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

1

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ

DO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUẢN LÝ

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

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
(ký, họ và tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trần Ngọc Hải

Đà Nẵng, 12/ 2013
Đà Nẵng, 12/ 2013

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)


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

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

trên máy vi tính; khảo sát trên mô hình thực nghiệm và so sánh.

động như dây chuyền chế biến thực phẩm, các máy tự động gia công

6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

sản phẩm nhựa, máy công cụ điều khiển theo chương trình số,...

- 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;

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,

- Khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy trên máy vi tính;

thực hiện điều khiển logic cho các thiết bị hoặc dây chuyền thiết bị tự

- Lắp ráp mô hình thực nghiệm bàn máy CNC truyền động và điều

động, đặc biệt nhờ khả năng truyền động được vô cấp mà nó được

khiển bằng thủy lực;

ứng dụng để điều khiển vô cấp tốc độ, tải trọng và vị trí của cơ cấu

- Sử dụng ngôn ngữ C và phần mềm Visual Basic để thiết kế giao

chấp hành. Hiện nay, hệ thủy lực được sử dụng để điều khiển các

diện, kết nối mô hình thực nghiêm với máy vi tính và khảo sát các

thiết bị như máy ép điều khiển số, rôbot công nghiệp, máy CNC hoặc

đáp ứng vị trí của bàn máy CNC trên mô hình thực nghiệm.

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.


6

5
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
1.2.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU CỤM BÀN
MÁY CNC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ

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

THỦY LỰC
2.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

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

Y

1.2.2.3. Sai số điều khiển

Sóng trượt

1.2.2.4. Các chỉ tiêu chất lượng của đáp ứng quá độ

nt

Cảm biến đo
góc
Bộ truyền đai răng

1.2.2.5. Các phương pháp số thông dụng

Bàn máy

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

Vít me bi
X

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

Động cơ thủy lực

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 động…Lý
thuyết này nhằm phục vụ nghiên cứu lý thuyết động lực học máy và
phương pháp số để lập chương trình tính toán.

Máy vi tính

Bộ điều
khiển
D/
A
A/
D

Van tỷ lệ

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


7

8

ta sử dụng van tỷ lệ. Thiết bị đo vị trí dịch chuyển của bàn máy được

X

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)
λ

C

Ω

D 0m

Q

θ

Q

x Cảm biến đo
góc quay

Vít me-đai ốc bi (bước tx)

Bộ điều khiển

E

Bộ điều
khiển

I

Cụm van + động cơ
thủy lực

F

E

Ω

F

+ U

X
Vít me bi + bàn máy

Cảm biến đo góc quay

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.

b

J
θ
Động cơ thủy lực

I

I

tx
Van tỷ lệ

Hình 2.3. Mô hình phân tích động lực học
2

x

Van tỷ lệ

Ω
Dm
Q

m

KC

U

λ

X

Ω
θ

fm

V

2B

Q

tx

J2

I
I

θ
b2

X
Động cơ thủy lực
p

fm

Ω

p

m

2
t 
t
b 2 = f m . x  ; J 2 = m. x  ; b = b1 + b2; J = J1 + J2

 2π 
 2π 

(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; D 0m - 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: θ = 2π .X

(2.2)

tx

Trên môtơ thủy lực và van tỷ lệ, ta có:
Phương trình cân bằng lưu lượng trên động cơ thủy lực và van tỷ


10

9
lệ là:
Q = Dm .

V ); Q = K .I
dθ
dp
V
+ C. + λ.p (với C =
2B
dt
dt

Phương trình cân bằng mômen trên môtơ thủy lực là:
d 2θ
dθ
D0m .p = J. 2 + b.
dt
dt

(2.3)

I(s)

U(s)

(2.7)

X(s)

KS
3
h1.s + h 2 .s 2 + h 3 .s

X(s)

KM
Hình 2.5. Sơ đồ khối sau khi biến đổi

(2.8)

Thay (2.8) vào (2.6), ta có:
b 
V
 J
Q(s ) = D m .s.θ(s ) +  .s + λ . 0 .s 2 + 0 .s .θ(s )
Dm 
 2B
  Dm


b 
V
 J
⇔ Q(s ) = D m .s +  .s + λ . 0 .s 2 + 0 .s .θ(s )
2
B
D
D


 m
m




V J
.
;
h 1 =
2B D 0m

Với h1, h2, h3 là các tham số của hệ, trong đó: 
V b
λJ

. 0 + 0 ;
h 2 =
2B D m D m


λb
h 3 = D m + 0 ;
Dm


Đặt:

KS =

(2.9)

2πK C
tx
; KM =
2π
tx

2.3. NHẬN XÉT

Từ (2.9), ta có:
(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:

tx
2π

F(s)

Phương trình (2.7), ta có:

θ(s )
1
=
Q(s )  V J 3  V b
λJ  2 
λb  
 . 0 .s +  . 0 + 0 .s +  D m + 0 .s

Dm  
 2B D m D m 

 2B D m

Q(s)

KV

Biến đổi các phương trình :

V J
V b

λJ 
λb  
⇔ Q(s ) =  . 0 .s3 +  . 0 + 0 .s 2 +  D m + 0 .s .θ(s )
Dm  
 2B D m D m 

 2B D m

θ(s)

Biến đổi sơ đồ khối hình 2.4:

(2.6)

 J 2 b 
J

b
p(s ) = 0 .s 2 .θ(s ) + 0 .s.θ(s ) ⇔ p(s ) =  0 .s + 0 .s.θ(s )
Dm 
Dm
Dm
 Dm

1
V J 3  V b

λJ 
λb  
. 0 + 0 .s 2 +  D m + 0 .s 
 . 0 .s + 
D m  
 2B D m
 2B D m D m 


Hình 2.4. Sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu trong hệ thống

Q(s ) = K V .I(s ) = D m .s.θ(s ) +

D .p(s ) = J.s .θ(s ) + b.s.θ(s )

Q(s
)

KC

(2.5)

2

K

(2.4)

2π
b = b1 + b2; J = J1 + J2; θ(s ) =
.X(s )
tx

0
m

I(s)

F(s)

Phương trình Laplace của hệ sẽ là:

V
.s.p(s ) + λ.p(s )
2B

U(s
)

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


11

12

khối lượng trên trục động cơ thủy lực là các giá trị thu gọn từ bàn

Chương 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK KHẢO SÁT

máy và giá trị trên rôto của động cơ thủy lực. Trục vít me bi được coi

ĐÁP ỨNG VỊ TRÍ CỦA BÀN MÁY

là cứng vững tuyệt đối. Từ các giả thiết trên đã thiết lập được mô

Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink khảo sát và đánh giá đáp

hình tính toán, viết các phương trình toán học và sơ đồ khối (hình

ứng vị trí của hệ với 3 trường hợp sau: khi hệ điều khiển theo P, điều

2.5) mô tả hệ thống.

khiển theo PID và điều khiển theo PID mờ.

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.

Ta có sơ đồ khối mô phỏng trên Matlab/Simulink được thể hiện
trên hình 3.1.
KS
h1.s + h 2 .s 2 + h 3 .s

KV

3

HS khuech dai

Ham truyen he thong

KM

HS Phan hoi

HS khuech dai
PID
Tin hieu vao
[U(V)]

KV

PID Controller
KM

KS
h1.s + h 2 .s 2 + h 3 .s
3

Ham truyen he thong
HS Phan hoi

HS khuech dai
KV
du/dt
Derivative

Fuzzy Logic
Controller

Tin hieu ra
[X(mm)]

KS
h1.s + h 2 .s 2 + h 3 .s
3

Ham truyen he thong
KM

HS Phan hoi

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


13

14

KHIỂN PID

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

Ta có, phương trình toán học của bộ điều khiển PID:
t

u ( t ) = K P .e( t ) + K I .∫ e( t )dt + K D
0

hold. Và tận dụng thuật toán tự điều chỉnh thông số sau mỗi lần lấy

de
dt

mẫu để xác định các thông số ban đầu cho KP, KI, KD.

Trong đó: KP, KI, KD > 0.

140

Nichols, phương pháp điều chỉnh hệ số lần lượt là KP->KI->KD. Ở

120

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:

Vi tri X(mm)

Để các hệ số KP, KI, KD có thể chọn theo phương pháp Ziegler -

100

80

60

40

•

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.

20

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Hình 3.3. Điều chỉnh thông số ban đầu dùng z-transform

Step response with PID at Kcr

350

Sau khi chạy chương trình ta tìm được các thông số ban đầu KP,

300

KI, KD lần lượt là KP = 90.6316, KI = 1.5062 và KD = 26.2628.

250

3.2. CHỌN LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID MỜ

200
Bộ
FUZZY

150
100

de(t)/dt

KP

KI

KD

50
00

20

Thoi gian (s)

KP lúc này chính là Kcr và bước sóng dao động chính là Pcr.

Hành trình X(mm)

z-transform to turn PID
parameters

160

Bộ PID

+
0.1

0.2

0.3

0.4
0.5 0.6
Thời gian (s)

0.7

0.8

0.9

1

Hình 3.2. Đáp ứng tại Kcr va Pcr

Hệ số tìm được khi mô phỏng trong matlab là Kcr =12800 và Pcr
2K P
K P
=0.04; K P = 0,6K cr = 7680 K I =
= 384000 K D = P cr = 64
;
8
Pcr
Trên thực tế các hệ số KP, KI, KD không lớn như trong mô phỏng

HÀM TRUYỀN HỆ THỐNG

Hệ số phản hồi
Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ điều khiển hệ thống

3.3. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG


15

16

1) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 100mm

4) Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt

Dap ung vi tri cua ban may tai diem cai dat 100mm

100-200-300mm

120

Dap ung vi tri cua ban may theo buoc nhay tai cac diem cai dat 100-200-300mm
350

300
80
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 PIDmo (X=100.012mm, thoi gian 4.5s)
Dap ung mong muon (X=100mm)

60

Hanh trinh ban may(mm)

Hanhtrinhbanmay(mm)

100

40

20

250

200

150

Dap ung khi dieu khien theo P
Dap ung khi dieu khien theo PID
Dap ung khi dieu khien theo PIDmo
Dap ung mong muon

100

0
0

5

10

15

20
Thoi gian (s)

25

30

35

50

40

0
0

Hình 3.11. Đáp ứng vị trí bàn máy 100mm

2) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 200mm

20

30

40
50
Thoi gian (s)

60

70

80

90

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

Dap ung vi tri cua ban may tai diem cai dat 200mm
250

300-200-100-0mm

200

Dap ung vi tri cua ban may theo buoc nhay tai cac diem cai dat 300-200-100-0mm
35

150

30

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 PIDmo (X=200.025mm, thoi gian 5.9s)
Dap ung mong muon (X=200mm)

100

Hanh trinh ban may (mm)

Hanh trinh ban may (mm)

10

50

0
0

5

10

15

20
Thoi gian (s)

25

30

35

40

20
15
10
5
0

Hình 3.12. Đáp ứng vị trí bàn máy 200mm

-5

0

3) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 300mm

40

60
Thoi gian (s)

80

100

120

3.4. NHẬN XÉT

300

Hanh trinh ban may (mm)

20

Hình 3.15. Đáp ứng vị trí bàn máy theo bước nhảy

Dap ung vi tri cua ban may tai diem cai dat 300mm
350

250

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 PIDmo (X=300.038mm, thoi gian 10s)
Dap ung mong muon (X=300mm)

200

150

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

100

ứng chậm.

50

0
0

Dap ung khi dieu khien theo P
Dap ung khi dieu khien theo PID
Dap ung khi dieu khien theo PIDmo
Dap ung mong muon

25

5

10

15

20
Thoi gian (s)

25

30

Hình 3.13. Đáp ứng vị trí bàn máy 300mm

35

40

- 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

18
Chương 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

4.1. CÁC PHẦN TỬ THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH THỰC
NGHIỆM

pháp điều khiển theo PID và PID mờ cho thời gian đáp nhanh hơn

4.1.1. Bàn máy

nhiều so với điều khiển theo P. Do đó, có thể ứng dụng hai phương

1) Vít me - đai ốc bi:
Trục vít

pháp điều khiển theo PID hoặc PID mờ để khảo sát trên mô hình thực

Đai ốc
bi

nghiệm.
Ống hồi bi

Đai ốc
trục vít

Hình 4.1. Vít me - đai ốc bi

2) Sơ đồ lắp bàn máy
Bàn máy
Khớp nối
Động cơ
thủy lực

Đế bàn máy
560

Hình 4.2. Bàn máy


20

4.1.2. Ảnh chụp mô hình thực nghiệm

Hanh trinh ban may (mm)

19

Dap ung vi tri cua ban may

300

Dap ung thuc te
Dap ung mong muon

250
200
150
100
50
0

0

2

4

6

8

10
12
Thoi gian (s)

14

16

18

20

Hình 4.11. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 100mm
Hanh trinh ban may (mm)

2) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 150mm
Dap ung vi tri cua ban may

300

Dap ung thuc te

Dap ung mong muon

250
200
150
100
50
0

0

2

4

6

8

10
12
Thoi gian (s)

14

16

18

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
Hình 4.12. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 150mm

20


21

22
5) Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt

Dap ung vi tri cua ban may

300

100-170-250mm

250
200
150

Dap ung thuc te
Dap ung mong muon

100
50
0

0

2

4

6

8

10
12
Thoi gian (s)

14

16

18

20

Hanh trinh ban may (mm)

Hanh trinh ban may (mm)

3) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 200mm

Dap ung vi tri cua ban may

300
250
200
150
100

Dap ung thuc te
Dap ung mong muon

50
0

0

2

4

6

8
10
Thoi gian (s)

12

14

16

18

20

Hình 4.13. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 200mm

Hanh trinh ban may (mm)

4) Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 250mm
Dap ung vi tri cua ban may

300
250
200
150

Dap ung thuc te
Dap ung mong muon

100
50
0

0

2

4

6

8

10
12
Thoi gian (s)

14

16

18

20

Hình 4.15. Đáp ứng vị trí của bàn máy theo bước nhảy tại các điểm cài đặt

Hình 4.14. Đáp ứng vị trí của bàn máy tại điểm cài đặt 250mm


23

24

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 0.050.04-0.04mm.
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.

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.