BÀI tập lớn môn hệ THỐNG điều KHIỂN máy CNC máy CNC hai trục x, y mỗi trục có 1 động cơ

Tự chọn thông số 02 hàm truyền trên và thiết kế bộ điều khiển vị trí cho từng trục thỏa mãn các yêu cầu sau: - Thực hiện cả nội suy thô và nội suy tinh - Tự chọn vận tốc tối đa, gia tốc

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

Hệ thống điều khiển máy CNC

Lý Ngọc Thuận - 20174249 Hoàng Anh Tú - 20174316

HÀ NỘI, 5/2021

Trang 2

MỤC LỤC

1 YÊU CẦU BÀI TOÁN VÀ LỰA CHỌN THAM SỐ 4

2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PID CHO 2 TRỤC ĐỘNG CƠ 5

2.1 Các bước thiết kế bộ điều khiển 5

2.2 Thiết kế bộ điều khiển 5

2.2.1 Trục x 5

2.2.2 Trục y 7

3 NỘI SUY ĐƯỜNG THẲNG 9

3.1 Cấu trúc bộ điều khiển trung tâm 9

3.2 Look Ahead 9

3.3 Tính toán thời gian tăng tốc, giảm tốc, vận tốc không đổi 9

3.4 Nội suy vận tốc 10

3.5 Nội suy lệnh đặt cho đường thẳng (trích mẫu dữ liệu) 11

3.6 Nội suy tinh 13

3.6.1 Nội suy tuyến tính 14

3.6.2 Nội suy trung bình 15

3.6.3 Quỹ đạo sau nội suy tinh 17

3.7 Thực hiện điều khiển vị trí 18

4 NỘI SUY ĐƯỜNG TRÒN 23

4.1 Tính toán thời gian tăng tốc, giảm tốc, vận tốc không đổi 23

4.2 Nội suy vận tốc 23

4.3 Nội suy sai lệch đặt cho đường tròn 24

4.4 Nội suy tinh 26

5 THỰC HIỆN VẼ CHỮ “C” 33

6 NỘI SUY THÔ QUỸ ĐẠO VỚI TĂNG/GIẢM TỐC SAU NỘI SUY 39

6.1 Nội suy tuyến tính 39

2

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Trang 3

6.2 Nội suy đường tròn 42

7 PHỤ LỤC 47

7.1 Chương trình nội suy đường thẳng (m-file) 47

7.2 Chương trình nội suy đường tròn (m-file) 49

7.3 Chương trình nội suy chữ C (m-file) 53

7.4 Nội suy thô đường thẳng với kiểu tăng/giảm tốc sau nội suy dạng hình thang 60

7.5 Nội suy thô đường tròn với kiểu tăng/giảm tốc sau nội suy dạng hình thang 61

7.6 Chương trình điều khiển trên simulink 62

Trang 4

1 YÊU CẦU BÀI TOÁN VÀ LỰA CHỌN THAM SỐ

Một hệ thống CNC gồm 2 trục X và Y được điều khiển bởi 2 động cơ có bộ driver điều khiển tốc độ kèm theo Giả sử hàm truyền với đầu vào là điện áp điều khiển, đầu ra

là tốc độ của 2 hệ truyền động 2 trục X và Y là khâu quán tính bậc nhất.

1. Tự chọn thông số 02 hàm truyền trên và thiết kế bộ điều khiển vị trí cho từng trục thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Thực hiện cả nội suy thô và nội suy tinh

- Tự chọn vận tốc tối đa, gia tốc tối đa

- Chu kỳ nội suy thô là 5ms, nội suy tinh là 1ms

3. Thực hiện mô phỏng hệ thống di chuyển theo quỹ đạo hình chữ O hoặc C.

4. Trình bày và nêu ví dụ minh họa (thông số tùy chọn) về nội suy thô đường thẳng

và đường tròn với kiểu tăng tốc/giảm tốc dạng hình thang (tăng tốc/giảm tốc sau nội suy).

Các thông số cụ thể sẽ trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo.

4

Trang 5

Trang 6

2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PID CHO 2 TRỤC ĐỘNG CƠ

Với thông số 2 hàm truyền động cơ:

Chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển vị trí:

Vì 2 hàm truyền trên đều có khâu tích phân trong hàm truyền vì thế sẽ loại bỏ được sai lệch tĩnh Bởi vậy, bộ điều khiển vị trí được chọn sẽ là bộ PD với hàm truyền:

2.1 Các bước thiết kế bộ điều khiển

- B1: Đặt giá trị Setpoint là tín hiệu Step, biên độ là 1

- B2: Đặt giá trị=,=0

- B3: Quan sát đáp ứng đầu ra của 2 trục và quan sát , sau khi thỏa mãn giá trị cho phép thì tinh chỉnh hệ số của bộ điều khiển đạt thỏa mãn yêu cầu về thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh

Hình 2 1 Mô hình mô phỏng Matlab Simulink

2.2 Thiết kế bộ điều khiển

Trang 7

Ta thu được kết quả mô phỏng:

Hình 2 2 Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển theo trục x

Nhận xét:

▪ Có sai lệch tĩnh xấp xỉ 0 từ thời điểm t = 0.45s

▪ Độ quá điều chỉnh: 4.1% < 5%

6

Trang 8

Hình 2 3 Điện áp điều khiển trục x

Nhận xét: Điện áp điều khiển < 10V

→ Từ những nhận xét trên ta kết luận: Bộ điều khiển vị trí theo trục x thỏa mãn yêu cầu đề bài

Trang 9

Hình 2 4 Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển theo trục y

Nhận xét: ▪ Đáp ứng đầu ra của động cơ theo trục y bám sát giá trị đặt.

▪ Có sai lệch tĩnh xấp xỉ 0 từ thời điểm t = 0.45s

Hình 2 5 Điện áp điều khiển theo trục y

Nhận xét: Điện áp điều khiển < 10V

→ Từ những nhận xét trên ta kết luận: Bộ điều khiển vị trí theo trục x thỏa mãn yêu cầu đề bài

8

Trang 10

3 NỘI SUY ĐƯỜNG THẲNG

Trong phần nội suy đường thẳng, nhóm em xin chọn nội suy từ điểm A(10,10) đến điểm B(50,40).

3.1 Cấu trúc bộ điều khiển trung tâm

Sử dụng cấu trúc ADCBI: thực hiện tăng tốc/giảm tốc trước khi nội suy.

3.2 Look Ahead

• Tính toán tốc độ tại điểm bắt đầu và điểm kết thúc của một khối dựa vào các khối được thực hiện sau nó.

Xác định dạng profile vận tốc là dạng normal block (dạng hình thang) gồm 3 quá trình: tăng tốc, vận tốc không đổi, giảm tốc.

3.3 Tính toán thời gian tăng tốc, giảm tốc, vận tốc không đổi

Thông số profile vận tốc:

9

Trang 11

• Gia tốc giảm tốc cho phép: D=2 (mm/s2)

Với profile vận tốc dạng normal block ta có công thức tính như sau:

Tính toán thời gian

Trang 12

Trang 13

3.5 Nội suy lệnh đặt cho đường thẳng (trích mẫu dữ liệu)

Sử dụng phương pháp trích mẫu dữ liệu như sau:

Trang 15

Trang 16

Sau khi nội suy thu được quỹ đạo đi từ: A(10,10) đến B(50,40) như sau:

Tăng tốc

3.6 Nội suy tinh

Do chu kỳ trích mẫu nội suy lớn hơn chu kỳ trích mẫu bộ điều khiển vị trí ( = 5)

Trang 17

3.6.1 Nội suy tuyến tính

Trang 18

3.6.2 Nội suy trung bình

Từ đồ thị khoảng dịch chuyển thu được từ phương pháp tuyến tính, áp dụng công thức:

Trang 19

2491 0.3992 0.3984 0.3984 0.3984 0.3984 0.3984 0.3976 0.3976 0.39824 0.3984 0.39832 499

Trang 21

Trang 22

3.6.3 Quỹ đạo sau nội suy tinh

Sau khi sử dụng 2 phương pháp trên, ta áp dụng khoảng dịch chuyển đã nội suy tinh vào nội suy sai lệch đường thẳng Quỹ đạo thu được như sau:

So sánh với quỹ đạo nội suy thô:

17

Trang 23

3.7 Thực hiện điều khiển vị trí

Sau khi thu được quỹ đạo nội suy cuối cùng, ta sử dụng quỹ đạo đó là đầu vào (setpoint) cho bộ điều khiển vị trí có mạch vòng điều khiển như sau:

Tuy nhiên, do yêu cầu đề bài, ta sẽ bỏ qua mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc

độ, bộ điều khiển vị trí là bộ PD.

Mạch vòng thiết kế trên simulink:

Ta thu được các kết quả:

Đồ thị quỹ đạo đầu ra:

Trang 24

Đồ thị so sánh quỹ đạo vào/ra theo thời gian:

Đồ thị so sánh quỹ đạo vào/ra vận tốc theo thời gian:

19

Trang 25

Đồ thị tín hiệu điều khiển (điện áp):

Trang 26

Đồ thị sai số khi điều khiển:

Biểu diễn 3 đường theo yêu cầu bài toán:

21

Trang 28

4 NỘI SUY ĐƯỜNG TRÒN

Trong phần nội suy đường tròn, nhóm em xin chọn nội suy từ điểm A(10,10) đến điểm B(50,40) với tâm đường tròn là X( , ) và tổng cung tròn di chuyển là

giữa 2 điểm cần nội

(rad)

Từ bảng trên, ta có thể tính tổng góc trong quá trình tăng tốc và giảm tốc, từ đó

có thể tính toán được chiều dài và thời gian khi tốc độ không đổi:

• Tốc độ góc khi vận tốc không đổi:= = rad/s

• Chiều dài cung tròn di chuyển:= − (∑ + ∑ )

Trang 29

4.3 Nội suy sai lệch đặt cho đường tròn

Ta có thể nội suy tọa độ X,Y từ hình dưới đây:

Đặt A=cos( ), B=sin( ), từ hình trên ta có thể tính toán:

24

Trang 31

Vận tốc không đổi Tăng tốc

Giảm tốc

4.4 Nội suy tinh

Tương tự như đã nội suy tinh với đường thẳng, tiến hành nội suy tinh

quỹ đạo hình tròn theo hai phương pháp, thu được bảng kết quả một số chu

kỳ như sau (đơn vị

…

26

Trang 32

Trang 34

Trang 35

So sánh với giá trị nội suy thô:

Đưa quỹ đạo sau khi nội suy vào điều khiển thu được

Trang 36

29

Trang 37

Đồ thị so sánh vận tốc vào/ra theo thời gian:

Trang 38

Đồ thị tín hiệu điều khiển:

31

Trang 39

Trang 40

5 THỰC HIỆN VẼ CHỮ “C”

Từ những kết quả thu được ở trên, nhóm em sẽ thực hiện vẽ chữ “C” qua 3 bước:

• B1: Thực hiện nội suy đường tròn từ điểm A(20,20) đến điểm B(-20,20) với đường tròn bán kính R=20mm và góc nội suy =

• B2: Thực hiện nội suy đường thằng từ điểm B(-20,20) đến điểm C(-20,-20) với độ dài di chuyển L=40mm.

• B3: Thực hiện nội suy đường tròn từ điểm C(-20,-20) đến điểm D(20,-20) với đường tròn bán kính R=20mm và góc nội suy =

Cả 3 bước nội suy trên đều thực hiện với chu kì nội suy = .

Sau khi thực hiện 3 bước nội suy trên, ta thu được kết quả:

Profile vận tốc chia thành 3 quãng lần lượt theo 3 bước ở trên:

33

Trang 41

Tiến hành nội suy tinh theo phương pháp tuyến tính và trung bình tương tự như trên

ta thu được quỹ đạo cuối cùng:

Trang 42

Đưa quỹ đạo sau nội suy vào điều khiển thu được:

35

Trang 43

Đồ thị so sánh vận tốc vào/ra theo thời gian:

Trang 44

Đồ thị tín hiệu điều khiển:

37

Trang 45

Trang 46

6 NỘI SUY THÔ QUỸ ĐẠO VỚI TĂNG/GIẢM TỐC SAU NỘI SUY

Trong phần này, nhóm em xin chọn nội suy từ điểm A(10,10) đến điểm B(50,40).

6.1 Nội suy tuyến tính

Các thông số lựa chọn:

Tiến hành nội suy thô tuyến tính theo lưu đồ sau:

Tính toán:

Trang 47

Trang 48

Input pulse train: Impulse response:

Output pulse train:

Sampling Input pulse: Output of Output pulse: Input pulse: Output of Output pulse:

time: K ∆ ( ) buffer ∆ 0 ( ) ∆ ( ) buffer ∆ 0 ( )

Trang 49

Trang 51

Trang 52

Quỹ đạo thu được cuối cùng:

Trang 53

• Gia tốc tăng tốc cho phép : A=2 (mm/s2)

Tương tự như phần tuyến tính ta thu được:

Output pulse train:

Áp dụng công thức tương tự như đã làm với phần tuyến tính ta thu được bảng tính toán

Trang 54

497 6.0028e-04 0 5.9668e-04

…

Trang 55

Trang 56

Quỹ đạo thu được cuối cùng:

So sánh với quỹ đạo đặt:

45

Trang 58

7 PHỤ LỤC 7.1 Chương trình nội suy đường thẳng (m-file)

%%

L=50; %chieu dai

T=5e-3; %chu ky noi suy

Tdk=1e-3; %chu ky dieu khien

Nt=T/Tdk;%ty so

%%tinh toan thoi gian tang toc giam toc

Ta=F/A;%time acc

Trang 59

%tinh toan khoang tang toc ns tinh

syms i j%ns tuyen tinh

Trang 60

Y11s=Y11(:, 1:2500);Y21s=Y21(:, 1:7500);Y31s=Y31(:, 1:2500);

wave.time = [];%iput simulink

Trang 61

I=(F*F)/(2*A)+(F*F)/(2*D)-L;

Ta=F/A;%time acc

Wa=Va/R;%w=v/r toc do tang toc

alpha=Wa*T;%noi suy goc alpha khi tang toc

tong=sum(alpha);%tong quang duong tang toc

Wd=Vd/R;%toc do giam toc

alpha2=Wd*T;%noi suy goc alpha khi giam toc

tong2=sum(alpha2);%tong quang duong giam toc

Wc=F/R;%toc do cons

tong1=acos(7/25)-tong-tong2;%quang duong cons

Tc_dtr=tong1/Wc;%Thoi gian cons

Nc_dtr=round(Tc_dtr/T);% so lan noi suy cons

Vc_dtr=ones(1,Nc_dtr+1)*F;%toc do cons

%noi suy tinh acc

b_alpha(1,k)=(a_alpha(1,k+3)+a_alpha(1,k+2)+a_alpha(1,k+1)+a_alpha(1,k)+a_alpha(1,k-b1_alpha(1,k)=(a_alpha(1,k+4)+a_alpha(1,k+3)+a_alpha(1,k+2)+a_alpha(1,k+1)+a_alpha(1,k ))/Nt;

b2_alpha(1,k)=(b_alpha(1,k)+b1_alpha(1,k))/2;

50

Trang 62

for k=Na*Nt-2:Na*Nt+1

b_alpha(1,k)=((k-Na*Nt+3)*a_alpha(1,Na*Nt+1)+(Nt-k+Na*Nt-3)*a_alpha(1,k))/Nt;b1_alpha(1,k)=((k-Na*Nt+4)*a_alpha(1,Na*Nt+1)+(Nt-k+Na*Nt-4)*a_alpha(1,k))/Nt;b2_alpha(1,k)=(b_alpha(1,k)+b1_alpha(1,k))/2;

%noi suy tinh dec

Trang 63

X61(1,m)=A1_dtr2(1,m-1)*(X61(1,m-1)-X41(1,1))+B1_dtr2(1,m-1)*(Y_tam-Y61(1,m-X41(1,1));

Trang 64

Y42(1,1)=10;%Tung do diem A

1))+X42(1,1);

X52(1,v)=A2_dtr1(1,v-1)*(X52(1,v-1)-X42(1,1))+B2_dtr1(1,v-1)*(Y_tam-Y52(1,v-X42(1,1));

X62(1,m)=A2_dtr2(1,m-1)*(X62(1,m-1)-X42(1,1))+B2_dtr2(1,m-1)*(Y_tam-Y62(1,m-X42(1,1));

Y72s=Y72(:, 1:2500);Y82s=Y82(:, 1:10060);Y92s=Y92(:, 1:2501);

wave1.time = [];%iput simulink

sum=[X42s,X52s,X62s,X12s,X21s,X32s,X72s,X82s,X92s;Y42s,Y52s,Y62s,Y12s,Y21s,Y32s,Y72s,Y82s,Y92s]';

Ta=F/A;%time acc

Trang 65

Wc=F/R;%toc do cons

tong1=pi-tong-tong2;%quang duong cons

Trang 66

Ta=F/A;%time acc

Trang 67

Y_tam1=-20;

R=20;

Wc=F/R;%toc do cons

tong1=pi-tong-tong2;%quang duong cons

end

%%

%noi suy tinh duong thang

%tinh toan khoang tang toc ns tinh

Trang 68

%tinh toan khoang giam toc ns tinh

Trang 69

%noi suy tinh duong tron

%noi suy tinh acc

%noi suy tinh dec

Trang 70

syms k %ns trung binh

b_alpha2(1,k)=(a_alpha2(1,k)+a_alpha2(1,k-1)+a_alpha2(1,k-2)+a_alpha2(1,k-2)+a_alpha2(1,k-3))/Nt;

Trang 71

L=50; %chieu dai

60

Trang 72

Ta=F/A;%time acc

Na=Ta/T;%Pulse acc

Tsum=L/F;%total time

%%tinh toan khoang dich chuyen

dX=L*0.8;

dY=L*0.6;

N=Tsum/T;%Pulse sum

syms i

deltaX=zeros(1,N+1);%khoang dich chuyen truc X

deltaY=zeros(1,N+1);%khoang dich chuyen truc Y

alpha=1.287;%tong cung dich chuyen

X_tam=100/10;%tam duong tron truc X

Y_tam=(310/6);%tam duong tron truc Y

R=1250/30;%ban kinh

Ta=F/A;%time acc

Na=Ta/T;%Pulse acc

Tsum=10.72;%total time

%%tinh toan khoang dich chuyen

N=Tsum/T;%Pulse sum

Trang 73

X_SP(1,i)=A_dtr(1,i-1)*((X_SP(1,i-1))-X_SP(1,1))+B_dtr(1,i-1)*(Y_tam-Y_SP(1,i-X_SP(1,1));

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	2,59 MB