Điều khiển chính xác dịch chuyển đo lường trong máy đo biên dạng 3d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MẠNH LINH ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC DỊCH CHUYỂN ĐO LƯỜNG TRONG MÁY ĐO BIÊN DẠNG 3D LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MẠNH LINH ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC DỊCH CHUYỂN ĐOLƯỜNG TRONG MÁY ĐO BIÊN DẠNG3D LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸTHUẬT Chuyên ngành: CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN VINH MỤC LỤC MỤCLỤC LỜICAMĐOAN LỜICẢMƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮVIẾTTẮT DANH MỤCCÁCBẢNG .6 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀĐỒ THỊ MỞĐẦU Tính cấp thiết củađềtài Mục đích đềtài .9 Ý nghĩa khoa họcvàthực tiễn củađề tài .9 Nội dung đề tàivàcác vấn đề cần giải .10 CHƢƠNG : TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC TRONG MÁYĐO3D 11 1.1 Tổng quan hệ thốngđiềukhiển 11 1.1.1 Lịch sửpháttriển 11 1.1.2 Thành phần hệ thốngđiềukhiển .12 1.1.3 Phân loại hệ thốngđiềukhiển 14 1.2 Tổng quan chuyển động loại máyđo 3D 17 1.2.1 Gi i thiệuvềphƣơng pháp đo bi n dạng chitiếtmáy 17 1.2.2 Chuyển động máy đotọa độ 20 1.2.3 Chuyển động máyđo 3D 21 CHƢƠNG : CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUANĐỘCHÍNH XÁC VÀ MƠ HÌNH HĨAMÁYĐO3D 24 2.1 Các vấn đề li n quan đến điều khiển xác máyđ o 3D 24 2.1.1 Nguy n nhân khơng xác trongđ i ề u khiển .24 2.1.2 Backlashvàhiệuchỉnh 27 2.2 Mơ hình hóa trục chuyển động máyđo3D 29 2.2.1 Mơ hình hóa đặc tínhđộngcơ 31 2.2.2 Mơ hình hóa đặc tính hệcơkhí 32 CHƢƠNG : THIẾT KẾ THUẬT TOÁNĐIỀUKHIỂN 35 3.1 Gi i thiệuvềbộ điềukhiểnPID 35 3.2 MộtsốphƣơngpháptổnghợpbộđiềukhiểnPID 38 3.2.1 Phƣơngphápmodultốiƣu 38 3.2.2 PhƣơngphápthựcnghiệmcủaZiegler–Nichols .39 3.2.3 Phƣơng pháp tổng TcủaKuhn 40 3.3 ThiếtkếgiảithuậtPID 41 3.3.1 Tính tốn hàm truyềnhệthống .42 3.3.2 Xácđịnhcácthamsốcủabộđiềukhiểnbằngphƣơngphápmôphỏng .42 3.4 Hiệu chỉnh bộđiềukhiển 44 3.5 Mô thuật toán điều khiển Matlap- Simulink .46 3.5.1 Mơ hệ thống có điều khiển P theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols 46 3.5.2 Mơ hệ thống có điều khiển PI theo phƣơng pháp ZieglerNichols 47 3.5.3 Mơ hệ thống có điều khiển PID theo phƣơng pháp ZieglerNichols 48 CHƢƠNG : SETUP HỆ THỐNG VÀTHỰCNGHIỆM 49 4.1 Thiếtkế mơhình thực nghiệmhệthống 49 4.2 Xây dựng chƣơng trìnhđiềukhiển 54 4.3 Thựcnghiệm .62 4.3.1 Tìm độ Backflash hệ thống cầnđiều khiển 62 4.3.2 Thực nghiệmgiảithuật .62 4.4 Kết luận 69 TÀI LIỆUTHAMKHẢO 71 PHỤLỤC 72 LỜI CAM ĐOAN Tên : Nguyễn Mạnh Linh Sinh ngày 25 tháng 02 năm1991 Học viên l p cao học kỹ thuật Cơ Điện Tử khóa 2015B – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cam đoan đề tài:“Đ ề ểị ểƣ 3D”do thầy giáoPGS.TS Nguyễ Vă Vhƣ ng dẫnlàcơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốcvàxuất xứ rõràng Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trƣ c hội đồng Học viên thựchiện Nguyễn MạnhLinh LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng, đƣợc độngvin, giúpđỡvàhƣ ng dẫn tận tình thầy giáo hƣ ng dẫnPGS.TS Nguyễ Vă V ,luậnvăn“Đ ềểịểƣ3D”đã hồnthành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc : Thầy giáoPGS.TS Nguyễ VăVđã tận tình dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận vănnày Các thầy giáo, giáo thuộc mơn Cơ Khí Chính Xác & Quang Học trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nhƣ trình nghi n cứu thực luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn t i tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình ngƣời thân quan tâm, động vi n giúp đỡ suốt trình học tập Học viên Nguyễn Mạnh Linh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VĐK 3D Vi điều khiển Không gian chiều CMM Coordinate Measuring Machine PID Proportional Integral Derivative ĐTĐK Đối tượng điều khiển THPH Tín hiệu phản hồi TBĐK Thiết bị điều khiển Thừa số tỉ lệ đầu Độ lợi tỉ lệ Độ lợi tích phân Độ lợi vi phân Ra Điện trở phần ứng động Ia Dòng điện phần ứng động La Điện cảm phần ứng động Va Điện áp phần ứng động Ea Điện áp kích từ động BM Ma sát động BL Ma sát truyền động víttme – đai ốc JM Qn tính động TM Mơ-mem động M vận tốc góc động L vận tốc góc truyền động víttme – đai ốc DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Hằng số củahệthống 42 Bảng Các tham số PID theo phương pháp thực nghiệmcủa Ziegler-Nichols 43 Bảng 3 Các tham số PID tìm theo phương phápthựcnghiệm 43 Bảng Ảnh hưởng thông số hiệu chỉnh bộđiều khiển 44 Bảng Một vài thông số ArduinoUnoR3 50 Bảng Thiết lập chế độ hoạt động MicrostepDriverP5C 51 Bảng Bảng thực nghiệm xác định Backlashhệthống .62 Bảng 4 Bảng thực nghiệm hệ thống chưa có giảithuật PID 62 Bảng Bảng sai số trung bình hệ thống chưa cógiải thuật 63 Bảng Bảng thực nghiệm có giảithuậtPID 64 Bảng Bảng sai số trung bình hệ thống cógiảithuật .64 Bảng Bảng thực nghiệm có giải thuật PID khicótải 66 Bảng Bảng sai số trung bình hệ thống khicótải 66 Bảng 10 Bảng thực nghiệm có giải thuật PID khoảng cáchgiảm dần .67 Bảng 11 Bảng sai số trung bình hệ thống khoảng cáchgiảmdần 68 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiểntựđộng 13 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiểnvònghở .14 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiểnvịngkín .15 Hình Máy đo tọa độ củahãng DEA 19 Hình Máy bị quét laser DM-1620 củahãngLDI 20 Hình Máy đo tọa độ sử dụng đầuđoCNC .21 Hình Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sángcấu trúc .22 Hình Hệ thống truyền động với vitme –đaiốc .24 Hình 2 Sai sốdovítme 25 Hình Sai số dosống trượt .25 Hình Chuyển động tịnh tiến luivàtới 27 Hình Quy trình mơ hình hố chọn điều khiển hệ dẫn độngbàn máy 29 Hình Sơ đồ hệ thốngđiều khiển .30 Hình Sơ đồ mơ hình hóa trục X máyđo3D .30 Hình Sơ đồ mơ hình hóa động truyền động vitme -đaiốc .31 Hình Sơ đồ mơ hình hóa đặc tính hệcơkhí 34 Hình Sơ đồ khối điều khiểndùngPID 35 Hình Sơ đồ cấu trúc hệthốngkín 38 Hình 3 Xác định hệ số khuếch đạitới hạn 40 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiểndùngPID 42 Hình Sơ đồ mô xác định số khuếch đạitớihạn 43 Hình Đồ thị đầu vào – đầu hệ thống biên giớiổnđịnh 43 Hình Đáp ứng nấc hệ kín k=kth 44 Hình Mơ hình đầu hệ thống có điềukhiểnP 46 Hình Đồ thị đáp ứng đầu hệ thống cóbộđiềukhiểnP .46 Hình 10 Mơ hình đầu hệ thống có điềukhiểnPI .47 Hình 11 Đồ thị đáp ứng đầu hệ thống có điều khiểnPI 47 Hình 12 Mơ hình đầu hệ thống có điềukhiểnPID 48 Hình 13 Đồ thị đáp ứng đầu hệ thống có điềukhiển PID .48 Hình Sơ đồ kết nối hệ thốngthựcnghiệm 49 Hình Mơ hìnhthựcnghiệm .49 Hình Bộđiềukhiển 50 Hình 4 Sơ đồ điều khiển MicrostepDriverP5C 52 Hình Giao diệnđiềukhiển 54 Hình Sơ đồ giải thuật hệthống 55 Hình Lưu đồ kết nối máy tínhvàArduino .56 Hình 8Lưu đồ kết nối máy tính vàthướcquang 58 Hình Lưu đồ truyền nhận liệu củathướcquang 60 Hình 10 Đồ thị sai số hệ thống chưa cógiải thuật 63 Hình 11 Đồ thị sai số hệ thống cógiải thuật 65 Hình 12 Đồ thị biểu diễn sai số có khơng có giảithuật PID 65 Hình 13 Đồ thị sai số hệ thống khicótải 67 Hình 14 Đồ thị sai số hệ thống khoảng cáchgiảm dần 68 Tínhcấp thiết ềtài MỞ ĐẦU Ngày nayvi hội nhập kinh tế quốc tế nƣ c ta đangcónhiều hội đƣợc tiếp cậnvi nhiều cơng nghệ máy móc đại củathếgii…