بهبود عملكرد كنترل فعال ارتعاش در ماشين‌كاري با استفاده از كنترلر PID غيرخطي كسري

Improving Active Vibration Control Performance in Machining Using Nonlinear Fractional PID Controller

ارتعاش در ماشين‌كاري يكي از مهم‌ترين محدوديت‌هاي توليد است. اين ارتعاش منجر به افزايش هزينه‌هاي ماشين‌كاري، كاهش دقت قطعات و كاهش عمر ابزار برشي مي‌شود. كنترل فعال يكي از روش‌هاي مرسوم براي مقابله با ارتعاش در ماشين‌كاري است ولي طراحي يك كنترلر بهينه براي فرآيند ماشين‌كاري به‌ دليل عوامل ناشناخته در سيستم يك مشكل چالش‌برانگيز است. روش كنترلي DVF با حجم محاسباتي پايين و قابليت بالا در افزايش عملكرد ابزار برشي، روش موثري است ولي به‌دليل افزايش توان كنترلي مي‌تواند موجب اشباع عملگر شود، بنابراين يك روش بهينه كنترلي نيست. هدف اين پژوهش پياده‌سازي كنترل PID غيرخطي براي افزايش كارآيي و بهبود عملكرد كنترل فعال ارتعاش روي يك ابزار داخل‌تراش است. نتايج آزمون‌هاي كنترل ضربه نشان مي‌دهد كه الگوريتم كنترلي PID غيرخطي كسري در كاهش ارتعاش و افزايش ميرايي سازه داراي عملكرد مطلوبي است. با استفاده از معيارهاي عملكرد كنترلر مي‌توان توان كسري بهينه براي كنترلر PID غيرخطي را به‌نحوي انتخاب كرد كه علاوه‌ بر افزايش ميرايي ابزار، منجر به كاهش توان مصرفي شده و در نتيجه از اشباع عملگر جلوگيري شود. نتايج آزمون‌هاي برشي نيز نشان مي‌دهد كه كنترلر PID غيرخطي با كاهش ولتاژ كنترلي و توان مصرفي عملگر نسبت به كنترلر DVF، منجر به افزايش محدوده ماشين‌كاري پايدار مي‌شود. همچنين كنترلر پيشنهادي در هنگام وقوع اغتشاش‌هاي ضربه‌اي در فرآيند ماشين‌كاري از جمله درگيري اوليه ابزار منجر به كاهش قابل توجه قله ولتاژ كنترلي مي‌شود.

Machining vibration is one of the most important constraints on productivity. This vibration may cause increase in machining costs, lower accuracy of products, and decrease tool life. Active control is one of the conventional methods for dealing with vibration in machining, but designing an optimized controller for machining process due to unknown parameters in the system is challenging. DVF control method with low computational costs and high capability in increasing the performance of the cutting tool is an effective method, but due to increasing in actuator control input, it can cause actuator saturation; thus, it is not an efficient control method. The aim of this research is implementation of a nonlinear fractional PID controller for increasing effectiveness and improving performance of active vibration control on a boring bar. The results of impact control tests indicate that nonlinear PID control algorithm has good performance in reducing vibrations and increasing the damping of the structure. Using the controller performance criteria, the optimal fractional can be chosen for the nonlinear PID controller, which in addition to increasing the damping of the tool, can reduce the power consumption and, thus, prevent the actuator saturation. The results of the cutting tests also show that the nonlinear PID controller reduces control voltage and actuator power with respect to the DVF controller, which results in improving the boundaries of stable machining. Moreover, during impacts in machining process, such as the initial engagement of the tool, the proposed controller results in a significant reduction in the control voltage peak.