Đồ án cơ khí trí thông minh nhân tạo cho máy CNC

Đồ án tốt nghiệp cơ khí : tạo trí thông minh nhân tạo cho máy CNC bằng cách ứng dụng fuzzy logic và neurual fuzzy vào bộ điều khiển CNC

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến thầy hướng

dẫn : PGS TS Lê Hoài Quốc, nhờ sự tận tình chỉ bảo, hướng

dẫn, hết lòng giúp đỡ, và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em nên em mới có thể hoàn thành được luận văn này Em cũng xin cám ơn các thầy cô các anh chị trong bộ môn Điều Khiển Tự Động khoa Cơ Khí đã giúp đỡ em trong suốt thời gian em thực tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp tại bộ môn

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trong khoa Cơ Khí và quý thầy cô ở trong trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã trang bị kiến thức cho em cũng như đã giúp đỡ em trong suốt thời gian em học tập tại trường

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô đã dành thời gian quý báu để nhận xét và chấm luận văn tốt nghiệp Cuối cùng em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã tạo mọi điều kiện để em có được ngày hôm nay

Sinh viên thực hiện NGUYỄN THIỆN TUÂN

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Mục lục i

Lời mở đầu vi

Danh mục các chữ viết tắt vii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Máy công cụ CNC 1

1.1.1 Lịch sử của máy công cụ CNC 1

1.1.2 Dòng lưu thông tín hiệu trong hệ điều khiển số 3

1.1.2.1 Dòng lưu thông tín hiệu 3

1.1.2.2 Các thông tin điều khiển 4

1.1.3 Điều khiển CNC 4

1.1.3.1 Cấu trúc của hệ điều khiển CNC 5

1.1.3.2 Các cấu tử phần cứng của điều khiển CNC 6

1.1.4 Các mức phát triển của hệ điều khiển CNC đa xử lý 10

1.1.4.1 Mức phát triển vào giai đoạn 1970-1971 11

1.1.4.2 Mức phát triển hiện tại 11

1.1.5 Mô tả chức năng của một hệ điều khiển đa xử lý 12

1.1.5.1 Các khối chức năng của cụm điều khiển trung tâm 12

1.1.5.2 Bộ điều phối dữ liệu DC (Data Controller) 13

1.1.5.3 Bộ điều khiển các trục 13

1.1.6 Mạch điều chỉnh vị trí 15

1.2 Bộ nội suy sử dụng phương pháp vi phân số DDA 16

1.2.1 Khái niệm nội suy 16

1.2.2 Các dạng nội suy 18

1.2.3 Phương pháp nội suy phân tích vi phân số DDA 19

1.2.3.1 Phương pháp nội suy thẳng 19

1.2.3.2 Nội suy vòng theo phương pháp DDA 22

1.2.4 Quá trình thực hiện DDA trên máy NC 23

1.2.4.1 Cấu trúc của bộ nội suy đường thẳng 23

1.2.4.2 Cấu trúc của bộ nội suy đường cong 26

1.3 Tổng quan về fuzzy logic và các ứng dụng fuzzy logic trong công nghiệp 26

1.3.2 Ứng dụng của điều khiển mờ trong máy giặt 27

1.3.2.1 Giới thiệu 27

1.3.2.2 Bộ điều khiển 28

1.3.3 Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển nhiệt độ máy điều hòa không khí 28

1.3.3.1 Giới thiệu 28

1.3.3.2 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều hòa không khí 29

1.3.4 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều chỉnh tiêu cự của máy ảnh 30

1.3.4.1 Giới thiệu 30

1.3.4.2 Bộ suy diễn mờ 31

1.3.5 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống sang số tự động 31

1.3.5.1 Giới thiệu 31

1.3.5.2 Bộ điều khiển 31

1.4 Giới thiệu luận văn 33

1.4.1 Mục tiêu đề tài 33

1.4.2 Nhiệm vụ luận văn 33

1.4.3 Sơ lược nội dung của luận văn 34

CHƯƠNG 2 : SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT MỜ 35

2.1 Tập hợp mờ 35

2.1.1 Từ tập hợp rõ đến tập hợp mờ 35

2.1.2 Hàm liên thuộc 36

2.1.2.1 Các đặc điểm của hàm liên thuộc 36

2.1.2.2 Các dạng hàm liên thuộc thường gặp 38

2.1.2.3 Các phương pháp xác định hàm liên thuộc 39

2.1.3 Các phép toán trên tập mờ 40

2.1.3.1 Phép hợp hai tập mờ 40

2.1.3.2 Phép giao hai tập mờ 41

2.1.3.3 Phép bù của một tập mờ 41

2.2 Quan hệ mờ 42

2.2.1 Quan hệ rõ 42

2.2.2 Quan hệ mờ 43

2.2.3 Sự hợp thành của quan hệ mờ 44

2.2.4 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 45

2.2.4.1 Biến mờ 46

2.2.4.2 Biến ngôn ngữ 46

2.3 Logic mờ 46

2.3.1 Logic mờ 46

2.3.1.1 Mệnh đề mờ 46

2.3.1.2 Các phép toán trên mệnh đề mờ 47

2.3.2 Luật mờ 49

2.3.3 Kết hợp các luật mờ 49

2.4 Suy luận mờ 50

2.4.1 Sự suy diễn của một qui tắc mờ 50

2.4.1.1 Suy diễn bằng sự hợp thành 50

2.4.1.2 Phương pháp suy diễn MAX-MIN 50

2.4.1.3 Phương pháp suy diễn MAX-PROD 51

2.4.2 Sự suy diễn của hệ các luật mờ 52

2.4.2.1 Suy diễn cục bộ 52

2.4.2.2 Suy diễn toàn cục 53

2.5 Giải mờ 54

2.5.1 Phương pháp điểm trọng tâm 54

2.5.2 Phương pháp trung bình có trọng số 55

2.5.3 Phương pháp trung bình của độ phụ thuộc cực đại 55

2.6 Ứng dụng trong điều khiển 56

CHƯƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN NEURON MỜ 58

3.1 Tổng quan về mạng Neuron 58

3.1.1 Bộ não, tế bào thần kinh và mạng thần kinh sinh học 58

3.1.1.1 Mạng neuron trong não 59

3.1.1.2 Neurons và synapses 59

3.1.1.3 Sự học của các synapse 60

3.1.2 Tế bào thần kinh nhân tạo và mạng neuron nhân tạo 61

3.1.2.1 Tế bào thần kinh nhân tạo 61

3.1.2.2 Mạng neuron nhân tạo 62

3.2 Hệ thống Neural Fuzzy (Neurofuzzy System) 64

3.2.1 Giới thiệu 64

3.2.2 Sự thuận lợi của hệ thống neurofuzzy 65

3.2.3 Cấu trúc của hệ thống neurofuzzy 65

3.2.3.1 Lớp 1 65

3.2.3.2 Lớp 2 65

3.2.3.3 Lớp 3 66

3.2.3.4 Lớp 4 66

3.2.3.5 Lớp 5 66

3.3 Học củng cố (Reinforcement Learning) 67

3.3.1 Giới thiệu 67

3.3.2 Một vài ví dụ về học củng cố 67

3.3.3 Điều kiện để áp dụng giải thuật học củng cố 68

3.4 Bộ điều khiển GARIC 69

3.4.1 Cấu trúc của bộ điều khiển 69

3.4.2.1 Cấu trúc của mạng đánh giá 69

3.4.2.2 Việc học của mạng đánh giá 71

3.4.3 Bộ thay đổi hành vi ngẫu nhiên (Stochastic Action Modifier – SAM) 71

3.4.4 Mạng thực thi (Action Selection Network – ASN) 72

3.4.4.1 Cấu trúc của mạng thực thi 72

3.4.4.2 Việc học của mạng thực thi 75

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG 78

4.1 Giới thiệu 78

4.2 Bộ điều khiển mờ cho quá trình gia công thô 79

4.2.1 Bộ điều khiển mờ cho lượng chạy dao răng S z (mm/răng) 81

4.2.1.1 Biến đầu vào 82

4.2.1.2 Biến đầu ra 84

4.2.1.3 Luật hợp thành và phương pháp giải mờ 85

4.2.2 Bộ điều khiển mờ cho vận tốc cắt V (m/ph) 86

4.2.2.1 Biến đầu vào 87

4.2.2.2 Biến đầu ra 88

4.2.2.3 Luật hợp thành và phương pháp giải mờ 89

4.2.3 Chương trình mô phỏng 91

4.2.3.1 Giới thiệu 91

4.2.3.2 Sơ đồ khối của chương trình 91

4.2.3.2 Giao diện của chương trình 92

4.3 Bộ điều khiển mờ cho quá trình phay tinh 95

4.3.1 Sự thuận lợi khi sử dụng bộ điều khiển GARIC 95

4.3.2 Xác định đầu vào cho bộ điều khiển 96

4.3.3 Xác định hàm củng cố 97

4.3.4 Xây dựng mạng đánh giá AEN 97

4.3.5 Xây dựng mạng thực thi ASN 98

4.3.5.1 Lớp 1 98

4.3.5.2 Lớp 2 98

4.3.5.3 Lớp 3 99

4.3.5.4 Lớp 4 99

4.3.5.5 Lớp 5 100

4.3.6 Chương trình mô phỏng 100

4.3.6.1 Giới thiệu 100

4.3.6.2 Mạng dự đoán độ nhám bề mặt Ra 100

4.3.6.3 Chương trình Simulink 104

4.3.6.4 Một số kết quả đạt được 105

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN 107

5.1 Những kết quả đã thực hiện được 107

5.2.1 Nhận xét đối với bộ mờ cho phay thô 107

5.2.2 Nhận xét đối với bộ mờ cho phay tinh 107

5.2.3 Nhận xét chung 108

Tài liệu tham khảo 109

Phụ lục 110

Phụ lục 1 : Các bảng dữ liệu về chế độ cắt 110

1.1 Bảng dữ liệu cho phay mặt phẳng bằng dao phay ngón thép gió 110

1.1.1 Lượng chạy dao răng S z (mm/răng) 110

1.1.2 Tốc độ cắt V (m/phút) 111

1.2 Phay mặt phẳng bằng dao phay dạng ngón gắn mảnh hợp kim cứng 114 1.2.1 Lượng chạy dao răng S z (mm/phút) khi phay thép 114

1.2.2 Tốc độ cắt V (m/phút) khi phay thép 115

1.3 Các bảng dữ liệu hệ số hiệu chỉnh 116

Phụ lục 2 : Bảng dữ liệu về độ nhám bề mặt 117

2.1 Giới thiệu về bộ dữ liệu 117

2.1.1 Các khái niệm được sử dụng trong bài báo 117

2.1.2 Các dữ liệu sử dụng trong bài báo 118

2.2 Các bảng dữ liệu của độ nhám bề mặt R a 118

LỜI MỞ ĐẦU

Trong gia công kim loại ngày nay, sự góp mặt của các trung tâm gia công CNC thay cho máy gia công truyền thống đã nâng cao đáng kể năng suất cũng như chất lượng gia công Việc sử dụng ngày càng nhiều các máy công cụ CNC thay cho máy gia công truyền thống là do những ưu điểm chính của các máy CNC đó là khả năng tự động hóa rất cao, độ chính xác cao, lập trình đơn giản, dễ giám sát, không yêu cầu quá cao đối với người thợ đứng máy…

Tuy nhiên việc đưa ra thông số công nghệ cho quá trình gia công trên máy CNC vẫn đòi hỏi người lập trình cần có nhiều kinh nghiệm để có thể đạt được một chất lượng bề mặt gia công như mong muốn

Mục tiêu chính của việc nghiên cứu ứng dụng fuzzy logic và neural fuzzy vào trong bộ điều khiển CNC là mong muốn đưa được những kinh nghiệm gia công này vào trong máy CNC, giúp máy CNC có thể đưa ra được các thông số công nghệ với mục tiêu là nâng cao được chất lượng bề mặt sau gia công

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AEN : Action Evaluation Network

ASN : Action Selection Network

CNC : Computer Numerical Control

DDA : Digital Differential Analysis

GARIC : Generalized Approximate Reasoning-based Intelligent Control GRNN : Generalized Regression Neural Networks

CHÖÔNG 1

TOÅNG QUAN

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 MÁY CÔNG CỤ CNC

1.1.1 Lịch sử của máy công cụ CNC

CNC là viết tắt của Computer Numerical Control dùng để chỉ quá trình sản xuất gia công chi tiết dùng bộ điều khiển có sử dụng máy tính để điều khiển động

cơ các trục của máy công cụ Sự phát triển của máy công cụ CNC gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển số từ những phát minh sơ khai nhất như vào năm

1808 Joseph M Jacquard sử dụng thẻ có đục lỗ để điều khiển máy thêu thực hiện

những kiểu mẫu khác nhau tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của các thẻ đục lỗ trên máy, khoảng 55 năm sau đàn piano tự động Pianola sử dụng cuộn giấy đục lỗ để điều

khiển hệ thống cơ của bàn phím được M Fuorneaux đưa ra Cùng với sự phát minh

ra máy tính, transitor và vi mạch tích hợp kỹ thuật điều khiển số đã đạt được những thành tựu đáng kể có thể xem là những bước ngoặc trong quá trình phát triển của máy công cụ CNC

Năm 1947 John Parsons thuộc tập đoàn Parsons Corporation bang Michigan

đã thành công trong việc xây dựng bộ điều khiển có thể đưa trục chính đi đến rất nhiều điểm

Năm 1951, Học viện công nghệ MIT (Massachusetts Institute of Technology)

của Hoa Kỳ đã thêm máy tính vào trong hệ thống của Parsons

Năm 1952 – Máy công cụ điều khiển số đầu tiên (Numerical Control _ NC), máy phay 3 trục đứng Cincinnati Hydrotel, đã được công bố tại MIT

Năm 1957 – Công ty Air Material Command thuộc U.S Air Force đã đưa những máy công cụ điều khiển số (NC) vào sử dụng

Năm 1959 – Triển lãm máy công cụ tại Paris, trình bày những máy NC đầu tiên của Châu Aâu

Năm 1960 – Các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình đồ kỹ thuật của công nghệ bóng đèn điện tử và rơle (cơ/ điện/ thủy lực), kích thước còn lớn,

xưởng máy thông thường Máy NC ở thời kỳ này được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp hàng không

Từ sau 1960, bóng đèn điện tử được thay thế bởi các phần tử bán dẫn điện tử rời rạc, điốt, transitor, nhưng đa số các linh kiện lẻ đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mối hàn và những ổ cắm, ghép nối, vừa tốn kém khi chế tạo, vừa hạn chế độ tin cậy trong vận hành điều khiển Thông tin điều khiển ghi trên băng đục lỗ, dung lượng thấp, phải đọc thông tin theo từng bước, khi gia công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho từng lần gia công Khi thay đổi chương trình điều khiển, chẳng hạn thay đổi chế độ cắt cho phù hợp hơn, đòi hỏi phải cải biến hay làm lại băng đục lỗ

Trong những năm 70, ngành điều khiển số nhanh chóng ứng dụng những thành tựu phát triển của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp; những hệ NC sử dụng các bản mạch logic nối cứng được thay thế bởi các hệ điều khiển có bộ nhớ với dung lượng đủ lớn; do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những phần cứng có nhiệm vụ chuyên dụng trước đây được thay thế bằng những phần mềm chuyên dụng hơn Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện lưu trữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng chương trình đơn lẻ, sau đó là cả một thư viện chương trình, lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng thông qua cấp lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy Những điều này hình thành nên bộ điều khiển CNC

Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý µP Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng, dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau

Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact (CD) có dung lượng nhớ ngày càng mở rộng, độ tin cậy và tuổi thọ cao

Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC (Computer Numerical Control) đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong công nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, nghĩa là người lập trình có thể lập trình trực tiếp trên máy Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển đều được hiển thị trên màn hình

Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và con số, nay đã dùng màn hình đồ họa, độ phân giải cao (có thêm hình vẽ mô phỏng tĩnh hay động); biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị

Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xí nghiệp hay của một tập đoàn công nghiệp

1.1.2 Dòng lưu thông tín hiệu trong hệ điều khiển số

1.1.2.1 Dòng lưu thông tín hiệu

Hình 1.1 trình bày dòng lưu thông tín hiệu trong điều khiển số Trong đó được

chia thành các lớp thông tin sau :

ƒ Lớp 1 : Nạp dữ liệu

- Bằng tay, nhờ bảng điều khiển

- Bằng tay, nhờ các cơ cấu cơ khí (tay quay, tay gạt) cấp xung

Dạng cấp tín hiệu này giới hạn cho việc gia công các chi tiết lẻ, kết cấu đơn giản hoặc cho các quá trình điều chỉnh máy

- Bằng đầu đọc các vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa compact)

- Trực tiếp từ bộ nhớ của một máy tính điều hành gia công

ƒ Lớp 2 : Lưu trữ

Thông tin đầu vào được lưu giữ trong các bộ nhớ bán dẫn Chương trình gia công chi tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ RAM Các dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu trữ trong bộ nhớ RAM hoặc trong bộ nhớ EAROM Các dữ liệu chương trình cho cụm điều khiển tương thích được lưu trữ trong bộ nhớ PROMs

ƒ Lớp 3 : Lưu chuyển

Trong lớp này, các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý Đường dịch chuyển cần thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương quan với biên dạng lập trình được tìm ra, các thủ pháp kiểm tra được thực hiện

ƒ Lớp 4 : Lưu xử lý

Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm ra những giá trị đặt về vị trí cho mạch điều chỉnh vị trí trên từng trục chạy dao Lớp này cũng đưa ra các số liệu điều khiển trục chính công tác, cũng như điều khiển chung toàn máy

Bảng điều khiển Tay quay Đầu đọc Máy vi tính

Dữ liệu chương

Chuẩn bị thông tin

Xử lý thông tin

Rơle vòng quay

Truyền động chạy dao

Truyền động

trục chính

Lớp 1 Nạp dữ liệu

Lớp 2 Lưu trữ

Lớp 3 Lưu chuyển

Lớp 4 Lưu xử lý

Lớp 5 Điều chỉnh

Lớp 6 Điều khiển toàn máy

Hình 1.1 Dòng lưu thông tín hiệu trong điều khiển số

1.1.2.2 Các thông tin điều khiển

Để điều khiển máy công cụ hệ điều khiển số cần những thông tin sau :

ƒ Thông tin hình học : chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết

ƒ Thông tin công nghệ : tốc độ chạy dao, tốc độ cắt, tắt mở dung dịch trơn nguội, chọn chiều quay,

1.1.3 Điều khiển CNC

Điều khiển CNC có nhiệm vụ giải mã chương trình NC và xử lý các thông tin công nghệ và hình dáng hình học của chi tiết Với sự hỗ trợ của hệ điều khiển CNC các bộ phận cấu thành máy công cụ CNC được điều khiển và điều chỉnh sao cho

hình thành được chi tiết gia công mong muốn Các chức năng của hệ điều khiển CNC có thể được thiết lập như : nhập dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu

Việc nhập dữ liệu được thực hiện bằng cách sử dụng các bảng điều khiển bao gồm bàn phím và màn hình, chương trình NC cũng có thể đọc hoặc lưu trữ ở bên ngoài, đồng thời cũng có khả năng chuyển các dữ liệu từ bên ngoài vào máy tính (điều khiển DNC) thông qua các thiết bị giao tiếp hay mạng Nhờ các phím nhấn mềm và bằng đối thoại trực tiếp với hệ thống điều khiển cho phép chúng ta đưa chương trình vào một cách nhanh chóng và tránh được sai sót về lập trình Các điều khiển CNC hiện đại có một màn hình đồ họa, trên màn hình này quá trình cắt gọt có thể mô phỏng động hoặc tĩnh

Bộ xử lý dữ liệu của hệ điều khiển CNC có nhiệm vụ thiết lập dữ liệu từ chương trình NC Các dữ liệu này cần thiết cho hoạt động của máy và gia công chi tiết Các dữ liệu công nghệ thực hiện các công việc như chọn dao, chọn chiều quay, điều chỉnh số vòng quay của trục chính hoặc tắt mở nước làm nguội, các thông tin này được chuyển vào các bộ phận tương ứng của máy công cụ CNC thông qua bộ điều khiển Các thông tin hình dáng hình học của chương trình NC được biên dịch từ hệ điều khiển CNC dưới sự tính toán các bước tiến dao cho từng truyền động của các trục Các hành trình chuyển động vừa tạo ra, tiếp tục được điều chỉnh bởi mạch điều khiển kín cho các vị trí của trục ăn dao

Điều khiển đọc Bộ nhớ chươngtrình Tính toán hiệuchỉnh Nộisuy

Điều khiển vị trí trên trục X

Điều khiển vị trí trên trục Y

Điều khiển vị trí trên trục Z Thông tin công nghệ

xS(t)

yS(t)

zS(t)

Hình 1.2 Dòng thông tin trong mạch điều khiển vị trí của hệ CNC

1.1.3.1 Cấu trúc của hệ điều khiển CNC

Hình 1.3 trình bày cấu trúc điển hình của một hệ điều khiển CNC đa xử lý

Đặc tính cơ bản của hệ là bao hàm một bus thông tin song song tiêu chuẩn và những môđun phần cứng tiêu chuẩn

ƒ Bus thông tin song song

“Bus” theo quan niệm của kỹ thuật số là một đường dẫn liên hệ cho các tín

hiệu Tất cả các cấu tử phần cứng trong hệ điều khiển đều được nối ghép liên hệ với bus

Đường dẫn trong bus có tác dụng hai chiều (bidirectional), kề bên bus có thể cài đặt nhiều môđun tác dụng, trong đó mỗi môđun tác dụng có thể giải quyết một lưu thông dữ liệu

ƒ Các môđun phần cứng tiêu chuẩn

- Xử lý trung tâm cho điều khiển quá trình trung tâm

- Các xử lý cho những nhiệm vụ cụ thể khác nhau

- Bộ nhớ các dữ liệu điều khiển và dữ liệu máy

- Các môđun xử lý hình học cho từng trục riêng lẻ

- Các giao diện vào ra nhị phân cho xử lý các dữ liệu công nghệ

- Các giao diện có tính trình tự để nối ghép các điều khiển ngoại vi

Cụm điều

khiển

trung tâm

Vào / Ra các dữ liệu điều khiển

Chương trình CNC và các dữ liệu máy

Lưu giữ các chương trình CNC

Các chức năng phụ ví dụ như tổng hợp các số liệu vận hành máy

Điều khiển

có khả năng

lập trình

được

Kiểm tra chương trình

Vào Ra hình họcXử lý Điều chỉnhvị trí trên

các trục Xử lý hình học

Các chức năng khác Ví dụ đo, tự động cấp chi tiết, điều khiển

Các quá trình ngoại vi Ví dụ tổng hợp các số liệu về điện áp, khâu điều chỉnh, khuyếch đại,

khâu đo các vị trí cắt Bus thông tin song song của các điều khiển số đa xử lý

Hình 1.3 Điều khiển CNC đa xử lý

1.1.3.2 Các cấu tử phần cứng của điều khiển CNC

Cụm vi xử lý microprocessor (µP)

a) Cấu trúc

Cụm xử lý thực chất là hạt nhân của một thiết bị xử lý số, nó thực hiện các

chức năng tính toán và điều khiển Hình 1.4 trình bày nguyên tắc cấu trúc của một

P

µ , các phần tử chính yếu bao gồm :

ƒ Bộ nhớ sơ bộ không lựa chọn (Scratch – Pad – Memory): còn gọi là truy

nhập phụ trợ Bộ nhớ này chứa đựng những thông tin cần thiết cho điều khiển diễn biến chương trình, ví dụ đếm mỗi bước nhảy của chương trình, truy nhập các chỉ số, truy nhập các địa chỉ cơ bản

ƒ Truy nhập cảnh báo (Flag – register): trong đó mỗi cảnh báo là một dấu

hiệu chuyên dụng hay tín hiệu báo sự xuất hiện của một trạng thái xác định Ví dụ trạng thái tràn, trạng thái truyền đạt, trạng thái rỗng trong nội dung bộ nhớ tích lũy

Đa số các cảnh báo được đưa ra một cách tự động từ bộ xử lý Những lệnh nhảy có điều kiện tạo khả năng phân nhánh trong nội bộ chương trình hoặc những bước nhảy vào/ra chương trình còn tuỳ thuộc vào những cảnh báo khác nhau

ƒ Bộ nhớ tích lũy (Accumulator): là bộ nhớ hàm chứa những dữ liệu cần nối

ghép và tiếp nhận kết quả của những tính toán số học và tính toán logic dùng để thực hiện mạch ghép nối

ƒ Cụm logic số ALU (Arithmetic Logic Unit): là một phần của µP, đảm nhận các tính toán số học và các tính toán logic

ƒ Điều khiển thao tác lệnh : giải mã phần điều hành của mỗi lệnh chứa

trong phần truy nhập lệnh và sản sinh các tín hiệu điều khiển cho quá trình thực hiện lệnh

ƒ Truy nhập lệnh : là bộ nhớ các lệnh vừa được xử lý

ƒ Bộ phát lệnh : truy nhập những địa chỉ của các lệnh chạy hoặc là thứ tự của

chúng

Các bộ phát lệnh, truy cập lệnh và điều khiển thao tác lệnh hợp thành cụm điều khiển của microprocessor

ƒ Bộ nhớ xếp chồng (Stack-pointer), hoạt động theo nguyên lý LIFO (Last In

First Out), nghĩa là thông tin truy cập cuối cùng được đưa ra đầu tiên

Truy nhập phụ (bộ nhớ tạm) Truy nhập mảng

Bộ nhớ tích lũy

Cụm số học ALU

Điều khiển vận hành

Truy nhập lệnh

Đếm lệnh

Chỉ thị (Bộ nhớ xếp chồng)

Hình 1.4 Sơ đồ của một microprocessor

b) Nguyên tắc làm việc của microprocessor

Bộ phát lệnh (Instruction Pointer) đưa ra địa chỉ các lệnh mới, lệnh sẽ được đọc, được giải mã và được thực hiện Nếu lệnh đó là một lệnh nhảy (nhảy đến một địa chỉ lệnh khác), địa chỉ nhảy được lưu vào bộ phát lệnh

Phần mềm hệ thống của điều khiển số : phần mềm hệ thống bao gồm nhiều khối liên hệ với nhau (ví dụ: vào/ra, nội suy, điều chỉnh vị trí) Những bộ phận chương trình này được xử lý theo chu kỳ, trong đó những đòi hỏi từ bộ phát chu kỳ ngoại vi (ngắt cứng) hay qua phần mềm của hệ thống (ngắt mềm) được xử lý

Bộ đếm lệnh Mã lệnh

Thực hiện Địa chỉ lệnh

Lệnh

điều khiển tính toán

Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của microprocessor

Hình 1.6 trình bày cấu trúc ưu tiên trong phần mềm hệ thống của một hệ điều

khiển số Các chương trình có mức ưu tiên cao hơn, theo quy luật, chạy thường xuyên hơn những chương trình có mức ưu tiên thấp hơn

Hình 1.6 Cấu trúc ưu tiên của phần mềm điều khiển số

RFI = Request For Interrupt

Máy vi tính

Đồng hồ (Phát chu kỳ)

Microprocessor

Bộ nhớ RAM

Bộ nhớ ROM

Vào / Ra / Mặt nối ghép

Hình 1.7 Sơ đồ khối của một vi xử lý (vi tính)

Nếu bổ sung cho microprocessor một số cụm chức năng mở rộng, ta sẽ có một

máy vi tính Các cụm kết nối cơ bản của máy vi tính được trình bày trên hình1.7

Máy phát chu kỳ (tactgenerator), thực chất đây là một cụm phát dao động nhờ tinh thể thạch anh, sản sinh chu kỳ chuẩn cho tiến trình làm việc của microprocessor Bộ nhớ ROM (Read Only Memory), là bộ nhớ mà nội dung chỉ có thể đọc được mà không thể cải biến cũng như xoá được Nội dung của bộ nhớ do các nhà chế tạo thiết lập trong khi sản xuất các cụm vi mạch IC Các bộ nhớ ROM được sử dụng trong các cụm điều khiển µP với chức năng là bộ nhớ chương trình hệ thống Bộ nhớ RAM (Random Access Memory), là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên cho phép người sử dụng có thể viết vào, trích ra hoặc xóa bỏ các dữ liệu Trong máy vi tính, RAM có chức năng lưu trữ các chương trình và dữ liệu

1.1.4 Các mức phát triển của hệ điều khiển CNC đa xử lý

Sự phát triển từ hệ NC đến hệ CNC từ 1970 đến nay là tiến trình song song với sự phát triển công năng của các máy tính

1.1.4.1 Mức phát triển vào giai đoạn 1970-1971

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển số NC

có liên hệ với hệ thống đo vị trí và mạch điều chỉnh vị trí

A Đọc bằng đục lỗ; B Mạch logic khép kín; C Bộ so sánh vị trí;

D Biến đổi D/A; E Khuyếch đại; F Bộ so sánh tốc độ;

G Khuyếch đại điều chỉnh; H Động cơ chạy dao; I Vị trí đo tốc độ;

J Bàn máy; K Cụm đo vị trí; Biến đổi A/D Hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên tắc của một hệ NC có hệ thống đo vị trí số

(digital) và mạch điều chỉnh vị trí liên tục, trong đó việc xác định nhiệm vụ điều khiển dựa vào các đường dây liên hệ cứng, còn gọi là lập trình qua hệ cứng

Mức phát triển quá độ tiến tới điều khiển CNC đa xử lý là chuyển giao cho máy vi tính những nhiệm vụ xử lý không yêu cầu gắn liền theo thời gian (Ví dụ, quản lý dữ liệu, tính toán các giá trị hiệu chỉnh,…) và được gọi là hệ CNC thụ động

1.1.4.2 Mức phát triển hiện tại

Trong các hệ CNC hiện đại, cụm vi tính đảm nhiệm luôn các xử lý gắn chặt với yếu tố thời gian, ví dụ như nội suy, điều chỉnh vị trí, … Đó là các hệ CNC điều chỉnh chủ động

Vi xử lý Nội suy Điều chỉnh vị trí

Tính toán tốc độ

Điều chỉnh tốc độ

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ điều khiển CNC đa xử lý

A Nạp dữ liệu chương trình; B Biến đổi D/A; H Động cơ chạy dao;

I Cụm đo tốc độ; J Bàn máy; K Cụm đo vị trí

Từ hệ CNC thụ động đến hệ CNC điều chỉnh chủ động là sự thay đổi từ mạch điều chỉnh vị trí liên tục sang mạch điều chỉnh vị trí không liên tục

1.1.5 Mô tả chức năng của một hệ điều khiển đa xử lý

Sơ đồ khối hệ thống của một hệ điều khiển CNC đa xử lý hai trục điều khiển

được trình bày trên hình 1.10

1.1.5.1 Các khối chức năng của cụm điều khiển trung tâm

ƒ Cụm điều khiển trung tâm SUP (Supervisor) Đó là một micropocessor có

cấu trúc như hình 1.4

ƒ Giao diện lọc số DIF (Digital Filter Interface), khối chức năng này có ba nhiệm vụ :

- Ghép nối cụm điều khiển trung tâm với các cụm chức năng khác

- Là mạch logic chuyển các dữ liệu sang dạng trình tự

- Là bộ lọc số đầu vào : bộ lọc kiểm tra các đầu vào theo chu kỳ

ƒ Bộ nhớ của cụm điều khiển trung tâm và giao diện SMI (Supervisor Memory Interface), khối này gồm các EPROM (ROM có thể xóa được) Bộ nhớ hàm chứa các chương trình làm việc của cụm điều khiển trung tâm và trong một nhóm cấu trúc thứ hai thì chứa các thông tin điều khiển cho giao diện với máy công cụ

ƒ Biến đổi đầu vào IC (Input Conditioner), trong mạch này các tín hiệu đầu vào được chuyển đổi thành các tập tín hiệu cần cho các mạch logic Các mạch đa chức năng sẽ tiếp nhận và chuyển giao các thông tin đầu vào cho mạch lọc số đầu vào

ƒ Bộ cấp dữ liệu đầu ra OD (Output Driver), mạch này bao gồm những mạch của bộ cấp dữ liệu đầu ra, những logic giải mã và các mạch lưu trữ, dùng để tiếp nhận và lưu trữ các dữ liệu trình tự từ mạch lọc đầu vào

ƒ Bộ điều hành dữ liệu DC (Data Controller), bộ này có nhiệm vụ như sau :

- Là giao diện chính cho các thông tin nạp từ các nút bấm của bảng điều khiển

- Là giao diện cho đầu ra các thông tin với màn hình hiển thị và tạo khuôn cho các bộ hiển thị

- Là giao diện vào ra cho các trang thiết bị ngoại vi

- Đảm nhiệm chức năng phụ cho điều khiển thích nghi để có thể lập trình cho bộ nhớ (ví dụ : bộ tính thời gian, bộ đếm, rơle hãm)

- Tạo khuôn cho các khối chương trình để chuẩn bị chuyển giao cho điều chỉnh vị trí của các trục chuyển động

1.1.5.2 Bộ điều phối dữ liệu DC (Data Controller)

ƒ Cụm vi xử lý MPU (Microprocessor Unit), ngoài µP, cụm chức năng này còn có một bộ phát tín hiệu chu kỳ choµP, một giao diện với bus, một giao diện cho cửa vào bộ nhớ trực tiếp DMA (Direct Memory Access) và một logic điều khiển ngắt Nhờ bộ ngắt này mà các lệnh đi tới từ các phím bấm có mức ưu tiên cao hơn các lệnh hệ thống khác

ƒ Bộ nhớ chương trình PGM (Program Memory), bộ này gồm các EPROM để lưu trữ các chương trình hệ thống của bộ điều phối dữ liệu và các bộ RAM để nhớ thông số điều chỉnh máy, số liệu về dao và các giá trị chỉnh lý dao cũng như dữ liệu của các chương trình con

1.1.5.3 Bộ điều khiển các trục

Bộ này có riêng một microprocessor Tại đây thực hiện tất cả các bước tính toán cần thiết cho các chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến, các chu kỳ công tác cũng như các biến đổi kích thước đo, vùng đo Bộ này gồm các cụm chức năng sau :

ƒ Bộ xử lý số cho các trục APA (Axis Processor Arithmetic), đây là một µP

xử lý nhanh hình thành cụm tính số cho điều khiển

ƒ Vi xử lý điều khiển trục APMC (Axis Processor Microcontroller), cụm này bao gồm các EPROM lưu trữ các mã lệnh điều khiển chuyên dụng, ngoài ra còn có các logic nhảy, logic kiểm tra, logic cấp các địa chỉ kế tiếp và bộ giải mã các lệnh điều khiển

Hình 1.10 Mô tả chức năng của bộ điều khiển đa xử lý

ƒ Bộ nhớ chương trình các trục APGM (Axis Program Memory), bộ này bao gồm các EPROM lưu trữ chương trình điều khiển các trục

ƒ Giao diện máy / hệ điều khiển MIC (Machine Interface Control), trong cụm chức năng này có các bộ tính toán vi phân số DDA (Digital Differential Analysis) để nội suy tinh xác giữa các điểm trên biên dạng; bộ chỉ dẫn đường dịch chuyển, kiểm tra chiều của đường dịch chuyển và bộ truy nhập cho các vị trí tuyệt đối Mỗi một trục điều khiển đều có đủ các bộ phận trên

ƒ Giao diện máy Vào/Ra MIIO (Machine Interface Input/Output)

Trên mỗi trục điều khiển cụm chức năng này có một bộ biến đổi D/A, để sản sinh các lệnh điều khiển tốc độ cần; biến đổi dạng tín hiệu của các tín hiệu vị trí và một khâu điều khiển cho truy nhập các vị trí tuyệt đối

ƒ Phần bù số hiệu máy MCD (Machine Compensation Data)

Bộ này bao gồm bộ biến đổi A/D để biến đổi các đại lượng tương tự thành đại lượng số chuyển giao cho hệ điều khiển Những đại lượng tương tự này phát ra từ các các biến áp, là phần bù lỗi do đảo chiều của các trục chạy dao, do các biến đổi lượng chạy dao bằng tay MFO (Manual Feedrate Override) hoặc do thay đổi số vòng quay trục chính

ƒ Điều khiển theo vòng quay trục chính SPPC , mạch sẽ điều khiển truyền động chạy dao phụ thuộc vào số vòng quay trục chính Ngoài ra bộ này còn xử lý các tín hiệu phản hồi của bộ đo tốc độ trục chính

ƒ Giao diện trục AEI (Axis Encoder Interface) : cụm này dành cho các máy có hệ thống đo đường dịch chuyển bằng cảm biến resolver

1.1.6 Mạch điều chỉnh vị trí

Hình 1.11 trình bày mạch điều khiển vị trí cho một máy công cụ có hai trục

điều khiển Mỗi một trục điều khiển số của một máy CNC cần có một mạch điều chỉnh vị trí

Từ bộ nội suy, mỗi giá trị vị trí cần sẽ là đầu vào cho mạch điều chỉnh vị trí Để cải thiện tính động lực học của truyền động chạy dao, người ta đưa vào mạch điều chỉnh vị trí một mạch con điều chỉnh tốc độ và một mạch con điều chỉnh dòng điện cho động cơ

+- Điều chỉnhvị trí +- Điều chỉnhvận tốc +- Điều chỉnhdòng điện Động cơ Truyền độngcơ khí

Đo dòng điện

Đo vận tốc

Đo vị trí Thiết bị điều chỉnh Truyền động

Hệ thống đo

Giá trị đặt của vị trí

Giá trị đặt của vận tốc Giá trị đặt của

dòng điện

Năng lượng truyền động

Nhiễu

Đường dịch chuyển

Hình 1.11 Mạch điều chỉnh vị trí có điều khiển thứ cấp tốc

độ dịch chuyển và dòng điện động cơ

1.2 BỘ NỘI SUY SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VI PHÂN SỐ DDA

1.2.1 Khái niệm nội suy

Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường chạy dao được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục

Trong chương trình bộ phận, tọa độ các điểm góc trên đường tác dụng, tốc độ gia công được xác định bởi điều kiện công nghệ cũng như quy luật chuyển động yêu cầu đều được đưa ra trước

Bộ điều khiển phải xác định từ các dữ liệu này những đại lượng của vectơ tốc độ, cũng như một trình tự các giá trị tọa độ vị trí trung gian, có mật độ đủ dày, dọc theo biên dạng cần

Những giá trị tọa độ vị trí trung gian này hình thành các giá trị đặt của mạch điều chỉnh vị trí trên từng trục chạy dao riêng lẻ

Hình 1.12 Chuyển động tuyến tính trên các trục không song song

thông qua chuyển động đồng thời trên hai trục

A : Điểm xuất phát B : Điểm đích u : Tốc độ chạy dao

V X , V Y : Tốc độ chuyển động theo phương X và phương Y

Giá trị tọa độ vị trí trung gian được tìm ra trong một cụm chức năng của điều

khiển số mà ta gọi là bộ nội suy, bộ này có các nhiệm vụ sau đây :

ƒ Tìm ra vị trí các điểm trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một giới hạn dung sai xác định trước

ƒ Có thể nội suy một cách thích hợp với các yếu tố biên dạng đòi hỏi Thông thường những yếu tố biên dạng cơ bản có trong các chi tiết kỹ thuật là những đoạn thẳng và những đường cong Tương ứng với thực tế đó, các bộ nội suy của điều khiển số thường chỉ giới hạn trong nội suy tuyến tính và nội suy vòng

ƒ Tốc độ đưa ra tọa độ vị trí trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho trước

ƒ Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước trong chương trình

Nội suy chỉ có thể làm việc theo nguyên tắc số, có thể thực hiện bằng các mạch logic cứng (chương trình hóa các mối liên hệ NC) hoặc bằng các phần mềm nội suy được lập trình (CNC)

Các hệ thống CNC hiện đại thực hiện nội suy ở hai mức :

ƒ Một phần mềm nội suy xác định tọa độ các điểm trung gian giữa điểm đầu

và điểm cuối của một đoạn biên dạng đã được đưa ra trước trong chương trình (nội

suy thô)

ƒ Một mức nội suy tinh xác, thực hiện tiếp theo nội suy tuyến tính giữa các

điểm trung gian này

P23

xi, yiNội suy thô

Nội suy tinh

Giá trị đầu vào P1,P2,P3

Các điểm trung gian P11,P12,P13,

xi yi

Hình 1.13 Nội suy trong chuyển động phi tuyến

1.2.2 Các dạng nội suy

Dạng nội suy được phân biệt theo hình thức biên dạng do quá trình nội suy sinh ra, giữa điểm đầu và điểm cuối đã xác định trong chương trình của một chuyển động

Thông thường trong các máy công cụ điều khiển số là dạng nội suy thẳng và nội suy vòng

Với hai dạng nội suy thẳng và nội suy vòng có thể thực hiện được những khả năng sau :

ƒ Nội suy thẳng theo 2 trong n trục

ƒ Nội suy thẳng theo n trong n trục

ƒ Nội suy vòng theo 2 trong n trục

ƒ Nội suy vòng theo 2 trong n trục đồng thời với nội suy thẳng theo một trục

vuông góc với mặt phẳng của đường tròn nội suy (nội suy theo đường xoắn ốc)

Hình 1.14 Nội suy vòng và nội suy tuyến tính

1.2.3 Phương pháp nội suy phân tích vi phân số DDA

Để xác định giá trị cần về vị trí trên các trục riêng lẻ, người ta ứng dụng các phương pháp nội suy khác nhau Một trong các phương pháp nội suy thông dụng

nhất là phương pháp “phân tích vi phân số” DDA (Digital Differential Analysis)

Phương pháp này thực hiện nội suy số tính theo các gia số tốc độ

1.2.3.1 Phương pháp nội suy thẳng

Hình 1.15 Nội suy tuyến tính theo phương pháp DDA

A Điểm khởi xuất; E Điểm đích; L.Chiều dài quãng đường;

u Tốc độ chuyển động ; V X , V Y Tốc độ chuyển động trên các trục X và Y

Một con dao cần chuyển động giữa điểm khởi xuất P A và điểm kết thúc P E theo một đưởng thẳng với một tốc độ chạy dao u xác định Trong thời gian T =L/u, các đoạn đường thành phần (x E −x A) và (y E −y A) phải được thực hiện

Các giá trị cần về vị trí hay tọa độ vị trí của các điểm trung gian cần được tính như một hàm số theo thời gian

= +

=

− +

= +

=

0 0

0 0

y y y

dt V y

t

y

dt T

x x x

dt V x

t

x

A E A

Y A

A E A

X A

[1-1]

Chia thời gian T thành các khoảng ∆t =T/N đủ nhỏ, phép tích phân cho phép thay bởi phép cộng số :

n N

y y y t n y t

y

n N

x x x t n x t

x

A E A

A E A

− +

=

∆

=

− +

=

∆

=

) ( )

(

) ( )

(

N

Với mỗi bước cộng, giá trị về vị trí lại tăng thêm một bước bằng hằng số

Để đảm bảo độ chính xác của biên dạng nội suy, các bước cộng buộc phải nhỏ hơn suất đơn vị ∆f của truyền động chạy dao

x x

) (

) (x E−x A > y E−y A

) (

A E

y y

x x

−

−

A E A

E x y y x

T t

∆

=

=

∆ 1

N

y y y N

x x x

A E

A E

N E A

∆

−

= '

f

y y

N E A

∆

−

= '

& Bước cộng tiếp theo

=

∆ +

=

N n A n

N n A n

y y

y

x x

x

1 1

E n

E n

y y

x x

1.2.3.2 Nội suy vòng theo phương pháp DDA

Phương pháp DDA cũng được ứng dụng trong nội suy vòng

Giả sử cần chạy cắt theo một đường cong, thì những điểm trung gian trên biên dạng phải được xác định từ bộ nội suy trong mối quan hệ phụ thuộc vào thời gian chạy cắt

PE

PA

P (x ,y)

T

t

ϕM

x

y

R

Hình 1.17 Nội suy vòng

P A Điểm khởi xuất; P E Điểm đích; P(x,y) Điểm thuộc đường cong

T Thời gian chuyển động từ P A đến P E ;

t Thời gian chuyển động từ P A đến P

Theo đó :

( ) ( )t R

R

y

t R

R

x

sin sin

cos cos

ωϕ

ωϕ

với ω là vận tốc gốc, ω là hằng số Với lượng chạy dao u bán kính đường cong

R, góc chắn cung θ thì vận tốc gốc được tính là :

u

R

.θ

Lấy đạo hàm theo thời gian x ,( ) ( )t y t ta có các tốc độ thành phần trên từng trục riêng lẻ :

( ) ( ) ( )t x( )t dt

dy

t y t

dt

dx

.

cos

.

sin

ωω

ω

ωω

n i PA t

t i x y

dt

dy t

n y t

y

t i y x

dt

dx t

n x t

x

0 0

0 0

f

output f r

Hình 1.18 Cấu trúc của một DDA trên máy NC

Mỗi khi có một xung đầu vào tại ngõ vào, giá trị của thanh ghi (Register)

(trong hình có giá trị là a) sẽ được cộng vào trong thanh ghi tích lũy (Accumulator)

Bit tràn của thanh ghi tích luỹ sẽ được đưa đến bộ điều khiển động cơ (trong ví dụ này là động cơ bước)

Nếu thanh ghi tích lũy có N bit và xung tín hiệu vào có tần số (số xung trên

một giây) thì tần số tín hiệu ra sẽ như sau :

f

N r

output

f a f f

DDA f

DDA x

DDA y

Up-down Counter

Up-down Counter

f là tần số của máy NC

f là tần số quyết định lượng chạy dao S

r

f là tần số quyết định tốc độ trên từng trục

Giả sử giá trị thanh ghi trong DDA của tần số có giá trị , của tần số là

với số bit tương ứng của từng thanh ghi tích lũy là N

tần số sẽ như sau :

f

N C

f f a f

2

(N N)

C f N

r f

af a af

y x

x V

∆ +

af a

f N N C f

f

∆+

V f

N N C f

f

f y x

V a

f+

∆ +

2 2

y x

AV

∆+

thanh ghi trong bộ DDA x, DDA y tương ứng là ∆ ,x ∆y

Thí dụ 1.1 : Giả sử thanh ghi tích luỹ trong bộ DDA của hai trục X,Y có N=3 bit,

giá trị dịch chuyển của từng trục là ∆x = 4 BLU, ∆y = 3 BLU thì quá trình nội suy DDA thực hiện như sau :

Clock X X Counter Y Y Counter 0

1 2 3 4 5 6 7 8

Hình 1.20 Quá trình tính toán DDA trên từng trục

ứng với xung clock đầu vào

BLUY

X

Hình 1.21 Đồ thị quỹ đạo chuyển động

1.2.4.2 Cấu trúc của bộ nội suy đường cong

DDA f

DDA x

DDA y

Up-down Counter

Up-down Counter

dx/dt

dy/dt

Hình 1.22 Cấu trúc bộ DDA nội suy đường cong

Để dịch chuyển với lượng chạy dao V f thì giá trị của thanh ghi trong bộ DDA f

R af

N N C f

1.3.1 Giới thiệu về Fuzzy logic

Lý thuyết mờ (Fuzzy Logic) được đề xuất đầu tiên bởi giáo sư

Lotfi A Zadeh trong một bài thuyết trình của ông năm 1965 Trước khi làm việc về

lý thuyết mờ, ông là một học giả được kính trọng trong lĩnh vực điều khiển học Ông nhận thấy rằng lý thuyết điều khiển cổ điển quá chú trọng đến sự chính xác và vì thế khó mà kiểm soát được các hệ thống phức tạp nên lý thuyết về tập mờ đầu tiên được ra đời

Fuzzy logic là một phương pháp đơn giản để rút ra kết luận rõ ràng từ những thông tin không chắc chắn, mập mờ Ví dụ thật khó để xác định ranh giới rõ ràng giữa người già và người trẻ dựa vào tuổi tác, hay ranh giới rõ ràng giữa người cao và người thấp,… và fuzzy logic là công cụ hữu hiệu để đưa ra một kết luận có thể chấp nhận được về những vấn đề này Fuzzy logic cho phép diễn đạt những tri thức như

thế dưới những khái niệm như “rất già”, “khá cao”, … và ánh xạ những khái niệm

này vào trong một khoảng của những con số chính xác

Không giống như logic cổ điển đòi hỏi một sự am hiểu rất sâu về hệ thống điều khiển, những công thức chính xác, những con số chính xác, fuzzy logic là sự hợp thành của những cách nghĩ, những kinh nghiệm nối tiếp nhau cho phép mô hình hóa một hệ thống phức tạp sử dụng mức độ cao hơn của sự trừu tượng bắt nguồn từ tri thức và kinh nghiệm của con người Ví dụ để điều khiển xe của mình đi theo vạch sơn trắng trên đường thì người lái xe không cần biết chính xác khoảng lệch của

xe mình so với vạch sơn trắng là bao nhiêu mà vẫn có thể điều chỉnh xe chạy đúng theo vạch trắng Fuzzy logic cho phép làm được những chuyện như vậy

Ngày nay lý thuyết mờ và điều khiển mờ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi từ những thiết bị gia đình đến những dây chuyền sản xuất hiện đại Trong phần này sẽ trình bày một vài ứng dụng của Fuzzy logic trong công nghiệp Lý thuyết về tập mờ và điều khiển mờ sẽ được trình bày cụ thể trong các chương sau Các ví dụ trong phần này được tham khảo chủ yếu tại website :

http://www.aptronix.com/fuzzynet/ , chi tiết về hàm liên thuộc của biến đầu vào và

đầu ra cũng như bộ luật của các ví dụ có thể tìm thấy tại website trên

1.3.2 Ứng dụng của điều khiển mờ trong máy giặt

1.3.2.1 Giới thiệu

Khi chúng ta sử dụng máy giặt, thông thường chúng ta chọn thời gian giặt dựa trên số lượng quần áo chúng ta muốn giặt và loại bẩn cũng như mức độ bẩn chúng ta có Để tự động hóa quá trình này, người ta sử dụng những sensor để phát hiện ra các thông số là thể tích quần áo, mức độ và loại bẩn Thời gian giặt sẽ được xác định từ những thông số này Một điều không may là không có cách đơn giản nào để phát biểu một công thức toán học chính xác mô tả mối quan hệ giữa lượng quần áo, sự bẩn với thời gian giặt cần thiết Do đó vấn đề này đã không giải quyết được cho đến một vài năm gần đây Người ta đơn giản đặt thời gian giặt bằng tay từ những kinh nghiệm thử và sai của cá nhân Những máy giặt đã không thể tự động được như chúng có thể

Để xây dựng một máy giặt hoàn toàn tự động với khả năng tự xác định thời gian giặt, chúng ta sẽ tập trung vào hai cơ cấu của máy đó là : (1) cơ cấu cảm biến

và (2) đơn vị điều khiển Hệ thống cảm biến sẽ đưa tín hiệu về dữ liệu đầu vào từ bên ngoài vào trong máy, và dữ liệu này dùng để đưa ra những quyết định Nhiệm vụ của bộ điều khiển là đưa ra những quyết định và phát tín hiệu ra thế giới bên ngoài dưới các hình thức khác nhau Bởi vì mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là không rõ ràng nên việc thiết kế hệ thống điều khiển của máy giặt không thể áp dụng những phương pháp truyền thống trong quá khứ Chúng ta sẽ giải quyết vấn đề thiết kế này bằng fuzzy logic

1.3.2.2 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển mờ được thiết kế nhằm mục đích có thể đưa ra thời gian giặt chính xác mặc dù mô hình chính xác của mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu

ra là không tồn tại

Hình 1.23 trình bày sơ đồ của bộ điều khiển mờ Có hai biến đầu vào là : (1)

mức độ bẩn của quần áo và (2) loại bẩn của quần áo Hai giá trị đầu vào này có thể lấy được từ một sensor duy nhất Độ bẩn có thể xác định bởi độ trong suốt của nước giặt Với cùng một lượng nước thì đồ càng bẩn thì độ trong suốt càng thấp Bên cạnh đó, loại bẩn được xác định từ thời gian bão hòa, thời gian để tiến tới giá trị bão hòa Điểm bão hòa là điểm tại đó sự thay đổi độ trong suốt của nước tiến tới 0 (nhỏ hơn một giá trị định trước) Ví dụ đối với đồ bị dính mỡ thì cần nhiều thời gian để nước tiến đến độ trong suốt bão hòa vì độ hấp thụ của nước đối với mỡ kém hơn các loại chất bẩn khác Vì thế một cảm biến quang khá đơn giản có thể cung cấp những đầu vào cần thiết cho bộ điều khiển mờ

Hình 1.23 Bộ điều khiển mờ cho máy giặt

1.3.3 Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển nhiệt độ

máy điều hòa không khí

1.3.3.1 Giới thiệu

Điều khiển nhiệt độ được sử dụng một cách rộng rãi trong nhiều quá trình điều khiển khác nhau Những quá trình này, bất kể đó là trong một nhà máy công nghiệp lớn hay phục vụ tại nhà, đều có một vài đặc điểm không thuận lợi Chúng bao gồm

sự không tuyến tính, sự nhiễu, thời gian chết và ảnh hưởng bên ngoài, Sự gần đúng thông thường không mang lại một kết quả hài lòng trong điều khiển nhiệt độ

1.3.3.2 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều hòa không khí

ƒ Mô hình đơn giản

Hình 1.24 trình bày một hệ thống điều hòa không khí đơn giản nhất Mục tiêu

điều khiển duy nhất trong mô hình này là nhiệt độ Có hai van dùng để điều chỉnh nhiệt độ

Hình 1.24 Mô hình đơn giản của hệ thống điều hòa không khí

Có một sensor trong phòng để theo dõi nhiệt độ cho việc điều khiển hồi tiếp, và có hai phần tử điều khiển một van lạnh và một van nóng để điều khiển nhiệt độ phòng

Hình 1.25 Bộ điều khiển mờ cho mô hình đơn giản

ƒ Một mô hình cải tiến :

Tuy nhiên trong thực tế thì thường không dễ dàng quản lý một hệ thống điều hòa không khí chỉ với việc điều khiển nhiệt độ Chúng ta cũng cần phải điều khiển cả độ ẩm nữa Một mô hình điều hòa không khí được cải tiến trình bày trong

hình 1.26 Có hai sensor trong hệ thống này một để giám sát nhiệt độ và một để

giám sát độ ẩm Có ba phần tử điều khiển : van làm mát, van làm nóng và van độ ẩm để điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm

Hình 1.26 Mô hình cải tiến

Một bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều hòa nhiệt độ cải tiến được trình bày

trong hình 1.27 hai đầu vào của hệ thống là nhiệt độ và độ ẩm đo được Ba giá trị

đầu ra là ba tín hiệu điều khiển của ba van

Hình 1.27 Bộ điều khiển mờ cho mô hình cải tiến

1.3.4 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều chỉnh tiêu cự của máy ảnh

1.3.4.1 Giới thiệu

Máy ảnh với hệ thống tự động điều chỉnh tiêu cự thường đo khoảng cách đến điểm trung tâm của khung nhìn của bộ tìm kiếm Tuy nhiên phương pháp này không chính xác khi mà vật thể quan tâm không nằm ở trung tâm của khung nhìn

(Hình 1.28) Đo đạc nhiều khoảng cách hơn là một giải pháp để giải quyết vấn đề

này Ví dụ sau đây sẽ trình bày ứng dụng của suy diễn mờ như là một phương tiện để đưa ra khoảng cách tiêu cự một cách tự động

Hình 1.28 Focusing dựa vào điểm trung tâm

1.3.4.2 Bộ suy diễn mờ

ƒ Mục tiêu :

Xác định khoảng cách mục tiêu sử dụng ba giá trị khoảng cách đo đạc cho một hệ thống tự động điều chỉnh tiêu cự của máy ảnh

ƒ Định nghĩa biến vào ra :

Đầu vào của bộ suy diễn mờ (FIU) là ba giá trị khoảng cách đo đạc tại phía trái, chính giữa, và phía phải của khung nhìn Đầu ra là giá trị hợp lý tương ứng với từng biến đầu vào Điểm nào với độ hợp lý là cao nhất được giả định rằng vật thể quan tâm Khoảng cách được đưa về thẳng đến hệ thống tự động điều chỉnh tiêu cự

Hình 1.29a Ba khoảng cách đo đạc

Hình 1.29b Bộ suy diễn mờ

1.3.5 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống sang số tự động

1.3.5.1 Giới thiệu

Gần đây điều khiển mờ được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển xe cộ Các ứng dụng gồm có : sang số tự động, điều khiển động cơ, điều khiển việc lái xe, thắng không trượt, điều hòa không khí,…Trong ứng dụng này tập trung vào việc sang số tự động

1.3.5.2 Bộ điều khiển

ƒ Mô hình đơn giản

Hình 1.30 trình bày mô hình đơn giản của việc sang số tự động Bộ điều khiển

mờ có nhiệm vụ đưa ra việc lựa chọn bánh răng thích hợp Bốn biến đầu vào là các

tín hiệu được lấy từ xe Sử dụng throttle (ga), vehicle speed (vận tốc xe), engine