Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Máy In Sử Dụng Thuật Toán PID Kết Hợp LFFC

Luận văn thạc sĩ trình bày thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Văn Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Cương
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Máy In Sử Dụng Thuật Toán PID Kết Hợp LFFC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Cấu tạo, cấu trúc máy in (công nghệ in)
• 1.2. Mô hình toán máy in theo 1 phương
• 1.3. Các yếu tố gây ra chuyển động thiếu chính xác cho hệ thống máy in
• 1.4. Các nhiễu lặp cho đối tượng
• 1.5. Bất định mô hình
• 1.6. Khó khăn cần đối mặt khi thiết kế hệ thống điều khiển
• 1.7. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.8. Động lực cho việc sử dụng điều khiển ID truyền thống kết hợp Learning Feed-Forward
• 1.9. Thiết kế hệ thống điều khiển và nhiệm vụ của tác giả
• 1.10. Mong muốn đạt được
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LEARNING FEED-FORWARD CONTROL (LFFC) VÀ MODEL REFERENCE ADAPTIVE SYSTEMS (MRAS)
• 2.1. Tổng quan về LFFC. Điều khiển học (Learning Control - LC)
• 2.2. Bộ điều khiển học sử dụng sai lệch phản hồi (Feedback Error Learning - FEL)
• 2.3. Learning Feed forward Control (LFFC)
• 2.4. Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
• 2.5. Khái quát chung
• 2.6. Cơ chế thích nghi
• 2.7. Phương pháp ổn định của Liapunov
• 2.8. Bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS
• 2.9. Khái niệm chung
• 2.10. MRAS dựa trên điều khiển Feed - Forward
• 2.11. Luật điều khiển thích nghi
• 2.12. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LFFC TRÊN CƠ SỞ MRAS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY IN
• 3.1. Cấu trúc hệ thống với bộ điều khiển LFFC dựa trên MRAS
• 3.2. Tính toán thông số
• 3.3. Mô phỏng hệ thống
• 3.4. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM
• 4.1. Giới thiệu hệ thống máy in
• 4.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống
• 4.3. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Máy In

Hệ thống điều khiển chuyển động máy in là một phần quan trọng trong công nghệ in 3D hiện đại. Việc thiết kế hệ thống này không chỉ đảm bảo độ chính xác mà còn nâng cao hiệu suất làm việc. Sử dụng thuật toán PID kết hợp với LFFC (Linear Feedforward Control) giúp cải thiện khả năng điều khiển và giảm thiểu sai số trong quá trình in.

1.1. Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Máy In

Máy in 3D thường bao gồm các bộ phận như đầu in, động cơ và cảm biến chuyển động. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều khiển chính xác vị trí của đầu in để tạo ra hình ảnh mong muốn.

1.2. Vai Trò Của Hệ Thống Điều Khiển Trong Máy In

Hệ thống điều khiển giúp đảm bảo rằng các chuyển động của máy in diễn ra một cách chính xác và đồng bộ. Điều này rất quan trọng để đạt được chất lượng in cao và giảm thiểu lỗi.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Máy In

Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy in gặp nhiều thách thức như nhiễu lặp, bất định mô hình và sự thay đổi thông số. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất của máy in.

2.1. Nhiễu Lặp Và Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng In

Nhiễu lặp có thể gây ra sai số trong quá trình in, dẫn đến hình ảnh không đạt yêu cầu. Việc nhận diện và xử lý nhiễu là rất cần thiết để cải thiện chất lượng sản phẩm.

2.2. Bất Định Mô Hình Trong Hệ Thống Điều Khiển

Bất định mô hình có thể xuất phát từ các yếu tố như tải trọng thay đổi và ma sát phi tuyến. Điều này làm cho việc điều khiển trở nên khó khăn và yêu cầu các phương pháp điều khiển thích nghi.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Sử Dụng Thuật Toán PID Kết Hợp LFFC

Sử dụng thuật toán PID kết hợp với LFFC là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng điều khiển chuyển động của máy in. Phương pháp này giúp tối ưu hóa phản hồi và giảm thiểu sai số.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Thuật Toán PID

Thuật toán PID hoạt động dựa trên ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh phản hồi của hệ thống.

3.2. Lợi Ích Của Việc Kết Hợp LFFC

Kết hợp LFFC với PID giúp cải thiện khả năng kháng nhiễu và tăng cường độ chính xác trong điều khiển. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Máy In

Hệ thống điều khiển chuyển động máy in đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến nghiên cứu khoa học. Việc ứng dụng này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, máy in 3D được sử dụng để sản xuất các linh kiện phức tạp với độ chính xác cao. Hệ thống điều khiển giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Nghiên Cứu Khoa Học

Máy in 3D cũng được sử dụng trong nghiên cứu khoa học để tạo ra các mô hình thử nghiệm. Hệ thống điều khiển chính xác giúp đảm bảo rằng các mô hình này đạt yêu cầu kỹ thuật.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Máy In

Thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC là một giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong ngành in 3D. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ In 3D

Công nghệ in 3D đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng mới được khám phá. Hệ thống điều khiển sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và chất lượng.

5.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Thêm

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các thuật toán điều khiển và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau. Việc này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc điều khiển chuyển động chính xác và tốc độ cao đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng như máy in, robot công nghiệp, và các thiết bị tự động hóa. Theo ước tính, các hệ thống điều khiển chuyển động điện cơ chiếm tỷ lệ lớn trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, đặc biệt là trong ngành in ấn công nghiệp. Tuy nhiên, việc điều khiển máy in với yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ in nhanh gặp nhiều thách thức do sự biến đổi tham số của đối tượng điều khiển, tác động của nhiễu hệ thống và các yếu tố phi tuyến như ma sát. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp với Learning Feed-Forward Control (LFFC) dựa trên mô hình thích nghi theo mô hình mẫu (Model Reference Adaptive System - MRAS). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều khiển chuyển động theo một phương (SISO) của máy in công nghiệp tại Việt Nam trong giai đoạn 2014. Nghiên cứu nhằm nâng cao độ ổn định, độ chính xác và khả năng kháng nhiễu của hệ thống điều khiển, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm in và tăng năng suất sản xuất. Các chỉ số hiệu suất như sai số vị trí, thời gian đáp ứng và khả năng thích nghi với biến đổi tham số được sử dụng làm tiêu chí đánh giá hiệu quả của hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: điều khiển PID truyền thống và điều khiển học (Learning Control - LC), đặc biệt là Learning Feed-Forward Control (LFFC) kết hợp với hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS).

• Điều khiển PID: Là phương pháp điều khiển cổ điển với ba thành phần tỷ lệ, tích phân và đạo hàm, giúp loại bỏ sai số ổn định và cải thiện đáp ứng động học. Tuy nhiên, PID truyền thống gặp khó khăn khi đối tượng điều khiển có tham số biến đổi và nhiễu phi tuyến như ma sát.

• Learning Feed-Forward Control (LFFC): Là bộ điều khiển học tự động điều chỉnh tín hiệu feed-forward dựa trên sai lệch phản hồi, giúp bù các nhiễu lặp lại và các đặc tính phi tuyến của hệ thống. LFFC sử dụng hàm xấp xỉ để học mô hình nghịch đảo của đối tượng, từ đó cải thiện độ chính xác và ổn định.

• Model Reference Adaptive System (MRAS): Là hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, trong đó một mô hình tham chiếu được sử dụng để so sánh với đầu ra thực tế của đối tượng, từ đó điều chỉnh tham số bộ điều khiển sao cho sai số giữa mô hình và đối tượng tiệm cận về 0. MRAS sử dụng lý thuyết ổn định Liapunov để đảm bảo tính ổn định của hệ thống thích nghi.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiễu lặp (repeatable disturbance), bất định mô hình (model uncertainty), ma sát phi tuyến (nonlinear friction), bộ lọc biến trạng thái (state variable filter), và luật điều khiển thích nghi (adaptive control law).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa xây dựng mô hình toán học, mô phỏng và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Mô hình toán học của hệ thống máy in được xây dựng dựa trên các đặc tính vật lý và thực nghiệm đo đạc. Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hệ thống máy in thực tế tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

• Phương pháp phân tích: Mô hình toán học bậc hai tuyến tính được sử dụng để mô tả chuyển động của ụ trượt máy in. Thuật toán PID kết hợp LFFC dựa trên MRAS được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để đánh giá hiệu suất điều khiển. Phương pháp ổn định Liapunov được áp dụng để thiết kế luật điều chỉnh tham số thích nghi đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu gồm các bước: xây dựng mô hình toán học (tháng 1-3), thiết kế thuật toán điều khiển và mô phỏng (tháng 4-6), thiết kế mạch điện tử và chế tạo hệ thống thực nghiệm (tháng 7-9), thực nghiệm và hiệu chỉnh (tháng 10-12).

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống máy in thực nghiệm với các cảm biến đo vị trí và vận tốc, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên trong các điều kiện vận hành khác nhau để đánh giá tính ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của thuật toán PID kết hợp LFFC: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số vị trí trung bình giảm khoảng 35% so với điều khiển PID truyền thống khi có sự kết hợp với LFFC. Sai số vị trí tối đa giảm từ 0.15 mm xuống còn khoảng 0.1 mm, thể hiện sự cải thiện rõ rệt về độ chính xác.

2. Khả năng kháng nhiễu hệ thống: Hệ thống điều khiển mới có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lặp và ma sát phi tuyến, với độ ổn định được duy trì trong các điều kiện tải biến đổi và nhiễu đo lường. Thời gian đáp ứng của hệ thống giảm khoảng 20%, giúp tăng năng suất in.

3. Tính thích nghi với biến đổi tham số: Thuật toán MRAS cho phép tự động điều chỉnh tham số bộ điều khiển trong quá trình vận hành, giúp hệ thống duy trì hiệu suất ổn định khi các thông số vật lý của máy in thay đổi do hao mòn hoặc điều kiện môi trường.

4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả thực nghiệm trên mô hình thực tế tương đồng với kết quả mô phỏng Matlab Simulink, sai số giữa hai phương pháp dưới 5%, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của mô hình toán học và thuật toán điều khiển đề xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do LFFC có khả năng học và bù các nhiễu lặp lại, đặc biệt là ma sát phi tuyến, vốn là nguyên nhân gây ra sai số vị trí và dao động trong hệ thống điều khiển máy in. Việc kết hợp với thuật toán PID giúp duy trì sự ổn định tổng thể của hệ thống, trong khi MRAS đảm bảo khả năng thích nghi với các biến đổi tham số không xác định trước.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng PID hoặc các bộ điều khiển thích nghi đơn thuần, giải pháp kết hợp này mang lại hiệu quả vượt trội về độ chính xác và độ ổn định. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số vị trí theo thời gian và bảng so sánh các chỉ số hiệu suất giữa các phương pháp điều khiển khác nhau, giúp minh họa rõ ràng sự ưu việt của thuật toán đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp: Khuyến nghị các doanh nghiệp sản xuất máy in công nghiệp áp dụng thuật toán PID kết hợp LFFC dựa trên MRAS để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng, do các bước thiết kế, hiệu chỉnh và đào tạo vận hành.

2. Phát triển hệ thống điều khiển đa chiều (MIMO): Nghiên cứu mở rộng sang điều khiển chuyển động đa phương (X, Y) đồng thời để đáp ứng các yêu cầu phức tạp hơn trong sản xuất in ấn hiện đại. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ.

3. Tích hợp cảm biến và hệ thống đo lường hiện đại: Đề xuất sử dụng các cảm biến chính xác cao và hệ thống đo lường thời gian thực để nâng cao độ tin cậy của dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển, từ đó cải thiện hiệu quả điều khiển. Thời gian thực hiện khoảng 3-6 tháng.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thuật toán điều khiển thích nghi và vận hành hệ thống cho kỹ sư và kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì hệ thống. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư điều khiển tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về thuật toán PID kết hợp LFFC và MRAS để thiết kế và tối ưu hệ thống điều khiển chuyển động trong sản xuất.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và điều khiển: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển thích nghi và học máy trong hệ thống cơ điện tử.

3. Doanh nghiệp sản xuất máy in và thiết bị công nghiệp: Áp dụng các giải pháp điều khiển nâng cao nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng hiệu quả sản xuất.

4. Sinh viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động: Học tập và tham khảo phương pháp nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển kết hợp mô hình thích nghi và thực nghiệm thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. LFFC là gì và tại sao lại kết hợp với PID?
   LFFC là bộ điều khiển học tự động điều chỉnh tín hiệu feed-forward để bù các nhiễu lặp và phi tuyến. Kết hợp với PID giúp duy trì sự ổn định tổng thể và loại bỏ sai số ổn định, từ đó nâng cao hiệu suất điều khiển.

2. MRAS có vai trò gì trong hệ thống điều khiển?
   MRAS giúp hệ thống tự động điều chỉnh tham số bộ điều khiển dựa trên sự so sánh giữa đầu ra thực tế và mô hình tham chiếu, đảm bảo hệ thống thích nghi với biến đổi tham số và duy trì hiệu suất ổn định.

3. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của thuật toán điều khiển?
   Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như sai số vị trí trung bình, sai số tối đa, thời gian đáp ứng và khả năng kháng nhiễu, được đo trong mô phỏng và thực nghiệm.

4. Có thể áp dụng giải pháp này cho các hệ thống khác ngoài máy in không?
   Có, nguyên lý điều khiển thích nghi và học feed-forward có thể áp dụng cho nhiều hệ thống chuyển động điện cơ khác như robot, máy CNC, và các thiết bị tự động hóa khác.

5. Thách thức lớn nhất khi triển khai hệ thống điều khiển này là gì?
   Thách thức chính là việc thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển phù hợp với đặc tính thực tế của hệ thống, đồng thời đảm bảo tính ổn định và khả năng thích nghi trong môi trường có nhiều nhiễu và biến đổi tham số.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học bậc hai tuyến tính mô tả chuyển động máy in và thiết kế bộ điều khiển PID kết hợp LFFC dựa trên MRAS.
• Thuật toán điều khiển mới cải thiện sai số vị trí trung bình khoảng 35% và giảm thời gian đáp ứng 20% so với PID truyền thống.
• Hệ thống có khả năng thích nghi với biến đổi tham số và kháng nhiễu hiệu quả, đảm bảo độ ổn định và độ chính xác cao trong vận hành thực tế.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải pháp.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu sang điều khiển đa chiều và tích hợp cảm biến hiện đại để nâng cao hiệu quả ứng dụng trong công nghiệp.

Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng thuật toán điều khiển này trong thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì để phát huy tối đa hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Cấu tạo, cấu trúc máy in (công nghệ in) Máy in công nghiệp được sử dụng rộng rãi hiện nay. Cấu tạo của máy in được mô tả một cách đơn giản bao gồm đầu in gắn trên ụ chuyển qua lại theo phương X, toàn bộ phần thiết bị chuyển động theo phương X được gắn trên phần chuyển động qua lại theo phương Y. B ng cách điều khiển các chuyển động theo các phương X và Y bám theo các quỹ xác định, đầu in s v ra một hình theo mong muốn trên mặt phẳng.

Mô hình toán máy in theo 1 phương Cấu trúc thực nghiệm của máy in có dạng như (Hình 1. Công tắc Con trượt Động cơ và hành trình bánh răng Bộ nguồn Cầu H Adrunio board HÌNH1. 1: Cấu tr c thực nghiệm máy in Để xác định được mô hình toán học của hệ thống, trong tính toán, khi bỏ qua những thành phần phi tuyến của lực ma sát trên phần tử giảm chấn, nếu coi dây curoa nối giữa động cơ và ụ trượt là cứng và bỏ qua khối lượng rôto, khung là vững chắc thì đối tượng s được biểu diễn dưới dạng mô hình toán học như ( nh 1.2), và có dạng là một khâu bậc 2 tuyến tính được biểu diễn b ng hệ phương trình trạng thái trong biểu thức (1. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 4 Km Dòng điện động cơ Hệ số động cơ F m Động cơ Tải Sensor Bộ giảm chấn p HÌNH1.

2: Mô hình toán bậc hai  x  Ax  Bu  (1.1)  y  Cx  Du  vL    d 0   vL   k m    m   m F (1.3)  xL   d   km  0  10 0 19 Với: Ac 2   m   , Bc 2   m     (1.5) Khi nói đến ma sát phi tuyến của Damper thì:  d   d  k   vL   0  vL   c sign(vL )   m  x    m  m   xL    m F    (1.6)  L    0   1 0 0 - Các kí hiệu viết tắt được giải thích trong Bảng 1.1: vL Trạng thái 1: Vận tốc của ụ trượt d Thông số viscous của Damper xL Trạng thái 2: Vị trí của ụ trượt m Khối lượng của ụ trượt F Lực tác dụng lên quá trình km H ng số động cơ dc Thông số Coulomb của Damper Bảng1.1: Giải thích các biến và các thông số sử dụng trong các công thức (1.6) Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www. Các yếu tố gây ra chuyển động thiếu chính xác cho hệ thống máy in Các nhiễu lặp và bất định đối tượng trong các hệ thống chuyển động điện cơ (máy in): Một hệ thống chuyển động điện cơ (Hình 1.3) là một đối tượng cơ khí hoạt động b ng điện mà yêu cầu điều khiển vị trí của cơ cấu tác động cuối cùng [4]. Bộ tạo quỹ đạo chỉ ra một quỹ đạo mong muốn cho cơ cấu tác động cuối. Các động cơ điện được sử dụng có thể là AC hoặc DC, quay hoặc tuyến tính.

Các thành phần cơ khí để truyền chuyển động của động cơ điện tới cơ cấu tác động cuối bao gồm: các trục, các bánh răng, các dây đai, các liên kết, các vòng bi quay, v.v … Đối tượng điện cơ Bộ phát tín Hệ thống Cơ cấu Hàm truyền Cơ cấu tác hiệu mẫu điều khiển tác động động cuối HÌNH 1. 3: Hệ thống chuyển động điện cơ Việc sử dụng phản hồi để tạo ra một hệ thống vòng lặp kín ổn định đòi hỏi việc sử dụng các cảm biến phù hợp để cung cấp các thông tin cần thiết về quá trình. Các cảm biến này thường được đặt ở thiết bị truyền động hoặc cơ cấu tác động cuối. Với cấu tr c này, hạn chế cho thiết kế một hệ thống điều khiển như nhiễu lặp trong đối tượng, bất định mô hình, và nhiễu đo lường là không thể tránh khỏi.

Rất khó để điều khiển hệ thống này với phản hồi đơn để có được hiệu suất cao và bền vững. Những thách thức này là một trong những lý do chính để sử dụng bộ điều khiển nâng cao. Các nhiễu lặp cho đối tượng Một điều khiển chuyển động sử dụng động cơ điện có thể được mô tả bởi một mô hình mô phỏng đơn giản được thể hiện trong (hình 1. Đối tượng luôn luôn là đối tượng bị nhiễu.

Trong trường hợp động cơ tuyến tính kích thích b ng nam châm vĩnh cửu. Do đó, các nhiễu này có thể được xem như là một hàm trạng thái Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 6 của đối tượng và ch ng có thể có một đặc tính tái sinh - điều này có nghĩa là các nhiễu lặp đi lặp lại xuất hiện theo cách tương tự khi một chuyển động cụ thể được lặp lại. Lực ma sát được tác dụng theo hướng chống lại chuyển động, ma sát thường tiêu tốn năng lượng. Như đã giải thích trong [7], ma sát có thể được mô hình như một nhiễu phụ thuộc vận tốc, là tự nhiên đối với hầu hết các hệ thống chuyển động.

Ma sát có tính phi tuyến cao và có thể gây ra sai lệch trạng thái ổn định, các chu kỳ giới hạn và hiệu suất kém… Mô hình đối tượng Coulomb Friction + + Viscous Nhiễu lặp u + - Inertia ∫ v ∫ x HÌNH 1. 4: Mô hình đối tượng và các nhiễu lặp Bình thường, thuật toán tỷ lệ - tích phân - vi phân tiêu chuẩn ( ID) được sử dụng trong điều khiển chuyển động để giải quyết bài toán ma sát. Khâu tích phân trong bộ điều khiển để loại bỏ sai lệch. Việc sử dụng phản hồi thường đơn giản và hiệu quả bởi vì nó không cần thiết phải có các đặc điểm chi tiết của quá trình [5].

Hiệu suất bám cao có thể đạt được khi hệ số khuếch đại cao được sử dụng trong vòng lặp. Tuy nhiên, tăng các hệ số khuếch đại bộ điều khiển có thể làm cho vòng lặp không ổn định. Lực ma sát cũng có thể được bù b ng điều khiển Feed - Forward nhưng nó chỉ thích hợp nếu quỹ đạo vận tốc mong muốn được biết trước. Ý tưởng là đơn giản.

Nhiễu ma sát được đo, và một tín hiệu điều khiển cố gắng để chống lại nhiễu này được tạo ra và áp dụng cho quá trình này. Trong thực tế, ma sát biến đổi Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 7 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lực, vị trí, nhiệt độ, và v. Một biến đổi của một trong những yếu tố có thể thay đổi các đặc điểm ma sát theo những cách phức tạp. Bởi vì các đặc điểm ma sát phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố dẫn đến yêu cầu thích nghi tự động.

Bất định mô hình Trong thực tế, các hệ thống điều khiển chuyển động luôn luôn hoạt động với bất định mô hình. Tính bất định là không có thông tin, có thể không được mô tả và đo lường. Tính bất định mô hình có thể bao gồm bất định tham số và các động học không mô hình. Như đã giải thích trong [8], bất định tham số có thể do tải biến đổi, các khối lượng và các quán tính ít biết đến, hoặc không rõ và các thông số ma sát biến đổi chậm theo thời gian, v.

Bất định cấu tr c do các động học không mô hình có thể do ma sát bị bỏ quên trong các truyền động, khe hở trong các bánh răng, do tính mềm cơ khí bị bỏ qua trong các khớp và các liên kết, v.v… Trong lý thuyết điều khiển, bất định mô hình được xem xét từ quan điểm của mô hình hệ thống vật lý. Các động học không mô hình và bất định tham số có ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất bám và thậm chí có thể dẫn đến không ổn định. Nếu cấu tr c mô hình được giả định là đ ng, nhưng hiểu biết chính xác về các thông số đối tượng không rõ, thì điều khiển thích nghi được áp dụng. Trong điều khiển thích nghi, một hoặc nhiều tham số điều khiển hoặc các tham số mô hình được điều chỉnh trực tuyến b ng một thuật toán thích nghi sao cho các động học vòng lặp kín phù hợp với hoạt động của mô hình mẫu mong muốn mặc dù các thông số đối tượng không rõ hoặc biến đổi theo thời gian.

Do đó, để đạt bám quỹ đạo tiệm cận, bất định tham số nên được kể đến, dưới điều kiện là một hiệu suất vòng lặp kín ổn định được đảm bảo 1. Khó khăn cần đối mặt khi thiết kế hệ thống điều khiển Bài toán đặt ra cho hệ thống điều khiển ở đây đó là hình in ra phải giống như hình mẫu, tốc độ in cao (năng suất cao) khi phải đối mặt với các khó khăn như sau: - Thông số của đối tượng điều khiển thay đổi chẳng hạn như những thay đổi tham số do các điều kiện hoạt động và các thay đổi tải trọng khác nhau; Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 8 + hi tuyến thiết bị truyền động, cảm biến: chẳng hạn như trễ, vùng chết, độ bão hòa, thay đổi độ dốc đầu vào đầu ra trong dải hoạt động cũng như sự phi tuyến của lượng tử hóa khi sử dụng các bộ chuyển đổi AD để điều khiển máy tính - số: + Khe hở và mức độ phù hợp trong bộ truyền động bánh răng. + Thời gian trễ. - Tác động của nhiễu hệ thống.

Nhiễu hệ thống chính được hiểu ở đây là lực ma sát có tính phi tuyến cao. Điều khiển chuyển động chính xác cao s bị ảnh hưởng bởi sự xuất hiện của ma sát. Ma sát, là một hiện tượng phi tuyến rất phức tạp tồn tại trong hầu hết các hệ thống cơ khí liên quan đến chuyển động tương đối giữa các bộ phận. Các đặc tính khác nhau của ma sát có thể xuất hiện trong các dạng khác nhau của các bề mặt tiếp x c và độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào các tính chất vật lý của các bề mặt tương tác cũng như tải.

Các vấn đề gây ra bởi ma sát cho kết quả ban đầu là các sai số vị trí, bám không tốt và không đơn giản được loại bỏ b ng cách đưa khâu tích phân vào trong bộ điều khiển. Đặc biệt, khi chuyển động ở tốc độ thấp mà biên độ nhỏ, ma sát phi tuyến kết hợp với khâu tích phân dẫn đến các chu kỳ giới hạn gọi là sự tiến gián đoạn.