hệ thống điều khiển PID

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PID 5.1 Giới thiệu Mô đun điều khiển trục cho hệ thống CNC máy cơng cụ phân loại thành kiến trúc ba tầng Mơ đun kiểm sốt bao gồm module điều khiển thích ứng mơ đun bù đắp lỗi lớp trên, mô đun nội suy lớp trung lưu, mơ đun điều khiển trục mơ đun điều khiển servo tầng Các mô đun điều khiển thích ứng tầng tạo điều kiện cắt giảm tối ưu tốc độ trục tốc độ ăn mòn dựa tốc độ trục lập trình, tốc độ gia cơng lập trình, lực cắt cắt thực tế, khả cắt máy cơng cụ Theo đó, mơđun điều khiển thích ứng đóng vai trò tăng tốc độ Loại bỏ Vật liệu (MRR) giảm thời gian gia công để tăng suất.Một mô-đun khác lớp trên, mô-đun bồi thường lỗi, thực hiệnbồi thường yếu tố sai lệch gây lệch hướng từ đường lập trình Mơ đun xử lý loại lỗi khác bao gồm nhiệt độ từ yếu tố di chuyển, sai số thể tích máy cơng cụ, dụng cụ độ lệch dụng cụ Hướng dẫn chế độ ăn mòn vị trí tối ưu hóa bù đắp từ lớp truyền vào khuếch tán lớp Cuối cùng, nội suy hướng dẫn vị trí cho trục đưa vào mô đun điều khiển servo tầng Tốc độ trục tối ưu hóa module điều khiển thích ứng tầng truyền đến mô đun điều khiển servo tầng Bộ điều khiển servo mơđun điều khiển trục tạo hướng dẫn điều khiển thuật toán điều khiển thích hợp hướng dẫn tạo gửi đến trình điều khiển Như đề cập trên, hệ thống CNC đầy đủ chức bao gồm kiểm sốt khác mơ-đun cung cấp nhiều chức Thực tế, phần lớn hệ thống CNC bao gồm hệ thống điều khiển bao gồm module nội suy lớp trung lưu mơ đun điều khiển servo trục tầng 5.2 Bộ điều khiển Servo Bộ điều khiển servo, cho phép kiểm soát chuyển động trục dựa lệnh đặt từ interpolator, điều khiển cuối hệ thống NCK Bộ điều khiển servo điều khiển tốc độ phạm vi rộng, từ tốc độ nhanh cho gia công tốc độ cao (m / phút) đến tốc độ chậm để gia cơng xác cao (mm / phút) Để đáp ứng yêu cầu nêu trên, điều khiển vòng kín, nơi mà tốc độ dòng liệu vị trí theo dõi đưa trở lại điều khiển servo, thường xem xét Trong hầu hết hệ thống hoạt động động servo, vị trí tốc độ hướng dẫn cho động servo thực tế khác với giá trị thực tế, điều khiển servo bao gồm vòng kiểm sốt phản hồi, nơi mà liệu thực tế liệu tốc độ từ động servo fed lại cho điều khiển, điều khiển tạo lệnh để bù đắp cho lỗi giá trị lệnh liệu phản hồi Do đó, hiệu suất điều khiển vị trí phụ thuộc vào thuật tốn điều khiển vị trí tốc độ phát mục tiêu kiểm soát, chẳng hạn động cơ, khớp nối, bóng vít, trượt… Trong kiến trúc điều khiển theo kiểu thác nước, dễ dàng điều chỉnh đặc tính vòng điều khiển Tuy nhiên, trước tiên cần đảm bảo ổn định vòng kiểm sốt bên cho ổn định tồn vòng điều khiển để giảm thiểu phụ thuộc vòng ngồi vòng bên Để đạt mục đích nêu trên, vòng nên thiết lập để thực với phản ứng hệ thống nhanh so với vòng ngồi cách điều chỉnh lợi ích vòng điều khiển Trong hệ thống CNC, nói chung nhiệm vụ NCK vòng ngồi thực kiểm sốt vị trí với phản ứng chậm nhất; kiểm sốt tốc độ điều khiển (mơ-men xoắn) thực hệ thống servo drive Tuy nhiên, gần cấu hình điều khiển thơng thường khơng bảo tồn ngành cơng nghiệp hệ thống CNC Tất vòng điều khiển thực hệ thống ổ đĩa, vị trí vòng điều khiển tốc độ thực nhiệm vụ NCK, có vòng lặp cho phản ứng nhanh thực hệ thống ổ đĩa Điều lựa chọn dựa công suất phần cứng NCK hệ thống điều khiển, mục đích ứng dụng hệ thống CNC 5.3 Điều khiển servo để định vị Một hệ thống CNC sử dụng rộng rãi để kiểm sốt vị trí thiết bị định vị khác bao gồm robot, chip mounters, xử lý bán dẫn máy công cụ Hệ thống điều khiển servo máy định vị phần cốt lõi quan trọng cho hiệu chất lượng máy, chiến lược kiểm soát trục dẫn đến sai số định vị khác Nói chung, chiến lược kiểm sốt trục hệ thống CNC phân loại thành điều khiển điểm-điểm, kiểm soát theo dõi, điều khiển đường viền Trong kiểm soát điểm-điểm, yếu tố quan trọng thời gian trôi qua để di chuyển từ điểm sang điểm khác, bỏ qua lỗi đường biên trình di chuyển trục Trong trường hợp kiểm sốt theo dõi, yếu tố quan trọng giảm thiểu sai số sau số lượng sai lệch so với quỹ đạo tham chiếu Trong kiểm soát đường viền bao gồm giảm thiểu sai số đường viền xảy với di chuyển đồng thời hai trục Do đó, điều khiển vị trí hệ thống CNC, có nhiều thuật tốn điều khiển, bao gồm điều khiển P, điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển feed-forward, điều khiển dự đoán điều khiển nối chéo giới thiệu để hỗ trợ điều khiển điểm-điểm, điều khiển theo dõi, điều khiển đường viền So với điều khiển P, điều khiển phản hồi điều khiển PID điều khiển Fuzzy làm giảm sai vị trí trục Bộ điều khiển chuyển tiếp thức ăn hữu ích để giảm lỗi đa trục cách giảm lỗi trục trục, cuối góp phần làm giảm sai số đường viền Bộ điều khiển nối chéo thực kiểm sốt xác thời gian thực cách tạo lệnh điều khiển để giảm lỗi đường viền dựa mô hình lỗi đường viền Trong sách giáo khoa này, nguyên nhân lỗi khác thuật tốn để giảm lỗi vị trí giải 5.4 Điều khiển Vị trí Nhiệm vụ cuối NCK nhiệm vụ kiểm sốt vị trí, vị trí tham chiếu từ khuếch đại vị trí thực tế nạp từ mã hố servo so sánh kiểm soát để giảm khác biệt hai vị trí thực Bộ điều khiển PID điều khiển feedforward thuật tốn điển hình để thực nhiệm vụ kiểm sốt vị trí chúng mơ tả phần sau 5.4.1 Bộ điều khiển PID Mặc dù lý thuyết điều khiển đại phát triển, điều khiển PID sử dụng rộng rãi công nghiệp kiến trúc đơn giản dễ thực phần cứng phần mềm Hơn nữa, điều khiển PID dễ dàng thực hiện, mơ hình tốn học xác hệ thống mục tiêu không biết, nhận hiệu kiểm soát xuất sắc, bao gồm giá trị mục tiêu theo sau loại bỏ nhiễu loạn Tuy nhiên, điều khiển PID sử dụng cho hệ thống tuyến tính bất biến thời gian cần thiết phải điều chỉnh xác dựa động lực quy trình Khi động lực trình thay đổi thay đổi trọng lượng hệ thống, trình điều chỉnh tăng nên làm lại Ngồi ra, điều khiển PID có giới hạn áp dụng cho hệ thống SISO (Single Input Single Output) Bởi hệ thống CNC thường kiểm soát nhiều hai trục, chúng coi hệ thống có nhiều đầu vào đầu Tuy nhiên, sử dụng điều khiển PID riêng cho trục trục cơng cụ máy thực kiểm soát độc lập dựa liệu nội suy khoảng thời gian interpolation nhỏ Theo đó, trục điều khiển điều khiển PID có cổng vào đầu Bộ điều khiển PID sử dụng điều khiển P với tỷ lệ (P) Hoạt động kiểm sốt nguồn gốc có vai trò xử lý lỗi dựa trình học hỏi từ khứ Với hành động kiểm soát dẫn xuất, giảm thời gian vượt giải Hoạt động kiểm sốt tách rời có vai trò xử lý lỗi tương lai Sử dụng hành động điều khiển tích hợp, loại bỏ lỗi trạng thái ổn định giảm thời gian tăng hệ thống Tuy nhiên, điều làm tăng thời gian vượt qua giải thời gian Bộ điều khiển PID Thứ nhất, kiểm sốt P, có nghĩa kiểm sốt tỷ lệ, lỗi hệ thống nhân với P không đổi, gọi tỷ lệ thuận lợi, để bù đắp cho lỗi hệ thống Do đó, tỷ lệ thuận lợi lớn thường dẫn đến phản ứng nhanh hệ thống giảm thời gian đến điểm tham chiếu Tuy nhiên, tỷ lệ thuận lợi lớn làm cho khơng thể điều chỉnh xác lỗi hệ thống, có rung động liên tục tiếng ồn bất thường Vì vậy, số tiền đạt tỷ lệ thuận hạn chế Thứ hai, tơi kiểm sốt, có nghĩa kiểm sốt tách rời, sử dụng trường hợp không đến điểm tham chiếu sau chuyển sang trạng thái ổn định Trong kiểm sốt tơi, lỗi tích hợp khoảng thời gian, nhân với số I, gọi tăng không tách rời, để giảm lỗi tích hợp từ khứ Kết tích phân tích lớn giúp phản ứng nhanh trạng thái chuyển tiếp Theo đó, cần phải sử dụng tích phân tích hợp phạm vi thích hợp kết tích phân tích lớn cho phép vượt mức vượt mức Thứ ba, kiểm soát D, có nghĩa kiểm sốt xuất phát, phái sinh theo thời gian (độ dốc lỗi) tính tốn, dẫn xuất nhân với số D, gọi đạt phái sinh, để làm giảm hệ thống loại bỏ độ rung hệ thống trạng thái ổn định Kết thu lớn phản ứng nhanh Tuy nhiên, dẫn xuất lớn gây rung động hệ thống Ở trên, hiệu loại đạt khác điều khiển PID giải thích Do đó, thực tế, loạt kết hợp kiểm soát P, I kiểm soát, kiểm sốt D sử dụng có chọn lọc theo mục đích sử dụng kiểm sốt Thơng thường, điều khiển PI có phản ứng tương đối nhanh sử dụng rộng rãi điều khiển D khó điều chỉnh dễ dàng gây rung động Như trình bày trên, dễ thực điều khiển PID cho điều khiển chuyển động Tuy nhiên, hiệu suất điều khiển PID phụ thuộc cao vào mức P, I, D theo môi trường định Bất điểm hoạt động đặc tính q trình mục tiêu thay đổi, cần phải điều chỉnh tăng Cách đặt P, I, D gọi "phương pháp điều chỉnh tăng" cần phải có chuyên gia để điều chỉnh Trong phần kế tiếp, phương pháp điều chỉnh tăng cho điều khiển PID giới thiệu 5.4.2 Điều khiển tăng PID Nếu không điều khiển điều khiển PID thích hợp, phản hồi hệ thống trở nên chậm chạp, rung động xảy ra, khơng thể đạt độ xác mong muốn Do đó, thiết lập điều khiển yếu tố thiết kế quan trọng Với phương pháp điều khiển tăng cho điều khiển PID, gồm phương pháp Ziegler-Nichols, nơi mà mơ hình tốn học cho q trình đích không cần thiết, phương pháp Relay Đối với phương pháp này, người dùng có nhiều kinh nghiệm nên điều khiển P, I, D cách dùng thử sai sót, đó, phải thời gian dài để hoàn thành việc điều khiển Với phương pháp điều khiển tăng dựa mơ hình quy trình đích, có phương pháp phản hồi tần số, phương pháp đặt cực phương pháp hủy bỏ cực-zero Tuy nhiên, phức tạp mơ hình tốn học cho mục tiêu dự kiến, khó để có mơ hình q trình mục tiêu thực tế Hơn nữa, thí nghiệm để có đáp ứng tần số phức tạp khó khăn để có kết xác, tính xác gia tăng có xu hướng giảm trường hợp mức độ hệ thống cao Ngoài ra, xáo trộn tải, cực cực-zero hệ thống khơng xác bị hủy bỏ đó, hiệu suất hệ thống giảm Gần đây, điều khiển với hàm tự động điều khiển phát triển, điều khiển tăng tự động để giúp người dùng hàm tự động điều khiển điều khiển cho phép thực phương pháp điều khiển thực nội bao gồm phương pháp đề cập 5.4.2.1 Phương pháp Ziegler–Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp điều khiển dựa vào thử nghiệm, phương pháp mà quy trình đích thử nghiệm chu trình vòng mở tăng P, I D liên quan đến đặc tính phản hồi nhanh tính phương trình đơn giản Phương pháp điều khiển tăng thực theo hai cách; phương pháp phản ứng bước dựa đường cong đáp ứng trình phương pháp thứ hai phương pháp nhạy cảm cuối Phương pháp phản ứng bước phương pháp điều khiển tăng sử dụng tỷ lệ nhỏ 0.25 từ thử nghiệm kinh nghiệm, tỷ lệ chuyển đổi chiếm ưu trở thành 25% giai đoạn trước sau chu kỳ miền thời gian Phương pháp áp dụng cho hệ thống an toàn, nơi dao động khơng xảy cực q trình mục tiêu khơng phải liên hợp phức tạp, điển hình hệ thống có đường cong phản ứng hình chữ S đáp ứng điều kiện Sau xung bước áp dụng cho hệ thống, đường cong đáp ứng hình chữ S đạt Bằng cách phân tích đường cong đáp ứng hình chữ S, chiết xuất tham số đặc trưng khác (thời gian trễ phản ứng, số thời gian), cuối tăng cho điều khiển PID tính phương trình thể Bảng 5.1 Phương pháp độ nhạy cuối hữu ích cho q trình mục tiêu có cực nguồn cột không ổn định dẫn đến dao động hệ thống Đối với phương pháp cảm quan cuối cùng, thiết lập Ti = ∞, Td = công thức 5,3 tăng tỷ lệ thuận lợi bước Khi phát dao động hệ thống, trích xuất độ lợi quan trọng (Ku) tần số quan trọng (Tu) Cuối cùng, thu giá trị tăng điều khiển PID phương trình thể bảng 5.1 Nếu dao động hệ thống không xảy ra, đạt tỷ lệ thuận lợi tăng lên, phương pháp áp dụng Phương pháp Ziegler-Nichols tốt đơn giản để điều khiển, cần quy trình điều khiển tốt chun gia điều khiển Ngồi ra, khơng thể đạt hiệu kiểm soát thỏa đáng trường hợp hệ thống có đặc tính giảm xóc nhỏ Là phương pháp điều khiển tăng tự động cho điều khiển PID, phương pháp chuyển tiếp kết hợp với phương pháp đáp ứng tần số Ziegler-Nichols để trích xuất độ tăng quan trọng tần số quan trọng Ngoài ra, kỹ thuật khác nhau, bao gồm lý thuyết điều khiển thích nghi, lý thuyết tối ưu hóa lý thuyết kiểm sốt sóng trước phát triển Xin vui lòng tham khảo thư mục để biết chi tiết kỹ thuật Trong sách này, phương pháp tiếp sức áp dụng thương mại lĩnh vực công nghiệp, giải thích chi tiết Bảng 5.1 Phương pháp Ziegler – Nichols Điều khiển Phản ứng bước Nhảy cảm cuối Điều kiện Bước phản ứng có hình chữ S Khi tăng tỷ lệ thuận lợi, dao động Phương pháp Bằng cách nhập xung bước đầu Bằng cách thiết lập Ti = ∞ Td = mục tiêu, tạo phản ứng hình hệ thống vòng khép kín, chữ S kích hoạt tương ứng Vẽ đường tiếp tuyến Cho đến sản lượng c(t) giữ điểm biến thiên đầu dao động, điều khiển Kp Từ giao điểm gặp trục thời Tăng tỷ lệ thời điểm dao động gian phản ứng K, tính thời giữ lại để đạt hệ số tăng gian phản ứng trễ τd quan trọng Ku Đặt tần số quan trọng số thời gian τ từ Tu vào tần số thời điểm Kết điều P Kp = τ/τd Kp = 0.5Ku khiển PI Kp = 0.9τd, Tp= 3.3τd Kp = 0.45Ku, Ti = 0.8Tu PID Kp = 1.2τ/τd, Tp= 2τd, Td = Kp = 0.6Ku, Ti = 0.5Tu, Td = Phản ứng đầu 0.5τd 0.125Tu 5.4.2.2 Điều khiển relay Phương pháp Ziegler-Nichols đề cập có giới hạn khơng áp dụng cho kiểu không dao động với điều khiển tỷ lệ thuận Để khắc phục vấn đề không dao động, phương pháp điều khiển tăng chuyển tiếp đưa Trong phương pháp này, relay sử dụng cho dao động hệ thống lực Khi dao động xảy ra, giới hạn tần số biên độ trích từ phản ứng hệ thống Mạch cho phương pháp điều khiển relay dựa chuyển tiếp bao gồm điều khiển PID thông thường, chuyển tiếp, chuyển mạch cho đầu vào tham chiếu chuyển mạch Relay công tắc đặt phía trước điều khiển PID, thể hình 5.6 Sự khác biệt đầu vào tham chiếu, r, đầu trình, y, đầu vào relay Đầu relay trực tiếp đầu vào điều khiển PID Ở giai đoạn ban đầu điều khiển tăng, chuyển đổi kết nối để tiếp xúc với một, đầu vào tham chiếu bỏ qua relay nhập vào điều khiển PID Do đó, điều khiển PID khơng điều khiển vận hành Ở giai đoạn điều khiển tự động tiếp theo, công tắc kết nối với tiếp điểm b, khác biệt đầu vào tham chiếu đầu q trình ni relay Sự dao động hệ thống tượng giới hạn giới hạn tạo ra, tần số biên độ cuối trích để tự động điều khiển tăng PID Hình 5.6 Mạch điều khiển tăng tự động dựa chuyển tiếp Giai đoạn điều khiển tăng tự động thực thể hình 5.7a Rơle mơ hình hố hệ thống với tăng KR Hơn nữa, GC (s) GP (s) có nghĩa hàm chuyển tiếp truyền điều khiển PID trình này, tương ứng Lỗi biểu diễn công thức 5.13 e = KR r − y − KRy = KR r − (1 + KR)y (5.13) Nếu hình 5.7a bố trí dạng phương trình cuối bên phải phương trình 5.13, biểu thị hình 5.7b, hàm truyền vòng lặp (1 + KR) GC (s) GP (s) Hình 5.7 Các sơ đồ khối thiết lập đạt Trong mức tăng relay thể cách sử dụng hàm mô tả lý thuyết hệ thống phi tuyến tính cơng thức 5.14 Trong đó, a biên độ đầu quy trình d biểu thị biên độ rơle Ở giai đoạn này, hàm chuyển đổi quy trình giả thiết phương trình 5.15 sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols ngắn gọn mô tả đặc tính q trình Trong đó, Tp số thời gian τ viết tắt thời gian chết Mặt khác, hàm chuyển tiếp điều khiển PID biểu diễn cơng thức 5.16 đó, Ti Td, tương ứng, biểu thị thời gian tích phân thời gian đạo hàm, α viết tắt gia tăng đạo hàm Hình 5.10 Cấu trúc kiểm sốt feedforward 5.4.3.1 ZPETC, Zero Phase Error Tracking Control (kiểm soát theo dõi lỗi pha khơng theo giai đoạn) Nói chung, thiết kế điều khiển feedforward dựa hàm truyền tải toàn hệ thống sau thiết kế điều khiển phản hồi Khi xem xét hình 5.10a, 'R' biểu thị đường mong muốn từ người điều khiển 'E' biểu thị lỗi, khác biệt đầu vào sửa đổi từ điều khiển feedforward đầu q trình Mục đích điều khiển feedforward làm cho P (k) R (k) nhau, để giảm thiểu khác biệt chúng làm cho P (k) = R (k) Nếu điều khiển feedforward thiết kế nghịch đảo G (z) G (z) hệ pha cực tiểu, nơi điểm cực điểm zero ổn định, hàm chuyển đổi biểu thị mối quan hệ đầu vào kết đầu 1, có nghĩa hệ thống dò tìm vị trí mong muốn Tuy nhiên, hệ thống lúc hệ thống tối thiểu số hệ thống có giá trị zero khơng ổn định Hơn nữa, zeroes khơng ổn định tạo hệ thống thời gian liên tục biến đổi thành hệ thống thời gian rời rạc, hệ thống miền thời gian liên tục điểm zeroes khơng ổn định Các zero khơng ổn định nằm nửa bên trái Z-mặt phẳng miền thời gian rời rạc Trong trường hợp hệ thống pha không tối thiểu, điều khiển feedforward thiết kế nghịch đảo G (z), làm cho hệ thống khơng ổn định điều khiển feedforward có cực khơng ổn định đầu điều khiển feedforward khơng giới hạn Do đó, hệ thống pha tối thiểu, cần phải làm cho hàm chuyển giao toàn hệ thống gần tránh làm cho hệ thống không ổn định Vì G (z) hàm truyền tải bao gồm điều khiển phản hồi thiết kế để làm cho hệ thống ổn định, cực G (z) ổn định, nói chung Tuy nhiên, hàm truyền đổi bao gồm số khơng ổn định số khơng G (z) khơng bị hạn chế Các cực khơng ổn định đóng vai trò việc thực hệ thống Do đó, điều khiển feedforward cách hiệu để loại bỏ zeroes khơng ổn định Thuật tốn điển hình cho điều ZPETC (Zero Phase Error Tracking Control) Trong ZPETC, thuật số tử hàm truyền vòng khép kín chia thành s −1 thuật ngữ gồm số không ổn định B (z ) thuật ngữ gồm số không ổn định u −1 B (z ), biểu diễn phương trình 5.26 Bây giờ, trình điều khiển feedforward ZPETC biểu diễn sau cách sử dụng thuật ngữ số đặc biệt Do đó, tồn hàm chuyển giao tóm tắt sau, Chúng ta hiểu khác biệt giai đoạn hàm chuyển từ đường dẫn mong muốn đến đầu số không hàm chuyển giao kết phép nhân hai số phức phức tạp Điều có nghĩa đầu dẫn đến đầu vào mà khơng có thời gian trễ, đạt trạng thái ổn định trạng thái lỗi không Khi hàm truyền vòng khép kín có số nằm nửa bên trái mặt phẳng, độ lợi tăng lên Điều có nghĩa ZPETC có lỗi đạt dải tần số cao thay tạo khác biệt pha không Mặt khác, ZPETC thuật toán tốt để xây dựng đặc tính tốt cách sử dụng thơng tin nhỏ dải tần số thấp ZPETC đòi hỏi mơ hình hệ thống xác, điều khó khăn cho thấy hiệu suất truy xuất quỹ đạo mong muốn bao gồm hình dạng chuyển tiếp nhanh góc sắc nét Hơn nữa, hàm chuyển nghịch điều khiển feedforward yêu cầu chuyển đổi D / A động điều khiển có khả xử lý điện áp cao, mà thực tế giới hạn đầu tối đa chuyển đổi D / A điện áp tối đa động 5.4.3.2 IKF, Inverse Compensation Filter (bộ lọc bù ngược) IKF (Inverse Compensation Filter) Weck giới thiệu để giải vấn đề đường góc ZPETC Như hình 5.11, lọc thấp thêm vào mặt trước điều khiển feedforward để cải thiện việc truy xuất nguồn gốc Do đường thẳng trơn có nhờ loại bỏ tần số cao từ tín hiệu đầu vào Hình 5.11 Cấu trúc lọc IKF 5.4.3.3 Causal/Non-causal FIR Bộ điều khiển đề cập phần trước u cầu mơ hình hệ thống xác hàm truyền xây dựng quy trình phức tạp Tuy nhiên, khó để áp dụng điều khiển vào hệ thống CNC thực Do đó, cơng nghệ thực tế thường sử dụng cơng nghiệp, nơi mà lệnh vị trí chuyển tiếp đến điều khiển phản hồi với lệnh tốc độ gia tốc / giảm tốc, hình 5.12 Hình 5.12 Thực kiểm sốt feedforward Kiểu điều khiển biểu diễn toán học lọc causal hai bước phương trình 5.29 Bộ lọc nguồn FIR sử dụng liệu vị trí liệu vị trí từ hai bước trước Nó miêu tả mẫu lọc khơng nguồn FIR theo u cầu liệu vị trí G(z) = a0 + a1z + a2 z (5.30) Cấu trúc điều khiển thể hình 5.13 Hình 5.13 Non-causal FIR Trong hệ thống CNC đại, non-causality trên, nói giá trị trạng thái tương lai CNC, khơng trở ngại Vì hệ thống CNC thường lưu trữ vị trí tương lai cách giải thích khối NC thêm vào vị trí (ví dụ: nội suy tuyến tính / nội suy dường tròn), thu thơng tin vị trí tương lai vị trí cách đọc vị trí nhớ Sự chậm trễ thời gian mức độ lọc thời gian lấy mẫu vị trí xảy thời điểm thơng dịch hồn thành việc giải thích khối NC thời điểm khởi động bắt đầu Tuy nhiên, điều không ảnh hưởng đến hiệu kiểm soát, thực tế, loại điều khiển không điều khiển feedforward khác độ xác đường viền khả truy xuất nguồn góc Trong phần trước phần này, trình điều khiển feedforward điều khiển tín hiệu đầu vào cấp liệu đầu vào sửa đổi cho điều khiển phản hồi mô tả Các phần sau mơ tả điều khiển nơi mà tín hiệu đầu vào đưa trực tiếp đến điều khiển phản hồi Một điều khiển feedforward tốc độ điều khiển feeder mơ-men xoắn điển hình loại điều khiển Bộ điều khiển feedforward đòi hỏi lý thuyết điều khiển tiên tiến điều khiển tốc độ điều khiển mô-men xoắn hệ thống servo Trong sách này, có cấu trúc giới thiệu Để biết thêm chi tiết, vui lòng đọc tài liệu tham khảo thiết kế hệ thống ổ đĩa số 5.4.3.4 Bộ điều khiển feedforward tăng tốc Hình 5.14 cho thấy cấu trúc điều khiển feedforward tốc độ, nơi lọc lệnh vị trí, αw, lệnh lọc nhập trực tiếp vào vòng điều khiển tốc độ hệ thống truyền động để cải thiện phản ứng vòng điều khiển vị trí Kv hình 5.14 biểu thị tỷ lệ thuận lợi điều khiển vị trí kiểm soát tỉ lệ sử dụng để điều khiển vị trí hệ thống CNC K pn Kin hình 5.14 biểu thị mức độ đạt điều khiển tốc độ, điển hình điều khiển PI sử dụng để điều khiển tốc độ hệ thống CNC αw α biểu thị vị trí mong muốn vị trí thực tế tương ứng, T thời gian lấy mẫu vòng điều khiển vị trí Hình 5.14 Cấu trúc điều khiển feedforward tốc độ 5.4.3.5 Bộ điều khiển chuyển tiếp mơ-men xoắn Hình 5.15 cho thấy kiến trúc điều khiển feedforward mô-men xoắn Trong điều khiển feedforward mơ-men xoắn, lệnh vị trí nhập trực tiếp vào vòng lặp (ví dụ: hệ thống kiểm soát) cho thấy phản hồi hệ thống nhanh Do đó, điều khiển feedforward mơ-men xoắn, vòng điều khiển tốc độ bao gồm vòng lặp dòng bên vòng điều khiển vị trí cần phải hoàn thành cân đầu vào Kể từ điều khiển feedforward mơ-men xoắn tạo lệnh vị trí trực tiếp vào vòng lặp tại, lệnh tốc độ từ interpolator sử dụng làm đầu vào điều khiển feedforward để kiểm sốt ổn định Bởi điều khiển feedforward điều khiển mô-men xoắn hoạt động với động cách sử dụng vòng lặp với phản hồi nhanh nhất, tạo lỗi tối thiểu sau kiến trúc điều khiển nối tiếp Bằng cách sử dụng điều khiển feedforward cho máy cơng cụ, lỗi sau vòng kiểm sốt vị trí giảm đáng kể Lỗi sau mô tả chi tiết phần Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển feedforward mô-men xoắn 5.5 Phân tích lỗi sai lệch Lỗi sai lệch định nghĩa khác biệt vị trí mong muốn vị trí thực tế hệ thống CNC Vì điều khiển vị trí thường điều khiển tỷ lệ thuận, tỉ lệ thuận lợi lớn có ảnh hưởng đến thời gian đặt máy Tuy nhiên, có giới hạn lỗi trạng thái ổn định vượt 5.5.1 Lỗi vị trí điều khiển Phản hồi Trong vòng lặp kiểm sốt vị trí điển hình, hệ thống phản hồi đơn vị biểu diễn sơ đồ khối thể hình 5.16 Chức truyền vòng lặp mở, G (s), thường biểu diễn sau Trong đó, l + n ≥ m K biểu thị độ lợi điều khiển Trong trường hợp này, lỗi vị trí định nghĩa khác biệt vị trí mong muốn vị trí đầu E (s)= U (s) − Y (s) (5.32) Hình 5.16 Bộ điều khiển phản hồi đơn vị Chức truyền vòng khép kín, W (s), viết sau, Từ phương trình 5.32 tương đương 5.33, E (s) tóm tắt sau, nơi mà lỗi trạng thái ổn định biểu thị e (∞), e (t) t → ∞, tính cách sử dụng định lý giá trị cuối cho phép biến đổi Laplace, Nếu xem xét lỗi trạng thái e (∞) đầu vào đầu vào bước Các lỗi trạng thái ổn định e p cho đầu vào bước u (t) = A U (s) = A / s tóm tắt sau cách sử dụng Cơng thức 5.31, 5.34 5.35 Do đó, lỗi trạng thái ổn định thu từ phương trình 5.36 sau, đó, l = có nghĩa G (s) hệ thống điều khiển bao gồm phần tử tích hợp 1/s Nếu số lượng phần tử nguyên tố nhiều một, e p sau lỗi trạng thái ổn định khơng xảy Bây tìm lỗi bình thường, e (∞), đầu vào đầu vào Ramp Trong trường hợp u (t) = Tại U (s) = A/s 2, lỗi trạng thái ổn định ep biểu diễn sau, Kết Nếu l = ep = ∞ l = ep = A/K l ≥ ep = Bằng cách sử dụng phương pháp, lỗi trạng thái ổn định ep đầu vào tăng tốc u (t) = At2/2 xem kết biểu diễn sau: Nếu l = 0, 1, ep = ∞ Nếu l = 2, ep = A/K Nếu l ≥ 3, ep = Trong thời điểm này, lỗi trạng thái ổn định điều khiển phản hồi đầu vào tóm tắt Bảng 5.2 Do đó, ta giả định lệnh đầu vào hàm thời gian, u (t) = Vt × t (ở đâu, Vt tốc độ nạp lệnh hệ thống CNC), lỗi vị trí thường phương trình 5.38 Do đó, chúng tơi kết luận lỗi vị trí tỷ lệ nghịch với tăng điều khiển vị trí tỷ lệ thuận với tốc độ nạp sử dụng kiểm sốt phản hồi Do đó, cần phải tăng độ lợi điều khiển vị trí giảm tốc độ nạp để giảm lỗi vị trí Bảng 5.2 Tóm tắt lỗi thơng thường 5.5.2 Lỗi vị trí điều khiển Feedforward Nếu tóm tắt lỗi vị trí feedforward tốc độ mà khơng có q trình rút gọn kết hợp, thể hình thức rút gọn Cơng thức 5.39 Lỗi vị trí điều khiển feedback mơ-men xoắn viết Cơng thức 5.40 Vt, Ten, Tei T đứng cho tốc độ nạp, số thời gian vòng điều khiển tốc độ, số thời gian vòng lặp thời gian lấy mẫu tương ứng Nếu kiểm sốt feedforward, biết lỗi vị trí tăng lên theo tỷ lệ với tốc độ nạp tỷ lệ nghịch với độ lợi điều khiển vị trí, K v Bây giờ, kiểm sốt tốc độ feedforward áp dụng, lỗi vị trí tỷ lệ với tốc độ ăn dao Vt thời gian liên tục vòng điều khiển tốc độ, T en Điều có nghĩa Kv, độ lợi điều khiển vị trí khơng có ảnh hưởng lỗi vị trí đóng vai trò điều khiển chống lại xáo trộn bên điều khiển tốc độ feedforward sử dụng Trong trường hợp điều khiển lực đẩy lực xoắn, lỗi vị trí hệ thống tương ứng với mức phí, thời gian liên tục vòng lặp thời gian lấy mẫu vòng điều khiển vị trí 5.5.3 So sánh lỗi vị trí Trong phần trước, yếu tố lỗi vị trí điều khiển thông tin phản hồi, điều khiển feedforward tốc độ, điều khiển feedback mô-men xoắn thảo luận Những yếu tố mô cách sử dụng công cụ máy thực kết mô giải phần Hình 5.17a cho thấy liệu vị trí lệnh (vị trí mong muốn) liệu vị trí thực tế sau mơ mà khơng có điều khiển feedforward Như thể hình, liệu vị trí thực tế theo vị trí mong muốn với chậm trễ thời gian khác biệt chúng gọi lỗi vị trí Hình 5.17b hiển thị số lượng lỗi vị trí điều tra xem lỗi vị trí có hội tụ với giá trị có nguồn gốc từ Cơng thức 5,38 Lỗi vị trí nhân với Kv, độ lợi điều khiển vị trí, giá trị nhân đưa vào vòng điều khiển tốc độ Hình 5.17 So sánh lỗi vị trí Trong trường hợp điều khiển tốc độ feedforward, giả sử độ lợi điều khiển vị trí tốc độ cấp liệu tương đương với mô trước, số thời gian vòng kiểm soát tốc độ, Ten, giả sử ms cho mô Khi điều khiển tốc độ feedforward sử dụng, phân kỳ lỗi vị trí tính từ Cơng thức 5.39 sau, Hình 5.18a cho thấy lỗi vị trí điều khiển tốc độ feedforward sử dụng điều khiển feedforward tốc độ không sử dụng Như thể hình, lỗi vị trí giảm đáng kể điều khiển feedforward tốc độ sử dụng Chúng ta xác minh lỗi vị trí hội tụ với giá trị tính tốn kiểm soát tốc độ feedforward áp dụng Trong điều khiển feedforward mô men xoắn, liệu lệnh để khởi động trục nhập trực tiếp vào vòng điều khiển Bởi vòng điều khiển có phản ứng nhanh nhất, mặt lý thuyết kiến trúc cho phép xây dựng hệ thống với lỗi nhỏ sau Khi sử dụng điều khiển feeder mơ-men xoắn, hội tụ lỗi vị trí tính từ phương trình 5.40 Hình 5.18b cho thấy lỗi vị trí điều khiển tốc độ feedforward sử dụng điều khiển lực đẩy lực xoắn sử dụng Đối với mô phỏng, số thời gian vòng lặp điều khiển tốc độ cho điều khiển feedforward tốc độ xác định ms số thời gian vòng điều khiển tốc độ cho điều khiển feeder mô-men xoắn xác định 0.4 ms Như thể hình này, giảm lỗi vị trí cách sử dụng điều khiển feedforward mơ-men xoắn Hình 5.18 Các lỗi vị trí sử dụng feedforward tốc độ Lỗi vị trí hệ thống điều khiển vị trí khơng phải vấn đề quan trọng trường hợp hệ thống trục Tuy nhiên, trường hợp hệ thống đa trục, lỗi vị trí phản ánh độ xác hình dạng gia cơng Vì vậy, điều quan trọng giảm lỗi vị trí cho độ xác máy Như tóm tắt, để kiểm sốt hệ thống CNC, điều khiển PID điều khiển thông tin phản hồi thông thường để giảm lỗi vị trí trục Bộ điều khiển feedforward sử dụng để giảm lỗi vị trí điều khiển PID Bộ điều khiển phản hồi điều khiển feedforward kết hợp lẫn để giảm lỗi vị trí trục cho hệ thống đa trục 5.6 Tóm tắt Chất lượng thiết bị máy công cụ, robot, chip mounters, điều khiển bán dẫn phụ thuộc nhiều vào hiệu suất servo kiểm soát Việc điều khiển vị trí, khởi động đơn vị di chuyển (ví dụ, slide, bảng servo) sử dụng liệu vị trí từ interpolator, nhiệm vụ cuối công việc NCK hệ thống CNC Bộ điều khiển vị trí khơng kiểm sốt xác vị trí trục mà phải mạnh mẽ chống lại rối loạn khác Kiểm soát chuyển động phân thành ba loại mục đích kiểm sốt; việc kiểm sốt điểm - điểm, nơi đến nhanh xác vị trí mong muốn quan trọng đường trung gian Thứ hai sau kiểm soát nơi mà quan trọng cho tất trục xác theo đường mong muốn Thứ ba điều khiển đường viền, có ý nghĩa làm giảm sai lệch đường viền trường hợp hệ thống đa trục Trong điều khiển vị trí, thuật toán khác sử dụng để đáp ứng điều kiện điều khiển PID, điều khiển feedforward điều khiển chéo kiểu Bộ điều khiển PID làm giảm sai số vị trí trục so với điều khiển P Bộ điều khiển feedforward làm giảm lỗi vị trí cách giảm lỗi vị trí trục làm giảm lỗi đường viền Bộ điều khiển ghép chéo làm giảm lỗi cách tạo lệnh làm giảm lỗi đường viền cách sử dụng mơ hình lỗi đường viền ... hai trục Do đó, điều khiển vị trí hệ thống CNC, có nhiều thuật tốn điều khiển, bao gồm điều khiển P, điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển feed-forward, điều khiển dự đoán điều khiển nối chéo... để hỗ trợ điều khiển điểm-điểm, điều khiển theo dõi, điều khiển đường viền So với điều khiển P, điều khiển phản hồi điều khiển PID điều khiển Fuzzy làm giảm sai vị trí trục Bộ điều khiển chuyển... chuyên gia để điều chỉnh Trong phần kế tiếp, phương pháp điều chỉnh tăng cho điều khiển PID giới thiệu 5.4.2 Điều khiển tăng PID Nếu không điều khiển điều khiển PID thích hợp, phản hồi hệ thống trở