Tóm tắt Luận án Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 
TRẦN NGỌC HẢI 
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA 
TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ 
THỦY LỰC 
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ 
Mã số ngành: 9520103 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
Đà Nẵng - Năm 2020 
Công trình này được hoàn thành tại: 
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 
Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS. TS. Lê Cung 
2. GS. TS. Ngô Văn Dũng 
Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Huy Ninh 
Phản biện 2: TS. Nguyễn Thanh Hải 
Phản biện 2: PGS.TS. Đinh Minh Diệm 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án tiến sĩ cấp 
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 
vào hồi giờ, ngày . tháng  năm 2020 
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
- Thƣ viện Quốc gia Việt Nam 
- Trung tâm Thông tin Học liệu và thƣ viện Đại học Bách khoa, 
Đại học Đà Nẵng. 
 1 
MỞ ĐẦU 
1. Lý do chọn đề tài 
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, nhờ sự phát triển mạnh mẽ 
của kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin, công nghệ điện tử và cơ 
khí chính xác mà kỹ thuật điều khiển tự động quá trình công nghệ 
trong lĩnh vực công nghiệp thế giới đã có những phát triển vượt bậc. 
Trong đó, lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ngày càng được nghiên 
cứu phát triển và được ứng dụng với chất lượng điều khiển ngày càng 
cao. Hiện nay, các thiết bị thủy lực công suất lớn như: hệ thống điều 
khiển cánh hướng ở các nhà máy thủy điện; máy ép điều khiển 
chương trình số; robot công nghiệp hàn hay gắp các vật nặng trong 
môi trường khắc nghiệt; các máy cắt gọt chuyên dùng hoặc máy CNC 
(máy mài, máy bào, máy phay, máy tiện,..); các thiết bị quân sự ..v.v 
đã được ứng dụng tại Việt Nam. 
Các đề tài nghiên cứu về truyền động và điều khiển hệ thủy lực 
đang được các nhà khoa học quan tâm và thường xuyên có các bài 
báo công bố trên các tạp chí chuyên ngành của thế giới. Trong đó, tập 
trung nghiên cứu về chất lượng của các phần tử thủy lực và chất 
lượng của một hệ điều khiển thủy lực. Để có một thiết bị chất lượng 
cao thì động lực học là một trong những vấn đề quan trọng, nhưng 
nghiên cứu vấn đề này là rất phức tạp. Nghiên cứu động lực học của 
một hệ điều khiển thủy lực chuyển động quay cho một trục công tác 
(như trục quay của Rada, trục quay của Robot, trục quay bàn dao của 
một máy CNC..v.v.) với những giả thiết để có kết quả sát với thực tế 
cũng là vấn đề hết sức phức tạp. Nên việc nghiên cứu đáp ứng quá độ 
về điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng thủy lực là hết 
sức cần thiết. Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển thủy lực với sự kết 
 2 
hợp giữa thủy lực - điện tử - tin học - thuật toán điều khiển thông 
minh là đề tài mới và còn ít các công trình nghiên cứu được công bố. 
Từ cơ sở phân tích trên, đề tài luận án “Nghiên cứu điều khiển tốc 
độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” có tính khoa 
học về mặt lý thuyết và thực nghiệm, góp phần phát triển và làm chủ 
công nghệ về lĩnh vực kỹ thuật điều khiển thủy lực ở Việt Nam. 
2. Mục tiêu nghiên cứu 
Về mặt lý thuyết: Xây dựng mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc 
độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực, lập mô hình vật 
lý, mô hình toán và sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu 
vào/ra trong hệ thống. Nghiên cứu mô phỏng đáp ứng quá độ về điều 
khiển tốc độ của trục quay trên máy vi tính. 
Về mặt thực nghiệm: Thiết kế và lắp ráp mô hình nghiên cứu thực 
nghiệm, tìm bộ tham số điều khiển PID tự điều chỉnh mờ, viết 
chương trình điều khiển tốc độ của cụm trục quay. Khảo sát đáp ứng 
quá độ thực nghiệm và so sánh với đáp ứng quá độ lý thuyết. 
Mục đích của đề tài nhằm góp phần phát triển và làm phong phú 
thêm các nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ở Việt Nam. 
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của 
một trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực. 
Phạm vi nghiên cứu của đề tài: 
Nghiên cứu mô phỏng về lý thuyết trên máy vi tính và nghiên cứu 
thực nghiệm trên thiết bị được thiết kế, lắp đặt về điều khiển hệ thủy 
lực chuyển động quay, tải trọng tác động lên trục quay là không đổi 
trong quá trình vận hành thực nghiệm. Xác định bộ thông số điều 
khiển nhằm đạt được các chỉ tiêu về đáp ứng quá độ (độ vọt lố, thời 
 3 
gian đáp ứng, sai số xác lập). 
4. Nội dung nghiên cứu 
Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu như trình bày ở trên thì đề tài 
thực hiện các nội dung sau: 
Nghiên cứu lý thuyết về truyền động và điều khiển thủy lực. Phân 
tích và xây dựng mô hình vật lý về điều khiển tốc độ của trục quay, 
thiết lập các phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống, thiết 
lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Phân tích và chọn 
thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ thống. 
Thiết kế và lắp đặt thiết bị thí nghiệm điều khiển tốc độ của một 
trục quay. Trên đó, truyền động từ động cơ thủy lực đến trục quay 
thông qua bộ truyền đai và tải trọng tác động lên trục quay là không 
đổi. Chương trình điều khiển hệ thống có các kết quả về đáp ứng của 
hệ được vẽ và lưu trữ theo thời gian thực trên máy vi tính. 
Nghiên cứu thực nghiệm về đáp ứng quá độ của hệ thống, trong đó 
quan tâm đến ảnh hưởng của tham số điều khiển cũng như ảnh hưởng 
của nhiệt độ của dầu đến đặc tính của quá trình quá độ (độ vọt lố, 
thời gian đáp ứng và sai số xác lập). Trên cơ sở đó, xác định bộ tham 
số thực nghiệm phù hợp, đạt kết quả tốt như tiêu chuẩn ITAE. 
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 
Với mục tiêu và nội dung nghiên cứu như đã được trình bày ở trên, 
đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau: 
 Trong thực tế, cơ cấu chấp hành có thể có nhiều khâu đàn hồi và 
nhiều khối lượng chuyển động nên mô hình nghiên cứu động lực học 
về điều khiển tốc độ động cơ thủy lực qua khâu mềm (bộ truyền đai 
thang) với hai giá trị mô men quán tính khối lượng và hai khâu đàn 
hồi là có ý nghĩa thực tiễn. 
 4 
Góp phần mở rộng phạm vi điều khiển với bộ tham số điều khiển 
PID tự điều chỉnh mờ ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau. 
Nghiên cứu này có thể phát triển để ứng dụng cho các thiết bị mà 
không thể truyền động trực tiếp từ động cơ thủy lực đến cơ cấu chấp 
hành hoặc qua truyền động bằng các bộ truyền ăn khớp. 
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 
ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 
Qua khảo sát các công trình đã công bố trên các tạp chí và sách 
chuyên khảo, từ lý thuyết đến thực nghiệm, có thể rút ra một số công 
trình đã thực hiện: 
Hệ truyền động: Mô hình nghiên cứu được thiết lập từ động cơ 
thủy lực đến trục quay thường truyền động trực tiếp hoặc qua bộ 
truyền (bánh răng, bánh răng - thanh răng, vít me - đai ốc) với một 
khâu đàn hồi. 
Mô hình hóa mô tả hệ thống qua các phương trình vi phân, ứng 
dụng lý thuyết điều khiển tự động để nghiên cứu động lực học hệ 
thống. 
Nghiên cứu về kết cấu, đặc tính động lực học và những vấn đề liên 
quan khác đến việc điều khiển van tỷ lệ, van servo và ứng dụng của 
chúng. Qua đó, có thể khẳng định kỹ thuật điều khiển vô cấp hệ thủy 
lực bằng van tỷ lệ và van servo đã phát triển với công nghệ cao. Tuy 
nhiên, với mỗi hãng sản xuất thiết bị khác nhau thì yêu cầu về độ chính 
xác chế tạo cũng khác nhau, do đó đặc tính động lực học của hệ thống 
phụ thuộc vào từng bài toán cụ thể cũng như yêu cầu về chỉ tiêu đáp 
ứng của hệ thống đó. 
Với bộ điều khiển: Bộ PID cổ điển trong nhiều công bố chỉ điều 
khiển ở một tín hiệu ra cố định. Nhược điểm, mỗi bộ tham số (KP, KI, 
 5 
KD) cố định chỉ sử dụng trong một dãi điều khiển hẹp. Nếu muốn 
phạm vi điều chỉnh lớn sẽ có nhiều cặp tham số (KP, KI, KD); Với bộ 
điều khiển PID mờ đã có một vài công trình nghiên cứu nhưng phạm 
vi điều khiển bộ PID mờ này chỉ sử dụng trong một giới hạn điều 
khiển nhất định. 
Nhược điểm của hệ thủy lực thường là không tuyến tính. Các yếu 
tố gây nên phi tuyến tính chính là khả năng nén của chất lỏng thủy 
lực, tính chất dòng chảy phức tạp của van servo, van tỷ lệ và ma sát 
trong phần tử thủy lực. Các công bố trước năm 2000 cho thấy, do 
tính chất phức tạp của hệ thủy và hạn chế về kỹ thuật điều khiển nên 
chỉ điều khiển vận tốc của cơ cấu chấp hành thủy lực thường ở vận 
tốc thấp. Tuy nhiên, từ năm 2000 đến hiện nay sự phát triển mạnh 
của kỹ thuật tin học (phần mềm điều khiển), điện, điện tử và các phần 
tử thủy lực nên việc điều khiển trở nên dễ dàng và thuận lợi hơn khi 
điều khiển ở vận tốc cao. Trên thế giới lĩnh vực này đang phát triển 
mạnh và được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học cũng như nhà 
sản xuất thiết bị, ngay cả các nhà xuất bản cũng đã biên tập tổng hợp 
các công trình và xuất bản thành sách. 
Trên cơ sở phân tích tổng quan các công trình đã công bố, hướng 
nghiên cứu của đề tài được đề xuất là: Mô hình nghiên cứu sẽ xây 
dựng truyền động từ động cơ thủy lực qua khâu mềm đến trục quay; 
Điều khiển tốc độ động cơ thủy lực bằng van tỷ lệ; Bộ điều khiển 
được chọn là bộ PID tự điều chỉnh mờ; Tốc độ điều khiển vô cấp ở 
nhiều giá trị cài đặt khác nhau. 
 6 
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 
VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 
Cơ sở lý thuyết về hệ thống truyền động bằng thủy lực là: Đã phân 
tích cấu trúc cơ bản về hệ thống thủy lực; Các tính chất vật lý của lưu 
chất truyền năng lượng; Phân tích đặc điểm và phương pháp xác định 
lưu lượng dòng chảy qua van tỷ lệ hoặc van servo; Phân tích về động 
cơ thủy lực truyền chuyển động quay. Lý thuyết trên là cơ sở để xây 
dựng mô hình động lực học, phương pháp thiết lập các phương trình 
toán học mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra trong hệ thống. 
Cơ sở lý thuyết về điều khiển hệ thủy lực là: Đã đề cập một cách 
tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ thủy lực thường được sự 
dụng hiện nay; Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng động 
lực học hệ; Ứng dụng lý thuyết này để xây dựng mối quan hệ của các 
tín hiệu vào/ra qua các phương trình vi phân; Sơ đồ khối mô tả hệ 
thống và ứng dụng bộ điều khiển hệ thống; Ngoài ra, nội dung còn đề 
cập đến phương pháp đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển. 
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU 
KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG 
ĐỘNG CƠ THỦY LỰC 
Hình 3.1 là ví dụ về một sơ đồ khối thể hiện đặc tính của các bộ 
phận trong hệ điều khiển và được phân loại theo dạng đặc tính. Qua 
sơ đồ này chúng ta thấy trong một hệ điều khiển, mỗi bộ phận sẽ có 
một đặc tính riêng nhưng khi có sự tác động qua lại của các bộ phận 
đó sẽ cho ta một đặc tính chung cho cả hệ. Có thể hình dung được 
mục tiêu của bài toán lý thuyết là chọn được bộ điều khiển và bộ 
thông số điều khiển phù hợp để đặc tính tín hiệu ra đạt yêu cầu (theo 
tiêu chuẩn ITAE). 
 7 
Trong các thiết bị cơ khí chủ yếu có 3 dạng tín hiệu ra, tức là có 3 
tín hiệu cần điều khiển, đó là điều khiển theo vị trí, theo tải trọng và 
theo tốc độ cho hệ chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. 
E I Q Ω 
- 
+ 
p 
u0 
F 
Bộ điều khiển 
Cụm động cơ thủy lực và cơ 
cấu chấp hành 
Van tỷ lệ 
Tín hiệu ra 
Cảm biến 
n1 
t 0 
Hình 3.1. Sơ đồ khối thể hiện đặc tính của hệ điều khiển 
Nội dung của chương 3 là trình bày nghiên cứu mô phỏng về điều 
khiển tốc độ của một trục chuyển động quay. Từ sơ đồ của mô hình 
nghiên cứu, xây dựng mô hình tính toán và lập các phương trình mô 
tả hệ, sử dụng lý thuyết điều khiển tự động để xây dựng sơ đồ khối về 
mối quan hệ giữa tính hiệu vào (điện áp u0) và tín hiệu ra là tốc độ 
của trục quay (n1). Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính bằng phần 
mềm Matlab/Simulink để thể hiện quá trình điều khiển và vẽ đồ thị 
đáp ứng quá trình quá độ của hệ thống. Xác định các chỉ tiêu của đáp 
ứng quá độ tốc độ, đó là: Thời gian tăng tr; Thời gian xác lập tqđ; Độ 
vọt lố cmax-cxl và sai số vòng quay ở chế độ xác lập exl. 
3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu đáp ứng quá độ của cụm trục 
quay truyền động bằng thủy lực 
3.1.1. Phân tích tổng quan 
Hình 3.2 là một số mô hình ứng dụng điển hình, trong đó: a) Ứng 
dụng truyền động bằng động cơ thủy lực trong rada; b) Ứng dụng 
truyền động bằng động cơ thủy lực trong robot; c) Ứng dụng truyền 
động bằng động cơ thủy lực trong điều khiển vị trí bàn máy qua bộ 
 8 
truyền bánh răng - thanh răng; d) Ứng dụng truyền động bằng động 
cơ thủy lực trong điều khiển vị trí bàn máy qua bộ truyền vít me - đai 
ốc [3]; e, g) Ứng dụng truyền động bằng xilanh thủy lực trong điều 
khiển vị trí bàn máy [2]. 
Động cơ 
thủy lực 
Van servo 
Rada 
 
Bộ truyền 
bánh răng 
Jt 
Robot 
Bộ truyền 
bánh răng 
Động cơ 
thủy lực 
a) 
Van servo 
b) 
Van servo 
Động cơ 
thủy lực 
Bàn máy 
Bánh răng 
thanh răng 
Bộ truyền 
bánh răng 
c) 
d) 
m 
Van servo 
Động cơ 
thủy lực 
Bàn máy 
Bàn máy 
Xilanh thủy lực 
Hành trình dịch chuyển 
e) 
g) 
Hình 3.2. Ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực 
Các công trình nghiên cứu được công bố hầu hết mô hình nghiên 
cứu chỉ tính toán và giả thiết là một khối lượng chuyển động và cơ 
 9 
cấu chấp hành là một khâu đàn hồi. Trong thực tế, cơ cấu chấp hành 
có thể nhiều khâu đàn hồi và nhiều khối lượng chuyển động. Nghiên 
cứu mô hình của hai khối lượng quay và hai khâu đàn hồi chống xoắn 
cũng rất có ý nghĩa. 
3.1.2. Mô hình nghiên cứu 
Mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc độ trục quay có hai khâu 
đàn hồi (một khâu đàn hồi là cụm động cơ thủy lực và một khâu đàn 
hồi là bộ truyền đai thang truyền động từ trục trung gian của động cơ 
thủy lực đến trục quay) và hai giá trị mô men quán tính khối lượng 
(một là trên trục quay và một là trên trục của động cơ thủy lực) được 
thể hiện trên hình 3.3 và hình 4.1. 
M 
Đồng hồ đo áp suất Lọc cao áp 
Lọc 
Động cơ điện 
Ắc quy thủy lực 
V
an
 t
rà
n
 v
à 
v
an
 a
n
 t
o
àn
 Bơm dầu 
Bộ truyền 
đai thang 
p0 
Bộ nguồn thủy lực 
Van tỷ lệ 
n0(Ω0, 0) 
p, Q 
Bộ truyền 
đai thang 
J0 
Động cơ thủy lực 
Lọc Bộ truyền 
đai thang 
Đồng hồ đo áp suất 
pt 
V
an
 t
rà
n
 v
à 
v
an
 a
n
 t
o
àn
Van tiết lưu 
Valve 
Bơm dầu 
Cụm tạo tải 
n1(Ω1, 1) 
Bộ truyền 
đai thang 
Bộ truyền 
đai thang 
Bộ truyền 
đai răng 
J1 
Trục quay 
nt 
Bộ truyền 
đai răng 
Tốc kế 
Bộ điều khiển 
Bộ khuếch đại 
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thủy lực của từng cụm truyền động cho 
trục quay 
 10 
Sơ đồ khối của hệ điều khiển thể hiện trên hình 3.4. 
u0 
Bộ điều khiển Van tỷ lệ 
Động cơ 
thủy lực 
Tốc kế 
F 
Bộ truyền đai răng 
Trục quay 
I Bộ truyền 
đai thang 
Ω0 n1 
nt 
Cụm tạo tải 
E Q Ω1 
Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 
Động cơ điện ba pha truyền chuyển động cho bơm dầu thông qua 
bộ truyền đai thang và trục trung gian. Điều khiển tốc độ của động 
thủy lực bằng cách điều khiển lưu lượng dầu qua van tỷ lệ. Động cơ 
thủy lực truyền động cho trục quay qua bộ truyền đai thang. Thiết bị 
đo tốc độ của trục quay được sử dụng là tốc kế. Tốc kế sẽ nhận tín 
hiệu tốc độ của trục quay qua bộ truyền đai răng. Để tạo tải trọng (mô 
men) cho trục quay trong quá trình nghiên cứu, ta sử dụng bơm dầu. 
Khi thay đổi áp suất p ... 2
11
2
1 r.k2s.fs.J
1
Kn 
s30
1(s) n1(s) 0(s) 
i1 
ML(s) M0(s) t
b
D 
pt(s) 
Hình 3.9. Sơ đồ khối mô tả hệ thống 
i1 
Gain8 
Dbt 
Gain9 
Tai dot ngot 
Tai ban dau 
1.65 
1 
J1.s +f1.s+2*k*r1^2 
2 
U(s) 
Theta1(s) 
Omega 
(s) 
E(s) I(s) 
p(s) 
Theta0(s) 
Vg/ph 
Q(s) 
Transfer Fcn2 
1 
J0.s +f0.s+2*k*r0^2 
2 
Transfer Fcn1 
1 
c.s+lambda 
Transfer Fcn 
n1_sp 
To Workspace3 
U_out 
To Workspace2 
t_out 
To Workspace1 
n1 
To Workspace 
Step 
2*k*r0*r1 
Gain7 
1/Kn 
Gain6 
Kn/1.2 
Gain5 
Dm 
Gain4 
30/pi 
Gain3 
2*k*r0*r1 
Gain2 
Dm0 
Gain1 
Kv 
Gain 
In1 Out1 
FUZZY PID 
Theta0/dt 
Derivative1 
Theta1/dt 
Derivative 
Clock 
F(s) 
Scope 
Hình 3.10. Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab/Simulink 
3.3. Mô phỏng đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay 
Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ được thể hiện trên hình 3.11. 
 15 
 e 
+ 
Bộ điều chỉnh mờ 
KP KI KD 
Bộ điều 
khiển PID 
Bộ khuếch đại 
Giá trị 
cài đặt Tín hiệu ra 
 e 
Cảm biến 
Động cơ thủy lực + 
Trục quay 
- 
Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 
Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ được mô phỏng bằng 
Matlab/Simulink thể hiện trên hình 3.12. 
Fuzzy self-tuning 
PID controller 
1 
Out1 
Product2 
Product1 
Product 
1 
s 
Integrator 
0.04 
Gain2 
0.0001 
Gain1 
0.12 
Gain 
du/dt 
Derivative1 
du/dt 
Derivative 
0.033 
Constant 
Add 
1 
In1 
Hình 3.12. Mô phỏng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 
Hình 3.13. Đồ thị đáp ứng quá độ của trục quay với 5 tốc độ cài đặt 
 16 
Đồ thị nghiên cứu mô phỏng khi điều khiển tốc độ trục quay bằng 
bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ được nghiên cứu với tải bằng 0, 
tải thay đổi ban đầu và tải thay đổi đột ngột. Tuy nhiên, giới hạn của 
tóm tắt chúng tôi chỉ thể hiện một trường hợp là cài đặt tải ban đầu ở 
hình 3.13. Bảng tổng hợp các giá trị khảo sát đáp ứng quá độ của hệ 
thống được thể hiện trên bảng 3.1. 
Qua bảng tổng hợp 3.1, chúng tôi thấy rằng ở năm tốc độ cài đặt của 
hệ thống không có độ vọt lố, thời gian tăng nhỏ, nghĩa là thời gian đáp 
ứng nhanh phù hợp với cơ sở lý thuyết. 
Bảng 3.1. Tổng hợp các giá trị khảo sát 
Tốc độ 
của 
trục 
quay ở 
giá trị 
cài đặt 
(vg/ph) 
Giá trị 
Đáp 
ứng 
khảo sát 
(vg/ph) 
Độ 
vọt 
lố 
(%) 
Thời 
gian 
trễ 
(s) 
Thời gian 
tăng (s) 
Thời gian 
xác lập 
(s) 
Sai số 
cận trên 
(%) 
Sai số 
cận 
dưới 
(%) 
300 300 0 0 1,189 2,318 0,43 0 
500 500 0 0 1,189 2,316 0,46 0 
700 700 0 0 1,189 2,317 0,46 0 
900 900 0 0 1,189 2,317 0,47 0 
1100 1100 0 0 1,189 2,316 0,55 0 
3.4. Kết luận chƣơng 
Kết quả nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tốc độ của trục quay 
truyền động bằng động cơ thủy lực: 
1) Phân tích tổng quan về các phương án truyền động để xây dựng 
mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc độ của trục quay [1, 4]. 
2) Mô hình nghiên cứu được thiết lập với các giả thiết đặt ra không 
trùng lặp với các công trình đã công bố. Đó là mô hình hai khối 
lượng quay và hai khâu đàn hồi [1]. 
3) Thiết lập được mô tả toán học về mối quan hệ của các tín hiệu 
 17 
vào/ra trong hệ thống. Từ đó biến đổi Laplace và mô tả hệ thống 
bằng sơ đồ khối để phục vụ cho việc mô phỏng trên máy tính. 
4) Chọn bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ 
thống ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau. 
5) Mô phỏng đáp ứng quá độ tốc độ của trục quay (hình 3.13) và bảng 
tổng hợp số liệu (bảng 3.1) cho ta thấy rằng hệ thống có thời gian xác lập 
nhanh, không có độ vọt lố và sai số xác lập nhỏ (sai số cho phép ≤ [5%] 
theo chỉ tiêu đánh giá chất lượng động lực học hệ thống). Kết quả này 
chứng tỏ rằng mô hình đề xuất là hoàn toàn phù hợp. 
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU 
KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG 
ĐỘNG CƠ THỦY LỰC 
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết trong chương 3. Nội dung 
chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về độ ổn định tốc độ 
của trục quay. Kết quả nghiên cứu bao gồm, chọn các thiết bị thực 
nghiệm (nguồn thủy lực, các van điều chỉnh và điều khiển), chế tạo trục 
quay, chọn thiết bị điều khiển, lắp ráp mô hình thực nghiệm và viết 
chương trình điều khiển hệ thống. Kết quả là vẽ đồ thị đáp ứng quá độ 
về tốc độ của trục quay trên máy tính theo thời gian thực và so sánh với 
các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Ngoài ra, để khẳng định với bộ thông 
số PID tự điều chỉnh mờ ứng dụng trên hệ thống này vẫn hoạt động tốt 
chúng tôi còn khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dầu đến đáp ứng của hệ. 
4.1. Mô hình thực nghiệm của trục quay truyền động bằng động 
cơ thủy lực 
Sơ đồ nguyên lý thủy lực được thể hiện trên hình 4.1, sơ đồ khối 
hệ thống điều khiển trên hình 4.2 và ảnh chụp mô hình thực nghiệm 
được thể hiện trên hình 4.3. 
 18 
M 
Lọc 
n0(Ω0, 0) 
n1(Ω1, 1) 
p0 
p, Q 
n2(Ω2, 2) 
pt 
i1 
i2 
i0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 9 
10 
11 
13 
1- Động cơ điện; 
2- Bộ truyền đai thang (i0); 
3- Lọc dầu đường hút; 
4- Bơm dầu; 
5- Đồng hồ đo áp suất; 
6- Lọc cao áp; 
7- Ắc quy thủy lực; 
8- Van tỷ lệ; 
9- Cụm bơm tạo tải; 
10- Trục quay; 
11- Bộ truyền đai thang (i1); 
12- Động cơ thủy lực; 
13- Van tràn và van an toàn. 
pS pT 
QT 
QS 
nb 
nđc 
J0 
J1 12 
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý thủy lực 
Bo Arduino 
(Mega 2560) 
Bộ DAC 
(4921) 
Bộ khuếch đại 
Van tỷ lệ 
Bộ truyền 
đai thang 
Tốc kế 
USB Máy vi tính 
Matlab, IDE 
software 
Cụm tạo tải 
(Bơm + van) 
Trục quay 
Động cơ 
thủy lực 
Nguồn thủy lực 
(Động cơ điện, bơm dầu, lọc 
dầu, van tràn và van an toàn, 
đồng hồ đo áp suất) Lọc cao áp 
Ắc quy 
thủy khí 
n1 
Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 
 19 
Hình 4.3. Ảnh chụp mô hình thực nghiệm [1, 4] 
4.2. Xác định thông số điều khiển và viết chƣơng trình điều khiển 
hệ thống 
Qua thực nghiệm thì phạm vi của mỗi tham số là: KP (0.033, 
0.153), KI (0, 0.0001) và KD (0, 0.04). Do đó, chúng có thể được 
hiệu chỉnh trong khoảng (0,1) như sau: 
' 'P P min P
P P P
P max P min
' 'I Imin I
I I I
Imax Imin
' 'D D min D
D D D
D max D min
K K K 0.033
K , K 0.12K 0.033
K K 0.153 0.033
K K K 0
K ,K 0.0001K
K K 0.0001 0
K K K 0
K ,K 0.04K
K K 0.04 0
 (4.1) 
Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm IDE. Quá trình 
điều khiển tốc độ của trục quay theo thời gian thực và vẽ đồ thì đáp 
ứng quá độ của hệ thống [1]. 
4.3. Khảo sát thực nghiệm độ ổn định về điều khiển tốc tộ của 
trục quay 
Trên hình 4.4 là tổng hợp kết quả khảo sát thực nghiệm về điều 
khiển tốc độ của trục quay. 
 20 
Hình 4.4. Khảo sát thực nghiệm về điều khiển tốc độ của trục quay 
Qua bảng các kết quả thực nghiệm được tổng hợp thì ta thấy: Thời 
gian trễ là rất nhỏ, không có vọt lố, thời gian đáp ứng nhanh và sai số 
xác lập ≤ 2%. Giá trị này là đảm bảo phạm vi sai số cho phép khi đánh 
giá chất lượng động lực học của hệ thống (≤ [5%]). 
Bảng 4.1. Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm 
Tốc độ 
của trục 
quay cài 
đặt 
(vg/ph) 
Giá trị 
Đáp ứng 
thực 
nghiệm 
(vg/ph) 
Độ 
vọt 
lố 
(%) 
Thời 
gian 
trễ (s) 
Thời 
gian 
tăng (s) 
Thời 
gian 
xác lập 
(s) 
Sai số 
cận 
trên 
(%) 
Sai số 
cận 
dưới 
(%) 
300 300 0 0,285 1,335 2,71 1,66 1,66 
500 500 0 0,16 1,16 2,46 0,8 1,00 
700 700 0 0,16 1,035 2,71 1,57 0,85 
900 900 0 0,135 1,21 2,87 1,00 1,11 
1100 1100 0 0,16 1,42 2,535 0,64 1,27 
4.4. So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm 
Hình 4.5 là đồ thị đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ giữa lý 
thuyết và thực nghiệm. Từ đó, chúng ta thấy được tính phù hợp của 
 21 
kết quả nghiên cứu đã đề xuất. 
Hình 4.5. So sánh đáp ứng quá độ giữa lý thuyết và thực nghiệm 
So sánh kết quả (bảng 3.1 và 4.1) đáp ứng giữa lý thuyết và thực 
nghiệm, ta có một số nhận xét như sau: 
1) Đáp ứng quá độ về điều khiển tự động tốc độ của trục quay ở 
các giá trị cài đặt giữa lý thuyết và thực nghiệm gần giống nhau. Điều 
đó chứng tỏ rằng, kết quả nghiên cứu thực nghiệm là phù hợp với kết 
quả nghiên cứu lý thuyết. 
2) Thời gian trễ của đáp ứng thực nghiệm là rất nhỏ. Các cặp giá 
trị thời gian tăng, thời gian đáp ứng và sai số xác lập cũng có sai lệch 
không đáng kể. 
3) Các đáp ứng quá độ về tốc độ là không có độ vọt lố và bám sát 
giá trị cài đặt. Đặc tính này gần giống với đặc tính của khâu quán tính 
(hệ bậc nhất). Điều này phù hợp với đáp ứng theo tiêu chuẩn ITAE. 
Qua kết quả nghiên cứu ở trên, chúng tôi thấy bộ điều khiển PID 
tự điều chỉnh mờ là phù hợp với mô hình điều khiển hệ thống thủy 
lực như trình bày ở trên [1]. 
 22 
4.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ của dầu đến độ ổn định tốc 
độ của trục quay 
Trên các hình từ 4.6, thể hiện các đáp ứng quá độ của hệ ở nhiệt độ 
thay đổi từ 450C đến 750C, khi điều khiển tốc độ trục quay 300 vg/ph, 
700 vg/ph và 900 vg/ph. 
Hình 4.6. Đáp ứng tốc độ của trục quay từ 450C đến 750C 
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của trục quay, có thể 
rút ra các nhận xét sau: 
1) Ở phạm vi thay đổi nhiệt độ của dầu từ 450C đến 750C hệ thống 
vẫn cho đáp ứng dạng khâu quán tính, sai số xác lập vẫn đảm bảo 
trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng dần thì thời 
gian tăng (tr) và thời gian xác lập (tqđ) cũng sẽ tăng. Điều này hoàn 
toàn phù hợp về mặt lý thuyết, có thể giải thích hiện tượng này là vì ở 
nhiệt độ cao thì độ nhớt của dầu giảm nên độ đàn hồi của dầu tăng, 
ma sát giữa dầu và các bộ phận thủy lực giảm, tổn thất tăng .v.v. làm 
 23 
cho thời gian đáp ứng lâu hơn. 
2) Trên tất cả các đáp ứng thực nghiệm chúng ta thấy rằng tốc độ trục 
quay có sự dao động ở chế độ xác lập. Tuy nhiên phạm vi dao động 
không quá 5% theo chỉ tiêu đánh giá đáp ứng quá độ của hệ thống. 
4.6. Kết luận chƣơng 
Nghiên cứu thực nghiệm đã thực hiện với kết quả như sau: 
1) Thiết kế hệ thống, chế tạo các bộ phận truyền động và lắp ráp 
các phần tử điều khiển cũng như thực hiện sự ghép nối tương thích 
giữa thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành. 
2) Thiết lập được thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ và 
xác định được bộ thông số điều khiển là K’P, K’I và K’D. 
3) Qua kết quả khảo sát thực nghiệm chứng tỏ bộ tham số điều 
khiển K’P, K’I và K’D tự động điều chỉnh mờ cho kết quả tốt. 
4) So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả nghiên cứu 
lý thuyết thì các các đồ thị đáp ứng quá độ của hệ là gần như giống 
nhau, sai lệch về các chỉ tiêu đáp ứng quá độ là không đáng kể. 
5) Kết quả trên vẫn đúng với nhiệt độ của dầu thủy lực trong phạm 
vi thay đổi lớn là từ 450C đến 750C. Tuy nhiên, theo khuyến cáo các 
nhà sản xuất, để tăng tuổi thọ làm việc của dầu thủy lực thì nhiệt độ 
dầu làm việc tốt nhất là ≤ 700C. 
KẾT LUẬN CHUNG 
Các kết quả đạt được của luận án: 
Về nghiên cứu lý thuyết: 
1) Xây dựng một mô hình nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tốc 
độ cho trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực. Thiết lập được 
mô tả toán học và sơ đồ khối trên cơ sở biến đổi Laplace và đại số sơ 
đồ khối của cả hệ thống (hình 3.10, mô hình hệ bậc cao). 
2) Mô phỏng được đáp ứng quá độ ở nhiều tốc độ của trục quay. 
Về nghiên cứu thực nghiệm: 
 24 
Xác định được bộ tham số KP (0.033, 0.153), KI (0, 0.0001), và 
KD (0, 0.04) của bộ điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ. Giữa kết 
quả khảo sát thực nghiệm và kết quả nghiên cứu lý thuyết là gần như 
giống nhau, nhờ bộ điều khiển trên mà đáp ứng của mô hình thực 
nghiệm cũng gần giống khâu quán tính (theo tiêu chuẩn ITAE). 
Tính mới và đóng góp của luận án: 
1) Thiết lập và giải được bài toán về mô hình nghiên cứu điều 
khiển tốc độ của trục quay, truyền động bằng động cơ thủy lực với 2 
khối lượng quay và hai khâu đàn hồi (hình 3.8). 
2) Xây dựng được bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều 
khiển ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau có kết quả đạt theo tiêu chuẩn 
(ITAE), kết quả trên cũng phù hợp cả khi nhiệt độ của dầu thay đổi 
trong một phạm vi nhất định [1]. 
Khả năng ứng dụng của đề tài: 
1) Ứng dụng động cơ thủy lực cho trục công tác chuyển động quay 
hoặc chuyển động thẳng qua bộ truyền vít me-đai ốc (như hình 3.2). 
2) Chủ động nắm vững công nghệ và nâng cao chất lượng hệ thống 
điều khiển thủy lực trong máy móc thiết bị ở Việt Nam. 
Hướng nghiên cứu tiếp theo: 
1) Nghiên cứu, khảo sát đặc tính áp suất của hệ chuyển động quay. 
2) Ảnh hưởng của tải thay đổi đột ngột đến đáp ứng quá độ. 
3) Nghiên cứu và so sánh với các phương pháp điều khiển khác. 
4) Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn để thử nghiệm và ứng dụng cho 
máy chuyên dùng có tải lớn, công suất lớn. 
Đề tài điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ 
thủy lực theo mô hình trên là đề tài mới và chỉ mới đạt được kết quả 
ban đầu. Kính mong được sự góp ý của quý Thầy và các Đồng 
nghiệp để có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa và thực tế hơn cho 
đề tài nghiên cứu này. 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ 
CỦA LUẬN ÁN 
1. T.N Hai, L. Cung, N.V Dung (2019), An Investigation on Speed Control 
of a Spindle Cluster Driven by Hydraulic Motor: Application to Metal 
Cutting Machines, International Journal of Rotating Machinery (ISI-ESCI), 
volume 2019, Article ID 4359524 (https://doi.org/10.1155/2019/4359524). 
2. T.N Hai, T.Q Bang, V.N Thanh, H.T Tien, T.X Tuy (2018), Modeling of 
Position Control for Hydraulic Cylinder Using Servo Valve, Springer 
International Publishing AG, part of Springer Nature (Scopus Indexed), 
ISBN: 978-3-319-75419-3, 696-706. 
3. T.N Hai, V.N Thanh, T.X Tuy (2018), The Research On Position 
Response Of Table Transmission By Hydraulic Motor, Proceedings the first 
International Conference on Material, Machines and Methods for 
Sustainable Development (MMMS), ISBN: 978-604-95-0502-7, 481-488. 
4. T.N Hai, L. Cung, N.V Dung (2017), Experimental Investigation of Speed 
Control of Hydraulic Motor Using Proportional Valve, IEEE International 
Conference on System Science and Engineering (Scopus Indexed), ISBN: 
978-1-5386-3421-9 (ISSN Online: 2575-6028). 
5. Trần Ngọc Hải (2018), Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục chính 
truyền động bằng thủy lực cho máy tiện, Đề tài Khoa học và Công nghệ cấp 
bộ, mã số: B2016-DNA-28-TT. 
6. T.N Hải, L. Cung, V.N Thành (2018), Một số kết quả nghiên cứu, chế tạo 
máy tiện tự động có trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực, Hội nghị 
KH & CN toàn quốc về Cơ khí lần 5, ISBN: 978-604-67-1103-2, 194-202. 
7. T.N Hải, N.T Lý, T.X Tùy (2017), Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết 
gia công trên máy tiện khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực, 
Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN, số 11, ISSN 1859-1531, 22-25. 
8. T.N Hải, L. Cung, N.V Dũng (2016), Nghiên cứu thực nghiệm về ổn định 
tốc độ của trục chính máy tiện khi truyền động bằng động cơ thủy lực, Hội 
nghị Cơ điện tử toàn quốc lần, số ISBN: 978-604-913-503-3, 494-499. 
9. Trần Ngọc Hải (2014), Nghiên cứu độ ổn định tốc độ của trục chính máy 
tiện khi truyền động bằng động cơ thủy lực, Hội nghị Toàn quốc lần thứ 7 về 
Cơ điện điện tử, số ISBN: 978-604-913-306-0, 180-185.