Luận văn thạc sĩ: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động cơ khí

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ kết cấu truyền động cơ khí backlash, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Lê Văn Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho hệ thống truyền động cơ khí
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Các phương án khử rơ
• 1.3. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành trình
• 1.4. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.6.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.7. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ THI CHO HỆ THỐNG
• 2.1. Phân tích thiết kế bộ điều khiển
• 2.2. Hàm rơ, hàm rơ ngược và phương pháp xác định hàm rơ
• 2.3. Thiết kế hệ thống điều khiển
• 2.4. Điều khiển đáp ứng
• 3. CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG
• 3.1. Nhận dạng hệ thống
• 3.2. Mô phỏng nhận dạng hệ thống
• 3.3. Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi
• 3.4. MRAS sử dụng luật MIT cho hệ bậc 2
• 3.5. Mô hình hóa hệ thống tổng hợp
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH
• 4.1. Hệ thống điều khiển thực nghiệm
• 4.2. Điều khiển trên máy tính
• 4.3. Điều khiển trên vi điều khiển. Vấn đề truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA
• 4.4. Thực nghiệm hệ servo driving mechanism. Nhận dạng hệ thống
• 4.5. Áp dụng các bộ điều khiển thực nghiệm
• 4.6. Đánh giá kết quả của hệ thống điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Kết quả thực nghiệm khử rơ và thảo luận
• Phụ lục A: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
• Phụ lục B: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho hệ thống truyền động cơ khí

Thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho hệ thống truyền động cơ khí là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành cơ khí. Độ rơ trong các bộ truyền động có thể gây ra sai số trong quá trình điều khiển, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Việc khử rơ không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp thiết kế bộ điều khiển khử rơ hiệu quả.

1.1. Định nghĩa và vai trò của độ rơ trong hệ thống truyền động

Độ rơ là khoảng cách giữa các bộ phận trong hệ thống truyền động, gây ra sự chậm trễ trong phản ứng của hệ thống. Hiểu rõ về độ rơ giúp xác định các phương pháp khử rơ hiệu quả.

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng khử rơ trên thế giới

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc khử rơ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống truyền động. Các ứng dụng từ robot đến máy CNC đều cần giải pháp khử rơ hiệu quả.

II. Vấn đề và thách thức trong khử rơ cho hệ thống truyền động cơ khí

Khử rơ trong hệ thống truyền động cơ khí gặp nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác trong thiết kế và khả năng điều khiển. Độ rơ có thể gây ra sai số lớn trong quá trình điều khiển, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc xác định và bù trừ độ rơ là một trong những thách thức lớn nhất mà các kỹ sư phải đối mặt.

2.1. Các nguyên nhân gây ra độ rơ trong hệ thống

Độ rơ có thể xuất phát từ thiết kế cơ khí không chính xác, mài mòn trong quá trình sử dụng, hoặc sự thay đổi trong điều kiện làm việc. Những nguyên nhân này cần được phân tích kỹ lưỡng để tìm ra giải pháp khử rơ hiệu quả.

2.2. Tác động của độ rơ đến hiệu suất hệ thống

Độ rơ có thể dẫn đến sự không ổn định trong quá trình điều khiển, gây ra sai số lớn và làm giảm hiệu suất của hệ thống. Việc khắc phục độ rơ là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị.

III. Phương pháp khử rơ bằng thiết kế cơ khí hiệu quả

Một trong những phương pháp khử rơ hiệu quả là cải tiến thiết kế cơ khí của hệ thống truyền động. Việc sử dụng các cơ cấu bổ sung như bánh răng đặc biệt hoặc đai ốc chống rơ có thể giúp giảm thiểu độ rơ mà không làm thay đổi đặc tính điều khiển của hệ thống.

3.1. Thiết kế bánh răng đặc biệt để khử rơ

Bánh răng đặc biệt được thiết kế để tự động bù đắp độ rơ khi hệ thống đảo chiều. Phương pháp này giúp duy trì độ chính xác trong quá trình hoạt động.

3.2. Sử dụng đai ốc chống rơ trong truyền động

Đai ốc chống rơ giúp giảm thiểu độ rơ do mài mòn, đảm bảo độ chính xác cho hệ thống truyền động. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong các máy CNC.

IV. Giải pháp khử rơ bằng thuật toán điều khiển hiện đại

Khử rơ bằng thuật toán điều khiển là một phương pháp tiên tiến, cho phép bù trừ độ rơ một cách linh hoạt và hiệu quả. Các thuật toán như PID, điều khiển thích nghi và hàm rơ ngược đã được áp dụng để cải thiện độ chính xác của hệ thống.

4.1. Ứng dụng thuật toán PID trong khử rơ

Thuật toán PID giúp điều chỉnh tín hiệu điều khiển để bù trừ độ rơ, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác hơn.

4.2. Khử rơ bằng hàm rơ ngược Backlash Inverse

Hàm rơ ngược được sử dụng để điều chỉnh các thông số bù trừ theo thời gian, giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền động có độ rơ.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu khử rơ

Nghiên cứu về khử rơ đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ robot công nghiệp đến máy móc chế biến thực phẩm. Kết quả cho thấy việc khử rơ không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

5.1. Kết quả thực nghiệm trên hệ thống servo

Thực nghiệm cho thấy việc áp dụng bộ điều khiển khử rơ đã giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ chính xác trong điều khiển hệ thống servo.

5.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo

Việc khử rơ đã được áp dụng thành công trong ngành công nghiệp chế tạo, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi trong quá trình sản xuất.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của khử rơ trong hệ thống truyền động

Khử rơ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và điều khiển hệ thống truyền động cơ khí. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp khử rơ hiệu quả có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới và hiệu quả hơn.

6.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các phương pháp khử rơ mới, đặc biệt là trong bối cảnh tự động hóa và robot hóa ngày càng phát triển.

6.2. Tầm quan trọng của khử rơ trong công nghiệp 4.0

Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, việc khử rơ sẽ trở thành yếu tố quyết định đến hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và thầy hƣớng dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc 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 đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Lê Văn Phúc iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS.

Nguyễn Duy Anh đã tận tình hƣớng dẫn em về chuyên môn và kinh nghiệm để giúp em thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy giảng viên Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM và Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong quá trình giảng dạy khóa cao học tại trƣờng Đại học Công Nghệ Tp. Em rất biết ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và ở bên cạnh em trong suốt quá trình học và làm luận văn tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị, các bạn học viên đã giúp đỡ, cùng trau dồi kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp.

Lê Văn Phúc v TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong quá trình công nghiệp hóa hiện nay, việc khử rơ cho các bộ truyền động trong cơ khí là hết sức quan trọng. Làm thế nào để khử rơ trong truyền động ? Việc thiết kế bộ điều khiển khử rơ trong truyền động cơ khí là hết sức quan trọng và cần thiết trong điều khiển hiện nay. Luận văn sẽ thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động cơ khí. Mục đích của luận văn là phân tích, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển khả thi cho hệ thống.

Các phƣơng án khử rơ: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền động hoặc điều chỉnh hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Thực nghiệm hiệu chỉnh bộ điều khiển trên hệ servo driving mechanism. Sau khi có đƣợc sai lệch của từng khâu, tiến hành áp dụng bộ khử rơ ngƣợc. Ở phần trên cung cấp các bộ điều khiển khử rơ khác nhau, chất lƣợng các bộ điều khiển khử rơ này tùy theo hệ thống mà có sự phù hợp.

Bộ điều khiển khử rơ vòng hở đƣợc áp dụng cho hệ thống vòng hở không có hồi tiếp, bộ điều khiển vòng kín PID đƣợc áp dụng cho hệ thống có hồi tiếp nhƣng thông số hàm truyền không thay đổi.Trong khi đó bộ điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng cho hệ thống có thông số thay đổi. vi ABSTRACT In the age of industrialization, the important problem is de-trailers of mechanical actuators. How can we do it ? Today, the vital and necessary thing is that we have to design a control panel in order to reduce trailers in processing. This thesis will be analyzed, designed and simulated a control panel of backlash in mechanical actuators.

The methods to re-trailers: meachinal design adjustment of tranmission or stoke adjustment, and control algorithm. The empirical calibration with controller on servo driving mechanism driving mechanism. After acquiring deviations of each stage, proceed to apply the reverse de-trailers. The controllers offer different de-trailers, the quality of controllers depend on certain system, the open controller de-trailers loop is applied to the open-loop system without feedback, closed-loop PID controller is applied to the system.

However, the feedback transfer function parameters do not change, while the adaptive controller is applied to the system parameters change. vii MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN. Giới thiệu chung. Các phƣơng án khử rơ.

Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành trình. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển:. Tính cấp thiết của đề tài. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài .7 Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ THI CHO HỆ THỐNG. Phân tích thiết kế bộ điều khiển.

Hàm rơ, hàm rơ ngƣợc và phƣơng pháp xác định hàm rơ. Thiết kế hệ thống điều khiển. Điều khiển đáp ứng .17 Chƣơng 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG. Nhận dạng hệ thống.

Mô phỏng nhận dạng hệ thống. Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi. MRAS sử dụng luật MIT cho hệ bậc 2. Mô hình hóa hệ thống tổng hợp:.

30 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH. Hệ thống điều khiển thực nghiệm. Điều khiển trên máy tính. Điều khiển trên vi điều khiển.

Vấn đề truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA. Thực nghiệm hệ servo driving mechanism. Nhận dạng hệ thống. Áp dụng các bộ điều khiển thực nghiệm.

Đánh giá kết quả của hệ thống điều khiển. 60 Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Kết quả thực nghiệm khử rơ và thảo luận.63 Phụ lục A: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM .64 Phụ lục B: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .74 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) MIT: Massachusetts Institute of Technology PID: Proportional Integral Derivative DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: .66 x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mô hình giải thuật điều khiển của đề tài .2 Đồ thị và ví dụ minh họa về hàm rơ.3 Đồ thị hàm rơ ngƣợc .4 Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh .5 Mô hình cơ bản của hệ thống .6 Trình tự thiết kế giải thuật.7 Hệ thống cơ bản .8 Tính toán hình học để xác định thông số độ rơ .9 Hệ thống đƣợc khử rơ bằng hàm rơ ngƣợc .10 Mô hình điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu .1 Các bƣớc nhận dạng hệ thống .2 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi không có rơ và khi có rơ .3 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi không có rơ và khi có rơ .5 Đồ thị nhận dạng hàm truyền .7 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT .8 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT .9 Sai số trong quỹ đạo điều khiển .10 Quỹ đạo từng trục X và Y .11 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT .12 Sai số trong quỹ đạo điều khiển .13 Quỹ đạo từng trục X và Y .1 Sơ đồ đồ khối hệ thống thực nghiệm .2 Sơ đồ xung thời gian .3 Mô hình lập trình song song chia sẻ bộ nhớ .4 Giao diện điều khiển chƣơng trình .5 Sơ đồ khối lập trình song song .6 Frame truyền dữ liệu từ máy tính xuống.8 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra có tác động của độ rơ.9 Sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ra có tác động của độ rơ .10 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ bù rơ .11 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ bù rơ .12 Các giai đoạn của quá trình khử rơ .13 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù xung .14 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù xung .15 Tín hiệu ra bám theo tín hiệu vào nhƣng dao có sự dao động lớn .16 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không khử rơ .17 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không khử rơ tính hiện tƣợng trễ .18 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ .19 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không khử rơ kết hợp bộ điều khiển khử rơ .20 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID kết hợp khử rơ .21 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID kết hợp khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ .22 Tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không có khử rơ và kết hợp khử rơ .23 Đầu ra so với tín hiệu mong muốn của các bộ điều khiển khi đảo chiều .24 Sai số bộ điều khiển thích nghi .2 Mô hình tính lực .3 Mô hình hệ chuyển động tịnh tiến .4 Bố trí quá trình thực nghiệm .1 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.2 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm thời gian thực .3 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ .4 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm thời gian thực .5 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ .6 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.7 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm thời gian thực .8 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547 mm bỏ qua độ trễ .9 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547 mm thời gian thực .10 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547mm bỏ qua độ trễ .11 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.12 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm thời gian thực .13 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ .14 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm thời gian thực .15 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ .16 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.17 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm thời gian thực .18 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm bỏ qua độ trễ .19 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm thời gian thực .20 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm bỏ qua độ trễ .80 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Trong tất cả chuyển động của các thiết bị máy móc, của các bộ truyền động cơ khí.

Độ rơ là một vấn đề tồn tại trong hệ truyền động cơ khí, ảnh hƣởng rất lớn đến cách toán điều khiển vị trí và vận tốc của các hệ thống trong công nghiệp, robot, xe ô- tô và các ứng dụng điều khiển khác. Có rất nhiều nghiên cứu về độ rơ đã đƣợc thực hiện từ năm 1940. Đây là bài toán rất phức tạp, đặc biệt là khi có yêu cầu độ chính xác cao. Độ rơ xuất hiện khi có khe hở trong cơ cấu truyền động, gây ra nhiễu khi truyền động, đặc biệt khi có sự đảo chiều của vận tốc tƣơng đối giữa các khâu.