Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn này là thiết kế bộ điều khiển khử rơ. Bộ điều khiển này dùng vi điều khiển dsPIC30F4011 của hãng Microchip, cụ thể là vi điều khiển dsPIC30F4011. Bộ điều khiển có thể điều khiển chính xác vị trí di chuyển của bàn trượt. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- LƯU HOÀNG HIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- LƯU HOÀNG HIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS. Trần Thu Hà Chủ tịch 2 TS. Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Duy Anh Phản biện 2 4 TS. Võ Tường Quân Ủy viên 5 TS. Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lưu Hoàng Hiệp ............................................................. Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/01/1977 ..........................................Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử ........................................... MSHV: 1241840005 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ II- Nhiệm vụ và nội dung: a. Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan b. Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ c. Thiết kế bộ điều khiển khử rơ d. Mô phỏng hệ điều khiển e. Thực nghiệm và kết luận III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/12/2013 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Tấn Tiến CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Lưu Hoàng Hiệp
ii LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cảm ơn: Thầy Nguyễn Tấn Tiến, giảng viên hướng dẫn, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng như tạo những điều kiện thuận lợi để đề tài được hoàn thành. Các bạn sinh viên của tập thể lớp Cơ Điện Tử đã có những giúp đỡ thiết thực cũng như động viên trong quá trình thực hiện đề tài. Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã hỗ trợ tất cả mọi điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp. Lưu Hoàng Hiệp
iii TÓM TẮT Mục tiêu của luận án này là thiết kế bộ điều khiển khử rơ. Bộ điều khiển này dùng vi điều khiển dsPIC30F4011 của hãng Microchip, cụ thể là vi điều khiển dsPIC30F4011. Bộ điều khiển có thể điều khiển chính xác vị trí di chuyển của bàn trượt. Bộ điều khiển khử rơ được thiết kế để có thể điều khiển hệ thống đạt được các giá trị mong muốn một cách nhanh chóng, giảm độ vọt lố đến mức tối thiểu, hệ thống hoạt động ổn định và sai số ở mức tối thiểu. Đồng thời, quá trình hoạt động của hệ thống cũng được giám sát qua máy tính để người điều khiển có thể quan sát cũng như có những quyết định điều khiển thuận tiện và hợp lý. Nội dung đề tài bao gồm các chương sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan Chương 2: Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ Chương 4: Mô phỏng hệ điều khiển Chương 5: Thực nghiệm và kết luận
iv ABSTRACT The objective of this thesis is to design the controller de-trailers. This controller using microcontroller Microchip's dsPIC30F4011, namely dsPIC30F4011 microcontroller. The controller can control the exact location of the moving slide. The controller is designed to de-relay control system can achieve the desired value quickly, reducing to a minimum overshoot, stable operating system and minimum errors. At the same time, the operation of the monitoring system is also through to the control PC can be observed as well as the decision to conveniently control and reasonable. Content topics include the following: Chapter 1: Research overview of related issues Chapter 2: Modeling system has a mechanical relay Chapter 3: Designing the controller de-trailers Chapter 4: Simulation of control systems Chapter 5: Experiments and conclusions
v MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................................... i Lời cảm ơn .......................................................................................................................ii Tóm tắt luận án .............................................................................................................. iii Abstract ..................................................................................................................................... iv Mục lục ............................................................................................................................ v Danh sách hình ..............................................................................................................vii Danh mục các từ viết tắt, kí hiệu ................................................................................. viii Danh sách bảng ............................................................................................................... ix MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1 2. Mục đích của đề tài .................................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 1 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................... 2 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................. 3 1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................................ 3 1.3 Backlash và hiệu chỉnh ................................................................................................ 7 CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA HỆ CƠ KHÍ CÓ ĐỘ RƠ 2.1 Mô hình hóa hệ thống .............................................................................................. 10 2.2 Đặc tính độ rơ (backlash) ........................................................................................ 14 2.3 Mô hình hóa rơ ........................................................................................................ 16 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ 3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID ................................................................................... 18 3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID ...................................................................................... 19 3.3 Hiệu chỉnh bộ điều khiển ......................................................................................... 23 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển ........................................................................... 24 3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống ..................................................................................... 24 CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mô phỏng hệ thống không có bộ điều khiển ........................................................... 25 4.2 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ....... 26 4.3 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ...... 27 4.4 Mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ... 28
vi CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 5.1 Mô hình thực nghiệm hệ thống ............................................................................... 29 5.2 Tìm độ rơ của hệ thống cơ khí cần điều khiển ........................................................ 30 5.3 Kết quả nhận được khi thực nghiệm trên ba thông số của bảng 5.1 ....................... 31 5.4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài ................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vii DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay .................................................... 3 Hình 1.2 Sai số do vítme .................................................................................................. 4 Hình 1.3 Sai số do sống trượt .......................................................................................... 4 Hình 1.4 Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng........................................................ 5 Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui và tới ....................................................................... 8 Hình 1.6 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm ...................................................................... 9 Hình 2.1 Hệ thống cơ khí cần điều khiển ...................................................................... 10 Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí có độ rơ ........................................................... 10 Hình 2.3 Sơ đồ mô hình hóa động cơ ........................................................................... 11 Hình 2.4 Sơ đồ mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ ............................................................ 13 Hình 2.5 Độ rơ (backlash) trên bánh răng.................................................................... 14 Hình 2.6 Đồ thị khe hở phi tuyến................................................................................... 15 Hình 2.7 Đồ thị ngõ vào và ra của khe hở phi tuyến..................................................... 16 Hình 2.8 : (a) Mô hình khe hở (b) Khe hở trong các kết nối cơ khí. ............................ 16 Hình 2.9 : Mô hình hóa đặc tính khe hở ....................................................................... 17 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID ............................................................. 18 Hình 3.2 Đáp ứng của khâu PD, PI và PID ................................................................. 18 Hình 3.3 : Sơ đồ mô phỏng xác định hằng số khuếch đại tới hạn................................. 21 Hình 3.4 : Đồ thị đầu vào – đầu ra hệ thống ở biên giới ổn định ................................. 21 Hình 3.7 : Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth .............................................................. 23 Hình 3.8 : Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển ................................................................ 24 Hình 3.9 : Lưu đồ điều khiển hệ thống .......................................................................... 24 Hình 4.1a) Mô phỏng hệ thống không có bộ điều khiển. .............................................. 25 Hình 4.1b) Đáp ứng đầu ra hệ thống không có bộ điều khiển PID, giá trị đặt 700 xung nhưng đầu ra hệ thống chỉ ở 300 .................................................................................. 25 Hình 4.2a) Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển P và backlash =1,1 ................. 26 Hình 4.2b) Đáp ứng đầu ra hệ thống có bộ điều khiển P chưa đạt vị trí đặt ............... 26 Hình 4.3a) Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển PI và backlash =1,1 ................ 27 Hình 4.3b) Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PI gần đạt vị trí đặt ..... 27 Hình 4.4 a)Mô hình đầu ra hệ thống có bộ điều khiển PID và backlash =1,1 ............. 28 Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PID có vọt lố ............... 28
viii Hình 5.1 Mô hình hệ thống cơ khí ................................................................................. 29 Hình 5.2 Vị trí xung đặt và giá trị xung từ encoder hồi tiếp về .................................... 31 Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển P chưa bằng vị trí đặt ............... 31 Hình 5.4 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển PI không có vọt lố ..................... 32 Hình 5.5 Đáp ứng hệ thống cơ khí Kp=5,880; Ti=0,004; Td =0,001 có vọt lố ............. 33
ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU y : Giá trị ngõ ra vị trí hồi tiếp (xung encoder từ thước đo quang) r : Giá trị đặt ngõ vào e : Sai số của vòng điều khiển vị trí v : Xung ngõ ra bộ điều khiển vị trí u : Xung ngõ ra bộ khuếch đại F : Nhiễu hệ thống cơ khí BM : Ma sát của động cơ B : Ma sát của bộ giảm tốc BL : Ma sát của bộ truyền động víttme – đai ốc JM : Quán tính của động cơ JL : Quán tính của động cơ TM : Mô-mem của động cơ TL : Mô-mem của truyền động víttme – đai ốc M : vận tốc góc của động cơ L : vận tốc góc của truyền động víttme – đai ốc k : độ co giãn trục động cơ u1(t): vị trí giá trị thực tế r(t): giá trị đặt vị trí Ra: Điện trở phần ứng động cơ Ia : Dòng điện phần ứng động cơ La : Điện cảm phần ứng động cơ Va : Điện áp phần ứng động cơ Ea : Điện áp kích từ động cơ
x DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 Hằng số của hệ thống.............................................................................. 20 Bảng 3.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .................... 22 Bảng 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .................... 22 Bảng 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .................... 22 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của 3 thông số hiệu chỉnh bộ điều khiển ............................... 23 Bảng 5.1 Thông số Kp, Ki, Kd của hệ thống ............................................................. 31
11 1
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong hầu hết các hệ thống cơ khí và thủy lực đều hiện diện độ rơ (Backlash), Nguyên nhân là do các khoảng trống nhỏ tồn tại trong cơ chế truyền động cơ khí. Trong hệ thống truyền động cơ khí, luôn luôn tồn tại những khoảng trống nhỏ giữa một cặp bánh răng tiếp xúc với nhau. Điều này sẽ làm cho hệ thống thiếu chính xác. Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm. Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó đáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượng sản phẩm chế tạo nói chung. Từ những nguyên nhân như trên, tác giả quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí ”. 2. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài này là nghiên cứu bộ điều khiển chính xác hệ thống cơ khí. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ.  Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ.  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển chính xác vị trí.  Thiết kế bộ điều khiển khử rơ.  Mô phỏng hệ điều khiển.  Thực nghiệm và kết luận.
2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển hệ truyền động có độ rơ. Hệ truyền động có độ rơ gặp nhiều trong thực tế, việc áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho hệ này sẽ góp phần điều khiển hệ thống cơ khí chính xác, nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.
3 Chương 1 Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan 1.1. Đặt vấn đề Hệ thống truyền động cơ khí bao gồm các thành phần cơ bản : động cơ – hộp giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – cơ cấu chấp hành,…Trong gia công cơ khí nói riêng và chế tạo máy nói chung, điều khiển chính xác vị trí (vận tốc, gia tốc) là yêu cầu quan trọng để có thể chế tạo máy tự động (CNC). 1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1.2.1 Điều khiển chính xác trong cơ khí Gồm : Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Chuyển động quay Chuyển động tịnh tiến (tiến và lùi) Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay
4 1.2.2 Nguyên nhân không chính xác trong điều khiển a. Sai số do vítme Cơ cấu chuyển động quay của động cơ được chuyển thành chuyển động tịnh tiến bằng vít me bi như trong hình 1.1. Vít me đai ốc có ma sát lớn hơn so với vít me bi. Vít me bi có đường xoắn vít, đai ốc và một số viên bi lăn giữa vít và đai ốc. Khi vít me quay, các viên bi truyền chuyển động dọc trục tới gối đỡ. Sai số động học trong đo vị trí bằng đầu mã hóa quay và vít me bi xuất phát chủ yếu từ sai số bước vít me. Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước của vítme bi liên quan trực tiếp tới chuyển động tuyến tính. . Hình 1.2 Sai số do vítme b. Độ biến dạng Trong hệ thống cơ khí, có hai loại sống dẫn hướng được sử dụng, sống dẫn hướng lăn và sống dẫn hướng trượt. Với sống dẫn hướng trượt, lực chuyển động ban đầu cao hơn để làm bàn máy chuyển động. Nếu sống dẫn hướng và các chi tiết dẫn động vít me bi không được đặt đối xứng. Với sống dẫn hướng trượt, ma sát trượt lớn và luôn luôn xuất hiện sai số do dính trượt. Sai số còn xuất hiện trong quá trình chế tạo sống dẫn hướng và sai số trong quá trình lắp ráp. Hình 1.3 Sai số do sống trượt Sống dẫn hướng lăn có ma sát nhỏ hơn loại trượt. Tuy nhiên sống dẫn hướng
5 lăn có khả năng dập rung động kém hơn loại sống trượt. Sống dẫn hướng thủy tĩnh có khả năng giảm áp lực. Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn hướng là: Chế tạo không chính xác; - Mòn sống dẫn hướng; - Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt; - Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ. c. Độ rơ của bánh răng Thường xảy ra ở hộp số, sau thời gian sử dụng vị trí tiếp xúc giữa các bánh răng bị hao mòn gây nên độ rơ không mong muốn. Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng d. Độ rơ do ổ đỡ Các loại đáp ứng khác nhau có thể dự đoán được phụ thuộc vào việc vít me bi có thể giãn ra dễ dàng hay không. Phần lớn hệ thống cơ khí sử dụng 3 loại ổ đỡ khác nhau để đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng theo sự thay đổi của nhiệt độ. Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độ tăng. Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước. Loại ổ đỡ này làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định và ngoài khoảng này nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt. Các nguồn sai số liên quan đến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục động cơ servo với các phần lắp ghép. e. Sai số do nhiệt Một máy công cụ thường hoạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do