Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng bộ điện thủy lực đóng mở tự động cửa van thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án này đề xuất và nghiên cứu một loại bộ điều khiển đồng bộ cho các dạng máy đóng mở điện-thủy lực có khả năng đáp ứng các yêu cầu thực tiễn ở nước ta. Luận án này phân tích các cấu hình đã và đang được áp dụng làm cơ sở để đề xuất một cấu hình mới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu hệ thống điều khiển đồng bộ điện thủy lực đóng mở tự động cửa van thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ____________________ Lý Thanh Hà NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ ĐIỆN-THỦY LỰC ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG CỬA VAN THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2012 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------ Lý Thanh Hà NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ ĐIỆN-THỦY LỰC ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG CỬA VAN THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Máy và Thiết bị Kỹ Thuật Thủy Khí Mã số: 62.52.16.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: PGS. TS. NGÔ SỸ LỘC 2: PGS. TS. NGÔ VĂN HIỀN Hà Nội - 2012 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Lý Thanh Hà 3
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ T 6 T 6 8 D ANH MỤC CÁC BẢNG T 6 T 6 11 DANH MỤC KÝ HIỆU T 6 T 6 12 LỜI CẢM ƠN T 6 T 6 14 DANH MỤC KHÁI NIỆM VÀ CHỮ VIẾT TẮT T 6 T 6 15 MỞ ĐẦU 16 T 6 T 6 Chương 1 22 T 6 T 6 GIỚI THIỆU CHUNG T 6 T 6 22 1.1. T 6 T 6 Khái niệm về hệ thống điều khiển đồng bộ T 6 T 6 22 1.2. T 6 T 6 Sự cần thiết của tính đồng bộ trong hệ thống T 6 T 6 22 1.3. T 6 T 6 Phân loại hệ thống điều khiển đồng bộ T 6 T 6 23 1.4. T 6 T 6 Những nghiên cứu về hệ thống điều khiển đồng bộ T 6 T 6 25 1.5. T 6 T 6 Các phương pháp đồng bộ trong thực tế T 6 T 6 25 1.6. T 6 T 6 Tình hình nghiên cứu về các hệ thống EH-SCS T 6 T 6 35 1.6.1. T 6 T 6 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài T 6 T 6 35 1.6.2. T 6 T 6 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam T 6 T 6 42 1.7. T 6 T 6 Vấn đề nghiên cứu T 6 T 6 42 1.8. T 6 T 6 Nội dung đề tài T 6 T 6 43 1.9. T 6 T 6 Mục tiêu thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển đồng bộ T 6 T 6 43 1.10. T 6 T 6 Phương pháp nghiên cứu đề tài và thông số cơ bản T 6 T 6 44 1.11. T 6 T 6 Những điểm mới trong luận án T 6 T 6 45 Chương 2 47 T 6 T 6 CẤU HÌNH CỦA EH-SCS ĐỀ XUẤT T 6 T 6 47 2.1. T 6 T 6 Phân tích ưu nhược điểm các và chọn sơ đồ điều khiển T 6 T 6 47 2.1.1. T 6 T 6 Phương pháp đồng bộ bằng cơ khí T 6 T 6 47 2.1.2. T 6 T 6 Phương pháp đồng bộ bằng thủy lực T 6 T 6 47 2.1.3. T 6 T 6 Phương pháp đồng bộ bằng thủy-cơ T 6 T 6 48 2.1.4. T 6 T 6 Phương pháp đồng bộ bằng cơ cấu servo kiểu bám T 6 T 6 48 2.1.5. T 6 T 6 Phương pháp đồng bộ kiểu servo điện-thủy lực song song T 6 T 6 49 4
2.1.6. T 6 T 6 Phương pháp đồng bộ kiểu hiện đại T 6 T 6 49 2.2. T 6 T 6 Mô tả EH-SCS đề xuất T 6 T 6 50 2.3. T 6 T 6 Sự làm việc của EH-SCS đề xuất T 6 T 6 51 2.4. T 6 T 6 Kết luận chương 2 T 6 T 6 52 Chương 3 54 T 6 T 6 XÂY DỰNG MÔ HÌNH EH-SCS T 6 T 6 54 3.1. T 6 T 6 Giới thiệu T 6 T 6 54 3.2. T 6 T 6 Mô hình của EH-SCS T 6 T 6 55 3.3. T 6 T 6 Phương trình tính lực trên mỗi xy lanh T 6 T 6 55 3.4. T 6 T 6 Phương trình động lực học T 6 T 6 56 3.5. T 6 T 6 Phương trình áp suất động T 6 T 6 59 3.6. T 6 T 6 Tách thành phần đo được và thành phần không chắc chắn T 6 T 6 60 3.7. T 6 T 6 Kỹ thuật thiết kế EH-SCS T 6 T 6 61 3.8. T 6 T 6 Thiết kế hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra tuyến tính T 6 T 6 64 3.9. T 6 T 6 Thiết kế vòng điều khiển áp suất / lực phi tuyến T 6 T 6 66 3.10. T 6 T 6 Kiểm tra tính ổn định T 6 T 6 67 3.11. T 6 T 6 Kết luận chương 3 T 6 T 6 70 Chương 4 71 T 6 T 6 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG T 6 T 6 71 4.1. T 6 T 6 Giới thiệu T 6 T 6 71 4.2. T 6 T 6 Thông số mô phỏng hệ thống T 6 T 6 71 4.3. T 6 T 6 Kết quả mô phỏng T 6 T 6 72 4.4. T 6 T 6 Kết luận chương 4 T 6 T 6 77 Chương 5 79 T 6 T 6 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM T 6 T 6 79 5.1. T 6 T 6 Mô tả chung hệ thí nghiệm T 6 T 6 79 5.2. T 6 T 6 Hệ thống thử nghiệm T 6 T 6 83 5.2.1. T 6 T 6 Van tỷ lệ và bộ điều khiển T 6 T 6 83 5.2.2. T 6 T 6 Biến áp vi sai phản hồi vòng trong T 6 T 6 84 5.2.3. T 6 T 6 Bộ điều khiển van tỷ lệ T 6 T 6 84 5
5.2.4. T 6 T 6 Bù dải chết và điều chỉnh độ lợi của van tỷ lệ T 6 T 6 87 5.2.5. T 6 T 6 Đặc tính của van tỷ lệ T 6 T 6 87 5.2.6. T 6 T 6 Đo lực trên xy lanh T 6 T 6 87 5.2.7. T 6 T 6 Đo vị trí xy lanh thủy lực T 6 T 6 87 5.2.8. T 6 T 6 Thu thập dữ liệu và điều khiển phản hồi đầu ra T 6 T 6 87 5.3. T 6 T 6 Các bước thực nghiệm T 6 T 6 88 5.3.1. T 6 T 6 Chuẩn bị T 6 T 6 88 5.3.2. T 6 T 6 Nguồn cung cấp điện T 6 T 6 88 5.3.3. T 6 T 6 Điện áp chuẩn T 6 T 6 88 5.3.4. T 6 T 6 Tín hiệu vào T 6 T 6 88 5.3.5. T 6 T 6 Tín hiệu “ENABLE” T 6 T 6 88 5.3.6. T 6 T 6 Tín hiệu “RAMP” T 6 T 6 88 5.3.7. T 6 T 6 Thủ tục căn chỉnh T 6 T 6 88 5.3.8. T 6 T 6 Định dòng tối thiểu T 6 T 6 89 5.3.9. T 6 T 6 Định dòng điện cực đại T 6 T 6 89 5.3.10. Định hằng số thời gian “RAMP” T 6 T 6 T 6 T 6 89 5.3.11. Ảnh hưởng của hằng số thời gian “RAMP” T 6 T 6 T 6 T 6 89 5.3.12. Đấu nối cảm biến LVDT T 6 T 6 T 6 T 6 89 5.3.13. Điểm kiểm tra dòng điện cuộn hút T 6 T 6 T 6 T 6 90 5.3.14. Điểm kiểm tra tín hiệu chuẩn T 6 T 6 T 6 T 6 90 5.3.15. Điểm kiểm tra tín hiệu phản hồi T 6 T 6 T 6 T 6 90 5.3.16. Dải nhiệt độ làm việc T 6 T 6 T 6 T 6 90 5.3.17. Nối điện T 6 T 6 T 6 T 6 90 5.3.18. Chương trình điều khiển trên máy tính số T 6 T 6 T 6 T 6 90 5.4. T 6 T 6 Kết quả thực nghiệm T 6 T 6 90 5.5. T 6 T 6 Kết quả dạng đồ thị T 6 T 6 92 5.6. T 6 T 6 Nhận xét kết quả thực nghiệm T 6 T 6 100 5.7. T 6 T 6 Kết luận chương 5 T 6 T 6 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ T 6 T 6 102 PHỤ LỤC 1 T 6 T 6 103 6
HÀM ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT T 6 T 6 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO T 6 T 6 117 Hệ thống điều khiển thủy lực và điều khiển phi tuyến T 6 T 6 117 Hệ thống điều khiển đồng bộ T 6 T 6 120 Các phát minh, sáng chế, giải pháp hữu ích T 6 T 6 121 Tài liệu tiếng Việt và các bài đăng báo T 6 T 6 122 7
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phân loại theo phương pháp điều khiển đồng bộ thủy lực T 6 T 6 26 Hình 1.2. Phân loại hệ thống điều khiển đồng bộ theo loại chấp hành T 6 T 6 27 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý máy nâng cống dẫn dòng thủy điện Sơn La T 6 T 6 31 Hình 1.4. Các phương pháp điều khiển đồng bộ vòng hở T 6 T 6 32 Hình 1.5. Các phương pháp điều khiển vòng kín T 6 T 6 32 Hình 1.6. Các phương án thực hiện hệ điều khiển đồng bộ (tiếp trang sau) T 6 T 6 33 Hình 1.6. Các phương án thục hiện hệ điều khiển đồng bộ T 6 T 6 34 Hình 1.7. Hệ thống cửa van Emsperwerk trên sông Ems (Đức) T 6 T 6 39 Hình 1.8. Cửa sập cống Bình Triệu (Tp HCM) T 6 T 6 39 Hình 1.9. Cửa van cung Macagua (Venezuela) T 6 T 6 40 Hình 1.10. Cửa chữ nhân âu thuyền Panama (Panama) T 6 T 6 41 Hình 2.1. Sơ đồ khối phương pháp đồng bộ bằng cơ khí T 6 T 6 47 Hình 2.2. Sơ đồ khối phương pháp đồng bộ bằng thủy lực T 6 T 6 47 Hình 2.3. Sơ đồ khối phương pháp đồng bộ bằng thủy-cơ T 6 T 6 48 Hình 2.4. Sơ đồ khối phương pháp đồng bộ kiểu servo kiểu bám T 6 T 6 48 Hình 2.5. Sơ đồ khối đồng bộ kiểu servo điện-thủy lực song song T 6 T 6 49 Hình 2.6. Sơ đồ khối phương pháp đồng bộ hiện đại T 6 T 6 49 Hình 2.7. Sơ đồ khối EH-SCS đề xuất T 6 T 6 53 Hình 3.1. Sơ đồ vật thể tự do với tải trọng T 6 T 6 57 Hình 4.1. Tín hiệu u i đầu vào bộ điều khiển mô phỏng T 6 R R T 6 73 Hình 4.2. Đáp ứng đầu ra tín hiệu xung chữ nhật T 6 T 6 73 Hình 4.3. Lực tác dụng lên 2 xy lanh với tín hiệu vào dạng xung chữ nhật T 6 T 6 74 Hình 4.4. Sai số đồng bộ với tín hiệu vào dạng xung chữ nhật T 6 T 6 74 Hình 4.5. Đáp ứng tín hiệu đầu vào dạng xung tam giác T 6 T 6 75 Hình 4.6. Lực tác dụng với tín hiệu vào dạng xung tam giác T 6 T 6 75 Hình 4.7. Sai số đồng bộ với tín hiệu vào dạng xung tam giác T 6 T 6 76 Hình 4.8. Đáp ứng tín hiệu vào điều hòa dạng sin T 6 T 6 76 Hình 4.9. Lực tác dụng lên 2 xy lanh với tín hiệu vào dạng sin T 6 T 6 77 8
Hình 4.10. Sai số đồng bộ với tín hiệu vào dạng sin T 6 T 6 77 Hình 5.1. Hệ thống thí nghiệm EH-SCS T 6 T 6 80 Hình 5.2. Trạm nguồn thủy lực T 6 T 6 81 Hình 5.3. Bộ thu thập dữ liệu và bộ điều khiển van tỷ lệ T 6 T 6 82 Hình 5.4. Cụm van thí nghiệm với van tỷ lệ van tiết lưu gây tải T 6 T 6 82 Hình 5.5. Cảm biến hành trình lắp ngoài xy lanh thủy lực T 6 T 6 83 Hình 5.6. Giao diện bộ điều khiển van tỷ lệ T 6 T 6 85 Hình 5.7. Đặc tính lưu lượng van tỷ lệ theo tín hiệu vào T 6 T 6 85 Hình 5.8. Sơ đồ bộ điều khiển van tỷ lệ T 6 T 6 86 Hình 5.9. Chương trình phát tín hiệu điều khiển bằng Labviews T 6 T 6 91 Hình 5.10. Đáp ứng vị trí 0%-0%kg T 6 T 6 92 Hình 5.11. Sai số vị trí 0%-0% T 6 T 6 92 Hình 5.12. Sai số đồng bộ 0%-0% T 6 T 6 93 Hình 5.13. Đáp ứng vị trí 90%-0% T 6 T 6 93 Hình 5.14. Sai số vị trí 90%-0% T 6 T 6 93 Hình 5.15. Sai số đồng bộ 90%-0% T 6 T 6 93 Hình 5.16. Đáp ứng vị trí 90%-90% T 6 T 6 93 Hình 5.17. Sai số vị trí 90%-90% T 6 T 6 93 Hình 5.18. Sai số đồng bộ 90%-90% T 6 T 6 94 Hình 5.19. Đáp ứng vị trí 90%-0% T 6 T 6 94 Hình 5.20. Sai số vị trí 90%-0% T 6 T 6 94 Hình 5.21. Sai số đồng bộ 90%-0% T 6 T 6 94 Hình 5.22. Đáp ứng vị trí 0%-0% T 6 T 6 94 Hình 5.23. Sai số vị trí 0%-0% T 6 T 6 94 Hình 5.24. Sai số đồng bộ 0%-0% T 6 T 6 95 Hình 5.25. Đáp ứng vị trí 50%-50% T 6 T 6 95 Hình 5.26. Sai số vị trí 50%-50% T 6 T 6 95 Hình 5.27. Sai số đồng bộ 50%-50% T 6 T 6 95 Hình 5.28. Đáp ứng vị trí 90%-90% T 6 T 6 95 Hình 2.29. Sai số vị trí 90%-90% T 6 T 6 95 9
Hình 5.30. Sai số đồng bộ 90%-90% T 6 T 6 96 Hình 5.31. Đáp ứng vị trí 90%-0% T 6 T 6 96 Hình 5.32. Sai số vị trí 90%-0% T 6 T 6 96 Hình 5.33. Sai số đồng bộ 90%-0% T 6 T 6 96 Hình 5.34. Đáp ứng vị trí 0%-0% T 6 T 6 96 Hình 5.35. Sai số vị trí 0%-0% T 6 T 6 96 Hình 5.36. Sai số đồng bộ 0%-0% T 6 T 6 97 Hình 5.37. Đáp ứng vị trí 50%-50% T 6 T 6 97 Hình 5.38. Sai số vị trí 50%-50% T 6 T 6 97 Hình 5.39. Sai số đồng bộ 50%-50% T 6 T 6 97 Hình 5.40. Đáp ứng vị trí 0%-90% T 6 T 6 97 Hình 5.41. Sai số vị trí 0%-90% T 6 T 6 97 Hình 5.42. Sai số đồng bộ 0%-90% T 6 T 6 98 Hình 5.43. Đáp ứng vị trí 90%-0% T 6 T 6 98 Hình 5.44. Sai số vị trí 90%-0% T 6 T 6 98 Hình 5.45. Sai số đồng bộ 90%-0% T 6 T 6 98 Hình 5.46. Đáp ứng vị trí 0%-0% T 6 T 6 98 Hình 5.47. Sai số vị trí 0%-0% T 6 T 6 98 Hình 5.48. Sai số đồng bộ 0%-0% T 6 T 6 99 Hình 5.49. Đáp ứng vị trí 50%-50% T 6 T 6 99 Hình 5.50. Sai số vị trí 50%-50% T 6 T 6 99 Hình 5.51. Sai số đồng bộ 50%/50% T 6 T 6 99 Hình 5.52. Đáp ứng vị trí 0%-90% T 6 T 6 99 Hình 5.53. Sai số vị trí 0%-90% T 6 T 6 99 Hình 5.54. Sai số đồng bộ 0%-90% T 6 T 6 100 Hình 5.55. Đáp ứng vị trí 90%-0% T 6 T 6 100 Hình 5.56. Sai số vị trí 90%-0% T 6 T 6 100 Hình 5.57. Sai số đồng bộ 90%-0% T 6 T 6 100 Hình 6. Sơ đồ tải trọng tự do với xy lanh tác động kép T 6 T 6 104 10
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. So sánh các phương pháp điều chỉnh vận tốc dẫn động T 6 T 6 28 Bảng 1.2. Sai số các phương pháp đồng bộ điều khiển vòng hở T 6 T 6 29 Bảng 1.3. So sánh EH-SCS và hệ tiết lưu thông thường T 6 T 6 30 Bảng 1.4. Thông số cơ bản của hệ thống EH-SCS T 6 T 6 43 Bảng 1.5. Thông số cấu hình cơ bản hệ thống T 6 T 6 44 Bảng 4.1. Thông số hệ thống mô phỏng T 6 T 6 71 Bảng 5.1. Thông số cơ bản của xy lanh chấp hành T 6 T 6 79 Bảng 5.2. Thông số trạm nguồn thủy lực T 6 T 6 79 Bảng 6. Ký hiệu cho trường hợp xy lanh tác động kép T 6 T 6 104 11
DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên gọi Thứ nguyên 𝑦50 , 𝑦60 Áp suất danh nghĩa trong mỗi xy lanh Pa 𝑝𝐿 Áp suất do tải 𝑃𝑎 𝑃𝑠 Áp suất nguồn 𝑃𝑎 𝑃𝑖 Áp suất trong buồng xy lanh thứ i 𝑃𝑎 𝐿1 , 𝐿2 Cánh tay đòn của 𝑓1 , 𝑓2 đến trọng tâm 𝑚 𝑇 Chu kỳ dao động riêng của xy lanh 𝑠 𝑦𝑝 Chuyển vị của tải trọng 𝑀𝑔; 𝑚𝑚 𝑦1, 𝑦2 Dịch chuyển của piston 𝑚 𝑢𝑖 Điện áp điều khiển van 𝑉 𝐴𝑖 Diện tích buồng xy lanh thứ i 𝑚2 𝐴𝑃 Diện tích piston 𝑚2 𝑔 Gia tốc trọng trường 9, 81𝑚/𝑠 2 θ Góc quay của tải quay quanh trọng tâm 𝑟𝑎𝑑 𝜀𝑡𝑑 Hằng số 𝐾𝑐𝑖 Hằng số bộ khuyếch đại I 𝐾𝑝 , 𝐾𝑐𝑝 Hằng số bộ khuyếch đại P 𝐾𝑠𝑖 Hằng số phản hồi tỷ lệ (lớn hơn 0) 𝜏 Hằng số thời gian 𝑠 𝐾𝑐 Hệ số áp suất 𝐾 Hệ số đàn hồi của tải 𝑁/𝑚 �𝑠𝑞𝑖 𝐾 Hệ số khuyếch đại của van 𝐾𝑞𝑖 Hệ số lưu lượng của van 𝐾𝑞 Hệ số lưu lượng của xy lanh thủy lực 𝑚3 /𝑠/𝑃𝑎 𝐷1 , 𝐷2 Hệ số ma sát nhớt 𝑁𝑠 2 /𝑚 𝐸ℎ Hệ số mô đun đàn hồi thể tích của dầu 𝑁/𝑚2 12
Ký hiệu Tên gọi Thứ nguyên ui Điện áp điều khiển van tỷ lệ V 𝐾𝑞𝑖 Hệ số lưu lượng van tỷ lệ 𝑚3 /�𝑉. 𝑠. √𝑃𝑎� 𝑚 Khối lượng chuyển động của piston và tải 𝑘𝑔 𝑀 Khối lượng của tải bị lệch 𝑘𝑔 𝑚𝑖 Khối lượng piston của xy lanh thứ i 𝑘𝑔 𝑓p1 , 𝑓p2 Lực đầu ra yêu cầu N 𝐹𝑓𝑖 Lực ma sát của xy lanh thứ i 𝑁 𝐵𝑝𝑖 Lực nhớt của xy lanh thứ i 𝑁𝑠/𝑚 𝐹𝐿 Lực tải 𝑁 𝑄𝐿 Lưu lượng chảy vào xy lanh thủy lực 𝐿/𝑚𝑖𝑛 𝐵𝑃 Ma trận hệ số lực ma sát nhớt 𝑁𝑠 2 /𝑚 G(s) Ma trận khử nhiễu β Mô đun đàn hồi của chất lỏng 𝑁/𝑚2 𝐽 Mômen quán tính của khối lượng 𝑘𝑔. 𝑚2 𝑥�5 , 𝑥�6 Nghiệm của phương trình áp suất 𝑑1 , 𝑑2 Nhiễu các tham số chưa chắc chắn và phi tuyến 𝑓1 , 𝑓2 Phản lực sinh ra bởi các xy lanh 1, 2 𝑁 ωℎ Tần số dao động riêng của xy lanh 𝐻𝑧 𝑘𝑝 , 𝑘1 Tham số bộ quan sát nhiễu ℎ�𝑖 Tham số về ảnh hưởng mô đun đàn hồi chất lỏng 𝑉𝑖 Thể tích chất lỏng từ cổng van đến buồng xy lanh 𝑚3 𝑉𝑡 Thể tích của xy lanh 𝑚3 𝜏𝑑 Thời gian trễ 𝑠 𝐿 Tổng khoảng cách 𝐿1 + 𝐿2 𝑚 𝑀𝑡 Tổng khối lượng phần chuyển động của xy lanh 𝑑̂𝑖 Ước lượng nhiễu 𝑞t , 𝑞s Vec-tơ hệ tọa độ chuyển động đồng bộ 𝑚 13
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Ngô Sĩ Lộc, người mà tôi đã gắn bó suốt 18 năm kể từ khi tốt nghiệp đại học, ông cũng là người thầy đã tận tình giúp tôi hoàn thành luận án Kỹ sư và Thạc sĩ trước đây. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Ngô Văn Hiền, người thầy, người anh đã giúp tôi thực hiện được luận án này với ý tưởng mới. Tôi cũng cảm ơn ông Lê Văn An, thủ trưởng của tôi, đã tạo điều kiện về thời gian cho tôi thực hiện luận án thuận lợi. Tôi gửi lời cảm ơn đến người bạn Nguyễn Văn Chiều đã cung cấp tài chính cho hệ thống thí nghiệm. Tôi cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Văn Bày và GS. TSKH Nguyễn Phùng Quang đã có những nhận xét, góp ý hoàn thiện luận án. Và cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn bố mẹ và đặc biệt là người vợ yêu quý và hai con đã thu xếp ổn thỏa mọi việc để tôi hoàn thành luận án này. Lý Thanh Hà 14
DANH MỤC KHÁI NIỆM VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chuyển động đồng bộ. Một chuyển động của hai hay nhiều các cơ cấu chấp hành T 5 T 5 có vận tốc, chiều chuyển động. Ngôn ngữ mô hình hóa. Ngôn ngữ sử dụng để mô tả các hệ tương tác với nhau và T 5 T 5 với thế giới bên ngoài được thống nhất trong một tiêu chuẩn. Van tỷ lệ điện-thủy lực. Van thủy lực có thể điều khiển bằng tín hiệu điện liên tục T 5 T 5 trong đó quan hệ giữa tín hiệu vào (điện) và ra (lưu lượng hoặc áp suất) tuyến tính hoặc theo một hàm nào đó tùy theo từng loại. Logic mờ. Ngôn ngữ mô tả sự vật của Zadeh trong đó các mức logic không chỉ là 0, T 5 T 5 1 mà có cả các giá trị trung gian. Điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển theo sai lệch giữa tín hiệu vào và tín T 5 T 5 hiệu ra. NI-DAQ. Thiết bị thu thập dữ liệu của Hãng National Instruments sử dụng trong đo T 5 T 5 lường và điều khiển. EH-SCS. Tên viết tắt tiếng Anh Electro-hydraulic Synchronised Control System nghĩa là Hệ thống điều khiển đồng bộ điện-thủy lực. LCF. Viết tắt cụm từ tiếng Anh Lyapunov Control Fuction nghĩa là hàm điều khiển theo nghĩa Lyapunov. Hàm này tìm được trong quá trình tổng hợp hệ thống theo phương pháp Lyapunov trực tiếp. 15
MỞ ĐẦU Về vấn đề điều khiển cửa van cỡ lớn trong ngành thủy lợi, thủy điện, vì đặc trưng về kết cấu của cửa van dẫn đến chúng có một số yêu cầu về dẫn động khác những hệ thống thường gặp trong công nghiệp. Hệ thống cửa van trong các ứng dụng thủy điện, thủy lực thường có kích thước lớn, nếu không muốn nói là rất lớn so với các cơ cấu thông thường khác. Kích thước bán kính cung của cửa van có thể đạt trên dưới 100m, một số trường hợp đặc biệt, bán kính vận hành có thể trên 450m [41]. Với kích thước lớn như vậy, các cửa van thủy lợi, thủy điện không thể thực hiện việc điều khiển thông qua một cơ cấu chấp hành duy nhất, mà chúng thường được điều khiển bằng một vài cơ cấu chấp hành, có khi đến hàng chục chấp hành. Các cơ cấu chấp hành thường nối trực tiếp với cơ cấu điều khiển, nhưng khi kích thước của đối tượng điều khiển lớn, giao diện giữa các cơ cấu chấp hành và đối tượng điều khiển có thể thông qua các kết cấu cơ khí truyền lực khác nhau. Việc sử dụng nhiều chấp hành dẫn đến một điều kiện cơ bản để cửa van có thể hoạt động là các chấp hành phải đảm bảo chuyển động đồng bộ vận tốc và vị trí tương đối với nhau. Nói cách khác là chúng cần chuyển động đồng bộ với nhau. Về thiết kế, phương pháp cơ bản để xây dựng một kết cấu máy đóng mở cửa van là phải xác định được mục đích và những ảnh hưởng chính của cơ cấu đó. Trước tiên cần quyết định về loại truyền động cho loại và kiểu máy đóng mở nào, năng lượng sử dụng là gì (ví dụ năng lượng điện, sức người, sức nước, khí nén...), tiếp theo là lựa chọn phương pháp tác động, loại truyền động và hàng loạt những thông số kỹ thuật khác như phương pháp điều chỉnh tốc độ (cơ hoặc điện) và mục tiêu kinh tế phải đạt được. Trong một cơ cấu hay máy đóng mở cửa van bao giờ cũng có ba phần chính: bộ phận phát động, bộ phận truyền động và bộ phận tác động. Bộ phận phát động là phần phát ra năng lượng đủ để cung cấp cho bộ công tác thực hiện được chức năng công việc. Bộ phận phát động gồm các loại động cơ điện, tuabin, động cơ đốt trong, bình tích năng đôi khi là sức người. 16
Bộ phận truyền động là phần trung gian nhận, biến đổi, phân phối và truyền năng lượng từ bộ phận phát động đến bộ phận công tác. Trong máy đóng mở thường dùng các loại truyền động: truyền động cơ khí (bao gồm các khớp nối trục, trục, các cặp bánh răng, dây cáp, puly, ổ đỡ sắp xếp theo một thứ tự nhất định), truyền động điện (bao gồm máy phát điện, đường dây truyền dẫn, động cơ điện); truyền động thủy lực (bao gồm máy bơm, đường ống dẫn chất lỏng, van thuỷ lực…). Bộ phận tác động hay còn gọi là bộ phận chấp hành là bộ phận máy nhận năng lượng hoặc cơ năng của các bộ phận trước đó truyền cho để thực hiện mục đích chính, nhiệm vụ chính của cơ cấu là đóng mở cửa van, ví dụ: tang, dây cáp, puly, móc treo trong máy đóng mở bằng dây mềm, xy lanh thủy lực, vít me trong cơ cấu nâng để nâng hạ cửa van. Như vậy, để thực hiện công việc của một bộ công tác, ta có thể sử dụng bộ phận dẫn động và truyền động khác nhau. Mỗi loại dẫn động và truyền động có những ưu nhược điểm riêng về kỹ thuật, kinh tế và phạm vi ứng dụng. Vì vậy, khi lựa chọn sơ đồ dẫn động và truyền động cho một cơ cấu để thiết kế, cần quan tâm tới các thông số làm việc như công suất, tốc độ, đặc tính động lực học, phương pháp điều khiển, khả năng quá tải, khả năng tiêu chuẩn hoá và tự động hoá, khả năng lắp đặt, vận hành, an toàn, các chỉ tiêu kinh tế như giá thành, chi phí sản xuất, khấu hao, chi phí bảo dưỡng sửa chữa, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Máy đóng mở thủy lực cũng được thiết kế dựa trên những nguyên tắc như trên. Tuy nhiên, do sử dụng cơ cấu chấp hành bằng thủy lực nên chúng có một số đặc điểm vượt trội cũng như những nhược điểm riêng. + Ưu điểm - Kích thước gọn nhẹ hơn; - Công suất riêng lớn so với các cơ cấu khác; - Dễ điều khiển và điều khiển vô cấp; - Vận hành tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt; - Thay thế, bảo dưỡng dễ dàng, đơn giản; - Tuổi thọ cao, dễ tự động hóa; 17
- Được sử dụng rộng rãi và chứng tỏ được tiềm năng trong thực tế; - Dễ bố trí, thiết kế kết cấu cơ khí. + Nhược điểm: - Thiết bị đắt tiền do công nghệ chế tạo chính xác cao; - Dầu dễ cháy và nổ ở nhiệt độ cao; - Dầu có thể bị nhiễm bẩn và gây ô nhiễm môi trường; - Dầu thủy lực bị nén, dầu có thể bị biến tính dưới áp suất và nhiệt độ cao hay đông đặc ở nhiệt độ thấp; - Yêu cầu có trình độ sử dụng, bảo dưỡng, sửa chữa. Đối với các cửa van xả lũ, ngăn triều cỡ lớn, để xả thoát lưu lượng lớn cho các công trình thủy lợi, thủy điện, yêu cầu quan trọng nhất của các máy đóng mở thủy lực là phải đảm bảo khả năng điều khiển đồng bộ các chấp hành trong mọi điều kiện vận hành một cách tin cậy. Điều đó dẫn tới một trong số nhiệm vụ quan trọng nhất trong việc thiết kế các máy đóng mở là phải thiết kế được chức năng điều khiển đồng bộ về vận tốc và/hoặc vị trí các chấp hành. Hệ thống điều khiển điện-thủy lực có chức năng như trên gọi ngắn gọn là hệ thống điều khiển đồng bộ điện – thủy lực (EH-SCS). Trong hơn 10 năm qua, tác giả đã có vinh dự được đóng góp các thành quả nghiên cứu của mình và của Tổng Công ty Cơ điện Xây dựng Nông nghiệp và Thủy lợi áp dụng cho các công trình đóng mở cửa van lớn như hồ chứa nước Cửa Đạt, công trình thủy điện Sơn La, thủy điện Srepok, thủy điện Sê San... Từ kinh nghiệm thực tế thấy được rằng: - Hệ thống đóng mở cửa van thủy lợi, thủy điện cần có độ tin cậy rất cao. Tần suất hoạt động thấp nhưng khi cần là phải vận hành bình thường, không bị sự cố. Cửa van thường phải vận hành trong điều kiện mưa lũ, mất điện, độ ẩm cao... - Các cửa xả lũ thường có kích thước đến hàng chục mét và chiều cao tương ứng. Trọng lượng cửa van đến hàng trăm tấn. Việc sử dụng một xy lanh đóng mở là không khả thi và thông thường là 2 xy lanh được sử dụng. Vì vậy việc đồng bộ chuyển động của hai xy lanh là rất quan 18
trọng. Bới vì việc đóng mở cửa van phải cân, nếu lệch, hệ thống máy nâng có thể gây tổn hại đến công trình đập. Trong mọi trường hợp việc kẹt cửa van dẫn đến không thể mở được cửa có thể làm mức nước trong dập dâng quá cao, dẫn đến vỡ đập, gây hậu quả khôn lường cho dân sinh. Với các cửa van nhỏ và trung bình, có kính thước dưới 10m, độ chính xác ít ảnh hưởng đến sự vận hành của cửa van. Tuy nhiên, các cửa van lớn độ với chính xác điều khiển đồng bộ thấp có thể đẫn đến một sai số tuyệt đối lớn, nên các cửa van cỡ lớn cần có độ chính xác đồng bộ cao hơn rất nhiều các cửa van nhỏ. Để đảm bảo đồng bộ có độ chính xác cao vấn đề quan trọng cần giải quyết là: thiết kế hệ thống điều khiển đồng bộ EH-SCS có cấu hình đảm bảo khả năng đồng bộ cao nhất. Thông thường, hệ thống thủy lực là hệ phi tuyến. Với kỹ thuật điều khiển truyền thống, hệ thống được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để tổng hợp hệ thống. Ngày nay, chúng ta có thể sử dụng các thành quả nghiên cứu về hệ phi tuyến để tổng hợp những bộ điều khiển có tính năng ưu việt hơn. Trong thực tế, các thành phần như ma sát, lực tải có thể biến đổi và trong một số trường hợp chúng không có chắc chắn các thông số để người thiết kế có thể dễ dàng mô hình hóa. Với những hệ thống có đầu ra bị ảnh hưởng nhiều tham số thay đổi, hệ thống cần được thiết kế để có thể làm việc ổn định, có đặc tính kháng nhiễu cao, hệ đó là các hệ điều khiển bền vững. Thiết kế ổn định bền vững hệ thống điều khiển đồng bộ các xy lanh thủy lực là một trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển. Với sự phát triển nhanh chóng của máy tính số, việc ứng dụng điều khiển bền vững trong thời gian thực có ý nghĩa to lớn trong thực tiễn. Luận án này đề xuất và nghiên cứu một loại bộ điều khiển đồng bộ cho các dạng máy đóng mở điện-thủy lực có khả năng đáp ứng các yêu cầu thực tiễn ở nước ta. Luận án này phân tích các cấu hình đã và đang được áp dụng làm cơ sở để đề xuất một cấu hình mới. Bộ điều khiển EH-SCS đề xuất vẫn phát huy được những ưu 19
điểm của những hệ thống truyền thống nhưng có khả năng đồng bộ tốt hơn do phần phi tuyến, ảnh hưởng của nhiễu đã được tính đến. Hệ thống điều khiển đồng bộ EH-SCS với tính năng điều khiển bền vững có vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tiễn trong ngành thủy lợi, thủy điện. Việc giải quyết bài toàn điều khiển EH-SCS sẽ là đáp số cho vấn đề đóng mở các hệ thống chống nước biển dâng, có các cửa van đến hơn 100m, có ý nghĩa thực tiễn trước mắt cũng như lâu dài ở Việt Nam. Luận án này nghiên cứu cơ sở quan trọng nhất trong việc điều khiển EH-SCS bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế và mô phỏng hệ thống, tác giả đưa ra một phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển đồng bộ các cơ cấu chấp hành thủy lực, mang tính công nghiệp, dễ dàng thực hiện và nhanh chóng tổng hợp hệ thống. Luận án trình bày chi tiết cách thức phát triển hệ thống điều khiển đồng bộ trong thực tế. Luận án được chia làm 5 chương. Chương 1: Giới thiệu chung Phân tích các khía cạnh thực tế của đề tài với các nghiên cứu trước đây, xem xét và phân loại các hệ thống điều khiển tương tự, tổng quan về các nghiên cứu trước đây, đánh giá các ưu, nhược điểm của chúng. Từ đó, xác định được nhiệm vụ của đề tài. Chương 2: Cấu hình của EH-SCS đề xuất Hệ thống EH-SCS là một hệ thống điều khiển theo nguyên lý điều khiển mới. Hệ thống mới phối hợp ưu điểm của một vài loại bộ điều khiển đã có, thêm một số tính năng mới, và được phát triển trên cơ sở bộ điều khiển phi tuyến. Chương 3: Xây dựng mô hình EH-SCS Khảo sát các đặc tính của các phần tử trong hệ thống. Thực hiện việc mô hình và các bước thiết kế hệ thống điều khiển nhiều đầu vào nhiều đầu ra cho các chấp hành tuyến tính. Thiết kế tổng hợp luật điều khiển cho mỗi xy lanh thủy lực. Chương 4: Một số kết quả mô phỏng Mô tả các thí nghiệm và mô phỏng theo vết vị trí hệ thống điều khiển thủy lực với các kết quả ảnh hưởng của tải trọng lệch đến sai số. Hệ thống EH-SCS được mô phỏng trên cơ sở mô tả toán học với phần mềm Matlab Simulink [61]. 20