng ra số. Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm
tra lỗi.