CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT 1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí Chất lượng sản phẩm được gia công trên máy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào chuyển động của các máy sản xuất. Các chuyển động này có độ chuyển động chính xác cao thì sản xuất ra chất lượng sản phẩm càng tốt. Các chuyển động của máy có độ chính xác cao được đánh giá theo các tiêu chí sau: sai lệch tĩnh nhỏ từ 3% - 5%, thời gian quá độ nhỏ (như thời gian khởi động, hãm dừng máy,.), độ quá điều chỉnh nhỏ.
Các chỉ tiêu này được đánh giá theo các tiêu chuẩn - Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE) Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân sau đây e (t )dt 2 (1-1) 0 Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực tiểu. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com R(t) C(t) t e(t) t e 2 (t ) T t t T e (t )dt 2 0 Hình 1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ bậc hai.
Một hệ thống được thiết kế tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định. Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực tiểu hoá tiêu thụ năng lượng. Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây t. e(t ) dt 0 (1-2) Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng.
Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com giải tích tích phân (1-2) là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm một các dễ dàng.Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE) Trong tính toán thiết kế người ta còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE) te (t )dt 2 (1-3) 0 Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE. Những máy công cụ trước đây để đảm bảo độ chính xác các chuyển động máy sản xuất thì người ta chỉ giải quyết được độ chính xác của hệ truyền động điện. Nhưng độ chính xác của máy sản xuất thì ngoài đảm bảo độ ổn định cao của hệ truyền động điện thì các chuyển động trên máy sản xuất phụ thuộc sự biến đổi của thông số máy sản xuất, ví dụ sự thay đổi thông số của hộp số biến đổi tốc độ, thay đổi thông số trong quá trình gia công như tải trọng thay đổi, mô men cắt gọt thay đổi.Như vậy với việc ổn định hệ truyền động điện thì chưa đảm bảo được độ chính xác của các chuyển động trên may sản xuất.
Vậy muốn đảm bảo độ chính xác của các chuyển động của máy sản xuất thì cần thiết kế, 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tính toán và khảo sát tốt mạch vòng phản hồi vị trí. Với những nhận xét về các đối tượng chuyển động ở trên ta thấy rằng nếu các đối tượng này trong quá trình làm việc không thay đổi thông số, không chịu tác động của nhiễu hay nói cách khác đối tượng này trong quá trình làm việc là tuyến tính thì mạch vòng vị trí được thiết kế với bộ điều khiển vị trí là tuyến tính, cụ thể thường dùng bộ điều khiển tuyến tính là PID. Nhưng đối tượng máy sản xuất trong quá trình làm việc có thông số thay đổi, chịu tác động của nhiễu thì mạch vòng điều khiển vị trí với bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển phi tuyến. Trong trường hợp đối tượng điều khiển phi tuyến ít, ví dụ chỉ thông số hộp giảm tốc thay đổi.
thì việc thiết kế mạch vòng điều khiển vị trí bước đầu tiên là chọn sơ bộ bằng bộ điều khiển PID tuyến tính. Sau khi đánh giá chất lượng các chuyên động ta có thể bù các sai số này bằng những bộ điều khiển phi tuyến. Việc thiết kế cho phương pháp này dễ dàng và thực tế người ta hay dùng nhằm nâng cao chất lượng của hệ. Từ những lý luận trên ta thấy điều khiển vị trí có trong chuyển động của máy sản xuất.
Một số vấn đề trong điều khiển vị trí 1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính 1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy,. Tuỳ thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm kW.
Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt w ) có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ. Thông thường lượng điều khiển w là một hàn của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hoà. Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ tuỳ động). 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sơ đồ hệ điều khiển vị trí được xây dựng như sau: w 1 2 3 (-) Hình 1.
Sơ đồ hệ điều khiển vị trí Trong đó: Khối 1: Bộ điều khiển vị trí Khối 2: Hệ truyền động điện ổn định tốc độ Khối 3: Đối tượng điều khiển chuyển động của máy sản xuất Đối với khối 1 nếu đối tượng là tuyến tính thì bộ điều khiển là tuyến tính. Trong luận văn này đối tượng điều khiển là van thì xem đối tượng sản xuất thông thường là khâu quán tính bậc 1, để đơn giản chúng ta xem là khâu tỷ lệ, chủ yếu là phụ thuộc vào hộp giảm tốc. Cụ thể lượng ra của động cơ là tốc độ điện ( ) và lượng ra của chuyển động là tốc độ dài ( ). Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính xác tĩnh nẵm trong giới hạn cho phép.
Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính Trong phần I.1, ta nói hệ điều khiển là tuyến tính nhưng quan hệ giữa tốc độ góc của khối 2 và lượng ra là tốc độ dài khối 3 sẽ là quan hệ phi tuyến. Quan hệ này được xem xét sau đây: Ta xét quá trình hãm: Khi bắt đầu hãm, tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau, nghĩa là: (1 2 ).R h (2-1) h - quãng đường hãm: h = 1 2. h - vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm. Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức: 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.r h m ax 2 h m ax (2-2) Trong đó h m axlà gia tốc hãm cực đại cho trước.
Từ (2-1) và (2-2) ta có: 1 m2 ax. h max Khi chọn R (2-4) max 2 .r Quãng đường đi dược trong lúc hãm là: h2 .h max (2-5) Khi tổng hợp mạch vòng vị trí R , ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại const nhưng quan hệ tĩnh f () trong quá trình hãm (công thức 2-4) được thể hiện trên hình 2. Quan hệ giữa và ω Như vậy khi càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R càng lớn để đạt được tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu. 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ta thấy hệ f ( ) là phi tuyến và việc chọn R chỉ chứa hệ số khuếch đại const là không hợp lý. Để bù sai lệch cho hệ phi tuyến này ta có thể dùng bộ điều khiển phi tuyến như mờ, mờ thích nghi, mờ trượt,.
hoặc kết hợp bộ điều khiển tuyến tính để nâng cao chất lượng của hệ. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian với thiết bị tương tự (analog) Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng thái ổn định khác. Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp cao. Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp mô đun tối ưu hoặc mô đun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân.
Như vậy quỹ đạo pha của nó là parabol và cấu trúc của hệ như sau: Hình 1. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Phương trình đối với tốc độ và vị trí là: C maxt (2-6) 1 C m axt 2 o 2 o là vị trí ban đầu. Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2-6) Md w 2 Sign( ) (2-7) J 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ở đây d C dientu là mô men hãm. Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí ở đây là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế lượng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch.