báo cáo cơ sở điều khiển cơ khí

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.65 MB, 59 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

KHOA CƠ KHÍooooOoooo

BÁO CÁO

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

NHĨM 4 :

Đào Văn TùngNguyễn Đức KhánhTrần Nam HàTôn Thất Anh Quân Dương Văn SangNguyễn Lương Hiển Đặng Kim Phát

LỚP: 20CKHK

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

GVHD : PGS. TS Trần Xuân Tùy **********

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN...

1.1. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển...

1.2. Phân loại hệ thống điều khiện tự động...

2.2. Sơ đồ khối và đại số sơ đồ khối...

2.2.1. Rút gọn các khối nối tiếp...

2.2.2. Rút gọn các khối ghép song song...

2.2.3. Di chuyển điểm tụ sang phải/điểm tán sang trái 1 khối...

2.2.4. Di chuyển điểm tụ sang trái/điểm tán sang phải 1 khối...

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

2.3.1. Hệ dao động cơ học...

2.3.2. Hệ thủy lực...

2.3.3. Động cơ điện 1 chiều...

2.3.4. Động cơ bước, vít me, bàn máy...

2.3.6. Hệ truyền động bánh răng...

2.3.7. Giá trị thu gọn của hệ truyền động...

CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN...

3.1. Các tín hiệu tác động...

3.1.1. Tín hiệu bậc thang đợn vị...

3.1.2. Tín hiệu xung đơn vị...

3.1.3. Tín hiệu tuyến tính...

3.1.4. Tín hiệu điều hịa...

3.2. Đáp ứng q độ và các chỉ tiêu của đáp ứng quá độ...

3.5. Ổn định của hệ điều khiển tự động...

3.5.1. Tiêu chuẩn đại số...

3.5.2. Tiêu chuẩn tần số...

3.5.3 Các phương pháp xác định ổn định...

3.6. Bộ hiệu chỉnh tỷ lệ - tích phân – vi phân (Bộ điều khiển PID)...

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ KÍN...

4.1. Mơ hình trục chính máy CNC...3

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

4.1.1. Động cơ một chiều...4.2. Mơ hình bàn máy CNC...

4

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

- Nội dung cơ bản của môn học cơ sở điều khiện hệ cơ khí là bài tốn phân tích và tổng hợp hệ thống (hoặc thiết kế hệ thống cơ khí).- Nghiên cứu về động lực học của một hệ cơ khí:

Nghiên cứu cơ cấu có thực

Nghiên cứu sự biến đổi chuyển động của cơ cấuSự khác nhau giữa các đối tượng nghiên cứu1.1. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển- Có 3 thành phần cơ bản gồm:

Thiết bị điều khiển (Controller)Đối tượng điều khiển (Object)Thiết bị đo lường (Measuring device)

- Trọng đó:

u - Tín hiệu vàon - Tín hiệu rae - Tính hiệu so sánh

x - Tín hiệu tác động vào đối tượng điều khiển

5

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍf - Tín hiệu phản hồi1.2. Phân loại hệ thống điều khiện tự động- Thiết kế cơ khí:

+ Thiết kế trục, đai, bi, ... + Hàm truyền:

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Ví dụ: Sơ đồ chức năng của điều khiển chuyển động quay của bàn máy

7

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ1.2.2. Hệ thống kín

- Khái niệm: là hệ mà các tín hiệu vào và ra phụ thuộc vào nhau thông qua bộ phận phản hồi.

- Đặc điểm chính:Độ chính xác caoTốc độ đáp ưng nhanhGiảm tính phi tính và nhiễu

Tăng được bề rộng dải tần → hệ này có đáp ưng tốt nhấtCó khuynh hướng dao động do quán tính của sự so sánh tín hiệu- Sơ đồ khối của hệ kín:

8

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Ví dụ: Sơ đồ chức năng của điều khiển chuyển động quay bàn máy

⇒ Để tăng độ chính xác điều khiển ta nên dùng hệ kín.1.3. Hàm truyền

- Hàm truyền dùng để nghiên cứu động lực học của hệ (chất lượng của máy).

9

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

- Hàm truyền chung của hệ:Hệ thống hở:

Hệ thống kín:

- Các phương pháp biểu diễn:Phân loại các khâu (Qua mơ hình tốn)

10

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

+ Sơ đồ khối + Phường trính laplace + Hàm truyền

- Hàm truyền của 1 số cơ cấu: + Truyền động cơ khí + Truyền động thuỷ lực + Động cơ điện

- Nghiên cứu về động lực học của hệ:

+ Trong lĩnh vực thời gian chú trọng đáp ứng quá độ + Trong lĩnh vực tần số: ● Đặc tính tần – biên – pha ● Các phương pháp khác- Xây dựng các đồ thị: dùng phần mềm Matlab.

- Để cải thiện động lực học của hệ thông qua các phương pháp điều khiển: + Cổ điển: PID

+ Hiện đại: mờ, trượt, tối ưu. + Cơng thức tính tần số dao động riêng

u (S )

11

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MƠ TẢ HỆ DIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

- Sơ dồ khối- Graph tín hiệu- Biến trạng thái2.1. Laplace

F(s) = L{f(t)} =

∫

e−s.t.f(t).dt

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

2.2.2. Rút gọn các khối ghép song song

2.2.3. Di chuyển điểm tụ sang phải/điểm tán sang trái 1 khối- Điểm giống: Đều thêm G(s) vào.

2.2.4. Di chuyển điểm tụ sang trái/điểm tán sang phải 1 khối- Điểm giống: Đều thêm G(s)1 vào.

13

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

2.2.5. Rút gọn hệ chính tắc (Phản hồi)

2.2.6. Rút gọn hệ phản hồi đơn vị H(s) = 1

2.2.7. Hệ có nhiều tín hiệu vào ra

14

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

- Phương trình vi phân: θ

15

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

M = J.dθ2

+f .s c+

=

wn+2. ξn

. s+1

Ta có: wn =

√

c

J - Tần số dao động riêng. ξn = 12.fc. wn - Hệ số tắt dần.2.3.2. Hệ thủy lực

a) Xi lanh thủy lực:

- Phương trình vi phân:

Q = A1.dxdt+c.

dpdt+λ. pA1.p = m.d2x

dt2 + f.dxdt + F

- Phương trình Laplace:

16

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Q(s) = A1.s.x(s) + (cs + λ).p(s)

A1. p(s) = (ms2 + fs).x(s) + F(s)

- Sơ đồ khối: tín hiệu ra vẽ trước, phương trình ở bộ phận sau vẽ trước.

- Hàm truyền: cho F(s) = 0, suy ra:

cm.s2+(λm cf+).s+( λf + A1)

.

1s =

17

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

- Với: wn =

√

λf+ A1c.m =

√

CH

m - Tần số dao động riêng. ξn = 12.λf +Aλm cf+

1. wn - Hệ số tắt dần. CH = λf +A1

c - Độ cứng thủy lực.

b) Mơ tơ thủy lực:

- Phương trình vi phân:

Q = Dm.Ω+c.dpdt+λ. pDm

.p = J.dΩdt + f. Ω

- Phương trình Laplace:18

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Q(s) = Dm.Ω (s)+(cs +λ). p(s)Dm

wn+2. ξn

wn. s+1

- Với: wn =

√

λf+ Dm.Dm0

c .J =

√

CH

J - Tần số dao động riêng. ξn = 12.λf +DλJ+cf

m.Dm0. wn - Hệ số tắt dần. CH = λf +Dm.Dm0

c - Độ cứng thủy lực.19

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

C - Hệ số tích lũy đàn hồi của dầu.2.3.3. Động cơ điện 1 chiều

a) Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp:

- Phương trình vi phân:

U = RI + L.dI

dt + EE = kE.dΘdt = kE. ΩMm = km.I = J. dΩdt + f. Ω + M

- Phương trình Laplace:

U(s) = (R + LS).I(s) + E(s)E(s) = kE. Ω(s)km.I(s) = (Js + f). Ω(s) + M(s)

- Sơ đồ khối:

20

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

fR+km.kE - Hệ số khuếch đại.

21

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

2.3.4. Động cơ bước, vít me, bàn máy

- Vít me → 2 → π tx ← Bàn máy

θ → x→ x = tx

2 π. θ ; v = dxdt = tx

2 π . dθdt = tx

2 π . Ω (1)- Động cơ bước + HGT:

1 vòng: Z → 2π⇒θ=2 π

Z. H (2) H → θ

- Thay (2) vào (1):

22

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

⇒ x = tx

Z. H (3)- Khi H min → x¿ nhỏ nhất

⇒x¿ - Độ chính xác điều khiển- VD:

tx = 20mm; Z = 200 bước→ Hmin = 1 ⇒x¿ = 0,1 . 1 = 0,1 mm- Muốn tăng độ chinh xác dịch chuyển x¿

→ Tăng Z và Giảm tx : Có giới hạn.Để tăng x¿

⇒ Tăng tỷ số truyền HGT.2.3.5. Mơ hình chế biến hóa học

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

- Phương trinh vi phân :

{

Bể 1: Q0=Q1+ A1.dh1

dt(1)Bể 2 : Q1=Q2+ A2.dh2

dt (2)P: ∆P=P1−P2 ¿=K1.Q1=γg h1−γgh2

}

- Phương trình Laplace:

Q0(S)=Q1( S)+A1.h1( S).S ( 4)Q1(S)=Q2( S)+ A2.h2( S) .S( 5)

1R1A1A2S2+( A1+ A2)

24

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

2.3.6. Hệ truyền động bánh rănga) Truyền động có 2 trục Hình 1

Hình 2:

25

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

=J2. N1;f2I

Cơng suất:

dt +

(

f1+f2N1)Ω1

]

Đặt: Jtg=J1+J2N1

26

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

NJtg+ftgb) Hệ có 3 trục:

27

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

Suy ra: Jtg=J1+J23.N1=J1+J2.N1+J3.(N1N2)2ftg=f1+f23.N1=f1+f2.N1+f3.(N1N2)2Ta có, cơng thức tổng qt:

28

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Nb=v .FΣ=v.

(

mdvdt+fm.v

)

(2)Nv=Ω .MΣ=Ω.

(

JdΩ

dt +f .Ω

)

(1 )v=tx

2 π(3 )

Thay (3) vào (2), ta có:

2 π.Ω .

(

m.tx2 π

2 πΩ

)

¿Ω

[

m

(

tx

2 π

)

2

2 π

)

2

⇒ So sánh (4) và (1), ta có :

J=m

(

tx2 π

)

2

f =fm

(

tx2 π

)

2⇒ Hình H2 tương đương H1 : H2⇔ H1

b) Hệ truyền động bánh răng – thanh răng – bàn máy Hình vẽ:

29

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

- Cơng suất của bàn máy:

Nb=v (mdvdt+fmv )

Ta có: v=R.Ω

Đặt: J=m.R2; f=fm.R2 Ta có:

Nb=Ω.

(

J .dΩdt+f .Ω

)

(3)

⇒ Vậy hình H2 tương đương H1 : H2↔H1

30

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN

31

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

Động học Động lực họcĐộng lực học là gì?

⇒ Nghiên cứu sự chuyển động của tín hiệu nhưng đối tượng nghiên cứu là cáccơ cấu có thực (khối lượng, ma sát…). Trong cơ khí chế tạo, việc nghiên cứu động lực học có ý nghĩa chính là cải thiện chất lượng của máy.

Có 2 phương pháp chính trong nghiên cứu đặc tính động lực học:+ Nghiên cứu trong lĩnh vực thời gian

+ Nghiên cứu trong lĩnh vực tần số (đặc tính tần – biên - pha).

32

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

3.1. Các tín hiệu tác động3.1.1. Tín hiệu bậc thang đợn vị

- Tín hiệu ra là hàm quá độ ,được áp dụng nghiên cứu trong lĩnh vực thời gianvà hay dùng trong thực tế.

3.1.2. Tín hiệu xung đơn vị

- Tín hiệu vào xung đơn vị tín hiệu ra là hàm quá độ, được nghiên cứu trong lĩnh vực thời gian.

33

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ3.1.3. Tín hiệu tuyến tính

- Tín hiệu vào là hàm tuyến tính tín hiệu ra là hàm vận tốc, được nghiên cứu trong lĩnh vực thời gian.

3.1.4. Tín hiệu điều hịa

- Tín hiệu vào điều hịa tín hiệu ra điều hịa, được nghiên cứu trong lĩnh vực tần số.

3.2. Đáp ứng quá độ và các chỉ tiêu của đáp ứng quá độ

34

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

⇒ Trong nghiên cứu một thiết bị cụ thể dùng tín hiệu thực để xác định

35

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ3.3. Đáp ứng tần số

Giả sử:

(1)Thay x(t), y(t) vào (1):

Hàm truyền tần số

Ta có

- biên độ hàm truyền tần số - phần thực

- phần ảo3.3.1. Đặc tính tần – biên – pha

36

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Trong mặt phẳng phức

3.3.2. Đặc tính tần – biên - pha logarit

Trong mặt phẳng logarit

37

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ3.4. Phân loại các nhóm

Các cơ cấu có chung một dạng của mơ hình tốn thì đươc xếp vào một dạng khâu.

3.4.1. Khâu khuếch đại

3.4.2. Khâu quán tính

3.4.3. Khâu dao động

38

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

3.4.4. Khâu tích phân

3.4.5. Khâu vi phân

Kí hiệu theo đặc tính thời gian:

39

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

3.5. Ổn định của hệ điều khiển tự động3.5.1. Tiêu chuẩn đại số

- Tiêu chuẩn Routh. - Tiêu chuẩn Harwitz.3.5.2. Tiêu chuẩn tần số- Tiêu chuẩn Nyquyst

Tần biên pha

40

</div>Trang 41<div class="page_container" data-page="41">

Tần biên pha logarit- Tiêu chuẩn Mikhailov

3.5.3 Các phương pháp xác định ổn định- Phương pháp biểu đồ Bolde

41

</div>Trang 42<div class="page_container" data-page="42">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ- Phương pháp biểu đồ Nichols⇒ Đáp ứng được tiêu chuẩn.

3.6. Bộ hiệu chỉnh tỷ lệ - tích phân – vi phân (Bộ điều khiển PID)- Các bộ điều khiển dùng để cải thiện đặc tính động lực học của hệ:

- Bộ điều khiển gồm:+ Phần cứng

+ Phần mềm (thuật tốn PID)

42

</div>Trang 43<div class="page_container" data-page="43">

Phương trình trên gồm ba khâu tỷ lệ, tích phân, vi phân.Chuyển sang Laplace:

Sơ đồ khối bộ điều khiển PID:

Nghiên cứu chứng minh được:

- hệ số khuếch đại tỷ lệ đặc trưng cho thời gian đáp ứng - hệ số khuếch đại tích phân đặc trưng cho sai số của hệ ở chế độ xác lập

- hệ số khuếch đại vi phân đặc trưng cho độ ổn định (D,n)

43

</div>Trang 44<div class="page_container" data-page="44">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

Tùy theo yêu cầu của từng máy mà có các bộ điều khiển sau:

+ Bộ P

+ Bộ PI

⇒ Sai số nhỏ độ chính xác cao.

+ Bộ PD : ⇒ Độ ổn định cao.

+ Bộ PID :

⇒ Chất lượng trung bình.

44

</div>Trang 45<div class="page_container" data-page="45">

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ KÍN

4.1. Mơ hình trục chính máy CNC- Động cơ một chiều

- Động cơ biến tần- Động cơ thủy lực4.1.1. Động cơ một chiều - Dùng để điều khiển tốc độ

45

</div>Trang 46<div class="page_container" data-page="46">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

</div>Trang 47<div class="page_container" data-page="47">

47

</div>Trang 48<div class="page_container" data-page="48">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

</div>Trang 49<div class="page_container" data-page="49">

4.2. Mơ hình bàn máy CNC- Động cơ bước

- Đông cơ một chiều- Động cơ thủy lưc

Động cơ thủy lực Xi lanh thủy lực

49

</div>Trang 50<div class="page_container" data-page="50">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

- Sơ đồ khối:

- Xác định G(s)

50

</div>Trang 51<div class="page_container" data-page="51">

- Giá trị thu gọn:

51

</div>Trang 52<div class="page_container" data-page="52">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

- Khảo sát động lực học:

52

</div>Trang 53<div class="page_container" data-page="53">

4.3. Mơ hình điều khiển cánh máy bay bằng thủy lực

Fa - Hợp lực của khơng khí tác động lên càng.J - Giá trị moment quán tính của càng.θ - Góc quay của càng.

53

</div>Trang 54<div class="page_container" data-page="54">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

Xy lanh + van:

Hệ tuyến tính, ở chế độ quá độ nhỏ

y = l . θ và a = lTìm hàm truyền

54

</div>Trang 55<div class="page_container" data-page="55">

Đặt

Biến đổi Laplace:

55

</div>Trang 56<div class="page_container" data-page="56">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

Hàm truyền của hệ:

4.4. Mơ hình điều khiển hệ chế biến hóa học

56

</div>Trang 57<div class="page_container" data-page="57">

+ Điều khiển số: tín hiệu liên tuc+ Bộ xử lí: tín hiệu rời rạc

x(nT) x(i): hàm rời rạc Mô phỏng Matlab:

57

</div>Trang 58<div class="page_container" data-page="58">

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

Cho

58

</div>Trang 59<div class="page_container" data-page="59">

59

</div>

báo cáo cơ sở điều khiển cơ khí

BÁO CÁO

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN CƠ KHÍ

MỤC LỤC

∫

=

√

.

√

√

√

√

{

}

(

]

(

)

(

)

(

)

[

(

)

)

(

)

(

)

(

)

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về