Thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC

Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC sử dụng thuật toán PID. Trình bày chi tiết các phương pháp tìm ra được mô hình điểu khiển cho bàn máy qua lý thuyết. Dựa trên mô hình hoá tìm được từ lý thuyết sử dụng phần mềm Matlab lập trình để tính toán, vẽ được đáp ứng cho ra đồ thị. Sử dụng bộ điều khiển PID tìm được đáp ứng mong muốn bằng phương pháp tuning.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ -*** - BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC GVHD Sinh viên thực MSSV Lớp : PGS TS Hoàng Vĩnh Sinh : Phạm Tiến Dũng : 20160701 : KT-CĐT02-K61 HÀ NỘI, 2020 MỤC LỤC PHẦN 1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT, MƠ HÌNH HĨA VÀ HÀM TRUYỀN .3 1.1 Các thơng số kỹ thuật: 1.1.1 Thông số kỹ thuật bàn máy CNC 1.1.2 Thông số kỹ thuật động 1.2 Mơ hình hóa xác định hàm truyền 1.2.1 Mơ hình hóa xác định hàm truyền bàn máy CNC 1.2.2 Mô hình hóa hàm truyền hệ động .5 1.2.3 Xác định hàm truyền momen quay trục động 1.2.4 Xác định hàm truyền góc quay .6 1.2.5 Xác định hàm truyền tổng quát hệ .6 PHẦN 2: TÍNH TỐN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 Khảo sát ổn định 2.2 Xét tính ổn định 2.3 Thiết kế điều khiển PID DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mơ hình bàn máy CNC Hình 1.2 Sơ đồ động học bàn máy CNC Hình 1.3 Mơ hình hóa hệ bàn máy CNC .5 Hình 1.4 Mơ hình động Hình 2.1 Đồ thị Bode Hình 2.2 Đồ thị nyquist .10 Hình 2.3 Sơ đồ mơ simulink 11 Hình 2.4 Đáp ứng đầu hệ thống 11 Hình 2.5 Tìm hệ số Kp, Kd, Ki tự động turning 12 Hình 2.6 Độ điều trỉnh thời gian xác lập tín hiệu 12 PHẦN 1: THƠNG SỐ KỸ THUẬT, MƠ HÌNH HĨA VÀ HÀM TRUYỀN Phần bao gồm mơ hình, thơng số kỹ thuật yêu cầu hệ thống Từ mơ hình ban đầu thực q trình mơ hình hóa hệ thống, từ xác định hàm truyền hệ thống 1.1 Các thông số kỹ thuật: 1.1.1 Thơng số kỹ thuật bàn máy CNC Bài tốn đặt điều khiển bàn máy CNC, với mơ hình thể hình 1.1 Hệ cấu gồm bàn máy CNC hệ thống dẫn hướng theo phương X, phương Y, hai động để dẫn động Mục tiêu hệ thống điều khiển vị trí vận tốc bàn máy Các thông số hệ thống: - Khối lượng bàn máy phôi: M = 200 (kg) Hệ số giảm chấn: B = 6.103 Khối lượng bàn máy: m = 100 (kg) Hệ số độ cứng tổng ( Bao gồm độ cứng trục vít me, ổ bi, nối trục, ray dẫn hướng độ cứng cua): K = 1,82 105 ( N/m) Hình 1.1 Mơ hình bàn máy CNC Sơ đồ động học bàn máy CNC bố trí bàn máy máy CNC Hình 1.2 Sơ đồ động học bàn máy CNC 1.1.2 Thông số kỹ thuật động Động để dẫn động bàn máy có thơng số kỹ thuật sau: - Momen quán tính Jm= (kg.m2) Hệ số cản nhớt động cơ: B = (Nms) Hệ số suất điện động: Kb= (V/rad/s) Momen xoắn động cơ: Kt= (Nm/A) Điện trở trong: Ra= (Ω) Bước vít : P =10 (mm) 1.2 Mơ hình hóa xác định hàm truyền 1.2.1 Mơ hình hóa xác định hàm truyền bàn máy CNC Hình 1.3 Mơ hình hóa hệ bàn máy CNC Ta có phương trình vi phân chuyển động bàn máy: M.(t) + B(t) + Kx(t) = F = Fđc - Fms Với Fđc = K.x(t) = K.(t).P/2 Trong đó: - P bước vít (mm) - Fms = - m khối lượng bàn máy Hệ số độ cứng K tính theo cơng thức: Trong đó: - kc: độ cứng nối trục - kb: độ cứng ổ bi - kg: độ cứng ray dẫn hướng - ks: độ cứng trục vít me - kcc: độ cứng cua Laplace vế phương trình ta thu được: M.(t) + B(t) + Kx(t) = =>Ms2X(s) + Bs.X(s) + K.X(s) = K =>X(s).[Ms2 + (B -)s + K] = => Gbàn X = = 1.2.2 Mơ hình hóa hàm truyền hệ động Hình 1.4 Mơ hình động Động mơ hình hóa hình 1.3 trên, đó: - Ua, Ia điện áp dòng điện phần ứng La điện cảm phần ứng Ra điện trở phần ứng eb sức phản điện động động cơ, eb = kb kb số tỷ lệ sức phản điện động Áp dụng phương trình Kirchhoff II ta có: Ua(t) = Raia(t) + La + eb(t) Laplace vế: Ua(s) = RaIa(s) +La.s.Ia(s)+eb(s) = RaIa(s) + La.s.Ia(s) + kb.s => Ia = 1.2.3 Xác định hàm truyền momen quay trục động Do T = kt.ia Với: kt hệ số tỷ lệ mô-men T mô-men quay trục động => T(s) = kt.Ia(s) 1.2.4 Xác định hàm truyền góc quay Ta có: T = Jm.+ B Với: J mơ-men quán tính động quy trục động B hệ số cản nhớt động => T(s) = s2.Jm.(s) + s.B.(s) => = Từ hàm truyền ta có: = Với : Ta = số thời gian điện Tm = số thời gian khí 1.2.5 Xác định hàm truyền tổng quát hệ Từ hàm truyền tính ta xác định hàm truyền tổng quát hệ là: Do La