Ra lệnh cho một khớp quay ba mươi độ là chuyện dễ. Bảo đảm nó thật sự dừng ở ba mươi độ, dưới tải thay đổi, sau hàng triệu chu kỳ, mới là chuyện khó. Khoảng cách giữa hai việc đó chính là vòng điều khiển kín.
Vòng hở và vòng kín khác nhau ở đâu
Trong điều khiển vòng hở, bộ điều khiển phát lệnh rồi tin rằng cơ cấu đã thực hiện đúng. Động cơ bước trong máy in ba chiều rẻ tiền hoạt động như vậy: đếm số xung và giả định trục đã đi đúng ngần ấy.
Trong vòng kín, một cảm biến đo kết quả thật và gửi ngược về. Bộ điều khiển so với giá trị mong muốn, tính ra sai lệch, và điều chỉnh lệnh ra cho tới khi sai lệch đủ nhỏ. Vòng này lặp lại liên tục, thường vài trăm tới vài nghìn lần mỗi giây.
Khác biệt lộ ra khi có nhiễu loạn. Vòng hở gặp tải nặng bất thường thì mất bước và không hề biết. Vòng kín thấy sai lệch tăng và tự tăng lực để bù. Đó là lý do mọi robot công nghiệp đều dùng vòng kín cho chuyển động khớp.
Ba thành phần của một bộ điều chỉnh cơ bản
Bộ điều chỉnh phổ biến nhất kết hợp ba phần, mỗi phần xử lý một khía cạnh của sai lệch.
- Phần tỉ lệ phản ứng với sai lệch hiện tại. Tăng nó thì máy đáp ứng nhanh hơn nhưng dễ vọt lố và rung.
- Phần tích phân cộng dồn sai lệch theo thời gian, dùng để triệt sai lệch tĩnh còn sót lại. Tăng quá thì hệ chậm và dao động chu kỳ dài.
- Phần vi phân phản ứng với tốc độ thay đổi của sai lệch, có tác dụng dập rung. Nhưng nó khuếch đại nhiễu đo, nên hầu như luôn phải lọc.
Trong robot thật, người ta hiếm khi dùng một bộ điều chỉnh duy nhất. Thông thường có nhiều vòng lồng nhau: vòng dòng điện nhanh nhất ở trong cùng, rồi vòng tốc độ, ngoài cùng là vòng vị trí. Cách xếp lồng này giúp mỗi vòng chỉ phải lo một việc.
Độ trễ nguy hiểm hơn sai số
Sai số đo được thì bù được. Độ trễ thì không, vì bộ điều khiển đang phản ứng với một trạng thái đã cũ.
Độ trễ đến từ nhiều nguồn cộng lại: thời gian cảm biến lấy mẫu, thời gian truyền dữ liệu qua bus, thời gian tính toán, và thời gian bộ khuếch đại đáp ứng. Từng phần nghe nhỏ, nhưng chúng cộng dồn.
Hệ quả thực tế là bạn không thể tăng hệ số điều khiển vô hạn. Vượt một ngưỡng, hệ trở nên mất ổn định và bắt đầu dao động, dù mọi thông số cơ khí đều đúng. Khi gặp hiện tượng này, việc cần làm là giảm độ trễ chứ không phải chỉnh tiếp hệ số.
Ba dấu hiệu vòng điều khiển đang chỉnh sai
Rung ở tần số cao khi giữ nguyên vị trí. Thường do phần tỉ lệ quá lớn hoặc phần vi phân đang khuếch đại nhiễu đo. Giảm hệ số và siết bộ lọc trước khi nghĩ tới cơ khí.
Vọt lố rồi mới về đúng chỗ. Máy đi quá điểm đích rồi quay lại. Thường do phần tích phân tích luỹ quá nhiều trong giai đoạn tăng tốc. Cách xử lý phổ biến là giới hạn phần tích luỹ này.
Sai lệch bám tăng dần khi chạy nhanh. Robot luôn đi sau quỹ đạo mong muốn một khoảng, và khoảng đó lớn dần theo tốc độ. Đây là dấu hiệu vòng phản ứng chưa đủ nhanh so với yêu cầu chuyển động, thường xử lý bằng cách bổ sung khâu bù tiến, tức là dự đoán trước lệnh cần ra thay vì chỉ chờ sai lệch xuất hiện.
Vì sao người mới nên hiểu phần này sớm
Rất nhiều sự cố bị quy nhầm cho cơ khí thật ra nằm ở vòng điều khiển, và ngược lại.
Một robot rung khi mang tải nặng có thể do kết cấu thiếu cứng vững, nhưng cũng có thể do hệ số điều khiển được chỉnh cho tải nhẹ. Một robot dừng không đúng vị trí có thể do độ rơ cơ khí, nhưng cũng có thể do phần tích phân bị tắt.
Cách phân biệt đơn giản: chạy cùng một chuyển động ở tốc độ rất chậm. Nếu sai lệch biến mất khi chạy chậm, vấn đề nghiêng về điều khiển và động lực học. Nếu sai lệch vẫn còn nguyên, nghi ngờ cơ khí trước.
Câu hỏi thường gặp
Robot có bắt buộc dùng vòng kín cho mọi khớp không?
Với robot công nghiệp thì gần như luôn có, vì an toàn và độ lặp lại đều phụ thuộc vào việc biết chắc khớp đang ở đâu. Một số cơ cấu phụ như tay kẹp đơn giản vẫn có thể chạy vòng hở, khi hậu quả của sai lệch là chấp nhận được.
Chỉnh hệ số điều khiển có cần làm lại khi đổi đầu công tác không?
Nên kiểm tra lại. Đầu công tác thay đổi khối lượng và mô men quán tính mà khớp phải kéo, nghĩa là đối tượng điều khiển đã khác. Nhiều bộ điều khiển hiện đại có chức năng nhận dạng tải để tự hiệu chỉnh, nhưng vẫn nên chạy thử ở tốc độ thấp trước.
Vì sao tăng hệ số tỉ lệ lại làm robot rung?
Hệ số tỉ lệ lớn khiến bộ điều khiển phản ứng mạnh với sai lệch nhỏ. Kết hợp với độ trễ vốn có trong hệ, phản ứng mạnh đó đến muộn và trở thành lực đẩy sai chiều, tạo thành dao động tự duy trì. Giảm hệ số hoặc giảm độ trễ đều làm dao động biến mất.
Encoder đặt ở động cơ và ở đầu ra khớp khác nhau thế nào?
Encoder ở động cơ đo trước bộ truyền nên không thấy được độ rơ và biến dạng của bộ truyền. Encoder đặt trực tiếp ở đầu ra khớp đo đúng thứ ta quan tâm nhưng đắt hơn và khó lắp hơn. Nhiều robot chính xác cao dùng cả hai để tận dụng ưu điểm mỗi loại.
Đọc thêm trong Hệ sinh thái nhà cung cấp và Tiêu chuẩn & an toàn.
