NGHIÊN cứu KHẢO sát và NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO bàn máy PHAY CNC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC TẠ MINH TIẾN THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên : Tạ Minh Tiến Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Võ Quang Lạp THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** -o0o - THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên: Tạ Minh Tiến Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS TS Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Hùng PGS.TS Võ Quang Lạp Tạ Minh Tiến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hì nh vẽ Hình 1.1 Cơ sở máy CNC Hình 1.2 Miêu tả trục máy công cụ CNC hệ tọa độ Đề Cấu trúc khối chức hệ CNC Hình 1.3 Hình 1.4 Trang Sơ đồ nguyên lý máy phay đứng trục (X,Y,Z) Hình 1.5 Lưu thơng tín hiệu điều khiển số Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10 Hình 1.9 Các bước khâu chuẩn bị chương trình tay 11 Hình 1.10 Lưu đồ lập trình máy 12 Hình 1.11 Cấu trúc hệ CNC 14 Hình 1.12 Hệ DNC 15 Hình 1.13 Ghép nối máy CNC với máy tính trung tâm 17 Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí hệ CNC 21 Hình 2.2 Các điểm Reference Marks Encoder 22 Hình 2.3 23 Hình 2.6 Sai số tải tạo chiết áp điện trở tải nối công tác trượt đầu dây điện trở Bộ đo góc, mợt loại cảm biến mà tín hiệu đầu hàm lượng giác vị trí trục roto  Hai cuộn roto đặt cách 900, hai cuộn Stator đặt cách 900 Bộ đo góc sử dụng cảm biến, có mơt cuộn dây roto ngắn mạch Sơ đồ khối mã hóa số trực tiếp Hình 2.7 Sơ đồ khối mã hóa xung, tần số, thời gian 26 Hình 2.8 Sơ đồ khối mã hóa tương tự sang số 26 Hình 2.9 Sơ đồ khối chuyển đổi Analog to Digital 26 Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu (Heidenhain) 27 Hình 2.4 Hình 2.5 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 24 25 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.11 Phương pháp nội suy dùng tính tốn arctang 28 Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy khối tính tốn 29 Hình 2.13 Thành phần hệ thống điều khiển CNC 29 Hình 2.14 Thành phần MCU 31 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn động không đồng 36 Hình 3.2 38 Hình 3.6 Hệ trục vector không gian(a,b,c) hệ tọa độ cố định stator (,) Hệ tọa độ cố định stator (,) hệ toạ độ cố định rotor(x,y) Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor hệ trục tọa độ cố định stator (,) hệ tọa độ cố định rotor (x,y) Biểu diễn vector dòng điện stator hệ tọa độ cố định stator (,) hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Sơ đồ cấu trúc chi tiết động không đồng Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp động không đồng 48 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.8 39 40 42 47 Định hướng từ thông hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động KĐB thiết bị biến tần Hình 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động 48 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Đường đặc tĩnh tĩnh hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vịng kín Đồ thị dịng điện tốc độ quay q trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 53 Ảnh hưởng phản hồi âm vi phân tốc độ quay trình khởi động – Hệ thống hai mạch vịng kín thơng dụng – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng tốc độ quay có cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay: a Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu 61 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 52 54 55 56 60 61 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 b Sơ đồ cấu trúc sau đơn giản hoá Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vịng có mạch vịng có cài đặt suất biến đổi dòng điện ADR – điều chỉnh sức biến đổi dòng điện CD – khâu vi phân dòng điện Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65 65 66 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng suất biến đổi dòng điện Hệ thống truyền động Thyristor - Động Hình 4.2 Mạch điện thay động chiều 69 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc động chiều 70 Hình 4.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá đặc tính tải 71 Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hố 72 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 72 Hình 4.7 68 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: a Theo tốc độ, b Theo dòng điện Hình 4.8 Thời gian phát xung thời gian điều khiển chỉnh lưu Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc chỉnh lưu bán dẫn thyristor a chuẩn xác, b gần Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 73 Hình 4.11 77 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 74 75 76 Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78 Hình 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80 Hình 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82 Hình 4.15 Quan hệ giữa   83 Hình 4.16 Sơ đồ mô hệ điều khiển điều khiển PID 87 Hình 4.17 88 Hình 5.1 Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10(V), I = 0(A) Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 8,7 A Sơ đồ khối điều khiển mờ Hình 5.2 Mơ hình chuyển đổi hiểu biết người hệ mờ 94 Hình 5.3 Ví dụ chọn tập liệu vào/ra 96 Hình 4.18 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 91 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101 Hình 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101 Hình 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102 Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103 Hình 5.8 Vị trí đặt điều khiển mờ hệ điều khiển vị trí 105 Hình 5.9 Sự phân bố giá trị mờ biến đầu vào: vị trí đặt 106 Hình 5.10 Sự phân bố giá trị mờ biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106 Hình 5.11 Các luật điều khiển mờ 106 Hình 5.12 Sơ đồ khối khối luật bù mờ 107 Hình 5.13 Sơ đồ mô hệ điều khiển vị trí có điều khiển mờ 108 Hình 5.14 Quan hệ vào – điều khiển mờ 108 Hình 5.15 Kết mô với đặt = 10V, I = 0A 109 Hình 5.16 Kết mô với đặt = 10V, I = 8,7A 110 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Ngày , cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật thế giới phát triển với tốc độ vũ bão , không ngừng vươn tới đỉnh cao mới, đó có những thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất Đa số các máy côn g cụ hiện đại được điều khiển theo chương trì nh số Đây là những điều kiện kỹ thuật bản hiện những điều kiện tự động hóa linh hoạt để thực từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ , hay các trung tâm điều khiển số cũng việc g hép nối chúng thành một hệ thống linh hoạt, điều khiển liên thông bằng máy tí nh ghép nối mạng Với tiến bộ mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc công của hệ điều khiển số , đồng thời với việc ngày càng giảm về giá thành của bộ điều khiển này Cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị và các bo mạch ghép nối ngoại vi là phần cứng không thể thiếu được các máy công cụ CNC Trong các nhà máy xí nghiệp côn g nghiệp ở nước ta hiện máy phay CNC nói riêng và máy công cụ điều khiển số CNC nói ch ung ngày càng được sử dụng rộng rãi Việc phát huy hiệu quả sử dụng , bảo dưỡng vận hành máy là vấn đề đặc biệt quan tâm của chúng ta Muốn phát huy được hiệu quả tối đa khả thiết bị cũng việc cải tiến nó cho phù hợp với điều kiện môi trường và người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về máy công cụ CNC Việc “Nghiên cứu khảo sát nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC ” có một ý nghĩa rất lớn ng ành tự động hóa Đó chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của Luận văn này được chia thành chương sau: Chương I - Tổng quan máy công cụ CNC Chương II - Hệ thống đo lường điều khiển máy CNC Chương III - Phân tích chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC điều khiển mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TS Võ Quang Lạp đ ã hướng dẫn tận tì nh , bảo cặn kẽ để hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy các cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008 Tác giả luận văn Tạ Minh Tiến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC 1.1 Khái quát máy công cụ CNC 1.1.1 Cơ sở máy CNC Các trục máy trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ bàn máy dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn bàn máy để đo khoảng cách dịch chuyển bàn máy theo trục X hình 1.1) Khi trục máy di chuyển dụng cụ đo lường phát tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu xác định toạ độ xác trục máy Z Y X Hình 1.1 Cơ sở máy CNC Trong hệ toạ độ đề xây dựng ba trục toạ độ vng góc (X,Y,Z) Một điểm mặt phẳng xác định hai trục toạ độ, điểm không gian xác định ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết trục máy miêu tả thơng qua hệ toạ độ đề kí hiệu trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải Các máy cơng cụ CNC điều khiển tới chín trục, trục (U,V,W) trục chuyển động thứ hai song song với trục (X,Y,Z) trục (A,B,C) trục quay quanh trục (X,Y,Z) Ngồi ra, lập trình gia cơng xử dụng hệ toạ độ cực Một điểm mặt phẳng biểu diễn thông qua hai giá trị bán kính góc hệ toạ độ cực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 98 R7 : Nếu X1 = B2 X2 = CE Y = B1 R8 : Nếu X1 = CE X2 = B1 Y = B1 R9 : Nếu X1 = CE X2 = B1 Y = B1 R10 : Nếu X1 = CE X2 = B2 Y = B2 R11 : Nếu X1 = CE X2 = B3 Y = B3 Để dễ ràng minh hoạ cách lập bảng dự liệu vào, ta mơ tả trường hợp có hai tín hiệu vào x1 , x2 Hình 5.3 x1 có tập x2 có tập giá trị mờ nên ta có bảng với 5x7 = 35 Mỗi bảng biểu thị giá trị tập kết quả, chẳng hạn với luật từ R1 đến R11 ghi bảng liệu vào (bảng 5.1) Ta tổ hợp đầy đủ quan hệ x1 , x2 để tạo thành 35 luật điền kín bảng, thực tế khơng cần sử dụng hết 35 luật nói Khi biểu diễn thành bảng liệu vào, ta dễ ràng quan sát hiệu chỉnh để kết mong muốn Khi gặp luật xung đột, nghĩa có phần “Nếu” phần “Thì” lại khác (thực tế xảy vậy) ta tính trọng số để chọn luật có trọng số lớn Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành ( MAX –MIN hay SUM – MIN ); Ta chọn thiết bị hợp thành theo nguyên tắc : Sử dụng công thức : AB (x) = MAX A (x), B (x) Để có luật MAX – MIN; MAX – PROD; Sử dụng công thức: Lukasiewicscos luật SUM – MIN; SUM – PROD; Sử dụng tổng Einstein Sử dụng tổng trực tiếp Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ: Từ hàm liên thuộc hợp thành để xác định tập mờ đầu ra, ta chọn phương pháp giải mờ thích hợp để xác định giá trị rõ đầu giải mờ Thường chọn phương pháp giải mờ trọng tâm hay bình tâm, lúc kết đầu có tham gia đầy đủ tất luật từ R1 đến R11 Bước 6: Tối ưu hố: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 99 Sau điều khiển mờ tổng hợp ta ghép với đối tượng mơ để thử nghiệm Q trình thử nghiệm mơ hình cho ta trước tiên kiểm tra “lỗ hổng”, có “lơ hổng” xuất phải điều chỉnh lại độ phủ nên giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại luật điều khiển Ngoài điều khiển làm việc khơng ổn định phải kỉêm tra lại luật “ Nếu – ” sở Sau biết điều khiển làm việc ổn định khơng có “lỗ hổng”, ta tối ưu hoá trạng thái làm việc theo tiêu khác Chỉnh định điều khiển theo tiêu thường phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc, thiết kế nguyên tắc điều khiển phụ thay đổi số nguyên tắc điều khiển 5.2 Các điều khiển mờ 5.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển Trước vào việc phân tích tổng hợp điều khiển mờ, cần lược qua cách nhắn phương pháp tổng hợp kinh điển, đứng phương diện điều thật thú vị Phương pháp kinh điển bao gồm bước : 1) Xây dựng mơ hình đối tượng đủ xác 2) Đơn giản hố mơ hình 3) Tuyến tính hố mơ hình điểm làm việc 4) Chọn điều khiển thích hợp xác định tính chất mà điều khiển phải có 5) Tính tốn thơng số điều khiển 6) Kểm tra điều khiển vừa thiết kế cách ghép mơ hình đối tượng điều khiển , kết không mong muốn quay lại bước đạt kết mong muốn 7) Đưa điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực vàkiểm tra trình làm việc hệ thống Nếu chưa đạt yêu cầu thiết kế lại điều khiển theo bước từ đến đạt tiêu chất lượng mong muốn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 100 Nhìn chung phương pháp tổng hợp kinh điển thường gặp khó khăn việc phải xây dựng mơ hình đối tượng trước thiết kế điều khiển Mặt khác điều khiển phải đựoc thiết kế dựa sở kỹ thuật đảm bảo tính chất phù hợp đối tượng điều khiển Song thực tế thiết kế hệ điều khiển mờ không thiết phải biết trước mơ hình mà cần thể hiểu biết đối tượng qua biến ngôn ngữ động học đối tượng, biến lại phản chiếu qua biến ngôn ngữ nguyên tắc điều khiển sở điều khiển mờ Trong nhiều trường hợp khả nhận dạng đối tượng qua mơ hình khó khăn nhiều trường hợp thực được, nên việc tổng hợp hệ thống điều khiển thiết kế điều khiển mờ cho phép tiết kiệm nhiều công sức giá thành lại rẻ Đó điểm mạnh điều khiển mờ việc thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng phức tạp, đối tượng mà việc xây dựng mơ hình khó khăn Ngay đối tượng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế hệ thống mờ ngắn so với quy trình thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển 5.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh Bộ điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ theo phương trình đại số (tuyến tính phi tuyến) Các điều khiển tĩnh điển hình khuyếch đại P, điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí v.v…Một dạng hay dùng điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ tuyến tính đoạn, cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển phạm vi khác trình, nâng cao chất lượng điều khiển Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế, song có nhược điểm chất lượng điều khiển khơng cao chưa đề cập đến trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) trình, sử dụng trường hợp đơn giản Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 101 5.2.3 Bộ điều khiển mờ động Một dạng hay dùng điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động đối tượng Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có đạo hàm sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời biến động đột xuất đối tượng Các điều khiển mờ động hay dùng điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân tỉ lệ vi tích phân (I, PI, PD PID) a Bộ điều khiển theo luật I Một điều khiển mờ theo luật I thiết kế từ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) cách mắc nối tiếp khâu tích phân kinh điển vào trước sau khối mờ Do tính phi tuyến hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hồn tồn khác Cụ thể ta lấy ví dụ khâu tích phân mắc đầu hệ mờ Hình 5.4 Luật hợp thành Nhiễu ET Fuzzy hóa Thiết bị hợp giải mờ P Đối tượng I Hình 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I b Bộ điều khiển theo luật PD Khi mắc nối tiếp đầu vào điều khiển mờ theo luật tỉ lệ khâu vi phân có điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD Hình 5.5 E d dt E‟ Bộ điều khiển mờ Đối tượng Hình 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 102 Thành phần điều khiển giống điều khiển theo luật PD thông thường bao gồm sai lệch tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống e đạo hàm sai lệch e‟ Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng xác với biến đổi lớn sai lệch theo thời gian Phát triển tiếp từ ví dụ điều khiển mờ theo luật P thành điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản c Bộ điều khiển theo luật PI E  a E b Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ  Đối tượng Đối tượng Hình 5.6 (a,b): Hệ điều khiển mờ theo luật PI Bộ điều khiển mờ theo luật PI thông thường sử dụng để triệt tiêu sai lệch tĩnh hệ thống Bộ điêug khiển mờ PI thiết kế sở điều khiển mờ PD, cách mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân hình Hình 5.6 (a,b) d Bộ điều khiển theo luật PID Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, điều khiển PID biết đến giải pháp đa có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa điều khiển theo luật PID kinh điển trước sử dụng cho điều khiển mờ theo luật PID Bộ điều khiển mờ theo luật PID thiết kế theo hai thuật toán: - Thuật toán chỉnh định PID mờ - Thuật toán PID tốc độ Bộ điều khiển mờ thiết kế theo thuật tốn chỉnh định PID có đầu vào gồm sai lệch e tín hiệu chủ đạo tín hiệu ra, đạo hàm tích phân sai lệch Đầu điều khiển mờ tín hiệu điều khiển u(t) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 103  ut   K e   t d   e.dt  TD e TI dt  (5.1) Với thuật tốn PID tốc độ, điều khiển PID có đầu vào: sai lệch e tín hiệu đầu vào tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc e‟ đạo hàm bậc hai e‟‟ sai lệch Đầu hệ mờ đạo hàm du tín hiệu điều khiển u(t) dt d du d2  K e  e  dt TI dt 2  dt  e (5.2)  Do thực tế thường có hai thành phần (5.1), (5.2) bỏ qua nên thay thiết kế điều khiển PID hoàn chỉnh người ta lại thường tổng hợp điều khiển PI PD Bộ điều khiển PID mờ thiết kế sở điều khiển PD mờ cách mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân Hình 5.7 E d E‟ dt Bộ điều khiển mờ I Đối tượng Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc PID mờ hay gọi điều khiển mờ ba thành phần nghiên cứu Các dạng cấu trúc thường thiết lập sở tách điều chỉnh PID thành hai điều chỉnh PD PI (hoặc I) Việc phân chia nhằm mục đích thiết lập hệ luật cho PD PI (hoặc I) gồm hai (hoặc 1) biến vào, biến ra, thay phải thiết lập ba biến vào Hệ luật cho điều chỉnh PID mờ kiểu thường dựa ma trận MacVicar-whelan đề xuất Cấu trúc không làm giảm số luật mà đơn giản cho việc tính tốn Với nghiên cứu rút nhận xét sau: Bộ điều khiển PI mờ cho đặc tính động học lý tưởng Ở chế độ tĩnh, điều khiển PI mờ có khẳ triệt tiêu sai lệch tĩnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 104 Bộ điều khiển P mờ cho đặc tính động học tương đối tốt, chế độ xác lập hệ thống lại tồn sai lệch tĩnh, hay nói cách khác độ xác hệ thống so với việc sử dụng điều khiển PI mờ Sự ghép nối khâu tuyến tính với hệ mờ (khâu phi tuyến) cho đời điều khiển với tính chất hoàn hảo tạo khả kỹ thuật điều khiển tự động, điều khiển đối tượng phức tạp, đối tượng mà việc khống chế hồn tồn khó khăn khơng điều khiển theo phương pháp kinh điển Ở khẳng định điều khiển mờ đơn giản điều khiển tốt đối tượng phi tuyến phức tạp Một điều lý thú điều khiển mờ cho phép lập lại tính chất điều khiển kinh điển Việc lặp lại tính chất điều khiển kinh điển kỹ thuật mờ nhiều yếu tố quan tâm Các điều khiển P, PI PID điều khiển đối tượng kỹ thuật hoàn thiện cho đặc tính động học tồn hệ thống tốt Nhưng để xử lý thêm tín hiệu đo tăng thêm khả chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay bước điều khiển kinh điển điều khiển mờ phát triển thêm hệ điều khiển dựa sở điều khiển mờ để có tính chất điều khiển mong muốn Cùng với kỹ thuật mờ, điều khiển chung cho phép tạo khả điều khiển đối tượng phong phú đa dạng Các điều khiển mờ cho phép thiết kế đa dạng, qua việc tổ chức nguyên tắc điều khiển chọn tập mờ cho biến ngôn ngữ cho phép thiết kế điều khiển mờ khác Một điểm quan trọng khối lượng công việc cần thực thiết kế cần điều khiển mờ hồn tồn khơng phụ thuộc vào đặc tính đối tượng có tuyến tính hay khơng tuyến tính Điều có nghĩa q trình xử lý điều khiển mờ với nguyên tắc điều khiển cho đối tượng có đặc tính động học khác hồn tồn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 105 5.3 Tổng hợp hệ thống với điều khiển PID kết hợp với điều khiển mờ Do quan hệ  = f(  ) phi tuyến để thực điều khiển phi tuyến, luận văn đề xuất phương pháp dùng điều khiển PID kết hợp với điều khiển mờ jđ + SS1 Vị trí đặt PID + + SS2 w Vị trí Fuzzy Logic Controller Phản hồi vị trí 0,032 0,3S+1 Hình 5.8 Vị trí đặt điều khiển mờ hệ điều khiển vị trí Do quan hệ xác lập   f ( ) phi tuyến Để đạt quan hệ phi tuyến ta tách điều khiển R thành hai khâu điều khiển làm việc song song Một khâu PD với hệ số khuyếch đại số khâu phi tuyến Hình 5.8 Việc tổng hợp khâu PD tiế n hành theo phương pháp truyền thống Chương IV, ta xét phương pháp tổng hợp điều khiển mờ Để thấy rõ tác dụng điều khiển mờ mạch vòng điều khiển vị trí ta trở lại xét mộ hệ T-Đ có tham số (Hệ mơ chương IV) 5.3.1 Mờ hóa Bộ điều khiển mờ ta thiết kế bao gồm biến trạng thái mờ đầu vào biến mờ đầu Mỗi biến lại chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ con) Số giá trị mờ biến chọn để phủ hết khả cần thiết cho khả điều khiển lớn cần số tối thiểu luật điều khiển mờ Ta chọn tập giá trị ngôn ngữ cho biến đầu vào: góc zêzơ (mf1), góc dương (mf2), góc dương lớn(mf3) Sự phân bố hàm liên thuộc đưa Hình 5.9 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 106 Hình 5.9 Sự phân bố giá trị mờ biến đầu vào: vị trí đặt Bộ điều khiển mờ đầu tín hiệu mờ „Hệ số khuếch đại‟ Ta chọn giá trị mờ cho biến đầu ra: Zezo(mf1), dương (mf2), dương lớn (mf3) Sự phân bố giá trị mờ chọn Hình 5.10 Hình 5.10 Sự phân bố giá trị mờ biến đầu ra: Hệ số khuếch đại Hình 5.11 Các luật điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 107 STT Vị trí đặt Hệ số khuếch đại mf1 mf1 mf2 mf2 mf3 mf3 Bảng 5.2 Các luật điều khiển mờ 5.3.2 Luật điều khiển hợp thành Mỗi luật điều khiển hàm giá trị ngôn ngữ, miêu tả thông qua biến trạng thái đầu vào “Vị trí đặt” biến điều khiển mờ đầu “hệ số khuếch đại ” Luật điều khiển thứ i Ri viết sau: Ri: Nếu vị trí đặt Ai hệ số khuếch đại Bi Trong Ai Bi giá trị mờ biến mờ “Vị trí đặt” “Hệ số khuếch đại” Các luật điều khiển thiết kế bảng 5.2 Luật hợp thành xây dựng sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN Hình 5.12 Sơ đồ khối khối luật bù mờ 5.3.3 Giải mờ Giải mờ thực theo phương pháp điểm trọng tâm, phương pháp trung bình hay phương pháp cực đại Do miền xác định giá trị mờ đầu miền liên thông nên ta giải mờ theo phương pháp trọng tâm Giá trị rõ x xác định theo phương pháp điểm trọng tâm công thức: x0   x.μ B (x)dx S  μ B (x)dx (5.3) S Trong đó: S miền xác định tập mờ B 5.4 Mô hệ điều khiển vị trí bàn máy có điều khiển mờ lai Bổ xung thêm điều khiển mờ thiết kế vào sơ đồ hình 4.22 ta hệ điều chỉnh vị trí có đặc tính điều chỉnh phi tuyến nhờ có điều khiển mờ hình 5.13 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 108 Hình 5.13 Sơ đồ mơ hệ điều khiển vị trí có điều khiển mờ Sử dụng phần mềm Matlab để mô hệ điều khiển mờ, ta tiến hành theo hai bước: Mô điều khiển mờ: Việc xây dựng điều khiển mờ dựa công cụ Fuzzy phần mềm Matlab Các hàm liên thuộc giá trị mờ biến vào chọn hình 5.9 5.10 Các luật điều khiển bảng 5.2 Hình 5.14 quan hệ vào/ra điều khiển mờ Hình 5.14 Quan hệ vào – điều khiển mờ Mơ tồn hệ: Trên hình 5.13 sơ đồ mơ hệ điều khiển vị trí có sử dụng điều khiển mờ Tiến hành chạy chương trình mơ với giá trị vị trí đặt, hệ thống khảo sát với dịng điện tải I = 8,7A (tải định mức) Cho chạy chương trình mơ với giá trị vị trí đặt ta có kết hình 5.15 5.16 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 109 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ Vị trí Tốc độ Dịng điện Hình 5.15 Kết mơ với đặt = 10 V, I = A Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 110 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ Vị trí Tốc độ Dịng điện Hình 5.16 Kết mô với đặt = 10V, I = 8,7A Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 111 Nhận xét Sau đưa điều khiển mờ lai vào thay điều khiển PID để nâng cao chất lượng cho hệ truyền động bàn máy phay CNC, từ kết mô phần mềm Matlab ta thấy hệ điều khiển vị trí sử dụng điều khiển mờ lai cho kết tốt so với điều khiển PID: - Vị trí cần điều khiển đạt độ xác nhanh - Thời gian độ trình khởi động trình hãm nhỏ - Tốc độ nhanh chóng đạt trạng thái ổn định dao động - Gia tốc hệ thống biến thiên giữ ổn định Như hệ điều khiển vị trí sử dụng điều khiển mờ lai đảm bảo chất lượng tĩnh chất lượng động tốt dùng điều khiển PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau tháng nghiên cứ u tài liệu cũ ng tìm hiểu thực tế tác giả hồn thành nợi dung công việc cụ thể luận văn sau: Nắm được cấu trúc của hệ CNC, công nghệ của các máy cơng cụ CNC Q trình xử lý thơng tin dữ liệu hệ CNC Hệ thống đo lường điều khiển Hoàn thành việc tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC sử dụng hệ thống truyền động Thyristor - động một chiều với điều khiển PID Kết mô ta nhận thấy chất lượng hệ thống thỏa mãn yêu cầu truyền động bàn máy phay CNC Từ kết tơi tiến hành tìm biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống Do tính phi tuyến mạch vịng vị trí, để nâng cao chất lượng hệ thống bằng bộ điều khiển mờ lai với hệ truyền động đ iện dùng Thyristor - động một chiều Từ kết quả mô phỏng phần mềm Matlab , rút kết luận : “Hệ điều khiển vị trí sử dụng điều khiển mờ lai cho kết quả tốt so với bộ điều khiển PID” Kiến nghị Việc nâng cao chất lượng hệ thống truyền động bàn máy phay CNC sử dụng nhiều điều khiển khác, luận văn dùng sử dụng điều khiển mờ lai để nâng cao chất lượng hệ thống Nếu có điều kiện tơi tiến hành nghiên cứu thiết kế ứng dụng thay điều khiển thông minh khác như: - Bộ điều khiển mờ - Bộ điều khiển mờ noron - Bộ điều khiển mờ trượt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... quan máy công cụ CNC Chương II - Hệ thống đo lường điều khiển máy CNC Chương III - Phân tích chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay. .. THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên : Tạ Minh Tiến Người hướng dẫn khoa học... THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên: Tạ Minh Tiến Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS