Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí​

Bộ điều khiển khử rơ được thiết kế để có thể điều khiển hệ thống đạt được các giá trị mong muốn một cách nhanh chóng, giảm độ vọt lố đến mức tối thiểu, hệ thống hoạt động ổn định và sai

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

LƯU HOÀNG HIỆP

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

LƯU HOÀNG HIỆP

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lưu Hoàng Hiệp Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 14/01/1977 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840005

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ

II- Nhiệm vụ và nội dung:

a Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan

b Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ

c Thiết kế bộ điều khiển khử rơ

d Mô phỏng hệ điều khiển

e Thực nghiệm và kết luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/12/2013

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Tấn Tiến

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lưu Hoàng Hiệp

ii

LỜI CÁM ƠN

Xin chân thành cảm ơn:

Thầy Nguyễn Tấn Tiến, giảng viên hướng dẫn, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng

như tạo những điều kiện thuận lợi để đề tài được hoàn thành

Các bạn sinh viên của tập thể lớp Cơ Điện Tử đã có những giúp đỡ thiết thực cũng như động viên trong quá trình thực hiện đề tài

Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã hỗ trợ tất cả mọi điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp

Lưu Hoàng Hiệp

TÓM TẮT

Mục tiêu của luận án này là thiết kế bộ điều khiển khử rơ Bộ điều khiển này dùng

vi điều khiển dsPIC30F4011 của hãng Microchip, cụ thể là vi điều khiển dsPIC30F4011

Bộ điều khiển có thể điều khiển chính xác vị trí di chuyển của bàn trượt

Bộ điều khiển khử rơ được thiết kế để có thể điều khiển hệ thống đạt được các giá trị mong muốn một cách nhanh chóng, giảm độ vọt lố đến mức tối thiểu, hệ thống hoạt động ổn định và sai số ở mức tối thiểu

Đồng thời, quá trình hoạt động của hệ thống cũng được giám sát qua máy tính để người điều khiển có thể quan sát cũng như có những quyết định điều khiển thuận tiện

và hợp lý

Nội dung đề tài bao gồm các chương sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan

Chương 2: Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ

Chương 4: Mô phỏng hệ điều khiển

Chương 5: Thực nghiệm và kết luận

iv

The objective of this thesis is to design the controller de-trailers This controller using microcontroller Microchip's dsPIC30F4011, namely dsPIC30F4011

microcontroller The controller can control the exact location of the moving slide

The controller is designed to de-relay control system can achieve the desired value quickly, reducing to a minimum overshoot, stable operating system and minimum errors

At the same time, the operation of the monitoring system is also through to the control PC can be observed as well as the decision to conveniently control and

reasonable

Content topics include the following:

Chapter 1: Research overview of related issues

Chapter 2: Modeling system has a mechanical relay

Chapter 3: Designing the controller de-trailers

Chapter 4: Simulation of control systems

Chapter 5: Experiments and conclusions

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt luận án iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh sách hình vii

Danh mục các từ viết tắt, kí hiệu viii

Danh sách bảng ix

MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 3

1.3 Backlash và hiệu chỉnh 7

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA HỆ CƠ KHÍ CÓ ĐỘ RƠ 2.1 Mô hình hóa hệ thống 10

2.2 Đặc tính độ rơ (backlash) 14

2.3 Mô hình hóa rơ 16

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ 3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID 18

3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 19

3.3 Hiệu chỉnh bộ điều khiển 23

3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 24

3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống 24

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mô phỏng hệ thống không có bộ điều khiển 25

4.2 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 26

4.3 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 27

4.4 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 28

vi

CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

5.1 Mô hình thực nghiệm hệ thống 29

5.2 Tìm độ rơ của hệ thống cơ khí cần điều khiển 30

5.3 Kết quả nhận được khi thực nghiệm trên ba thông số của bảng 5.1 31

5.4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay 3

Hình 1.2 Sai số do vítme 4

Hình 1.3 Sai số do sống trượt 4

Hình 1.4 Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng 5

Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui và tới 8

Hình 1.6 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm 9

Hình 2.1 Hệ thống cơ khí cần điều khiển 10

Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí có độ rơ 10

Hình 2.3 Sơ đồ mô hình hóa động cơ 11

Hình 2.4 Sơ đồ mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ 13

Hình 2.5 Độ rơ (backlash) trên bánh răng 14

Hình 2.6 Đồ thị khe hở phi tuyến 15

Hình 2.7 Đồ thị ngõ vào và ra của khe hở phi tuyến 16

Hình 2.8 : (a) Mô hình khe hở (b) Khe hở trong các kết nối cơ khí 16

Hình 2.9 : Mô hình hóa đặc tính khe hở 17

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 18

Hình 3.2 Đáp ứng của khâu PD, PI và PID 18

Hình 3.3 : Sơ đồ mô phỏng xác định hằng số khuếch đại tới hạn 21

Hình 3.4 : Đồ thị đầu vào – đầu ra hệ thống ở biên giới ổn định 21

Hình 3.7 : Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th 23

Hình 3.8 : Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 24

Hình 3.9 : Lưu đồ điều khiển hệ thống 24

Hình 4.1a) Mô phỏng hệ thống không có bộ điều khiển 25

Hình 4.1b) Đáp ứng đầu ra hệ thống không có bộ điều khiển PID, giá trị đặt 700 xung nhưng đầu ra hệ thống chỉ ở 300 25

Hình 4.2a) Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển P và backlash =1,1 26

Hình 4.2b) Đáp ứng đầu ra hệ thống có bộ điều khiển P chưa đạt vị trí đặt 26

Hình 4.3a) Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển PI và backlash =1,1 27

Hình 4.3b) Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PI gần đạt vị trí đặt 27

Hình 4.4 a)Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển PID và backlash =1,1 28

Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PID có vọt lố 28

viii

Hình 5.1 Mô hình hệ thống cơ khí 29

Hình 5.2 Vị trí xung đặt và giá trị xung từ encoder hồi tiếp về 31

Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển P chưa bằng vị trí đặt 31

Hình 5.4 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển PI không có vọt lố 32

Hình 5.5 Đáp ứng hệ thống cơ khí K p =5,880; T i =0,004; T d =0,001 có vọt lố 33

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU

y : Giá trị ngõ ra vị trí hồi tiếp (xung encoder từ thước đo quang)

r : Giá trị đặt ngõ vào

e : Sai số của vòng điều khiển vị trí

v : Xung ngõ ra bộ điều khiển vị trí

u : Xung ngõ ra bộ khuếch đại

F : Nhiễu hệ thống cơ khí

B M : Ma sát của động cơ

B : Ma sát của bộ giảm tốc

B L : Ma sát của bộ truyền động víttme – đai ốc

J M : Quán tính của động cơ

J L : Quán tính của động cơ

T M : Mô-mem của động cơ

T L : Mô-mem của truyền động víttme – đai ốc

x

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Hằng số của hệ thống 20

Bảng 3.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 22

Bảng 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 22

Bảng 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 22

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của 3 thông số hiệu chỉnh bộ điều khiển 23

Bảng 5.1 Thông số K p , K i , K d của hệ thống 31

1

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong hầu hết các hệ thống cơ khí và thủy lực đều hiện diện độ rơ (Backlash), Nguyên nhân là do các khoảng trống nhỏ tồn tại trong cơ chế truyền động cơ khí Trong hệ thống truyền động cơ khí, luôn luôn tồn tại những khoảng trống nhỏ giữa một cặp bánh răng tiếp xúc với nhau Điều này sẽ làm cho hệ thống thiếu chính xác

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất

cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm

Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó đáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường bị hạn chế Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượng sản phẩm chế tạo nói chung

Từ những nguyên nhân như trên, tác giả quyết định chọn đề tài nghiên cứu là:

“Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí ”

2 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài này là nghiên cứu bộ điều khiển chính xác hệ thống cơ khí

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ

 Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ

 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển chính xác vị trí

 Thiết kế bộ điều khiển khử rơ

 Mô phỏng hệ điều khiển

 Thực nghiệm và kết luận

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển hệ truyền động có độ rơ

Hệ truyền động có độ rơ gặp nhiều trong thực tế, việc áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho hệ này sẽ góp phần điều khiển hệ thống cơ khí chính xác, nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản

phẩm trên thị trường

3

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan

1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống truyền động cơ khí bao gồm các thành phần cơ bản : động cơ – hộp giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – cơ cấu chấp hành,…Trong gia công cơ khí nói riêng và chế tạo máy nói chung, điều khiển chính xác vị trí (vận tốc, gia tốc) là yêu cầu quan trọng để có thể chế tạo máy tự động (CNC)

1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.2.1 Điều khiển chính xác trong cơ khí

Gồm : Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

Chuyển động tịnh tiến (tiến và lùi) Chuyển động quay

1.2.2 Nguyên nhân không chính xác trong điều khiển

và luôn luôn xuất hiện sai số do dính trượt Sai số còn xuất hiện trong quá trình chế tạo sống dẫn hướng và sai số trong quá trình lắp ráp

Hình 1.3 Sai số do sống trượt

Sống dẫn hướng lăn có ma sát nhỏ hơn loại trượt Tuy nhiên sống dẫn hướng

5

lăn có khả năng dập rung động kém hơn loại sống trượt Sống dẫn hướng thủy tĩnh

có khả năng giảm áp lực Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn hướng là: Chế tạo không chính xác;

- Mòn sống dẫn hướng;

- Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt;

- Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ

c Độ rơ của bánh răng

Thường xảy ra ở hộp số, sau thời gian sử dụng vị trí tiếp xúc giữa các bánh răng bị hao mòn gây nên độ rơ không mong muốn

Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng

d Độ rơ do ổ đỡ

Các loại đáp ứng khác nhau có thể dự đoán được phụ thuộc vào việc vít me bi

có thể giãn ra dễ dàng hay không Phần lớn hệ thống cơ khí sử dụng 3 loại ổ đỡ khác nhau để đỡ trục vít me Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng theo

sự thay đổi của nhiệt độ Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độ tăng Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước Loại ổ đỡ này làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định

và ngoài khoảng này nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt Các nguồn sai số liên quan đến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục

động cơ servo với các phần lắp ghép

e Sai số do nhiệt

Một máy công cụ thường hoạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do

nhiệt xuất hiện từ nhiều nguồn Mọi thay đổi về sự phân bố nhiệt độ của máy công

cụ gây ra biến dạng do nhiệt và tác động đến độ chính xác gia công Các nguồn nhiệt

do ma sát như ma sát trong thiết bị truyền động và hộp tốc độ, ma sát ở ổ đỡ và sống dẫn hướng, nhiệt xuất hiện do quá trình gia công như quá trình cắt Các nguồn nhiệt bên ngoài bao gồm bức xạ nhiệt, ánh nắng mặt trời hay nhiệt độ môi trường Các nguồn nhiệt chính trong máy công cụ xuất phát từ:

- Rung động cưỡng bức: Rung động cưỡng bức do sự mất cân bằng khi vật thể quay

- Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các l

ực bên ngoài Khi tần số kích thích ở cùng tần số tự rung sẽ tạo ra hiện tượng cộng hưởng

g Độ rơ do tải tĩnh và động

Các tải tĩnh của máy công cụ là kết quả của lực gia công và khối lượng của chi tiết gia công, khối lượng của bàn dao, các thiết bị và các thành phần máy Tải trọng tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công tạo ra sự biến dạng, gây ra các sai số hình học

7

Các lực dẫn đến sự biến dạng của bộ phận dẫn động gây ra sự dịch chuyển vị trí bàn dao Chúng gồm các lực quán tính gây ra bởi gia tốc của cơ cấu trượt, lực gia công và ma sát trong trục chính (Weck 1984) Các nhân tố động khác như mômen xoắn của động cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v cũng ảnh hưởng tới hệ thống điều khiển vị trí

i Độ rơ do hệ thống điều khiển truyền động servo

Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thống điều khiển thành mã đầu ra ở dạng điện áp xung (PPS) Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấp hành khác tới vị trí đã được lập trình

Hệ thống dẫn động servo đóng vai trò quan trọng tới độ chính xác gia công Động cơ servo và cơ cấu dẫn động trục vítme thường được ghép trực tiếp với nhau Các cơ cấu dẫn động bằng đai răng cũng được sử dụng rộng rãi Vị trí thực được đo bằng cơ cấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới dạng tín hiệu số

Một hạn chế chính với cả hai hệ thống đo là sự định vị trí điểm đo và đầu dụng cụ có sự sai lệch về khoảng cách Vì sai lệch về khoảng cách này, các sai số bước nhỏ đã được khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe) Sự khuếch đại sai

số phụ thuộc vào vị trí kẹp chi tiết gia công Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều không thể dò được các ảnh hưởng của sai số Abbe

Đề tài tập trung nghiên cứu độ rơ trong chuyển động quay và tịnh tiến

1.3 Backlash và hiệu chỉnh

- Backlash (rơ) là chuyển động vô ích xảy ra khi hai bộ phận động phải thực hiện một quãng đường trước khi tiếp xúc và làm cho bộ phận khác hoạt động Tất cả các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0)

Tiến /dừng

Bắt đầu quay lùi /

số lượng n xung bù gửi thêm

n xung bù gửi thêm Lùi /dừng

Bắt đầu quay tiến /

số lượng n xung bù gửi thêm

n xung bù gửi thêm

Tiến/dừng

Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau:

Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui và tới

Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ Chuyển động tới

và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình

Như vậy động cơ sẽ quay theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không

Encoder Motor

Đề tài được thực hiện với mục đích tạo ra bộ điều khiển khử rơ bàn máy có độ chính xác đáp ứng được yêu cầu thực tế Đồng thời có thể tạo ra một sản phẩm giúp

ích cho việc nghiên cứu phương pháp điều khiển khử rơ cho sinh viên

Do hạn chế về nhiều mặt nên đề tài giới hạn ở các phần như sau:

- Thiết kế mạch điện tử, gồm module điều khiển trung tâm và module điều khiển động cơ DC

- Lập trình chương trình điều khiển khử rơ cho vi điều khiển dsPIC30F4011

- Thiết kế chương trình giám sát qua máy tính

- Khi vị trí thực được encoder nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ dùng trong mô hình liên tục được điều khiển sao cho sai số vị trí giữa vị trí

cần và vị trí thật là nhỏ nhất

Hình 1.6 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm

Bộ điều khiển vị trí

Động

cơ DC

Thước quang học Bàn trượt

Tải Hộp