Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƠ HỒNG NAM MƠ HÌNH HĨA VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TẦNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƠ HỒNG NAM MƠ HÌNH HĨA VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TẦNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 i ii iii iv v vi LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Ngơ Hồng Nam Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15 / 09 / 1987 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: tổ 45, khu phố 4C, phường Trảng Dài, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Điện thoại nhà riêng: 0917322678 Điện thoại quan: E-mail: 2080412@student.hcmute.edu.vn Fax: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo: từ 9/2007 đến 4/2012 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh Ngành học: Công nghệ chế tạo máy Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Môn sở nghành, môn chuyên nghành Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh vii Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo: từ 9/2020 đến 11/2022 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Kỹ thuật khí Tên luận văn: Mơ hình hóa xây dựng thuật tốn điều khiển tầng cho bàn máy phay CNC Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian / 2012 – 12/2018 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty TNHH YUOYI Việt Nam Nhân viên kỹ thuật / 2019 đến Trường Cao Đẳng Cơ Giới & Thủy Lợi viii Giáo viên [18] Loay Alkafafi, ‘’Time and Frequency Optimal Motion Control of CNC Machine Tools’’, Researchgate, 2013 [19] Y Lee, S Park, and M Lee, “PID controller tuning to obtain desired closed loop responses for cascade control systems”, Ind Eng Chem Res., vol 37, no 4, pp 18591865, 1998 [20] K J Astrom, T Hagglund (1995), PID Controller: Theory, Design and Tuning, Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC, pp 274- 281 [21] D J Cooper (2004), Practical process control using Control Station 3.7, Control Station LLC [22] Gross, H., Wiegartner, G., & Hamann, J (2001) Electrical feed drives in automation: basics, computation, dimensioning John Wiley & Sons, Inc [23] Nguyễn Văn Hòa, ‘’Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động’’, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2000 [24] Hoàng Minh Sơn, ‘’ Cơ sở hệ thống điều khiển trình’’ Nhà xuất bách khoa Hà Nội, 2009 [25] Close, C M., Frederick, D K., & Newell, J C (2001) Modeling and analysis of dynamic systems John Wiley & Sons [26] Ebrahimi, M., Whalley, R.,2000, “Analysis,modeling and simulation of stiffness in machine tool drives”, Computers & Industrial Engineering, 38, pp.93-105 [27] Lim, H., Seo, J.-W., Choi, C.-H., 2000, “Positioning control of XY table in CNC machining center with non-rigid ballscrew”, Proceedings of the American Control Conference in Chicago, pp.1542-1546 [28] Chen, J.-S., Huang., Y.-K., Cheng, C.-C., 2004, “Mechanical model and contouring analysis of high-speed ball-screw drive systems with compliance effect”, 79 International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 24, pp.241-250 [29] Sato, R., Tsutsumi, M., 2004, “Development of a Mathematical Model of Feed Drive System for NC Machine Tools”, Proceedings of International Conference on Precision Engineering in Singapore, pp.396-403 [30] Sato, R., Tsutsumi, M., 2005, “Mathematical model of feed drive systems consisting of AC servo motor and linear ball guide”, Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 71, pp.633-638 (in Japanese) [31] Y Aititas, A Verl: Machine Tool Feed Drives CIRP Annals 60 (2011) 779-796 [32] Kluever, C A (2020) Dynamic systems: modeling, simulation, and control John Wiley & Sons [33] Sato, R., & Tsutsumi, M (2005, January) Modeling and controller tuning techniques for feed drive systems In ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Vol 42169, pp 669-679) [34] Garcia, C E.; Morari, M Internal Model Control A Unifying Review and Some New Results, Ind Eng Chem Process Des Dev 1982, 21, 308-323 [35] Rivera, D E.; Morari, M.; Skogestad, S Internal Model Control PID Controller Design Ind Eng Chem Process Des Dev.1986, 25, 252–265 [36] M Shamsuzzoha and M Lee, AIChE J., 54, 1526 (2008) [37] Horn, I G., Arulandu, J R., Gombas, C J., VanAntwerp, J G., & Braatz, R D (1996) Improved filter design in internal model control Industrial & engineering chemistry research, 35(10), 3437-3441 [38] Vu, T N L., & Lee, M (2013) A unified approach to the design of advanced proportional-integral-derivative controllers for time-delay processes Korean Journal of Chemical Engineering, 30(3), 546-558 80 [39] M Shamsuzzoha and M Lee, AIChE J., 54, 1526 (2008) [40] A S Rao and M Chidambaram, Ind Eng Chem Res., 45, 3604 [41] Skogestad, S (2003) Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning Journal of process control, 13(4), 291-309 [42] Shamsuzzoha, M., & Lee, M (2008) PID controller design for integrating processes with time delay Korean Journal of Chemical Engineering, 25(4), 637-645 [43] Zao, Z C., Liu, Z.Y., & Zhang, J G (2011) IMC-PID auto-tuner based on sensitivity specification for process with time-delay Journal of Central South University of Technology, 18(4), 1153-1160 [44] Wang, Y G., & Shao, H H (2000) PID auto-tuner based on sensitivity specification Chemical Engineering Reaseach and Design, 78(2),312-316 [45] Vu, T N L., Lee, J T., & Lee, M Y (2007) Design of multi-loop PID controllers based on the generalized IMC-PID method with Mp criterion International Journal of Control, Automation, and Systems, 5(2), 212-217 [46] D.K Meena, S Chahar, Speed control of DC servo motor using genetic algorithm, In 2017 International Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control, (ICICIC) (pp 1-7) IEEE, 2017 81 QUY TẮC ĐIỀU CHỈNH BỘ PID CHO HỆ THỐNG CHẠY DAO PID CONTROLLER TUNING RULES FOR FEED DRIVE SYSTEMS Truong Nguyen Luan Vu1, Ngo Hong Nam1 1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TĨM TẮT Trong thời đại cơng nghiệp ngày nay, yêu cầu độ xác tốc độ gia cơng máy cơng cụ nói chung máy cơng cụ CNC nói riêng, đặt lên hàng đầu lĩnh vực gia cơng Chính thế, máy công cụ CNC thiết kế dựa cách tối ưu nhất, bên cạnh chế tạo máy phải xác với hệ thống điều khiển có chất lượng tốt Trong báo này, quy tắc điều chỉnh điều khiển PID đề xuất cho hệ thống chạy dao Dựa sở thuật toán điều khiển tầng điều khiển mơ hình nội (IMC), quy tắc điều chỉnh áp dụng cho vòng lặp bên vịng lặp bên ngồi Mơ kết nghiên cứu thực cho hệ thống chạy dao minh chứng hệ thống điều khiển đề xuất đáp ứng tín hiệu đầu tốt với giá trị IAE nhỏ Từ khóa: Máy cơng cụ CNC; hệ thống chạy dao; điều khiển PID; điều khiển tầng; điều khiển mơ hình nội; giá trị IAE ABSTRACT In today’s developed industrial era, the requirements for acccuracy and machining speed of machine tools in general and CNC machines in particurlar, are put on the forefront in the field of machining Therefore, CNC machine tools are designed base on the most optimal way In addition to precision machine manufacturing with a superior control system This in paper, the PID controller tuning rulers is proposed for the feed drive system On the basic of casecade control algorithm and internal model control (IMC), the tuning rules can be obtained for both the inner and outer loops The simulation study is considered for feed drive systems and the results are demonstrated that the proposed control system provides good output reponses with minimum IAE values Keywords: CNC tool machine; feed drive system; PID controller; cascade control; internal model control; IAE values khiển cho hệ thống điều khiển chạy dao, nhằm giảm nhiễu trình gia cơng rung động hệ thống, thay đổi tốc độ cắt, thay đổi chiều sâu cắt Do đặc tính kiểm sốt tốc độ tốt động DC servo, ứng dụng hệ thống chạy dao máy công cụ CNC [2] GIỚI THIỆU Hệ thống chạy dao bàn máy phay CNC đóng vai trị định vị phận mang dụng cụ cắt phơi đến vị trí mong muốn Do đó, độ xác vị trí tốc độ gia công định chất lượng sản phẩm Bộ truyền động chạy dao bao gồm bàn máy nằm dẫn hướng di chuyển truyền động trục vít me bi-đai ốc Trục vít me bi gắn trực tiếp với động thông qua giảm tốc Thông thường, hệ thống điều khiển hệ thống chạy dao máy phay CNC gồm hai vòng phản hồi, với vòng điều khiển bên điều khiển điều khiển PI, vịng điều khiển bên ngồi điều khiển P [3] Tốc độ độ xác máy cơng cụ bị ảnh hưởng thuật tốn điều khiển, hệ thống dẫn hướng khí, khuếch đại, động cảm biến dùng hệ thống chạy dao [1] Vì thế, cần thiết kế thuật toán điều Thuật toán điều cho hệ thống chạy dao trình bày báo hệ thống điều khiển tầng với hai vòng phản hồi, vòng phản 82 hồi vận tốc bên vịng phản hồi vị trí bên ngồi Trong hệ thồng điều khiển tầng, vịng phản hồi điều khiển PID tương ứng Bộ điều khiển vịng gọi điều khiển thứ cấp, điều khiển vịng ngồi gọi điều khiển sơ cấp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển chạy dao NỘI DUNG 2.1 Mô tả hệ thống Hệ thống điều khiển hệ thống chạy dao trình bày báo hệ thống điều khiển tầng gồm hai vòng phản hồi Vòng điều khiển vận tốc động DC servo thơng qua điều khiển dịng điện vịng phản hồi vị trí Cả hai vịng điều sử dụng điều khiển PID (Hình 1.1) Dựa tính chất điều khiển phản hồi làm cho nhiễu suy giảm nhanh giảm thiểu tác động nhiễu trước chúng tác động đến vòng sơ cấp Ngày nay, điều khiển PID sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, cấu trúc đơn giản dễ cài đặt, đồng thời hiệu suất điều khiển cao bao gồm theo dõi giá trị mục tiêu loại bỏ nhiễu tốt [4] Tuy nhiên, hệ thống trở nên không ổn định, phản hồi chậm, xảy rung động không đạt độ xác mong muốn thơng số điều khiển PID khơng phù hợp Do đó, lựa chọn thông số cho PID để hệ thống hoạt động hiệu công việc phức tạp Để cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển tầng có nhiều nghiên cứu thực Lee cộng [5] đề xuất phương pháp điều khiển tầng bao gồm vòng sử dụng điều khiển PI, vịng ngồi sử dụng điều khiển P trường hợp sử dụng hai PID cho hai vòng điều khiển Bộ điều khiển lý tưởng cung cấp đáp ứng cho vịng kín theo mong muốn Theo phương pháp Lee, thông số PID tìm cách xấp xỉ chuổi Maclaurin tham số ba số hạng chuỗi Với phương pháp này, tác giả so sánh với nghiên cứu Kirishnaswamy cộng [6] Kết phương pháp Lee đề xuất hiệu có cao Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống chạy dao Trong đó: GP1(s): Hàm truyền đạt động DC servo GC1(s): Hàm truyền đạt điều khiển PID vòng GP2(s): Hàm truyền đạt hệ thống trục vít me – đai ốc GC1(s): Hàm truyền đạt điều khiển PID vịng ngồi Từ sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình ta có hàm truyền đạt vịng phản hồi bên vịng phản hồi bên ngồi sau: Trong báo quy tắc điều chỉnh PID cho hai vòng phản hồi hệ thống điều khiển tầng thiết kế dựa phương s U s GC1 s GP1 s GC1 s GP1 s Y s GC1 s GP1 s GC s GP s R s GC1 s GP1 s GC1 s GP1 s GC s GP s pháp thiết kế điều khiển mơ hình nội (IMC) [7,8] Trong đó, cân chất lượng ổn định hệ thống điều khiển điều chỉnh hệ số điều chỉnh vòng kín lý tưởng Ngồi ra, nghiên cứu điều khiển PID kết hợp với lọc bậc hai thiết kế, (1) (2) 2.2 Động DC servo Động DC servo sử dụng phổ biến hệ thống chạy dao lĩnh vực cơng nghiệp, cho phép hoạt động với dãi tốc độ rộng cung cấp mô men xoắn đủ lớn cho hệ thống yêu cầu thay đổi 83 Ke: Hằng số sức điện động chiều sâu cắt tốc độ gia cơng Vì thế, nhiều tác giả nghiên cứu đưa mơ hình thuật toán cho động DC servo sau: 2.3 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển cơng nghiệp Thơng thường, điều khiển PID có ba khâu bao gồm khâu tỉ lệ, khâu tích phân khâu vi phân Hàm truyền đạt điều khiển PID biễu diễn sau: Mơ hình cấu trúc động DC servo [9-11] Is GC s K C 1 Ds (4) Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc phần ứng động DC servo Trong đó: Trong đó: I : Hằng số thời gian tích phân KC: Độ lợi tỉ lệ ea(t): Điện áp cung cấp phần ứng D : Hằng số thời gian vi phân eb(t): Điện áp cung cấp phần ứng 2.4 Thiết kế điều khiển PID theo phương pháp IMC ia(t): Dòng điện phần ứng Ra: Điện trở phần ứng Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hồi tiếp sau: La: Điện cảm phần ứng ef: Hằng số điện áp kích từ if: Hằng số dịng điện kích từ Jm: Mô men qui trục động ϴ(t): Góc chuyển vị ω(t): Vận tốc góc Hình 2.3 Sơ đồ khối điều khiển hồi tiếp cổ điển Sơ đồ khối động DC servo mô tả sau: Hình 2.2 Sơ đồ khối động DC servo Hình 2.4 Sơ đồ khối điều khiển mơ hình nội (IMC) Từ sơ đồ khối ta có hàm truyền đạt động DC servo biểu thức (3): G(s) s U ( s) Km La Js ( La B Ra J ) s Ra B K m K e Trong đó: (3) Cấu trúc sơ đồ khối Hình 2.4 bao gồm GP s , G P s , GC s , q s , fr s lần Km: Hằng số mô men động 84 lượt q trình thực tế, mơ hình q trình, y ( s ) G p s q s fr s r s [1 G p s q s ]Gd s d s điều khiển phản hồi, điều khiển IMC lọc tương ứng y(s), r(s), d(s), u(s) tương ứng tín hiệu đầu ra, điểm đặt đầu vào, nhiễu biến điều khiển Nếu mơ hình khơng lỗi thì: G p s G p s , lúc giá trị điểm đặt đáp ứng nhiễu cấu trúc điều khiển IMC đơn giản hóa sau: (5) i q s r s p s p s p s G m A y s y s (6) d s Trong đó, pm(s) thành phần nghịch đảo điều khiển (pha tối thiểu) pA(s) thành phần nghịch đảo (bao gồm RPH-Zero, thời gian trễ) đồng thời bị loại bỏ nghĩa PA(0) = Vì cần thiết cho điều khiển bám theo giá trị đặt 1 GC s (8) n d , Z d Z dn 1 (12) q s G p s q s (13) i pm s im1 i s s 1 n p A s im1i si 1 (14) Một lưu ý biểu thức (14) thành phần nguyên nhân vọt lố 2.5 Hệ thống chạy dao Trong kết cấu chung, hệ thống điều khiển cho cấu chạy dao gồm có hai vịng phản hồi Vịng phản hồi vị trí vịng phản hồi vận p A s im1 j si 1 s1 p A s im1i si 1 Gd s s 1 n i im1 i s (11) n đáp ứng đầu Để khắc phục vấn đề này, thiết lập điểm đặt lọc phù hợp Từ điều khiển xấp xỉ với điều khiển lý tưởng Trong đó, hệ số điều chỉnh để tối ưu cân đối hiệu suất tính ổn định bền vững Số nguyên dương n bậc trình, thường chọn đủ lớn để điều khiển IMC hoạt động phù hợp thông số i xác định để triệt tiêu cực gần zero Gd(s) GP s q s S Z s 1 1 i ( s 1) Do đó, điều khiển hồi tiếp lý tưởng đạt kết đáp ứng mong muốn thu được: (7) im1 i s (10) n p A s im1 i si 1 Gc s Đối với cấu trúc điều khiển hai bậc tự (2DOF), lọc f(s) lựa chọn để nâng cao hiệu suất sau: f s ( s 1) Bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng GC(s) mà lợi ích mong muốn phản hồi từ vịng lặp cho biểu thức (11) (12), thiết lập: Bộ điều khiển IMC thiết kế sau: 1 s ( im1 j s 1) Thế công thức (10) vào công thức (5), theo đó, chức chuyển đổi vịng lặp kín cho yêu cầu điểm đặt đáp ứng nhiễu đơn giản riêng phần sau: Theo Garcia Morari [12] điều khiển G p s phân tích thành hai thành phần: q s pm s f s 1 pm 0 n (9) S Z d , Z d Z dn Thế công thức (8) vào công thức (7) ta thu điều khiển IMC sau: tốc Sau đây, hệ thống cấu chạy dao bao gồm thành phần động DC servo, trục vít me bi, đai ốc bi, encoder, 85 trượt bàn máy thể Hình 2.5 Dựa sở nguyên tắc thiết kế điều khiển theo phương pháp IMC nêu Bộ điều khiển cho mô hình vịng phản hồi bên có dạng K GP1 s 1s 1 s 1 (16) Trong đó, K độ lợi, , số thời gian Cấu trúc lọc IMC lựa chọn f1 s Hình 2.5 Hệ thống chạy dao chi tiết [13] s 1s 1s 1 Biểu thức (16) phân tích thành hai thành phần: Để nâng cao hiệu suất hệ thống chạy dao thông qua nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển Trước tiên, phải phân tích đặc điểm kỹ thuật, trạng thái mơ hình hóa hệ thống cách xác, dựa sở để thiết kế điều khiển Vì vậy, hệ thống chạy dao nhiều nghiên cứu phân tích mơ hình hóa cách đầy đủ Thành phần khí hệ thống mơ hình hóa đưa dạng sơ đồ khối chung sau [13-16]: GP1 s G P1 s pm1 s p A1 s K pm1 s 1s 1 s 1 1s 1 s 1 Pm11 K PA1 s ω(t) ̇ Y(t) (18) (19) (20) (21) Bộ lọc IMC nhiều nghiên cứu sử dụng [17-19] để thiết kế điều khiển IMC-PID Khi đó, điều khiển IMC có dạng: Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống trục vít me – đai ốc q s Trong đó: ω(t): Vận tốc góc (rad/s) 1s 1 s 1 s 1s 1 K 1s 1 (22) Bộ điều khiển lý tưởng thiết kế sau: : Bước ren trục vít me bi (mm) GC1 s ̇ : Vận tốc trục (mm/s) Y(t): Vị trí trục (mm) q s 1 Gp s q s (23) Do đó, điều khiển phản hồi lý tưởng thu được: Từ đó, hàm truyền chức vít me đai ốc thu được: Y t GP s t 2 s (17) GC1 s (15) PHƯƠNG PHÁP (24) 3.1 Thiết kế điều khiển IMC-PID cho q trình vịng Hay là: 86 s 1s 1 s 1 s 1s 1 K 1s 1 s 1s 1 Theo [20] ta có: GC1 s Hệ số , 1 dùng để triệt tiêu cực vịng lặp hở tính từ cơng thức: s 1s 1 s 1 s 1s 1 Ks 14 s 413 s 612 s 41 1 s k k s s 1 (26) 1 1 Khi biểu thức (25) trở thành: GC1 s (25) 1 1 1 1 1 1 1 1s 1 s 1 s 1s 1 s 1 Ks 14 s 413 s 612 s 41 1 s Bộ PID lý tưởng gắn với lọc bậc cao có dạng: GC s 1 1 3.2 Thiết kế điều khiển IMC-PID cho q trình vịng ngồi Theo sơ đồ khối hệ thống điều khiển tầng giới thiệu Hình Ta có, hàm truyền đạt vịng mơ tả sau: Như vậy, ta dễ dàng có tham số K C , I , D PID 2 , KC 1 K s (29) U s Phần lại biểu thức (27) thừa số chứa cực điều khiển 1s 1 s 1 Do đó, tham số b thu cách đạo hàm bậc biểu thức (27) sau đây: s 4 s 6 cs bs 1 4 3 (33) Như vậy, tham số điều khiển PID hệ số lọc bậc hai xác định Từ công thức (27) ta thấy điều khiển PID kết hợp với lọc có dạng với PID lý tưởng kết hợp với lọc bậc cao có cơng thức (28) I 1 , D (27) 2 ds +as+1 KC I D s I s 1 (28) Is cs bs (32) GC1 s GP1 s GC1 s GP1 s PA1 s f1 ( s) (34) Do đó, hàm truyền đạt mơ hình vịng lặp bên ngồi biễu diễn: G2 s GP s PA1 s f1 s (35) Theo [21] hàm truyền GP2(s) đưa 2 s2 41 1 s 1s 1 2s 1 Và thay s = ta có: (30) dạng: b 41 1 (31) GP s P P 2 s 2. s (36) Hệ số bậc cao cs tác động đến hiệu suất điều khiển nên ta xem biểu thức cs bs bs Trong đó, lựa chọn, >>1 Ta chọn =10 biểu thức (31) trở thành: Hệ số d = 0, a = có cách xét biểu thức ds as s GP s 87 P 10.P 2 s 10.2. s (37) GC s f s / s Như vậy, ta có hàm truyền đạt mơ hình vịng ngồi cụ thể sau: 10 P 2 s 1s G2 s 20 s 1 1s 14 Từ ta có: (38) f s Biểu thức (38) phân tích thành hai thành phần sau: G2 s pm s p A s pm s 10 P s 1s 20 s 1s 14 pA2 s (39) GPID s KC 1 Ds Is (43) Trong đó: 1 m2 p (51) KC f ' (52) I f ' 0 / f 0 (53) D f '' / f ' 0 (54) (44) KC 1 41 20 302 p I 41 1 20 D (50) Tương ứng ta thu được: 2 s 1 (49) Khi ta có: Hay f2 s 102 P s 1s 1 22 s 3s 3 Ba số hạng biểu thức (50) có sau khai triển xem tương ứng với điều khiển PID lý tưởng: (42) pm12 f s GC s p A2 f s f '' 1 GC s f f ' s s s (40) (41) q2 G2 s q2 20 s 1 1s 1 Thực phép khai triển Maclaurin cho biểu thức (49) Khi biểu thức (47) xấp xỉ biểu thức (50): Khi điều khiển GC s lý tưởng vịng ngồi thiết kế với hàm truyền: GC s (48) 3 31 121 60 601 2401 1211 312 1812 22 31 121 60 20 s 1s 1 q2 pm12 f s (56) (57) PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG VÀ HIỆU SUẤT 10 P s 1s 1 (55) (45) 4.1 Phương pháp ổn định bền vững Mp Đỉnh cộng hưởng Mp số đánh giá tốt cho đặc tính hiệu suất đặc tính bền vững hệ thống điều khiển Đối với hệ SISO giá trị Mp nên lựa chọn nằm (46) Từ điều khiển vịng ngồi thiết kế với hàm truyền đạt: 20 s 1 1s 1 GC s s 102 P 2 s 1s 1 22 s 3s 3 (47) đoạn từ 1,1 đến 1,4 Giá trị Mp tính Ta nhận thấy biểu thức (47) có dạng: 88 Bảng 1: Các giá trị tham số động trục vít me – đai ốc [9] Ký Tên gọi Giá trị hiệu La Điện cảm phần ứng 0.5H theo công thức [22]: GC j G j G j G j C Mp max (58) cg 1 Để đảm bảo so sánh công hệ thống điều khiển Thông thường, nghiên cứu điều chỉnh giá trị Mp hệ thống để so sánh Ra Điện trở phần ứng Omh Jm Mô men qui trục động 0.02 Kg.m2 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU B Hệ số ma sát nhớt quy vê trục động 0.01N.m.s Để chứng minh tính hiệu phương pháp đề xuất nêu Ta xét trường hợp sau sau: Km Hằng số mô men động Hằng số sức điện động Bước ren trục vít me - bi Ke Cho thơng số động DC servo trục vít me – đai ốc Bảng [9] l 0.01N.m/Amp 0.01V/rad/sec 0.02m Từ Bảng 1, thay thông số vào tham số PID trình bày ta có giá trị cụ thể Đồng thời, tác giả xây dựng trường hợp hệ thống điều khiển như: điều khiển cho vịng ngồi sử dụng PID điều khiển vòng trường hợp PID, PI, P Để tìm phương pháp điều khiển tốt Ta có bảng giá trị thu sau mô hệ thống Bảng 2: Bảng Bảng thông số hệ thống điều khiển theo đặc tính giá trị đặt Tham số điều khiển Các cấu trúc kết hợp điều khiển vịng ngồi-vịng hệ thống PID-PID PID-PI PID - P PID PID PID PI PID P Kc 43,4562 1.1121 43,4562 1.2539 43,4562 6.7845 Ki 0,6944 0,6944 0,6944 - Kd -10,4964 0.3336 -10,4964 - -10,4964 - 1 0.7 0.3 0.7 0.346 0.7 1.643 2 2.4 - 2.4 - 2.4 - Mp 0.997 1.102 0.997 1.102 0.997 1.102 Overshoot 0% 0% 0% IAE 7.143 7.144 8.204 89 Tín hiệu đáp ứng đầu mơ phần mềm Matlab sau: Qua đồ thị đáp ứng khử nhiễu Hình 5.2 cho ta thấy, thời gian khử nhiễu hai phương pháp điều khiển PID-PID PID-PI tốt phương pháp PID-P Bên cạnh đó, biên độ dao động nhiễu ba trường hợp nhỏ, với biên độ không ảnh hưởng tới hệ thống KẾT LUẬN Qua kết mơ phân tích ta thấy rằng, ứng dụng phương pháp điều khiển tầng với phương pháp thiết kế điều khiển PID theo phương pháp IMC kết hợp với lọc bậc hai cho hai vòng điều khiển, mang lại cho hệ thống tính ổn định cao, khả khử nhiễu hệ thống tốt Tuy nhiên, với phương pháp đề xuất hạn chế với phương pháp điều khiển độc lập cho trục Vì vậy, hướng phát triển nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển tầng đa biến, điều khiển đồng thời nhiều trục máy, với chất lượng điều khiển tốt Hình 5.1 Tín hiệu đầu đáp ứng bước theo thời gian Để so sánh cách công bằng, giá trị Mp lựa chọn cho hai vịng tương ứng Qua Hình 5.1, ta thấy tín hiệu đầu ba trường hợp mượt, tín hiệu điều khiển khơng bị dao động vọt lố không Bên cạnh đó, thời gian đáp ứng hệ thống tương đối tốt, với hệ thống PIDPID, PID-PI Ngồi tín hiệu đầu ra, ta cần xem xét đáp ứng khử nhiễu hệ thống điều khiển: Hình 5.2 Đồ thị đáp ứng khử nhiễu hệ thống 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Altintas, A Verl, C Brecher, L Uriarte, G Pritschow, Machine feed drives, CIRP annals Manufacturing Technology 60, 779-796, 2011 [2] N Thomas, Dr P Poongodi, Position Control of DC Motor Using Genetic Algorithm Based PID Controller, Proceedings of the World Congress on Engineering 2009 vol II, 2009 [3] H Lim, J W Seo, and C.H Choi, Position control of XY table in CNC machining center with non-rigid ballscrew, Proceedings of the 2000 American Control Conference ACC (IEEE Cat No 00CH36334) Vol IEEE, 2000 [4] S Suk-Hwan, S K Kang, D H Chung, Ian Stroud, ‘’Theory and Design of CNC Systems’’, Springer, 2008 [5] Y Lee, S Park, and M Lee, PID controller tuning to obtain desired closed loop responses for cascade control systems, Ind Engng Chem Res, 37, 1859–1865, 1998 [6] P R Krishnaswamy and G P Rangaiah, When to use cascaded control, Ind Eng Chem Res., vol 29, no 1, pp 2163-2166, 1990 [7] D E Rivera, Internal model control: a comprehensive view, Arizona State University, Tempe, Arizona, 85287-6006, 1999 [8] M Morari, and E Zafiriou, Robust process control, Morari, (1989) [9] D.K Meena, S Chahar, Speed control of DC servo motor using genetic algorithm, In 2017 International Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control, (ICICIC) (pp 1-7) IEEE, 2017 [10] N Rathore, V Singh, and D Chauhan, ISE based PID controller tuning for position control of DC servo-motor using LJ, in Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), 2015 International Conference on, pp 125-128, 2015 [11] K Ogata, Modern control engineering Vol Upper Saddle River, NJ: Prentice hall, 2010 [12] Garcia, C E, Morari, M Internal Model Control A Unifying Review and Some New Results, Ind Eng Chem Process Des Dev, 21, 308, 1982 [13] Sato, R., Tsutsumi, M, Mathematical model of feed drive systems consisting of AC servo motor and linear ball guide, Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 71, pp.633638, 2005 [14] Chen, J.-S., Huang., Y.-K., Cheng, Mechanical model and contouring analysis of highspeed ball-screw drive systems with compliance effect, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 24, pp.241-250, 2004 [15] J.S Chen, Y Huang, K Cheng, Mechanical model and contouring analysis of high-speed ball-screw drive systems with compliance effect, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 24, pp.241-250, 2004 [16] R Sato, M Tsutsumi, Modeling and controller tuning techniques for feed drive systems, In ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Vol 42169, pp 669679, 2005 91 [17] Lee Y, Park S, Lee M, Brosilow C, PID controller tuning for desired closed-loop responses for SI/SO systems, AIChE J 44:106–115, 1998 [18] Shamsuzzoha M, Lee M, IMC-PID controller design for improved disturbance rejection of time-delayed processes, Ind Eng Chem Res 46:2077–2091,2007 [19] Lee Y, Lee J, Park S, PID controller tuning for integrating and unstable processes with time delay, Chem Eng Sci 55:3481–3493, 2000 [20] Skogestad S., Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning, Journal of process control, 13(4), 291-309, 2003 [21] Shamsuzzoha, M., & Lee M, PID controller design for integrating processes with time delay, Korean Journal of Chemical Engineering, 25(4), 637-645, 2008 [22] Vu, T N L., Lee, J T., & Lee, M Y, Design of multi-loop PID controllers based on the generalized IMC-PID method with Mp criterion International Journal of Control, Automation, and Systems, 5(2), 212-217 (2007) Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Ngơ Hồng Nam Đơn vị: Khoa khí, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Điện thoại: 0917322678 Email: ngonam.ctm@gmail.com 92 S K L 0 ... Mơ hình hóa bàn máy phay CNC - Ứng dụng phương pháp điều khiển tầng để điều khiển bàn pháy phay CNC 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu ứng dụng điều khiển tầng cho bàn máy phay CNC. .. pháp điều khiển hệ thống chạy dao bàn máy phay CNC - Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống bàn máy phay CNC - Phương pháp điều khiển tầng giải thuật điều khiển PID - Phương pháp mô. .. cơng cách mơ hình hóa bàn máy CNC dạng phương trình vi phân hàm truyền đạt Đồng thời, xây dựng thuật toán điều khiển tầng để điều khiển bàn máy phay CNC nhằm nâng cao chất lượng điều khiển 1.5 Đối
Ngày đăng: 07/03/2023, 16:33
Xem thêm: Mô hình hóa và xây dựng thuật toán điều khiển tầng cho bàn máy phay cnc
