thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và điều chỉnh tốc độ của máy mài

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và điều chỉnh tốc độ của máy mài………..8 2.1... Cùng với sự phát triển của điện, điện tử, công nghệ mài đã phát triển đến một tr

MỤC LỤC

Mục lục………1

Lời nói đầu……… 3

Chương 1 Tổng quan về công nghệ trên máy mài……….4

1.1 Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ……… 4

1.1.1 Phân loại máy mài……… 4

1.1.2 Giới thiệu một số loại máy mài và đặc điểm công nghệ……5

1.2 Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài…….6

1.2.1 Hệ truyền động điện……… 6

a) Truyền động chính……… 6

b) Truyền động ăn dao……….6

c) Truyền động phụ……… 7

1.2.2 Trang bị điện ……… 7

Chương 2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và điều chỉnh tốc độ của máy mài……… 8

2.1 Đặt vấn đề……… …8

2.1.1 Khái niệm chung……….8

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi……… 9

2.1.3 Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi……… 9

2.1.4 Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC … 9

a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu MRAC……… 10

b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient…….11

2.2 Nhận dạng hệ thống……… 14

2.3 Thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy mài……… 17

2.3.1 Thuật giải………17

2.3.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển……… 20

a) Khối đối tượng ……… 21

b) Khối mô hình mẫu……….21

d) Khối hiệu chỉnh hệ số……… 21

2.3.3 Điều kiện hoạt động ổn định của hệ thống……….22

a) Giới hạn của tích số……… 22

b) Hệ thống chịu nhiễu tác động……… 22

2.3.4 Kết quả mô phỏng……… 23

2.4 Nhận xét………24

Chương 3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp……… 25

3.1 Sơ đồ điều khiển máy mài……….25

3.2 Nguyên lý làm việc……….……… 27

Kết luận……… 29

Tài liệu tham khảo……….30

LỜI NÓI ĐẦU

Đã từ rất lâu, loài người đã biết sử dụng các dụng cụ để phục vụ cho cuộc sống của mình Nhất là khi mà các dụng cụ vẫn còn thô sơ: giáo mác, dao kiếm thì con người đã biết đến kĩ thuật mài (bằng tay) Bởi vậy

kĩ thuật mài đã ra đời từ rất lâu trong lịch sử phát triển của loài người Ngày nay, kĩ thuật mài vẫn còn vô cùng quan trọng trong cuộc sống của con người

Cùng với sự phát triển của điện, điện tử, công nghệ mài đã phát triển đến một trình độ rất cao, con người đã sử dụng máy móc để mài thay cho mình: con người đã có thể mài được nhiều vật thể cứng như kim cương, thủy tinh; mài được những mặt phẳng gần như tuyệt đối Để mài được những vật thể cứng và gần như phẳng tuyệt đối như vậy đòi hỏi phải có một công nghệ cực cao và thật hiện đại Trong bài viết này, em xin đề cập đến công nghệ mài trong công nghiệp

Những máy mài này dùng để phục vụ trong công nghiệp, dùng để mài những vật thể, chi tiết máy bằng những vật liệu không cứng như: Kim cương và bề mặt được mài không đòi hỏi có độ phẳng tuyệt đối Tuy vậy, công nghệ được trang bị cho những máy này cũng rất hiện đại và không kém phần quan trọng vì tất cả máy này đang trực tiếp phục vụ cho nền công nghiệp đang phát triển với tốc độ rất cao của con người

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS HOÀNG XUÂN BÌNH

đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Sinh viên

Nguyễn Hà Giang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRÊN MÁY

MÀI1.1 Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ

1.1.1 Phân loại máy mài

Máy mài được chia làm hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng Ngoài ra còn có các máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng…Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên

đó kẹp chi tiết ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn công nghệ máy mài

1.1.2 Giới thiệu một vài loại máy mài và đặc điểm công nghệ

a) Máy mài tròn

Có hai loại:

• Máy mài tròn ngoài (hình 1.1 a)

• Máy mài tròn trong (hình 1.1 b)

Trên máy mài tròn:

• Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài

• Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục (ăn dao ngang) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng)

• Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết

• Chuyển động quay của đá là chuyển động chính

• Chuyển động ăn dao là di chuyển của đá (ăn dao ngang) hoặc chuyển động của chi tiết (ăn dao dọc)

- Ở máy mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật:

• Chuyển động quay của đá là chuyển động chính

• Chuyển động ăn dao là di chuyển ngang của đá (ăn dao ngang) hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn mang chi tiết (ăn dao dọc)

Một tham số quan trọng của chế độ mài là tốc độ cắt ( m/s):

v=0,5.d.ω đ 10-3 , [ m/s] (1.1)

- Thông thường máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, nên sử dụng động

cơ không đồng bộ roto lồng sóc Ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc

độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D = (2 ÷ 4/1) với công suất không đổi

- Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 80 m/s nên đá mài có đường kính lớn thì tốc độ quay đá khoảng 1000vg/ph Ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao Động cơ truyền động là các động cơ đặc biêt, đá mài gắn trên trục động cơ, động cơ có tốc độ (24000 ÷ 48000) vg/ph, hoặc có thể lên tới (150000 ÷ 200000) vg/ph Nguồn của động cơ là các

bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT quay) hoặc là các bộ biến tần tĩnh bằng Thyristor

- Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 ÷ 20% momen định mức Mô men quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn: 500 ÷ 600% momen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay

đá Không yêu cầu đảo chiều quay đá

b) Truyền động ăn dao

+) Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ

không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực) với D = (2 ÷ 4)/1

Ở các máy lớn thì dùng hệ thống biến đổi - động cơ một chiều ĐM), hệ KĐT – ĐM có D = 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ-

(BBĐ-ĐM với D = (20 ÷ 25)/1 Truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực

+) Máy mài phẳng: Truyền động ăn dao của ụ đá thực hiện lặp lại nhiều

chu kỳ, sử dụng thuỷ lực Truyền động ăn dao tịnh tiến qua lại của bàn dùng hệ truyền động một chiều với phạm vi điều chỉnh tốc độ D = (8 ÷ 10):1

c) Truyền động phụ trong máy mài và truyền động ăn di chuyển nhanh

đầu mài, bơm dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát thường dùng

hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHUYỂN ĐỘNG Ụ TRỤC CHÍNH VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC

ĐỘ CỦA MÁY MÀI2.1 Đặt vấn đề

2.1.1 Khái niệm chung

“Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác động điều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi”

Hệ thống được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:

(1) Vòng hồi tiếp thông thường (Feedback) (2) Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi (Adaptation)

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi

Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:

- Hệ thích nghi mô hình tham chiếu ( MRAC )

- Bộ tự chỉnh định ( STR )

- Lịch trình độ lợi

- Hệ tự học

- Hệ tự tổ chức

2.1.3 Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi

Hệ điều khiển thích nghi có các ứng dụng như sau:

2.1.4 Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC

a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu - MRAC (Model Reference Adaptive Control)

Hệ thống thích nghi sử dụng mô hình chuẩn là một trong những phương pháp chính của điều khiển thích nghi Nguyên lí cơ bản như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình thamchiếu

Mô hình chuẩn sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệu đặt (yêu cầu) Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đối tượng và bộ điều khiển Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và của mô hình chuẩn e = y - ym Bộ điều khiển có thông số thay đổi dựa vào sai số này Hệ thống có hai vòng hồi tiếp:hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp bên ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên trong Vòng hồi tiếp bên trong được giả sử là nhanh hơn vòng hồi tiếp bên ngoài

Hình trên là mô hình MRAC đầu tiên được đề nghị bởi Whitaker vào năm 1958 với hai ý tưởng mới được đưa ra: Trước hết sự thực hiện của hệ thống được xác định bởi một mô hình, thứ hai là sai số của bộ điều khiển được chỉnh bởi sai số giữa mô hình chuẩn và hệ thống Mô hình chuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau đó được

mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễu ngẫu nhiên

b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient

Có ba phương pháp cơ bản để phân tích và thiết kế hệ MRAC :

1 Phương pháp tiếp cận Gradient

2 Hàm Lyapunov

3 Lý thuyết bị động

Ở đây em xin đề cập đến phương pháp tiếp cận Gradient:

Phương pháp Gradient được dùng bởi Whitaker đầu tiên cho hệ MRAC Phương pháp này dựa vào giả sử tham số của bộ hiệu chỉnh thay đổi chậm hơn các biến khác của hệ thống Giả sử này thừa nhận có sự ổn định giả cần thiết cho việc tính toán độ nhạy và cho cơ cấu hiệu chỉnh thích nghi Phương pháp tiếp cận gradient không cho kết quả cần thiết cho hệ thống kín ổn định Bộ quan sát được đưa ra để áp dụng lý thuyết

ổn định Lyapunov và lí thuyết bị động được dùng để bổ sung cho cơ cấu thích nghi

Đối với hệ thống có tham số điều chỉnh được như trong hình 2.3, phương pháp thích nghi sử dụng mô hình chuẩn cho một cách hiệu chỉnh tham số tổng quát để có được hàm truyền hệ thống vòng kín gần với mô hình Đây gọi là vấn đề mô hình kèm theo Một câu hỏi đặt ra là chúng ta làm cho sai lệch nhỏ như thế nào, điều này phụ thuộc bởi mô hình, hệ thống và tín hiệu đặt Nếu có thể làm cho sai số bằng 0 đối với mọi tín hiệu yêu cầu thì gọi là mô hình kèm theo hoàn hảo

+) Mô hình kèm theo

Vấn đề mô hình kèm theo có thể được giải quyết bằng thiết kế phân số cực Mô hình kèm theo là cách đơn giản để thiết lập hay giải một vấn đề điều khiển tuỳ động Mô hình sử dụng có thể là tuyến tính hay phi tuyến Các tham số trong hệ thống được hiệu chỉnh để có được y càng gần với

ym càng tốt đối với một tập các tín hiệu vào Phương pháp thích nghi là một công cụ thiết kế hệ MRAC Mặc dù mô hình kèm theo hoàn hảo chỉ

có thể đạt được trong điều kiện lý tưởng nhưng phân tích trường hợp này

sẽ cho hiểu biết sâu sắc vào vấn đề thiết kế

Xét hệ 1 đầu vào, 1 đầu ra có thể là liên tục hay rời rạc có phương trình:

y(t) = u (t)

A

B

(2.1)với u là tín hiệu điều khiển, y là ngõ ra Kí hiệu A, B là những đa thức theo biến S hay Z Giả sử bậc của A ≥ bậc của B nghĩa là hệ thống là hợp thức (đối với hệ liên tục) và nhân quả đối với hệ rời rạc Giả sử hệ số bậc cao nhất của A là 1.Tìm bộ điều khiển sao cho quan hệ giữa tín hiệu đặt

uc và tín hiệu ra mong muốn ym được cho bởi :

Với Am, Bm cũng là những đa thức theo biến S hoặc Z

Luật điều khiển tổng quát được cho bởi :

Ru=TuC - Sy (2.3)

với R, S, T là các đa thức Luật điều khiển này được xem như vừa có thành phần hồi tiếp âm với hàm truyền -S/R và thành phần nuôi tiến với hàm truyền T/R

Hình 2.3 Hệ vòng kín với bộ điều khiển tuyến tính tổng quát

Khử u ở 2 phương trình (2.2) và (2.3) được phương trình sau cho hệ thống vòng kín:

(AR + BS)y = BTu c (2.4)

Để đạt được đáp ứng vòng kín mong muốn, thì AR + BS phải chia hết cho

Am, các zero của đối tượng, khi cho B = 0, sẽ là zero của hệ kín nếu không bị khử bởi cực vòng kín

Bởi vì các điểm zero không ổn định không thể bị khử nên có thể phân tích thành B = B+B-, trong đó B+ chứa những thành phần có thể khử đi, B-

là thành phần còn lại

Theo phương trình (2.4) AR + BS là đa thức đặc trưng của hệ thống được phân tích thành ba thành phần : khử zero của đối tượng:B+ ; cực mong muốn của mô hình được cho bởi Am; các cực của bộ quan sát A0 Vì thế :

AR + BS = B + A 0 A m

gọi là phương trình Diophantine ( hay là phương trình nhận dạng Benzout) Vì B+ có thể khử nên :

(2.6)Chia phương trình (2.5) cho B+ sẽ được:

A R 1 + B - S = A 0 A m (2.7)

Vì yêu cầu là phải giống đáp ứng mong muốn nên tử số (3.4) phải chia hết cho Bm, nếu không thì sẽ không có lời giải cho bài toán thiết kế Vì vậy :

Giả sử tất cả các zero đều bị khử, khi đó có thể viết lại như sau :

Các thông số ở vế trái đã biết, vế phải chưa biết Đa thức T có được trực tiếp từ phương trình (2.8) Các tham số mô hình của phương trình (2.9) bây giờ có thể được dùng để ước lượng các tham số chưa biết của bộ điều khiển.

BT y

AT u

Các bộ điều khiển dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ được tổng hợp trên máy tính, hay nói chính xác hơn thì Ri và Rw là các thuật toán điều khiển được cài đặt trên thiết bị tính toán (máy tính, vi xử lý, vi điều khiển).

Ngoài ra còn có các cảm biến phản hồi dòng phần ứng và tốc độ động cơ

Ta có hệ phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều trên miền ảnh Laplace như sau :

ω

ω

).(

.1

b A

A t m

f

L e

A A A

A A

K e

i K M

B s J

T T

e u s L R i

=

=+

−

=

−+

=

Đối tượng động cơ DC SERVO có cấu trúc như hình 2.1

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc động cơHàm truyền của đối tượng được tính như sau :

G1(s) =

RA s

G

1 1

1

Kt

.

)

(

Hàm truyền đạt đối tượng :

Kt K Kcl .

=

J LA

Kb Kt Bf RA s J LA

J RA Bf LA s

J LA

Kt K Kcl

.

.

.

.

.

Đặt b1 =

J LA

Kt K Kcl

.

.

a1 =

J LA

J RA Bf LA

Kb Kt Bf RA

1

2 a s a s

b

+

) (

s A

s B

Vấn đề đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển tốc độ (bỏ qua mạch vòng dòng điện) động cơ có hàm truyền như trên Để thiết kế 1 bộ điều khiển tốc độ thông thường có rất nhiều các phương pháp khác nhau Ta thường gặp nhiều khó khăn khi phải thiết kế bằng tay 1 bộ điều khiển cho đối tượng để nhằm đạt được các đáp ứng như mong muốn Nhưng với phần mềm Matlab thì việc thiết kế bộ điều khiển mà điển hình là bộ PID khiến cho việc thiết kế trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, các tham số của động cơ có thể bị thay đổi Hoặc với 1 bộ điều khiển PID thường như vậy chỉ có thể điều khiển được 1 đối tượng cố định chuẩn, nếu thay đổi đối tượng thì bộ điều khiển PID thường không còn có mang tính chính xác Bộ điều khiển

thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC có thể giải quyết vấn đề này.

Phương pháp thiết kế được chọn là phương pháp tiếp cận Gradient

2.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho máy mài

Hình 2.5 Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếuTrong đó ta có:

1

2 a s a s

b

+

) (

s U

s N

(2.10)

⇔ (s2 + a1.s + a2).N(s) = b1.U(s)

⇒ (p2 + a1.p + a2).n = b1.u (2.11)Trong đó p là toán tử vi phân

dt d

Luật điều khiển: u = k.(n* - n) (2.12)Trong đó:

Cơ cấu hiệu chỉnh

Tham số điều khiển

y m

⇒ (p2 + a1.p + a2).n = b1.k.(n*- n)

⇔(p2 + a1.p + a2 + b1.k).n = b1.k.n* (2.13)

⇔n =

k b a p a p

k b

1 2 1

1

Sai số của hệ thống vòng kín :

1 2 1

1

+ +

p

k b

1 1 ) 1 2 1 (

1

k b a p a p

k b b k b a p a p b

+ + +

− +

+ +

) 2 1 (

1

k b a p a p

a p a p b

+ + +

+ +

+

2 2

2

.n ) 1 2 1 (

) 2 1 (

1

k b a p a p

a p a p b

(2.17)Phương trình (2.17) không thể sử dụng trực tiếp để cập nhật hệ số

tỉ lệ k của bộ điều khiển được do các thông số động cơ thay đổi dẫn đến hàm truyền đối tượng lúc này cũng thay đổi Do đó phải sử dụng phép xấp xỉ để loại bỏ đi thông số chưa biết này

Đối với động cơ DC servo, đặc tính tốc độ của động cơ đạt theo 1 chỉ tiêu mong muốn nào đó nghĩa là tín hiệu tốc độ đặt đạt mong muốn trong thời gian xác lập nhất đinh t giây(t = 1÷3s), độ quá điều chỉnh không quá 4.3%,… Như vậy cần phải chỉnh định đặc tính động cơ theo 1

mô hình mẫu nhất định Điều cần chú ý trong quá tình tìm kiếm hàm truyền mô hình mẫu đó là :