Nâng Cao Chất Lượng Hệ Điều Khiển Truyền Động Xe Hàn Của Máy Hàn Tự Động (Tt).Docx

Bộ điều khiển vị trí máy hàn Hệ truyền độngcho máy hàn tựđộng ổn định tốc độ Khớp nối XE HÀN Cảm biến vị trí xe hàn φ... Hình 1.8 Cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn Hình 1.9 Cơ cấ

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng của nền công nghiệp thế giớitrong những năm gần đây Một mặt chúng ta áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuậttiên tiến vào sản xuất, một mặt chúng ta nghiên cứu chế tạo đồng thời tiến hành sản xuất,các thiết bị cho phù hợp với trình độ vận hành và thực tiễn sản xuất

Trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nước, ngành công nghiệp hàn đóng một vai tròđặc biệt quan trọng Hiện nay ở Việt Nam, trong công nghiệp hàn, phương pháp hàn hồquang tự động được dùng tương đối phổ biến với ưu điểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễđiều chỉnh để tạo ra những sản phẩm như mong muốn

Là một kỹ sư tương lai, em luôn xác định rõ trách nhiệm học tập của mình về kiếnthức và kinh nghiệm, để sau này có thể góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền côngnghiệp nước nhà, tiến đến các nền công nghiệp tiên tiến của các nước trên thế giới Sau 2năm học tập và nghiên cứu tại trường em được phân đề tài tốt nghiệp là:

“NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

XE HÀN CỦA MÁY HÀN TỰ ĐỘNG”

Phục vụ cho ngành công nghiệp Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu, với sự hướng

dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp cùng các thầy cô giáo trong khoa

Điện trường ĐHKTCN Thái Nguyên Đến nay đề tài tốt nghiệp của em đã hoàn thành

Do hạn chế thời gian và kiến thức, nên trong đề tài không tránh khỏi những sai sót, emmong các thầy cô chỉ bảo và đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp cùng các thầy cô

giáo bộ môn đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG

I.1 Công dụng của máy hàn tự động

I.2 Giới thiệu các chuyển động của máy hàn tự động

Trên máy hàn có 2 hệ truyền động riêng biệt :

+ Hệ truyền động tự đẩy điện cực vào vùng hàn

+ Hệ truyền động di chuyển xe hàn

I.2.1 Chuyển động đẩy que hàn vào vùng hàn

I.2.2 Chuyển động lắc que hàn

I.3 Giới thiệu các thông số và các yêu cầu máy hàn tự động.

I.4 Các phương án điều khiển ổn định tốc độ xe hàn.

* Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn: Hình 1.2

Us

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn

I.5 Tìm hiểu máy hàn tự động trong chương trình KC.03.06-10

I.5.1 Sự ra đời của mày hàn này :

Trong đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ cho ngànhđóng tàu ở Việt Nam.” Mã số: KC 03.06/06-10; thuộc chương trình Nghiên cứu, pháttriển và ứng dụng công nghệ tự động hóa

I.5.2 Yêu cầu rô bôt và các thông số kỹ thuật.

Bộ điều khiển vị trí máy hàn

Hệ truyền độngcho máy hàn tựđộng ổn định tốc

độ

Khớp nối

XE HÀN

Cảm biến vị trí xe

hàn

φ

I.5.3 Các chuyển động điều khiển, các chuyển động của robot hàn tự động.

- Phương án thiết kế tay máy robot

Sơ đồ động học robot hàn tự động:

1 2

3

4 5 6

I.5.4 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển.

I.5.5 Xây dựng phần mềm tính toán và điều khiển robot.

I.5.6 Module vào ra số liệu.

hàn leo giáp mối khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thủy như mô tả là cơ cấu robot hàn tự hành.

Đầu mỏ hàn

Xe robot

Hình 1.8 Cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn

Hình 1.9 Cơ cấu chuyển động của khớp robot Kết luận: Trên cơ sở nắm được yêu cầu tổng quan về máy hàn tự động đặc biệt là những yêu cầu kỹ thuật về chuyển động xe hàn kết hợp với việc tìm hiểu xe hàn trong robot hàn của chương trình KC 03.06-10 , trong bài luận văn này sẽ đề xuất ứng dụng hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 3 pha ( BT ĐC ~ 3 pha ) Rotor ngắn mạch được điều khiển bởi module PID mềm của PLC S7-300 để thiết kế truyền động cho xe hàn của máy hàn tự động.

Việc ứng dụng hệ truyền động này cũng là thuận lợi cho việc kiểm nghiệm vì ở phòng thí nghiệm Điện –Điện tử trường đại học KTCN có hệ truyền động này Vì thế chương II

sẽ đề cập việc tính toán khảo sát hệ truyền động BT ĐC ~ 3 pha trong việc ứng dụng cho truyền động xe hàn của máy hàn tự động.

TRUYỀN ĐỘNG XE HÀN MÁY HÀN TỰ ĐỘNG

II.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động

Sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 3 pha được điều

khiển bởi các Modul PID mềm của PLC được thiết kế như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần động cơ

Trong đó:

- Động cơ điện 3 pha

- Biến tần 3 pha dùng nghịch lưu áp 3 pha

- PID ( S7-300) dùng CPU làm bộ điều khiển

- FT tạo mạch vòng phản hồi âm tốc độ

II.1.1 Động cơ điện xoay chiều 3 pha

II.1.2 Biến tần

II.1.2.1 Khối động lực

Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

II.1.2.2 Các phương pháp điều khiển

ω

U*

Thông thường trong máy sản xuất hay dùng điều khiển vector không gian

Nội dung của phương pháp điều khiển vector không gian được trình bày như sau:

II.1.2.2.1 Xây dựng hệ điều khiển vector

II 1.2.2.1.1 Khái niệm về vector không gian

II 1.2.2.1.2 Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn

II 1.2.2.1.3 Tổng hợp vector không gian từ các vectơ biên

II.1.3 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300.

II.1.3.1 Cấu trúc của trạm SIMATIC PLC S7-300.

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc module điều khiển PID

Hình 2.8 Thuật toán điều khiển PID.

II.1.3.3 Thiết bị tín hiệu tốc độ

1 Máy phát tốc một chiều

2 Máy phát tốc xoay chiều

II.2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG

BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB 3 PHA II.2.1 Các phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay

chiều 3 pha

II.2.1.1 Điều khiển vectơ ( FOC)

II.2.1.2 Điều khiển trực tiếp mômen ( DTC)

Kết luận: Qua phân tích chúng ta thấy rằng phương pháp điều khiển vector có nhiều

ưu điểm Bởi vì, sau khi biến đổi đưa về dạng điều khiển như động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều này dễ dàng được ứng dụng trong điều khiển truyền động cho máy sản xuất Vì vậy trong luận văn này phương pháp điều khiển vectơ được chọn để nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều 3 pha.

II.2.2.1 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stato (α,β) )

II.2.2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB 3 pha từ hệ tọa độ cố định trên stato (α,β) ) về hệ tọa độ tựa từ thông rotor (d,q)

Thực hiện quy đổi các vector từ hệ tọa độ cố định trên stator(α,β) về hệ tọa độ tựa theo) về hệ tọa độ tựa theo

từ thông (d,q) quay đồng bộ

Trong đó trục Od trùng phương với từ thông rotor ψ2 và lệch với trục Oα 1 góc θ1=ω1.t

II.2.2.3 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ

II.2.2.4 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

II.2.3 TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY

CHIỀU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300

II.2.3.1.Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển vector biến tần

Từ sơ đồ hình 2.11 ta có thể biểu diễn như sơ đồ hình 2.15 dưới đây:

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vector động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần

II.2.3.2.Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện

Hình 2.21 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Suy ra hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo phương pháp Module đối xứng là:

Như vậy hàm truyền Rω(p) có dạng khâu là một khâu PI (tỷ lệ -tích phân )

II.2.4 Mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink

II.2.4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

II.2.4.1.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống

Sơ đồ mô phỏng hệ thống biến tần động cơ xoay chiều 3 pha như hình 2.22

Hình 2.22 Cấu trúc mô phỏng hệ thống BĐBT – ĐCKĐB

II.2.4.1.2 Khối động cơ KĐB

II.2.4.1.3 Khối điều khiển vector

Hình 2.24 Cấu trúc khối điều khiển vector

II.2.4.1.4 Khối điều khiển tốc độ

Hình 2.25 Cấu trúc khối điều khiển tốc độ

II.2.5 Tính toán gần đúng các thông số

II.2.6.1 Động cơ làm việc không tải tần số 50 Hz

Hình 2.26 Điện áp tức thời của biến tần ở tần số 50 Hz

Hình 2.27 Tốc độ động cơ ở tần số 50 Hz không tải

Hình 2.28 Mômen điện từ ở tần số 50 Hz không tải

II.2.6.2 Động cơ làm việc có tải ở tần số 50 Hz

Căn cứ vào kết quả mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ thống biến tần – động cơ xoay

chiều ba pha ta nhận thấy:

- Ở chế độ làm việc không tải, khi tần số càng giảm thì hệ số làm việc càng kém ổn định

- Ở chế độ làm việc có tải, hệ số làm việc ổn định trong toàn bộ dải công suất từ 50 Hztrở xuống

- Khi mô men phụ tải thay đổi ( hình 2.34) tốc độ của động cơ ít thay đổi thể hiện sai lệchtĩnh nhỏ

Kết luận: chỉ tiêu chất lượng động và chất lượng tĩnh của hệ thống tốt, đáp ứng được yêucầu điều chỉnh chất lượng cao

II.3 Thí nghiệm

II.3.1 Giới thiệu bài thí nghiệm

II.3.2 Xây dựng hệ mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm được thực nghiệm như hình dưới

PID(S7-300)

U V W

Biến tần (M420)

Encoder Động cơ 3 pha

Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động cơ

Sp

Pv

e

Kp Ki Kd

Hình 2.36 Mô hình thực nghiệm

Động cơ

PID (S7-300)

II.3.4 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển P trong S7-300

- Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển P; Đường màu xanh là tín hiệu điều khiểnbiến tần; đường màu đỏ là đường tốc độ động cơ; đường màu đen là đường tốc độ đặt

- Kết quả: như hình vẽ

- Đánh giá:

+ Sai lệch tĩnh 0,5%

+ Thời gian quá độ 0,5s

II.3.5 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển PI trong S7-300

- Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển PI Đường màu xanh là tín hiệu điều khiểnbiến tần; đường màu đỏ là đường tốc độ động cơ; đường màu đen là đường tốc độ đặt

Kết quả cho thấy thời gian quá độ của thí nghiệm 0.5 s so với kết quả lý thuyết là 0.6s.

Do quá trình tính toán bỏ qua một số khâu hằng số nhỏ trong tính toán, như vậy kết quảthí nghiệm và tính toán lý thuyết đồng nhất nhau

Nhận xét: Với kết quả thí nghiệm cũng như tính toán về lý thuyết cho thấy có thể ứng

dụng hệ truyền động BTKĐB ~ 3 pha của phòng TN để điều khiển cho chuyển động xe

để truyền động cho cân bằngđịnh lượng

ĐỊNH VỊ TRÍ XE HÀN III.1 Khảo sát và tính toán với hệ điều khiển tuyến tính

- Dựa vào sơ đồ Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ truyền động cho máy hàn ta thiết kế sơ đồ điều

khiển truyền động vị trí của xe hàn như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển vị trí tuyến tính

III.1.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ BT ĐC KĐB xoay chiều 3 pha

Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ chúng ta có sơ đồ cấu trúc

hệ tự động ổn định tốc độ biến tần động cơ xoay chiều 3 pha như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động BT ĐCKĐB ~ 3 pha

III.1.2 Xây dựng hàm số hệ truyền động BT ĐCKĐB ~ 3 pha ổn định tốc độ

Trường hợp 1: Tổng hợp mạch vòng theo phương pháp tối ưu,

Rút gọn ta được :

Hệ TĐ biến tần ĐCKĐB xoay chiều

3 pha ổn định tốc độ

Khớp nối

Xe hàn

ω(p)

ω(p)

ω*(p)

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí

III.1.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí

III.1.5 Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động xe hàn khi dùng bộ điều khiển PID

III.2.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí

III.2.2 Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong mạch vòng vị trí.

III.2.2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ

II.2.2 Các bộ điều khiển mờ

III.2.2.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển

III.2.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh

III.2.2.3 Bộ điều khiển mờ động

III.2.4 Bộ điều khiển mờ lai PID

III.2.4.1 Giới thiệu chung

III.2.4.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

III.3 Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ cho truyền dộng để điều khiển chuyển động cho xe hàn máy hàn tự động

III.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ

Vì vậy ta thường chọn là 5 biến ngôn ngữ như sau:

Bảng 3.20 Xây dựng luật điều khiển

Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab để xây dựng

bộ điều khiển mờ lai theo những thiết kế trên Công cụ Toolbox Fuzzy Logic cho phépngười sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chóng, chính xác và cho phép kết quảxuất ra vùng Worrkspace để tiến hành mô phỏng bằng công cụ Simulink của phần mềmMatlab

Hình 3.22 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ PD

Hình 3.26 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ PD

Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra bộ điều khiển mờ PD

III.3.2 Mô phỏng hệ với bộ điều khiển mờ mắc nối tiếp

a) Thông số mô phỏng đã xác định ở mục II.2.5 trong chương II

b) Sơ đồ mô phỏng bằng công cụ Simulink của Matlab

Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp

III.3.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG SO SÁNH CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI NỐI TIẾP CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE HÀN

Hình 3.32 Sơ đồ mô phỏng đánh giá chất lượng bộ điều khiển PID và mờ lai nối tiếp PD

b Nhận xét

Kết quả mô phỏng cho chúng ta thấy hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ nối tiếp với bộ điều khiển PID có kết quả tốt hơn so với PID kinh điển Điều này thể hiện quabảng so sánh dưới đây:

Các chỉ tiêu chất lượng Bộ điều khiển mờ lai PD Bộ điều khiển PID

nối tiếp kinh điển

Như vậy khi sử dụng bộ điều khiển mờ nối tiếp với PID sẽ có ưu điểm nổi bật là:

- Vị trí cần điều khiển chính xác hơn

- Sai lệch vị trí nhỏ hơn

III.3.3.2 Mô phỏng với lượng đặt là hàm điều hòa tuần hoàn: y = Asin(ωt)t)

Hình 3.36 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử

y= 0,1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=1 rad/s

Hình 3.37 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử

y= 0,1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=10 rad/s

Hình 3.38 Sai lệch vị trí bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử

y= 0.1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=1rad/s

Hình 3.39 Sai lệch vị trí bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 0.1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=10 rad/s

Hình 3.40 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=1 rad/s

Hình 3.41 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=10rad/s

Hình 3.42 Sai lệch vị trí bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 1 sin(ωt) với ω=1 rad/st) với ωt) với ω=1 rad/s=1rad/s

Trường hợp mô phỏng với lượng đặt là hàm điều hòa tuần hoàn y=Asin(ωt) với ω=1 rad/st)thì việc mô

phỏng trong trường hợp này để đánh giá châts lượng bám của hệ điều khiển so với lượngđặt

Kết quả mô phỏng cho chúng ta nhận xét như sau:

Với tần số biến đổi không lớn hơn 1 rad/s cả hai bộ điều khiển cũng đều đảm bảo chấtlượng điều khiển bám tốt (hình 3.36 và hình 3.38 )

Với tần số biến đổi nhanh hơn 10 rad/s, trong khi bộ điều khiển PID kinh điển khôngcòn duy trì được khả năng điều khiển bám tốt nữa (hình 3.37 và hình 3.39 ) thì bộ đièukhiển mờ lai PD vẫn cho phép điều khiển bám tốt Điều này thể hiện ưu điểm của bộđiều khiển mờ lai so với bộ điều khiển kinh điển trong các hệ thống điều khiển bám

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Với đề tài : “NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

XE HÀN CỦA MÁY HÀN TỰ ĐỘNG” từ những yêu cầu và mục tiêu đã đặt ratrong đề tài Quá trình được thựchiện từ chương 1 đến chương 3 ta rút ra được những kếtquả như sau:

- Đã tìm hiểu nghiên cứu một cách tổng quát về chuyển động của xe hàn trong máy hàn

tự động , đồng thời đã tìm hiểu được những yêu cầu về điều khiển về chuyển động của xehàn Đặc biệt là việc nghiên cứu rô bôt hàn trong chương trình giúp cho việc chọn hệtruyền động cũng như hệ điều khiển chuyển động của máy hàn một cách hợp lý, với hệtruyền động được chọn là hệ BT KĐB ~3 pha điều khiển bởi module mềm S7-300 Sau khi tính toán mô phỏng về lý thuyết kết hợp với thực nghiệm ở phòng thí nghiệmgiúp cho việc khẳng định hệ truyền động này thỏa mãn cho truyền động xe hàn của máyhàn tự động

Đã khảo sát tính toán hệ điều khiển chuyển động xe hàn với bộ điều khiển PID tuyếntính, kết quả mô phỏng thông qua phần mềm Mat lab – simulink cho thấy chất lượngtương đối đảm bảo Kết quả mô phỏng được trình bày trên hình 3.5 , hình 3.6 và 3.7 Qua đó thấy chất lượng bộ điều khiển mờ nối tiếp với PID cho chất lượng bộ điều khiển

mờ lai này tốt hơn hẳn so với PID tuyến tính, được thể hiện trên hình 3.33, 3.34, 3.35 vàbảng so sánh trang 107 Đồng thời qua sự mô phỏng thể hiện độ bám của hệ thì thấy bộđiều khiển mờ nối tiếp PID có độ bám tốt hơn Kết quả trên hình 3.36, 3.37, 3.38; 3.39;3.40; 3.41 3,42 và kết quả đã nhận xét

2 Kiến nghị

Bên cạnh những ưu điểm và kết quả của luận văn trong phần IV.1 đã trình bày thì bản

luận văn chỉ dừng lại ở phần tính toán và kiểm nghiệm bằng mô phỏng, chưa được kiểmnghiệm trên mô hình thực tế Vì vậy trong phần kiến nghị này nếu có thể nên tiếp tụcnghiên cứu vào điều khiển xe hàn trong thực tế sản xuất