ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA
MÁY PHAY CNC .....................................................................................................5
1. Khái niệm máy phay CNC .....................................................................................5
1.2. Kết cấu và hệ thống dẫn dộng máy CNC............................................................5
1.2.1. Mơ hình khái qt máy CNC ...........................................................................5
1.2.2. Cấu tạo máy CNC ............................................................................................7
1.2.3. Phân loại máy CNC .........................................................................................9
1.3. KẾT LUẬN .......................................................................................................10
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÀN MÁY PHAY X, Y ..........................11
2.1 SỐ LIỆU CHO TRƯỚC ....................................................................................11
2.2. KẾT QUẢ TÍNH TỐN ..................................................................................11
3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC, ĐẶC TÍNH KHI CHUYỂN ĐỘNG
CỦA CÁC BÀN MÁY ............................................................................................13
3.1. Xây dựng mơ hình tốn học, đặc tính khi điều khiển chuyển động của bàn máy
X ...............................................................................................................................13
3.1.1. Thông số đầu vào: ..........................................................................................14
3.1.2. Phương trình tốn học ....................................................................................14
3.1.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X ......................................................................16
3.1.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) ....................................................16
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID ...............................................................................22
3.3. Xây dựng mơ hình tốn học, đặc tính khi điều khiển chuyển động của bàn máy
Y ...............................................................................................................................29
3.3.1. Thông số đầu vào: ..........................................................................................29
3.3.2. Phương trình tốn học ....................................................................................29
3.3.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X ......................................................................31
3.3.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) ....................................................32
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn

SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
3.4. Thiết kế bộ điều khiển PID ...............................................................................37
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG
THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC ...........................................................................40
.Tìm hiểu khối cơng cụ Simmechanics trong Matlab ..............................................40
4.2.Giới thiệu về Simulink trong Matlab .................................................................43
4.3. Mô phỏng bàn máy chạy theo quỹ đạo mong muốn .........................................46
4.3.1.Gia công thẳng: ...............................................................................................46
4.3.2.Điều khiển tròn................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................67

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
LỜI MỞ ĐẦU
Thế giới chúng ta trong thế kỉ 21 chứng kiến những thành tựu vượt bậc về khoa
học công nghệ, kĩ thuật, y học,… Con người hướng tới một cuộc cách mạng nhằm tăng
năng suất lao động, dần thay thế vai trị của con người trong sản xuất.
Cơ khí, điện tử, tin học..đều có nền tảng khoa học vững chắc, lịch sử phát triển lâu dài, có

những sản phẩm vơ cùng đa dạng. Tuy nhiên, với tốc độ phát triển của thời đại, yêu cầu
cao hơn về cách hoạt động của máy móc, máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn,
uyển chuyển hơn và thông minh hơn. Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động
của con người là một xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm
chất lượng cao.Doanh nghiệp hướng tới mục đích kinh tế cao, chi phí hạn chế tối thiểu.
Cơ khí là một ngành khoa học, lĩnh vực không thể thiếu , gắn liền với quá trình phát triển
con người. Chúng ta đang quan tâm và dành nhiều thời gian để nghiên cứu thuật ngữ
“ máy công cụ CNC”.
Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp.Sự xuất hiện của máy
CNC đã nhanh chóng làm thay đổi q trình sản xuất công nghiệp.Các đường cong được
thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng được dễ dàng
thực hiện và một lượng lớn các thao tác của con người được giảm thiểu. Việc gia tăng tự
động hóa trong q trình sản xuất tạo nên sự chính xác và chất lượng ngày càng cao. Máy
CNC phổ biến hiện nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây
CNC,...Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thơng minh nhân tạo, điều khiển số tạo ra những máy
CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính chuyển động ngày càng linh hoạt và khéo
léo.Bài báo cáo này sẽ trình bày chủ yếu về máy phay CNC có 3 trục chính.
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đồ án thiết kế cơ khí này, em sẽ tìm hiểu về q trình tính tốn và thiết kế hệ thống dẫn
hướng máy phay CNC. Nhiệm vụ chính là tính tốn thiết kế và lựa chọn hệ thống vít me
bi, hệ thống ray dẫn hướng, ổ bi và động cơ điều khiển cho các trục X, Y.Kiến thức hạn
hẹp và thiếu kinh nghiệm trong tìm hiểu đồ án, nhiều yếu tố khách quan tác động là

những nguyên nhân khiến bản báo cáo khó tránh khỏi những thiếu xót.
Lời cuối cùng em xin dành lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Ngọc Huyền vì
nhứng chỉ bảo và giúp đỡ tận tình. Bản báo cáo đồ án này sẽ khơng thể hồn thành nếu
thiếu đi sự quan tâm đó

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY
PHAY CNC
1. Khái niệm máy phay CNC
CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề
cập đến việc điều khiển bằng máy tínhcác máy móc khác với mục đích sản
xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng
cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA274-D, thường gọi là mã G.
Máy CNC là một trong những công cụ hỗ trợ q trình gia cơng cơ khí khá đắc lực.
Khả năng công nghệ của máy giúp năng lực sản xuất của doanh nghiệp tang lên
gấp nhiều lần.
Máy CNC có thể dễ dàng bắt gặp ở hầu như mọi công xưởng, từ nhửng cơng
xưởng có quy mơ nhỏ và vừa đến những công xưởng sản xuất với công suất lớn.

1.2. Kết cấu và hệ thống dẫn dộng máy CNC
1.2.1. Mô hình khái qt máy CNC
Gồm các thành phấn chính đó là:
-


Phần điều khiển.

-

Phấn chấp hành

-

Các cơ cấu điều khiển và gia cơng kim loại

-

Hệ thống phối hợp của máy tính và các thiết bị khác

Kết cấu khái quát được mô tả như sơ dồ :

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Kết cấu khái quát máy CNC
Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành:

❖ Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

+ Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu (các lệnh) để điều khiển máy,
được mã hóa dưới dạng chữ cái , chữ số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, dấu
trừ,..Tập lệnh (chương trình) này được ghi lên các cơ cấu mang chương trình dưới
dạng mã như băng đục lỗ hay bộ nhớ máy tính….
+ Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các
phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ
cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của các cơ cấu chấp hành thông
qua các cảm biến….
❖ Phần chấp hành: Gồm các cơ cấu gia công kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự

động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn….Cũng như các máy cắt gọt kim
loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt. Tùy theo khả
năng cơng nghệ của máy mà máy có thể có: thân máy, bàn máy, trục chính,...các kết cấu
được thiết kế với các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu trong quá trình điều khiển tự động của

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
máy, ví dụ như phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải
phoi và bôi trơn…..

1.2.2. Cấu tạo máy CNC

Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC
Kết cấu động học của máy phay đứng CNC bao gồm: Cụm trục chính, hệ thống thay dao,

bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC

❖ Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt. Trục chính
được dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điều khiển được , được
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ quay
bất kì trong giới hạn thiết kế của máy. Hệ thống truyền động và cụm trục chính
được tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc độ
quay trong thời gian ngắn nhất. Tốc độ quay của trục chính ln được các cảm
biến đo và phản hồi về bộ điều khiển CNC. Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá
kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hồn tồn q
trình thay dao. Chuyển động theo trục Z của máy do cụm trục chính thực hiện ,
dẫn động nhờ một động cơ servo

❖ trục Z thông qua bộ truyền vitme đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ
điều khiển CNC kín, có phản hồi.
❖ Hệ thống thay dao của máy phayCNC được tự động hóa hồn tồn , thơng
thường nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép. Vị trí thay dao của cụm trục
chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm khơng xảy ra hiện tượng va
đập với các chi tiết và các bộ phận khác của máy trong quá trình thay dao. Hiện
nay, các nhà sản xuất trung tâm gia công cơ khí CNC cịn đưa ra một hệ thống
thay dao đơn giản hơn đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa
có chức năng thay dao tự động.

❖ Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyển động theo 2
trục X và Y , được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền động
vitme bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có phản
hồi.
❖ Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều khiển
số được nạp vào bộ điều khiển , tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều khiển
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
các cơ cấu chấp hành. Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 lệnh hệ cơ
bản đó là : hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình thình
thành hình dáng hình học của chi tiết.

1.2.3. Phân loại máy CNC
- Máy tiện CNC

Máy tiện CNC
-Máy phay CNC

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 9



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Máy phay CNC

1.3. KẾT LUẬN
❖ Các thông số làm việc:
+ Loại máy: Máy phay CNC
+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết: M= 300 kg
+ Vận tốc chạy lớn nhất khi chạy không: V1 = 16 m/phút
+ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công: V2 = 8 m/phút
+ Thời gian hoạt động: 05-07 năm
❖ Đồ án này trình bày về quá trình thiết kế hệ thống dẫn động cho máy CNC
dưới dạng di chuyển của 3 trục nên bao gồm những cơng việc như: tính tốn
chọn vít me, cụm ổ đỡ, ray dẫn hướng, động cơ, xây dựng mơ hình tính tốn,
khảo sát đặc tính khi điều khiển chuyển động bàn máy và mô phỏng hoạt động
của hệ thống khi gia công.

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÀN MÁY PHAY X, Y
2.1 SỐ LIỆU CHO TRƯỚC
•
•

•
•
•

Máy phay CNC
Phay mặt đầu
Khối lượng lớn nhất của chi tiết : 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 260𝑘𝐺
Chiều cao lớn nhất của chi tiết : 𝐻𝑚𝑎𝑥 = 200𝑚𝑚
Trọng lượng bàn gá : 𝐺𝑥𝑚𝑎𝑥 = 200𝑘𝐺, 𝐺𝑦𝑚𝑎𝑥 = 140𝑘𝐺

•
•
•
•
•
•

Chiều dài bàn làm việc lớn nhất : Lxmax= 550mm, Lymax= 400mm
Vận tốc lớn nhất khi gia công không tải : Vck= 16m/ph
Vận tốc lớn nhất khi gia cơng có tải : Vc= 8m/ph
Gia tốc hoạt động lớn nhất : a= 0,4 m/s2
Tuổi thọ hoạt động : 50km, tương đương 21000h làm việc
Hệ số ma sát trượt : 𝜇 = 0,1

2.2. KẾT QUẢ TÍNH TỐN
Với thơng số kĩ thuật cho trước, chúng ta tiến hành tính tốn để chọn ra
các bộ phận cơ khí đảm bào yêu cầu. Kết quả thực hiện được thể hiện bẳng dưới
đây:
STT


CHI TIẾT

THƠNG SỐ

HÃNG SẢN
XUẤT

GHI CHÚ
Loại 2 dãy, bi

1

Vít me bi trục X

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

45 – 10B2FDWC

PMI

lưu chuyển
ngoài

Page 11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Loại 2 dãy, bi

2

Vít me bi trục Y

45 – 10B2FDWC

PMI

lưu chuyển
ngồi
2 ổ loại 1

Ổ đỡ
3

trục X

Ổ bi đỡ- chặn

7308 BEP

SKF

dãy

Ổ bi đỡ

6309

SKF


ổ loại 1 dãy
2 ổ loại 1

Ổ đỡ
4

trục Y

Ổ bi đỡ- chặn

7308 BEP

SKF

dãy

Ổ bi đỡ

6309

SKF

ổ loại 1 dãy
Ray thẳng

5

Ray dẫn hướng trục X


MSA 35 LA

PMI

chạy bi
Ray thẳng

6

Ray dẫn hướng trục Y

MSA 45A

PMI

chạy bi
Động cơ servo

7

Động cơ trục X

AM 1160A

ALILAM

(M= 5,2 N.m)
Động cơ servo

8


Động cơ trục Y

AM 1160A

ALILAM

(M= 5,2 N.m)

Bảng kết quả tính chọn chi tiết cơ khí bàn phay CNC

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC, ĐẶC TÍNH KHI CHUYỂN ĐỘNG
CỦA CÁC BÀN MÁY
3.1. Xây dựng mơ hình tốn học, đặc tính khi điều khiển chuyển động
của bàn máy X
Bàn máy được lắp vít me, vít me được nối với động cơ qua khớp nối. Khi động cơ quay
thì làm vít mẹ quay, nhờ đó bàn máy di chuyển tịnh tiến trên vít me. Vậy nên, ta điều
khiển bàn máy cũng chính là điều khiển động cơ.

Mơ hình bàn máy cơng cụ

Mơ hình hóa hệ bàn máy


GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
3.1.1. Thông số đầu vào:
Khối lượng bàn: mx= 200 kg
Khối lượng phôi: M=260 kg
Hệ số ma sát: f = 0,1
Bước vít me : l = 10 mm
Chiều dài vít me: Lx = 950 mm
3.1.2. Phương trình tốn học
mẍ (t) + Bẋ (t) + Kx = ∑ F
Trong đó:
- m là khối lượng bàn ( m= mx + M)
- K : hệ số độ cứng
- B : hệ số giảm chấn
- ∑ F : Tổng lực tác dụng ( ∑ F= Fdc – Fms )
Tổng lực tác dụng :
Lực động cơ : Fdc = K .x(t ) = K . (t )

l
2

Với:
•  (t ) : góc quay của động cơ cần để có thể tạo ra một dịch chuyển x(t )

•

l : bước vít me, l = 10 mm
.

Lực ma sát: Fms = fmg x
Trong đó:

f là hệ số ma sát

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Hệ số độ cứng:
1 1 1
1
1
1
= + +
+
+
K kc kb k g + ks kch kn

Trong đó:


kc : độ cứng của nối trục.
Chọn kiểu nối trục SINGLE FLEXING COUPLING với kích thước đường
kính trong 40 mm. Độ cứng của nó là: 205,9.10 (Nm/rad)

kb : độ cứng ổ bi.
k g : độ cứng ray dẫn hướng.

ks : độ cứng trục vít me.
A E
 dr 2  E
−3
ks =
10 =
10−3
x
4x

Ở đây:

ks phụ thuộc vào phương pháp lắp đặt ,

kgf / mm

A: Diện tích mặt cắt ngang của vít me. A =

 dr 2
mm
4

E:Hệ số module Young, E= 2,1.104 kgf/mm2

x: Khoảng cách gá đặt, x = Lx= 950 mm

kch :độ cứng càng cua
𝑘𝑛 = 0.8𝑘(

𝐹𝑎 1
𝑁
)3 = 77. 107 ( )
0.3𝐶𝑎
𝑚

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Từ đó ta có kết quả các độ cứng ở bảng sau:

kc

kb

kg

ks

kch


kn

205,9×104

222×106

3×109

35×107

2×105

77×107

K= 18,2.104 N/m
Hệ số giảm chấn
B = 2ς√Km = 2 × 0,35 × √18,2 × 104 × 460 = 6,4×103
3.1.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X
Mẍ (t) + Bẋ (t) + Kx = K θ(t)

𝑙
2π

-𝜇𝑀𝑔𝑥̇ (𝑡)

Sử dụng toán tử Laplace 2 vế của phương trình ta được :
Ms2X(s) + BsX(s) + KX(s) = K θ(t)

𝑙


[ Ms2 + ( B + 𝜇mg )s + K ]X(s) = K θ(t)

=> G(s) =

X(s)
θ(s)

K

=

-𝜇𝑀𝑔𝑠𝑋(𝑠)

2π

𝑙
2π

𝑙
2π

Ms2 + (B+μMg) s + K

290

= 460s2 + 6860s +18,2×104

3.1.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)
Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
𝐵(𝑠)
290
=
𝐴(𝑠) 460s 2 + 6860s + 18,2 × 104

Nếu tất cả các nghiệm của biểu thức A(s) đều nằn phía bên trái trục ảo
hay khi đó A(s) được gọi là đa thức Hurwitz. Thực vậy, ta dùng lệnh
roots(A(s)) được bộ nghiệm sau đây: -7.4565 +18.4405i và -7.4565 -18.4405i
Vậy hệ hở là ổn định.

Kiểm tra sự ổn định của hệ kín
• Dùng đồ thị Nyquist

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Ta nhập trong cửa sổ Matlab:


Ta được đồ thị :

Đồ thị Nyquist

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Qua đồ thị ta nhận xét rằng: điểm (-1+j0) được đánh dấu (+) trên hình
vẽ khơng bị đảo bởi đường đồ thị Nyquist nên hệ kín ổn định.

• Dùng đồ thị Bode
Ta nhập trong cửa sổ Matlab:

Ta được đồ thị :

Đồ thị Bode
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 19


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Nhận xét: Đường pha ở trên -180o nên hệ kín ổn định
• Đáp ứng bước nhảy
Nhập trong Matlab:

Ta được đồ thị :

Đáp ứng bước nhảy của hệ
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Nhận xét: với độ vọt lố (overshoot) lên đến 28%. Điều này là không thể
chấp nhận được với hệ thống khi mà yêu cầu đặt ra độ quá điều chỉnh nằm trong
khoảng 2~ 2,5%. Hơn nữa, ở đây chúng ta cho hệ kích thích bằng tín hiệu 1(t)
nhưng hệ khơng bám lấy đầu vào.

• Đáp ứng xung Dirac (hàm trọng lượng)
Nhập trong Matlab:

Ta được đồ thị :

Đáp ứng xung Dirac của hệ
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865


Page 21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID
• Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID
Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình
quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua khâu khuếch đại (P), tín hiệu

u(t)
càng lớn
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua khâu tích phân (I), PID

vẫn cịn tạo tín hiệu điều chỉnh
- Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần
vi phân (D), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mơ hình vào-ra:

u (t ) = K p (e(t ) +

1
TI

t

 e( )d + T
0

D


de(t )
dt

Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

R(s) = K p (1 +

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

1
+ TD s )
TI s

Page 22


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Điều khiển phản hồi vịng kín với bộ điều khiển PID
• Vai trị của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân
➢ Khâu tỉ lệ
Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn,
bù khâu tỉ lệ càng lớn. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ
không ổn định. Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi
sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng
chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ
quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.


Hình 3.10. Vai trị của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID
GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 23


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
➢ Khâu tích phân

Vai trị của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID
Phân phối của khâu tích phân (đơi khi cịn gọi là reset) tỉ lệ thuận
với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức
thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu
chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và
cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu
tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích
phân,.
Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại
là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp
ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi
tiến tới trạng thái ổn định.

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 24



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
➢ Khâu vi phân

Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển
và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều
khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt
lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của
bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ
khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai
số, và có thể khiến q trình trở nên khơng ổn định nếu nhiễu và độ lợi
vi phân đủ lớn.

GVHD: TS. Ngyễn Anh Tuấn
SVTH: Vũ Minh Hiếu
MSSV: 20175865

Page 25