Báo cáo Đề tài Nghiên cứu chế tạo mô hình bàn máy CNC điều khiển vị trí bằng động cơ thủy lực

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ DO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUẢN LÝ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH BÀN MÁY CNC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Mã số: Đ2013-02-55 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trần Ngọc Hải Đà Nẵng, 12/ 2013 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ DO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUẢN LÝ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH BÀN MÁY CNC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Mã số: Đ2013-02-55 Xác nhận của Cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Đà Nẵng, 12/ 2013 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Máy CNC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật. Hiện nay, các máy trên chủ yếu là nhập ngoại. Trong những năm gần đây có nhiều đề tài nghiên cứu và dự án sản xuất máy CNC. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ thiên về nghiên cứu ứng dụng, trên cơ sở tích hợp các phần tử mua từ nước ngoài. Mặt khác, một số máy được chế tạo hiện nay chủ yếu bàn máy truyền động và điều khiển bằng động cơ điện một chiều, động cơ điện AC servo, loại truyền động này phù hợp với những máy có công suất nhỏ và trung bình. Còn với những máy có công suất lớn và cần kết cấu gọn thì nhiều hãng nước ngoài đã ứng dụng hệ truyền động và điều khiển thủy lực. Ở Việt Nam lĩnh vực này còn mới mẻ nên việc nghiên cứu này là hết sức cần thiết. 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu lý thuyết, khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy CNC truyền động bằng động cơ thủy lực, chế tạo mô hình bàn máy CNC truyền động và điều khiển bằng thủy lực, khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy trên mô hình thực nghiệm nhằm nâng cao khả năng nghiên cứu chuyên sâu cũng như góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu khoa học cho sinh viên, học viên cao học thuộc các chuyên ngành Chế tạo máy và Cơ điện tử. 3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI 3.1. Ngoài nước 2 Các công ty sản xuất máy CNC trên thế giới. Tuy nhiên, không có tài liệu nào được công bố về nghiên cứu động lực học của bàn máy CNC truyền động và điều khiển hệ thủy lực. 3.2. Trong nước Hiện nay, nhiều đề tài nghiên cứu và dự án sản xuất máy CNC như ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học Bách khoa Tp HCM, viện máy công cụ (IM),..nhưng bàn máy truyền động và điều khiển bằng động cơ điện một chiều, động cơ điện AC servo mà chưa ứng dụng động cơ thủy lực. Các đề tài liên quan được công bố: - Đề tài: “Nghiên cứu điều khiển quá trình động lực học cụm truyền động môtơ thủy lực - vít me bi tạo chuyển động tịnh tiến”, đề tài cấp Bộ của chủ nhiệm PGS.TS Trần Xuân Tùy, năm 2001; - Bài báo: “Mô hình toán của hệ điều khiển tự động của môtơ thủy lực khi sử dụng Proprotional - valve”, của tác giả PGS.TS Trần Xuân Tùy. Tập san Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, năm 1998; - Bài báo: “Mô hình điều khiển tốc độ môtơ thủy lực khi sử dụng van Servo”, của tác giả PGS.TS Trần Xuân Tùy. Tuyển tập các công trình khoa hoc, Hội nghị khoa học toàn quốc về Cơ kỹ thuật, năm 2001; - Bài báo: “Nghiên cứu động lực học của cụm bàn dao máy CNC truyền động bằng thủy lực, khi tính đến khối lượng của dầu và rôto của môtơ thủy lực”, của nhóm tác giả Trần Xuân Tùy, Trần Ngọc Hải. Tuyển tập báo cáo khoa học tại hội nghị toàn quốc lần thứ 4 về Cơ điện tử, 2008. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.1. Đối tượng nghiên cứu 3 Cụm bàn máy CNC điều khiển bằng động cơ thủy lực 4.2. Phạm vi nghiên cứu Xây dựng mô hình nghiên cứu; Thiết lập mô hình tính toán mô tả hệ; Lập chương trình tính toán và các kết quả của chương trình mô phỏng; nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm. 5. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1. Cách tiếp cận Lý thuyết và thực nghiệm 5.2. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng các phương pháp mô hình hoá, sử dụng lý thuyết điều khiển tự động và phương pháp số để giải bài toán động lực học trên máy vi tính; khảo sát trên mô hình thực nghiệm và so sánh. 6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực; - Xây dựng mô hình bàn máy CNC truyền động bằng động cơ thủy lực; - Khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy trên máy vi tính; - Lắp ráp mô hình thực nghiệm bàn máy CNC truyền động và điều khiển bằng thủy lực; - Sử dụng ngôn ngữ C và phần mềm Visual Basic để thiết kế giao diện, kết nối mô hình thực nghiêm với máy vi tính và khảo sát các đáp ứng vị trí của bàn máy CNC trên mô hình thực nghiệm. 4 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.1.1. Khả năng ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực Tự động hóa quá trình sản xuất và tự động hóa quá trình công nghệ là yêu cầu bức thiết của quá trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa hoc - kỹ thuật sang cách mạng khoa học - công nghệ từ nửa cuối thế kỷ 20 và tự động hóa công nghệ cao của thế kỷ 21. Để công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế Việt Nam trong tương lai tới thì trình độ công nghệ của sản xuất phải được đánh giá bằng chỉ tiêu công nghệ tiên tiến và tự động hóa. Chỉ tiêu công nghệ tiên tiến và tự động hóa được thể hiện qua các dây chuyền sản xuất tự động như dây chuyền chế biến thực phẩm, các máy tự động gia công sản phẩm nhựa, máy công cụ điều khiển theo chương trình số,... Góp phần vào quá trình đó, kỹ thuật truyền động và điều khiển hệ thủy lực đã phát triển mạnh ở các nước công nghiệp. Kỹ thuật này được ứng dụng để truyền động cho những cơ cấu có công suất lớn, thực hiện điều khiển logic cho các thiết bị hoặc dây chuyền thiết bị tự động, đặc biệt nhờ khả năng truyền động được vô cấp mà nó được ứng dụng để điều khiển vô cấp tốc độ, tải trọng và vị trí của cơ cấu chấp hành. Hiện nay, hệ thủy lực được sử dụng để điều khiển các thiết bị như máy ép điều khiển số, rôbot công nghiệp, máy CNC hoặc trong các dây chuyền sản xuất tự động. Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển tự động thủy lực đã bước đầu được áp dụng trong những dây chuyền tự động, trong các máy điều khiển theo chương trình số (CNC). Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực còn rất mới mẻ, cần nghiên cứu phát triển và áp dụng một cách có hiệu quả, thiết thực hơn. 5 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.2.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động 1.2.1.1. Khái niệm chung; 1.2.1.2. Đáp ứng quá độ 1.2.1.3. Tín hiệu tác động và phản ứng của hệ 1.2.2. Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động 1.2.2.1 Ổn định của hệ thống điều khiển tự động 1.2.2.2. Tiêu chuẩn ổn định 1.2.2.3. Sai số điều khiển 1.2.2.4. Các chỉ tiêu chất lượng của đáp ứng quá độ 1.2.2.5. Các phương pháp số thông dụng 1.2.3. Chức năng và hàm truyền của bộ điều khiển PID 1.2.4. Bộ điều khiển mờ (Fuzzy) 1.3. NHẬN XÉT Giới thiệu tổng quan khả năng ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực vào các máy CNC và một số cơ cấu đã được dùng trong bàn máy CNC. Tổng hợp cơ sở lý thuyết điều khiển tự động: hàm truyền, lý thuyết Laplace, đại số sơ đồ khối, đáp ứng quá độ, tín hiệu tác động, phản ứng của hệ và chất lượng của hệ thống điều khiển tự độngLý thuyết này nhằm phục vụ nghiên cứu lý thuyết động lực học máy và phương pháp số để lập chương trình tính toán. 6 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU CỤM BÀN MÁY CNC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC 2.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU Hình 2.1. Mô hình bàn máy CNC Mô hình bàn máy CNC được thể hiện trên hình 2.1 có 2 trục dịch chuyển X và Y. Tuy nhiên, trong giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu điều khiển vị trí trục X của cụm bàn máy CNC, truyền động bằng động cơ thủy lực thể hiện ở hình 2.2. Để điều khiển động cơ thủy lực Bàn máy Động cơ thủy lực Vít me bi Sóng trượt Bộ điều khiển Máy vi tính D/ A A/ D Van tỷ lệ Cảm biến đo góc Y X Bộ truyền đai răng nt 7 ta sử dụng van tỷ lệ. Thiết bị đo vị trí dịch chuyển của bàn máy được sử dụng thông qua cảm biến đo góc quay và cảm biến này nhận tín hiệu vị trí của trục vít me bi thông qua bộ truyền đai răng (phương pháp đo này hiện cũng được dùng nhiều trong các máy CNC) Hình 2.2. Sơ đồ mạch điều khiển 2.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 2.2.1. Mô hình tính toán: Mô hình tính toán được thiết lập trên cơ sở là hệ tuyến tính, trong đó có tính đến biến dạng đàn hồi của dầu, tổn thất lưu lượng trong hệ truyền động thủy lực. Ma sát và giá trị mômen quán tính khối lượng trên trục động cơ thủy lực là các giá trị thu gọn từ bàn máy và giá trị trên rôto của động cơ thủy lực. Trục vít me bi được coi là cứng vững tuyệt đối, bộ truyền đai răng coi như một khâu khuếch đại (do tải rất nhỏ nên gần như không có đàn hồi). Mô hình phân tích được thể hiện trên hình 2.3. U X E Vít me bi + bàn máy Cảm biến đo góc quay F Bộ điều khiển I Cụm van + động cơ thủy lực Ω I Van tỷ lệ Vít me-đai ốc bi (bước tx) θ Ω X + E U m Q λ Q p 0 mD Bộ điều khiển Động cơ thủy lực - F Cảm biến đo góc quay fm KC C x I x 8 Hình 2.3. Mô hình phân tích động lực học 2 x m2 2 t .fb       pi = ; 2 x 2 2 t .mJ       pi = ; b = b1 + b2; J = J1 + J2 (2.1) Các ký hiệu sử dụng trong mô hình: b1 - Hệ số ma sát nhớt trên trục động cơ; b2 Hệ số ma sát nhớt quy đổi từ bàn máy về trục vít me bi; fm - Hệ số ma sát nhớt của bàn máy ; U - Tín hiệu điều khiển; E - Tín hiệu so sánh; F - Tín hiệu phản hồi; tx - Bước của vít me bi; I - Dòng điện điều khiển van; KV - Hệ số khuếch đại của van tỷ lệ; Q - Lưu lượng cung cấp của van tỷ lệ; X - Vị trí của bàn máy; B - Mô đun đàn hồi của dầu; J1 - Giá trị mômen quán tính khối lượng của dầu và rôto của động cơ thủy lực; J2 - Giá trị mômen quán tính khối lượng quy đổi từ khối lượng bàn máy về trục vít me; λ - Hệ số tổn thất lưu lượng; p - Áp suất làm việc của động cơ thuỷ lực; Dm - Thể tích của động cơ thủy lực/rad; 0 mD - Thể tích riêng của động cơ thuỷ lực; V - Thể tích chứa dầu trong buồng công tác; Ω - Vận tốc góc của trục động cơ thuỷ lực; θ - Góc quay của trục động cơ thuỷ lực. 2.2.2. Các phương trình mô tả toán học của hệ Mối quan hệ giữa chuyển động thẳng và chuyển động quay qua bộ truyền vít me bi được xác định theo công thức sau: X. t 2 x pi =θ (2.2) Trên môtơ thủy lực và van tỷ lệ, ta có: Phương trình cân bằng lưu lượng trên động cơ thủy lực và van tỷ tx θ Ω X m fm tx θ Ω X J2 b2 Động cơ thủy lực B2 V Q λ Q p Dm θ Ω b J I I Van tỷ lệ 9 lệ là: p. dt dp .C dt d .DQ m λ++ θ = (với B2 VC = ); Q = KV.I (2.3) Phương trình cân bằng mômen trên môtơ thủy lực là: dt d .b dt d .Jp.D 2 2 0 m θ + θ = (2.4) Phương trình Laplace của hệ sẽ là: b = b1 + b2; J = J1 + J2; ( ) ( )sX. t 2 s x pi =θ (2.5) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )sp.sp.s. B2 V s.s.DsI.KsQ mV λ++θ== (2.6) ( ) ( ) ( )s.s.bs.s.Jsp.D 20 m θ+θ= (2.7) Biến đổi các phương trình : Phương trình (2.7), ta có: ( ) ( ) ( )s.s. D b s.s. D J sp 0 m 2 0 m θ+θ= ( ) ( )s.s.D b s. D J sp 0 m 2 0 m θ      +=⇔ (2.8) Thay (2.8) vào (2.6), ta có: ( ) ( ) ( )s.s. D b s. D J .s. B2 V s.s.DsQ 0 m 2 0 m m θ      +    λ++θ= ( ) ( )s.s. D b s. D J .s. B2 V s.DsQ 0 m 2 0 m m θ            +      λ++=⇔ ( ) ( )s.s. D bDs. D J D b . B2 V s. D J . B2 V sQ 0 m m 2 0 m 0 m 3 0 m θ            λ ++      λ ++=⇔ (2.9) Từ (2.9), ta có: ( ) ( )             λ ++      λ ++ = θ s. D bDs. D J D b . B2 V s. D J . B2 V 1 sQ s 0 m m 2 0 m 0 m 3 0 m (2.10) Mối quan hệ giữa các tín hiệu của phương trình (2.5), (2.6), và (2.10) được thể hiện như ở sơ đồ khối sau hình 2.4: 10 Hình 2.4. Sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu trong hệ thống Biến đổi sơ đồ khối hình 2.4: Hình 2.5. Sơ đồ khối sau khi biến đổi Với h1, h2, h3 là các tham số của hệ, trong đó:           λ += λ += = ; D bDh ; D J D b . B2 Vh ; D J . B2 Vh 0 m m3 0 m 0 m 2 0 m 1 Đặt: x C M x S t K2K; 2 tK pi= pi = 2.3. NHẬN XÉT Xây dựng mô hình nghiên cứu điều khiển vị trí trục X của cụm bàn máy CNC, truyền động bằng động cơ thủy lực, điều khiển động cơ thủy lực ta sử dụng van tỷ lệ. Mô hình tính toán được thiết lập trên cơ sở là hệ tuyến tính, với giả thiết có tính đến biến dạng đàn hồi của dầu, tổn thất lưu lượng trong hệ truyền động thủy lực. Ma sát và giá trị mômen quán tính X(s) Q(s ) K                 λ ++        λ ++ s. D bDs. D J D b . B2 V s. D J . B2 V 1 0 m m 2 0 m 0 m 3 0 m KC U(s ) I(s) θ(s) pi2 t x F(s) I(s) s.hs.hs.h K 3 2 2 3 1 S ++ U(s) X(s) MK F(s) VK Q(s) 11 khối lượng trên trục động cơ thủy lực là các giá trị thu gọn từ bàn máy và giá trị trên rôto của động cơ thủy lực. Trục vít me bi được coi là cứng vững tuyệt đối. Từ các giả thiết trên đã thiết lập được mô hình tính toán, viết các phương trình toán học và sơ đồ khối (hình 2.5) mô tả hệ thống. Từ sơ đồ khối hình 2.5, Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để nghiên cứu mô phỏng đáp ứng vị trí của bàn máy. 12 Chương 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG VỊ TRÍ CỦA BÀN MÁY Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink khảo sát và đánh giá đáp ứng vị trí của hệ với 3 trường hợp sau: khi hệ điều khiển theo P, điều khiển theo PID và điều khiển theo PID mờ. Ta có sơ đồ khối mô phỏng trên Matlab/Simulink được thể hiện trên hình 3.1. Hình 3.1. Mô phỏng trên Matlab Các thông số khảo sát: U = 25(V); KV = 5.103[(mm3/s)/mA]; KC = 1(V/rad); λ = 4.105(mm5/Kg.s); Dm = 3.104(mm3/rad); tx = 4(mm); b1 = 0.5(Nmm.s/rad); fm = 0.3(N.s.rad/mm); J1 = 100(Nmm.s2); m = 100(Kg); B = 1400000(kg/mm.s2); T = 30(s). 3.1. TÌM CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA BỘ ĐIỀU s.hs.hs.h K 3 2 2 3 1 S ++ Tin hieu vao [U(V)] du/dt Fuzzy Logic Controller Derivative Tin hieu ra [X(mm)] s.hs.hs.h K 3 2 2 3 1 S ++ KM HS Phan hoi KV PID Controller s.hs.hs.h K 3 2 2 3 1 S ++ KM KV HS Phan hoi PID KM KV HS Phan hoi Ham truyen he thong Ham truyen he thong Ham truyen he thong HS khuech dai HS khuech dai HS khuech dai 13 KHIỂN PID Ta có, phương trình toán học của bộ điều khiển PID: dt deKdt)t(e.K)t(e.K)t(u t 0 DIP ∫ ++= Trong đó: KP, KI, KD > 0. Để các hệ số KP, KI, KD có thể chọn theo phương pháp Ziegler - Nichols, phương pháp điều chỉnh hệ số lần lượt là KP->KI->KD. Ở đây ta chỉ xét với trường hợp hệ số khuếch đại của van tỷ lệ KV = 5.103(mm3/s)/mA. Phương pháp Ziegler - Nichols: • Cho KP= 0.1 và điều chỉnh thông số KI = KD = 0 • Cho tăng dần KP hệ hồi tiếp đến khi hệ dao động điều hòa. KP lúc này chính là Kcr và bước sóng dao động chính là Pcr. Hình 3.2. Đáp ứng tại Kcr va Pcr Hệ số tìm được khi mô phỏng trong matlab là Kcr =12800 và Pcr =0.04; 7680K6,0K crP == ; 384000P K2K cr P I == 648 PKK crPD == Trên thực tế các hệ số KP, KI, KD không lớn như trong mô phỏng 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 150 200 250 300 350 Thời gian (s) H à n h t r ì n h X ( m m ) Step response with PID at Kcr 14 trên nên ta không thể áp dụng với phương pháp Ziegler - Nichols. Từ đó, chuyển hệ từ miền Laplace sang miền z theo zero order hold. Và tận dụng thuật toán tự điều chỉnh thông số sau mỗi lần lấy mẫu để xác định các thông số ban đầu cho KP, KI, KD. Hình 3.3. Điều chỉnh thông số ban đầu dùng z-transform Sau khi chạy chương trình ta tìm được các thông số ban đầu KP, KI, KD lần lượt là KP = 90.6316, KI = 1.5062 và KD = 26.2628. 3.2. CHỌN LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 3.3. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG z-transform to turn PID parameters Thoi gian (s) V i t r i X ( m m ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200 20 40 60 80 100 120 140 160 Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ điều khiển hệ thống KP + - Bộ FUZZY Bộ PID HÀM TRUYỀN HỆ THỐNG KI KD de(t)/dt Hệ số phản hồi 15 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 120 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may tai diem cai dat 100mm Dap ung khi dieu khien theo P (X=99.987mm, thoi gian 36.8s) Dap ung khi dieu khien PID (X=100.022mm, thoi gian 8.2s) Dap ung khi dieu khien PID mo (X=100.012mm, thoi gian 4.5s) Dap ung mong muon (X=100mm) 0 5 10 15 20 25 30 35 400 50 100 150 200 250 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may tai diem cai dat 200mm Dap ung khi dieu khien theo P (X=199.974mm, thoi gian 37.5s) Dap ung khi dieu khien theo PID (X=200.044mm, thoi gian 10.45s) Dap ung khi dieu khien theo PID mo (X=200.025mm, thoi gian 5.9s) Dap ung mong muon (X=200mm) 0 5 10 15 20 25 30 35 400 50 100 150 200 250 300 350 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may tai diem cai dat 300mm Dap ung khi dieu khien theo P (X=299.961mm, thoi gian 38.4s) Dap ung khi dieu khien theo PID (X=300.067mm, thoi gian 14.4s) Dap ung khi dieu khien theo PID mo (X=300.038mm, thoi gian 10s) Dap ung mong muon (X=300mm) 1) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 100mm Hình 3.11. Đáp ứng vị trí bàn máy 100mm 2) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 200mm Hình 3.12. Đáp ứng vị trí bàn máy 200mm 3) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 300mm Hình 3.13. Đáp ứng vị trí bàn máy 300mm 16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 900 50 100 150 200 250 300 350 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may theo buoc nhay tai cac diem cai dat 100-200-300mm Dap ung khi dieu khien theo P Dap ung khi dieu khien theo PID Dap ung khi dieu khien theo PID mo Dap ung mong muon 0 20 40 60 80 100 120-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may theo buoc nhay tai cac diem cai dat 300-200-100-0mm Dap ung khi dieu khien theo P Dap ung khi dieu khien theo PID Dap ung khi dieu khien theo PID mo Dap ung mong muon 4) Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt 100-200-300mm Hình 3.14. Đáp ứng vị trí bàn máy theo bước nhảy 5) Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt 300-200-100-0mm Hình 3.15. Đáp ứng vị trí bàn máy theo bước nhảy 3.4. NHẬN XÉT Kết quả mô phỏng trên, ta thấy rằng: - Khi điều khiển P: Đáp ứng vị trí của bàn máy không có độ vượt quá, sai số trong khoảng 0.013÷0.039mm. Tuy nhiên, thời gian đáp ứng chậm. - Khi điều khiển PID: Đáp ứng vị trí của bàn máy có độ vượt quá, sai số trong khoảng 0.022÷0.067mm, thời gian đáp ứng nhanh. 17 - Khi điều khiển PID mờ: Đáp ứng vị trí của bàn máy có độ vượt quá, sai số trong khoảng 0.012÷0.038mm, thời gian đáp ứng nhanh. So sánh với ba phương pháp điều khiển trên thì đáp ứng vị trí của bàn máy nằm trong khoảng sai số nhỏ. Tuy nhiên, với hai phương pháp điều khiển theo PID và PID mờ cho thời gian đáp nhanh hơn nhiều so với điều khiển theo P. Do đó, có thể ứng dụng hai phương pháp điều khiển theo PID hoặc PID mờ để khảo sát trên mô hình thực nghiệm. 18 Chương 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1. CÁC PHẦN TỬ THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1.1. Bàn máy 1) Vít me - đai ốc bi: Hình 4.1. Vít me - đai ốc bi 2) Sơ đồ lắp bàn máy Hình 4.2. Bàn máy Bàn máy Khớp nối Động cơ thủy lực Đế bàn máy 560 Ống hồi bi Đai ốc trục vít Đai ốc bi Trục vít 19 4.1.2. Ảnh chụp mô hình thực nghiệm Hinh 4.10. Ảnh chụp mô hình thực nghiệm 4.2. KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TRÊN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 1) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 100mm 20 Hình 4.11. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 100mm 2) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 150mm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 50 100 150 200 250 300 Dap ung vi tri cua ban may Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung thuc te Dap ung mong muon 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Thoi gian (s) 0 50 100 150 200 250 300 Dap ung vi tri cua ban may H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung thuc te Dap ung mong muon Hình 4.12. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 150mm 21 Hình 4.14. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 250mm 3) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 200mm Hình 4.13. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 200mm 4) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 250mm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 50 100 150 200 250 300 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may Dap ung thuc te Dap ung mong muon 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 50 100 150 200 250 300 Thoi gian (s) H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may Dap ung thuc te Dap ung mong muon 22 5) Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt 100-170-250mm Hình 4.15. Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt Thoi gian (s) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 50 100 150 200 250 300 H a n h t r i n h b a n m a y ( m m ) Dap ung vi tri cua ban may Dap ung thuc te Dap ung mong muon 23 4.2. NHẬN XÉT Kết quả khảo sát trên mô hình thực nghiệm ta thấy rằng: Đáp ứng vị trí trên hình 4.11 với giá trị cài đặt 100mm thì thời gian đáp ứng khoảng 1.9s, độ vượt quá là 0.01mm. Đáp ứng vị trí trên hình 4.12 với giá trị cài đặt 150mm thì thời gian đáp ứng khoảng 2.3s, độ vượt quá là 0.03mm. Đáp ứng vị trí trên hình 4.13 với giá trị cài đặt 200mm thì thời gian đáp ứng khoảng 2.7s, độ vượt quá là 0.03mm. Đáp ứng vị trí trên hình 4.14 với giá trị cài đặt 250mm thì thời gian đáp ứng khoảng 4.1s, độ vượt quá là 0.03mm. Đáp ứng vị trí trên hình 4.15 với giá trị cài đặt theo bước nhảy 100-170-250mm thời gian đáp ứng 1.9-1.3-1.4s, độ vượt quá là 0.05- 0.04-0.04mm. Với các kết quả trên ta thấy thời gian đáp ứng nhanh, sai số nhỏ phù hợp với kết quả nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm Matlab. 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Xây dựng được mô hình tính toán động lực học của cụm bàn máy CNC truyền động bằng động cơ thủy lực, điều khiển bằng van tỷ lệ. Thiết lập sơ đồ khối của hệ cũng như ứng dụng bộ điều khiển hệ thống. Từ đó sử dụng công cụ Matlab/Simulink để lập chương trình tính toán động lực học, khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy. Phần nghiên cứu lý thuyết đã ứng dụng ba bộ điều khiển để so sánh, đó là điều khiển theo P, PID và PID. Ta thấy rằng khi sử dụng hai bộ điều khiển PID và PID mờ cho kết quả điều khiển tốt hơn, đó là thời gian đáp ứng nhanh, sai số vị trí nằm trong giới hạn cho phép. Từ cơ sở nghiên cứu lý thuyết của đề tài, tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm, ứng dụng ngôn ngữ lập trình C và phần mềm Visual Basic (V6.0) để viết giao diện với máy vi tính, khảo sát đáp ứng vị trí trên mô hình thực nghiệm khi ứng dụng bộ điều khiển PID và đáp ứng vị trí của bàn máy được vẽ trên Matlab. Các kết quả khảo sát trên mô hình thực nghiệm phù hợp với bài toán nghiên cứu lý thuyết đặt ra. Với kết quả trên, cho ta triển vọng về ứng dụng hệ thống điều khiển tự động thủy lực thay thế cho một số hệ thống truyền động cơ khí và truyền động điện với công suất lớn đang được sử dụng hiện nay.