Thiết kế, chế tạo bộ kit thí nghiệm phục vụ môn học hệ thống điều khiển tự động trên ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KIT THÍ NGHIỆM PHỤC VỤ MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 02 S KC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KIT THÍ NGHIỆM PHỤC VỤ MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ơ TƠ SV2021 - 02 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Bùi Nhựt Quang Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 171451B, khoa Cơ khí Động lực Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Người hướng dẫn: Ths Nguyễn Trung Hiếu TP Hồ Chí Minh, 06/2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tình hình nghiên cứu ngồi nước Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phép biến đổi Laplace 1.2 Hàm truyền 1.3 Không gian trạng thái [1] 1.4 Tính ổn định hệ thống [1] 1.5 Thiết kế điều khiển PID TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 14 2.1 Cấu tạo, phân loại động điện chiều 14 2.2 Nguyên lí làm việc động điện chiều 17 2.3 Các phương pháp thay đổi tốc độ động 17 MƠ HÌNH HĨA DC MOTOR 21 3.1 Thông số DC Motor 21 3.2 Thiết lập phương trình vi phân 21 3.3 Thiết lập hàm truyền 22 3.4 Thiết lập không gian trạng thái 22 3.5 Mô DC Motor 23 3.6 Nhận diện hệ thống Identification Toolbox 28 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 32 4.1 Thết kế điều khiển PID điều khiển tốc độ 32 4.2 Thết kế điều khiển PID điều khiển vị trí 34 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 37 5.1 Mô tả phần cứng 37 5.2 Kết 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống vật nặng-lò xo-giảm chấn Hình 1.2 Sơ đồ vật thể tự Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ vật lò xo giảm chấn Hình 1.4 Ổn định khơng ổn định Hình 1.5 Sơ đồ khối hiệu chỉnh nối tiếp 10 Hình 1.6 Sơ đồ khối điều khiển hồi tiếp trạng thái 10 Hình 1.7 Sơ đồ khối điều khiển PID 10 Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển có P 11 Hình 1.9 Sơ đồ khối điều khiển có I 11 Hình 1.10 Sơ đồ khối điều khiền có D 12 Hình 2.1 Đặc tính động thay đổi điện trở phụ 18 Hình 2.2 Đặc tính động giảm từ thông 19 Hình 3.1 Mạch điện phần cứng sơ đồ chuyển động rotor 21 Hình 3.2 Giao diện Matlab 24 Hình 3.3 Thư viện Simulink 25 Hình 3.4 Cửa sổ làm việc 26 Hình 3.5 Hàm truyền tốc độ 26 Hình 3.6 Hàm truyền vị trí 27 Hình 3.7 Kết mô hàm truyền tốc độ 27 Hình 3.8 Kết mơ hàm truyền vị trí 27 Hình 3.9 Code thu thập liệu cho Toolbox 28 Hình 3.10 Dữ liệu đưa workspace khối To Workspace 29 Hình 3.11 Cửa sổ làm việc System Identification 29 Hình 3.12 Cửa sổ nhập thông số liệu 30 Hình 3.13 Dạng hệ số hàm truyền sau chương trình xử lý xong 30 Hình 3.14 Độ xác hàm truyền so với hoạt động thực tế (Màu đỏ thực tế, màu xanh mô từ hàm truyền vừa tìm) 31 Hình 3.15 Hàm truyền DC motor tìm với hệ số 31 Hình 4.1 Khối PID liên tục 32 Hình 4.2 PID liên tục điều khiển tốc độ 32 Hình 4.3 Hệ số PID liên tục tốc độ DC MOTOR 33 Hình 4.4 Kết mơ tốc độ motor PID liên tục 33 Hình 4.5 Khối PID rời rạc 34 Hình 4.6 PID rời rạc điều khiển tốc độ DC MOTOR 34 Hình 4.7 Kết mô tốc độ motor PID rời rạc 34 Hình 4.8 PID liên tục điều khiển vị trí 35 Hình 4.9 Hệ số PID liên tục vị trí DC MOTOR 35 Hình 4.10 Kết mơ vị trí motor PID liên tục 36 Hình 5.1 Arduino Mega 2560 37 Hình 5.2 Mạch 700W Single H-Bridge 38 Hình 5.3 SHB700 kết nối với Mega 2560 38 Hình 5.4 DC Motor 39 Hình 5.5 Bộ nguồn NI PS 15 39 Hình 5.6 Các gói hỗ trợ giao tiếp Simulink với Arduino 40 Hình 5.7 Thư viện giao tiếp Simulink với Arduino 40 Hình 5.8 Các khối hỗ trợ lập trình cho Arduino Simulink 41 Hình 5.9 Vi ̣trí khối S-Function Builder 41 Hình 5.10 Khối đoc ̣ Encoder 42 Hình 5.11 Khởi taọ “file c” thành công 42 Hình 5.12 Sơ đồ khối điều khiển tốc độ vị trí DC motor 43 Hình 5.13 Sơ đồ mạch điện điều khiển DC motor 43 Hình 5.14 Hình thiết kế KIT điều khiển DC motor 44 Hình 5.15 Bộ KIT điều khiển DC motor 44 Hình 5.16 Code điều khiển tốc độ DC Motor PID 45 Hình 5.17 Hệ số Kp, Ki, Kd điều khiển tốc độ DC Motor 45 Hình 5.18 Khối ENCODEREAD_SPEED 46 Hình 5.19 Khối ACTUATOR_SPEED 46 Hình 5.20 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor đầu vào constan 46 Hình 5.21 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor có thơng số chi tiết 47 Hình 5.22 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor với đầu vào xung sin 47 Hình 5.23 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor với đầu vào xung sin 47 Hình 5.24 Code điều khiển vị trí DC Motor PID 48 Hình 5.25 Hệ số Kp, Ki, Kd điều khiển vị trí DC Motor 48 Hình 5.26 Khối ENCODER READ_POSITION 48 Hình 5.27 Khối ACTUATOR_POSITION 49 Hình 5.28 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor đầu vào xung vng biên độ 360 độ 49 Hình 5.29 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor thông số chi tiết đầu vào xung vuông biên độ 360 độ 50 Hình 5.30 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor đầu vào xung Sin 50 Hình 5.31 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor thơng số chi tiết đầu vào xung Sin 50 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Biến đổi Laplace số hàm Bảng 1.2 Biến đổi laplace ngược số hàm Bảng 1.3 Tác động tăng thông số độc lập 13 Bảng 5.1 Thông số Arduino 2560 37 Bảng 5.2 Thông số 700W H Brigde 38 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Cruise Control System (CCS): Hệ thống kiểm sốt hành trình Direct Current Motor (DC Motor): Động điện chiều Linear-Quadratic Regulator (LQR): Điều khiển tối ưu tuyến tính dạng tồn phương Proportional (P): Bộ điều khiển sử dụng P (tỉ lệ) Proportional Derivative (PD): Bộ điều khiển PD (tỉ lệ, vi phân) Proportional Integral (PI): Bộ điều khiển PI (tỉ lệ, tích phân) Proportional Integral Derivative (PID): Điều khiển có hồi tiếp vịng kín gồm thành phần P (tỉ lệ), I (tích phân) D (vi phân) Percent of Overshoot (POT): Độ vọt lố QĐNS : Quỹ đạo nghiệm số State Space (SS): Không gian trạng thái Simulink (SML): Phần mềm Matlab/Simulink Single Input/Single Output (SISO): Tín hiệu vào, tín hiệu Transfer Function (TF): Hàm truyền BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo KIT thí nghiệm phục vụ mơn học Hệ thống điều khiển tự động ô tô - Chủ nhiệm đề tài: Bùi Nhựt Quang - Lớp: 171451B Mã số SV: 17145344 Khoa: Cơ Khí Động Lực Năm thứ: /Số năm đào tạo: - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Phạm Minh Thuận 17145368 171451B Cơ Khí Động Lực Trần Thị Ngọc Mỹ 17145324 171451B Cơ Khí Động Lực - Người hướng dẫn: Ths Nguyễn Trung Hiếu Mục tiêu đề tài: Mục tiêu đề tài nhận diện, mô điều khiển DC motor phần mềm Matlab/Simulink - Sử dụng công cụ hỗ trợ Matlab/ Simulink để nhận diện hệ thống ghi nhận đặc tính kỹ thuật DC motor sau thiết lập hàm truyền - Dùng hàm truyền có mô chuyển động motor xác định hệ số thuật toán PID phục vụ cho chương trình điều khiển KIT - Tiến hành thiết kế KIT thí nghiệm DC motor gồm : Board mạch điều khiển Mega 2560, Mạch cầu công suất SHB-700, DC motor 24V,… - Thiết kế thuật tốn điều khiển mơ hình thực nghiệm ( Bộ KIT) - Tiến hành chạy thử thu thập liệu, điều chỉnh thông số điều khiển sau đánh giá yêu cầu kỹ thuật : thời gian đáp ứng, độ xác, vọt lố, độ ổn định,… Tính sáng tạo: Sử dụng Matlab Simulink để điều khiển DC Motor thông qua việc điều chế độ rộng xung PWM xa lạ sinh viên Sử dụng mơ hình để nghiên cứu môn học cách trực quan Giúp giảng viên có thêm cơng cụ để giảng dạy Sử dụng board mạch hệ CircleTech Single H-Bridge 700W để truyền tín hiệu tốt hơn, hiệu công suất cao Sử dụng motor công suất cao tiến gần đến ứng dụng vào công nghiệp sản xuất Kết nghiên cứu: Chế tạo thành công KIT điều khiển tốc độ vị trí DC motor phục vụ môn học Hệ thống điều khiển tự động tơ thuật tốn PID Đề tài nghiên cứu giúp chúng em sử dụng thành thạo Matlab/Simulink để thiết kế mô hệ thống Hiểu thuật tốn điều khiển DC motor, qua chế tạo KIT tương tự phục vụ cho việc học tập nghiên cứu sau môn học Mô hình đem vào giảng dạy cho sinh viên Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Môn học ứng dụng điều khiển tự động ô tô môn học áp dụng cho sinh viên năm ngành công nghệ kĩ thuật ô tô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Tuy nhiên số lượng mô hình thực tế cịn hạn chế Để giúp sinh viên có nhìn trực quan hệ thống ĐKTĐ, chúng em định xây dựng số KIT phục vụ cho việc nghiên cứu thực hành mơn học ĐKTĐ Mơ hình điều khiển DC motor ứng dụng rộng rãi điều khiển tự động Trong thực tế, nhiều cơng trình sử dụng DC motor như: chế tạo robot người, giàn khoan, tàu thủy, thiết bị phục vụ qn sự, quốc phịng… Vì thế, vấn đề quan tâm Từ vấn đề trên, chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu điều khiển DC motor nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu sản xuất Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) 5.1.5 Giao tiếp Matlab/Simulink Cài đặt gói hỗ trợ giao tiếp Simulink phần cứng Arduino, ta tiến hành sau: Hình 5.6 Các gói hỗ trợ giao tiếp Simulink với Arduino Từ giao diện làm việc Matlab chọn “Add-ons”, sau vào “Get Hardware Support Packages”, cài đặt từ Internet gói hỗ trợ Sau cài xong gói hỗ trợ, thư việc giao tiếp thêm vào Simulink Library Hình 5.7 Thư viện giao tiếp Simulink với Arduino 40 Để lâp̣ trình cho Arduino Simulink, đơn giản ta cần kéo thả khối (block) thư viêṇ Simulink kết nối chúng laị với Hình 5.8 Các khối hỗ trợ lập trình cho Arduino Simulink Ngoài ra, khối “S-Function Builder” thư viêṇ Simulink/User-defined Functions cho phép viết chương trình C bên trong, dùng để đọc Encoder [6] Hình 5.9 Vi ̣trí khối S-Function Builder 41 Khối Encoder sau viết chương trình xong S-Function Builder Hình 5.10 Khối đoc ̣ Encoder Để chạy chương trình, ta nhấn “Build” sau phần mềm tự động tạo “file.c”, để chạy chương trình nạp vào phần cứng Arduino Hình 5.11 Khởi taọ “file c” thành công 5.1.6 Bộ KID điều khiển tốc độ vị trí DC motor Sơ đồ khối 42 Hình 5.12 Sơ đồ khối điều khiển tốc độ vị trí DC motor Sơ đồ mạch điện điều khiển Hình 5.13 Sơ đồ mạch điện điều khiển DC motor 43 Bộ KIT điều khiển DC Motor Hình 5.14 Hình thiết kế KIT điều khiển DC motor Hình 5.15 Bộ KIT điều khiển DC motor 44 5.2 Kết 5.2.1 Điều khiển tốc độ DC Motor Hình 5.16 Code điều khiển tốc độ DC Motor PID Hình 5.17 Hệ số Kp, Ki, Kd điều khiển tốc độ DC Motor 45 Hình 5.18 Khối ENCODEREAD_SPEED Hình 5.19 Khối ACTUATOR_SPEED Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor PID: Hình 5.20 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor đầu vào constan 46 Hình 5.21 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor có thơng số chi tiết Hình 5.22 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor với đầu vào xung sin Hình 5.23 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ DC Motor với đầu vào xung sin 47 5.2.2 Điều khiển vị trí DC Motor Hình 5.24 Code điều khiển vị trí DC Motor PID Hình 5.25 Hệ số Kp, Ki, Kd điều khiển vị trí DC Motor Hình 5.26 Khối ENCODER READ_POSITION 48 Hình 5.27 Khối ACTUATOR_POSITION Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor PID: Hình 5.28 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor đầu vào xung vng biên độ 360 độ 49 Hình 5.29 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor thơng số chi tiết đầu vào xung vuông biên độ 360 độ Hình 5.30 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor đầu vào xung Sin Hình 5.31 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí DC Motor thông số chi tiết đầu vào xung Sin 50 5.2.2 Nhận xét kết - Thời gian đáp điều khiển 0,1s - Vọt lố thấp 10% - Tần số PWM điều khiển thấp 1kHz, thư viện hỗ trợ Matlab/ Simulink cho board Adruino chưa thể điều chỉnh Do động cịn phát tiếng kêu hoạt động - Tốc độ chíp Atmage2560 cịn hạn chế thời gian lấy mẫu cao Dẫn đến đầu hệ thống chưa mượt 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đề tài hoàn thành số công việc sau:  Nghiên cứu phần mềm mô Matlab/Simulink  Biết cách sử dụng máy đo xung Hantek  Đọc giá trị cảm biến vị trí tốc độ  Nghiên cứu Arduino Mega 2560, nghiên cứu lập trình Simulink cho Arduino Mega 2560  Nghiên cứu DC Motor  Nghiên cứu Single H-Bridge 700W  Nghiên cứu điều khiển PID  Mơ hình hóa sau thiết kế mơ hình thực nghiệm điều khiển tốc độ vị trí DC Motor  Kết nối, điều khiển tốc độ vị trí mơ hình thực nghiệm DC Motor Bên cạnh cơng việc hồn thành cũng có hạn chế như:  Thời gian thực đề tài có hạn  Điều khiển tốc độ vị trí DC Motor chưa tối ưu hóa Hướng phát triển  Cải thiện phần cứng: Sử dụng board mạch tích hợp chip điều khiển mạnh ví dụ STM32F4 – Discovery để điều khiển với thời gian lấy mẫu nhỏ tần số lớn  Nghiên cứu, chế tạo mơ hình liên quan để ứng dụng vào thực tế 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trung Hiếu, Bài giảng “ Automatic Control for Automotive Application”, Đại họ Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2018 [2] Đặng Trung Dũng, Ứng dụng vi mạch điện tử Arduino Mega cài đặt thuật tốn điều khiển ổn định vị trí lắc ngược quay, Trường Đại học Thái Nguyên, 2014 [3] Đặng Văn Thạnh, Nguyễn Thanh Sang, Điều khiển cân lắc ngược , Trường Đại học Cần Thơ, 2013 [4] Lê Thanh Phúc, Lý thuyết điều khiển, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh [5] Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2006 [6] The MathWorks Inc, DriverGuide, 2015 [7] Datasheet minertia_R_motor 53 S K L 0 ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo KIT thí nghiệm phục vụ môn học Hệ thống điều khiển tự động ô tô. .. viên có nhìn trực quan hệ thống điều khiển tự động, chúng em định xây dựng số KIT phục vụ cho việc nghiên cứu thực hành môn học Hệ thống điều khiển tự động ô tô Mơ hình điều khiển DC motor mơ hình... tài Môn học ứng dụng điều khiển tự động ô tô môn học áp dụng cho sinh viên năm ngành công nghệ kĩ thuật ô tô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Tuy nhiên số lượng mơ hình thực tế cịn hạn chế