ĐỒ án THIẾT kế tìm hiểu mô hình điều khiển chống rung cho cầu trục

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Tìm hiểu mơ hình điều khiển chống rung cho cầu trục BÙI QUANG MINH minh.bq181644@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Trọng Hiếu Khoa: Trường: Tự động hóa Điện – Điện tử HÀ NỘI, 2/2022 Chữ ký GVHD CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Cầu trục 1.1.1 Khái niệm Cầu trục (tiếng Anh: overhead crane) loại thiết bị đảm bảo thao tác nâng-hạ-di chuyển hàng hóa nhà xưởng Nó tiện dụng có hiệu cao q trình bốc xếp hàng hóa, với sức nâng từ đến 500 tấn, vận hành chủ yếu động điện nên dùng rộng rãi nhà máy sản xuất công nghiệp 1.1.2 Cấu tạo Hình 1.1 Cấu tạo hệ thớng cầu trục Cấu tạo của hệ cầu trục bao gồm những thành phần sau - Dầm ( dầm đơn dầm đôi) - Palang, lợn nâng hạ ( tải trọng theo yêu cầu) - Động di chuyển cầu trục (Motor) - Hệ thống đường ray di chuyển ( ray P ray vuông) - Dầm biên cho cầu trục - Bánh xe di chuyển - Tủ điện - Hệ điện ngang.( cấp điện cho Palang) - Hệ điện dọc.( cấp điện cho toàn cầu trục) - Cabin điều khiển 1.1.3 Nguyên lí hoạt động Điện truyền tới động điện nhằm chuyển động qua trục truyền động khối nối tới hộp giảm tốc Xong truyền chuyển động tới cho bánh xe di chuyển cầu trục làm di chuyển tồn dầm gắn trến dầm đầu trục Bên cạnh xe chứa phận cấu nâng lắp đặt dầm nhầm di chuyển ray dầm Ngồi có phanh làm hãm cần thiết Cabin làm nhiệm vụ chuyền hệ thống động điện để hoạt động cầu trục 1.2 Vấn đề chống rung cho cầu trục Xét hệ thống cầu trục di chuyển từ vị trí A đến vị trí B theo trục x Để F theo phương x, hệ hàng xe cầu trục di chuyển ta cung cấp lực ⃗ hóa với khối lượng lớn treo bên bị dao động dao động rung lắc gây nguy hiểm cho người hàng hóa Do để đảm bảo an tồn cho hệ thống phải hạn chế góc dao động xuống mức nhỏ Phương pháp thông thường, đơn giản để hạn chế góc dao động cho hệ thống di chuyển chậm, nhiên hiệu suất lại khơng cao Vì cần phải có phương án khác hiệu cho vấn đề chống rung Ở đồ án em tìm hiểu biện pháp điều khiển xe đến xác vị trí điều khiển ADRC đồng thời giảm dao động góc phương pháp “Sử dụng điều khiển ADRC kết hợp lọc định dạng đầu vào dựa mơ hình mẫu” (thơng qua việc thu thập liệu đầu hệ thống) 1.3 Nội dung đồ án - Tìm hiểu mô hình cầu trục, bộ điều khiển ADRC và bộ lọc dựa mô hình mẫu - Mô phỏng cầu trục với bộ điều khiển và bộ lọc CHƯƠNG TỔNG QUAN CẦU TRỤC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ADRC 2.1 Mơ hình lý thuyết cầu trục Hình 2.1 Mơ hình cầu trục Hình vẽ minh họa cho mơ hình cầu trục, bao gồm một vật nặng được treo vào xe đẩy qua dây cáp Các đại lượng vật lý - 𝑥 vị trí xe đẩy theo phương X 𝑙 chiều dài cáp treo θ góc dao động tải 𝑚𝑡 khối lượng xe đẩy 𝑚𝑝 khối lượng tải ⃗ fcx lực cản tác động vào chuyển động xe đẩy ⃗ fcθ lực cản tác động vào chuyển động lắc Để đơn giản toán ta coi xe đẩy tải khối lượng điểm tác động nhiễu bỏ qua báo cáo Ta có vector vị trí tải trọng xe đẩy hệ tọa độ XY mô tả sau: r⃗ p =⃗x p + ⃗y p r⃗ t =⃗x t + ⃗y t Trong đó: x p=x +l sinθ ; xt =x y p=−lcos θ ; y t=0 Để mô tả phương trình mô tả ràng buộc của các đại lượng hệ, ta dùng học Lagrange: L=T-V N T = ∑ mk v 2k : tổng động của hệ k=1 V: thế của hệ Ta có: 1 2 2 T =T cautruc +T tai = m t v t + m p v p= mt x˙t + m p ( x˙ p + y˙ p ) 2 2 V =mp g y m=−mp glcosθ 2 ¿> L=T −V = mt x˙ t + m p ( x˙ p + y˙ p ) +m p glcosθ 2 Áp dụng phương trình Lagrange cho chuyển động tịnh tiến của xe và cho chuyển động quay của lắc ( ) d ∂L ∂L − =−f dt ( ∂ θ˙ ) ∂ θ d ∂L ∂L − =F x −f cx dt ∂ x˙ ∂x cθ Bỏ qua lực căng dây kéo tải, ta thu hệ phương trình mơ tả mơ hình cầu trục ( mt + m p ) xă +m p l ă cos m p l sin=F x Beq x ă xă cos +g sinθ=−B p θ˙ l θ+ (2.1) (2.2) Beq hệ số cản xe B p là hệ số cản tải Từ phương trình (2.2), với góc dao động nhỏ, nên ta coi cosθ ≈1 , sinθ ≈ θ , θ˙ =0, ta có hàm truyền góc dao động vị trí: θ( s) −s2 = X ( s) l s +B p s+ g Với (2.3) B p=2 ξ √ gl và ξ hệ số giảm chấn 2.2 Bộ điều khiển ADRC 2.2.1 Lý thuyết Ý tưởng phương pháp ADRC tách hệ thống thành hai phần riêng biệt: phần biến điều khiển hệ thống, phần ta biết, phần lại tổng hợp tất nhiễu hệ thống, gồm nhiễu đầu vào, nhiễu đầu ra, nhiễu trình, ta gọi với tên chung nhiễu tổng quát ADRC sử dụng quan sát mở rộng nhằm ước lượng phần nhiễu tổng quát từ liệu đầu vào đầu q trình, qua khử tác động nhiễu đến trình Bộ quan sát có nhiệm vụ theo dõi ước lượng nhiễu tác động trực tiếp, sai số việc mơ hình hóa đối tượng so với thực tế Bằng cách đó, có mơ hình với độ xác khơng cao, thiết kế điều khiển có chất lượng tốt, mạnh mẽ chống lại biến động cho đối tượng thực tế, gián tiếp giúp đơn giản hố mơ hình Hình 2.2 Mơ hình tởng quát ADRC Do hệ phương trình mơ tả cầu trục có dạng (2.1) (2.2) Ta xét khâu dao động bậc G ( s )= - Y (s) K = 2 U ( s ) T s +2 DTs+1 K: hệ số khuếch đại D: hệ số giảm chấn T: số thời gian Từ phương trình ta có K U ( s ) =( T s2 +2 DTs+1 ) Y ( s ) 2 K U ( s ) =T s Y ( s ) +2 DTs Y ( s ) +Y (s) K u ( t )=T yă ( t )+2 DT ˙y ( t )+ y (t) yă ( t ) + y (t ) K 2D ˙y ( t )+ = u ( t ) T T T Thêm nhiễu đầu vào d(t), đặt b = ∆ b thành phần cha bit Ta rỳt c: yă ( t ) = f ( t , y , yă , ω ) +b0 u(t ) - u : tín hiệu điều khiển K =b 0+ ∆ b với b thành phần biết T2 (2.4) - y : đầu ω : nhiễu f(t) : nhiễu tổng quát Một quan sát mở rộng ESO xây dựng cung cấp giá trị ^f để bù lại tác động f mơ hình phương pháp loại bỏ nhiễu Luật điều khiển xây dựng sau: u= u 0f^ b0 (2.5) Thay vo (2.4) ta cú yă (t)≃ u0 Ý tưởng việc xây dựng quan sát ESO sử dụng mơ hình khơng gian trạng thái mở rộng phương trình với f trạng thái mở rộng, từ (2.3) ta có: { ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) y˙ ( t ) 0 y (t) yă ( t ) = 0 y˙ ( t ) + b0 u(t )+ f˙ (t) 0 f (t ) f˙ ( t ) ⏟ ⏟ A (2.6) B y (t) ¿ y (t)=(⏟ 0 ) y˙ ( t ) C f (t) Đặt x 1= y , x 2= ˙y , x 3=f , ta có ( ) ( )( ) ( ) ( ) x˙1 (t ) 0 x1 (t ) x˙2 (t ) = 0 x2 (t ) + b u(t )+ f˙ (t ) 0 x3 (t ) x˙3 (t ) ⏟ ⏟ A Bộ quan sát xây dựng để ước lượng B [] l1 ^x˙ = A ^x +Bu+¿ L(y-C ^x ) với L = … ln Nhiệm vụ ta phải thiết kế L cho L(y-C ^x )  Ta viết lại sau: ( ) ( )( ) ( ) ( ) x^˙ (t) l1 ^x1 (t ) ˙x^ (t) = 0 x^ (t ) + b0 u( t)+ l ( y (t)− x^ (t) ) 0 x^ (t ) l3 x˙^ (t) ( )( ) ( ) ( ) −l 1 x^ (t) l1 ¿ −l ^x (t) + b u ( t ) + l y ( t ) (2.7) −l 0 x^ (t) ⏟ l3 ⏟ B A-LC - Áp dụng luật điều khiển (2.5) với ^f = ^x và u0 =K P (r− ^x 1)−K D ^x 2; yă (t )u0 =K P (r (t ) y (t))−K D y˙ (t) - Biến đổi Laplace ta thu G cl ( s)= - KP s + K D s+ K P Từ ta thiết kế ADRC Hình 2.3 Mơ hình ADRC cho hệ bậc 2.2.2 Tính tốn thiết kế: Để hệ ổn định, điểm cực phải nằm bên trái trục ảo Để đơn giản ta cho điểm cực trùng nhau; hàm truyền mong muốn có dạng:Gcl (s)= scl điểm cực hệ Khi KP, KD, sCL tính theo cơng thức: K P=¿ s cl (s−scl ) , với K D=−2 scl ESO Đáp ứng quan sát phải đủ nhanh, nên điểm cực quan sát s1,2 phải nằm bên trái điểm cực vịng kín sCL Chọn: ESO sESO ≈ K eso s cl 1,2 =s Chọn K eso =9 Thơng số quan sát tính từ đa thức đặc trưng: det ( sI −( A−LC ) )=s +l s +l s +l 3 Với a 2=0.1667 ; a1=1.0041; a 0=4 ; w f =2 ; scl =−1.4585 Ta có : 41.6634 e−2t −40.6634 e−1.4585t + 9.6436 t e−2 t +14.3756 t e−1.4585 t =0.02; => ta có t s=¿ 5.205 (s) Với a 2=1.3715; a1=1.1984 ; a 0=16 ; w f =4 ; s cl=−1.4585 Ta có 2.0255 e−4 t −1.0255 e−1.4585t + 2.7294 t e−4 t +3.8769t e−1.4585t =0.02; => ta có t s=¿ 4.621 (s) Với a 2=4.5151 ; a1=2.0959; a 0=49; wf =7 ; scl =−1.4585 Ta có −7 t 0.6693 e −1.4585 t +0.3307 e => ta có t s=¿ 4.380 (s) 3.4 Kết −7 t +2.5291 t e −1.4585t + 2.6383t e =0.02; Nhận xét: Đáp ứng vị trí: - Với mô hình ADRC không có bộ lọc, thời gian xác lập t %=3.95s - Với mô hình ADRC wf=2, thời gian xác lập t %=5.217 s - Với mô hình ADRC wf=4, thời gian xác lập t %=4.619 s - Với mô hình ADRC wf=7, thời gian xác lập t %=4.351 s Đáp ứng góc dao đợng góc giao động giảm đáng kể - Với mô hình ADRC không có bộ lọc, góc dao động max khoảng 0.06 rad (=3,44°), tắt dần và xấp xỉ về sau khoảng 10s - Với mô hình ADRC wf=2, góc dao động max khoảng 0.023 rad (=1,31°), tắt dần và xấp xỉ về sau khoảng 7.8s - Với mô hình ADRC wf=4, góc dao động max khoảng 0.03 rad (=1,72°), tắt dần và xấp xỉ về sau khoảng 6.6s - Với mô hình ADRC wf=7, góc dao động max khoảng 0.054 rad (=3,09°), tắt dần và xấp xỉ về sau khoảng 8.1s => các thông số mô phỏng khá sát với thông số tính toán, góc dao động đã giảm đáng kể nhiên tần số cao thì góc giao động giảm không nhiều Thay đổi tải: mp =1 kg mp=1.5 kg Thay đổi chiều dài dây L=0.5m L=0.8m CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM CẦU TRỤC 3.1 Hệ thống Mơ hình cầu trục thực nghiệm bao gồm thành phần chính: - Mơ hình cầu trục - Tủ điện điều khiển - Bộ điều khiển NI-myRIO phần mềm lập trình labVIEW  Mơ hình cầu trục - Có động điều khiển tịnh tiến theo trục x Động servo sử dụng động Mitsubishi HG-KN23J-S100 với tốc độ quay 3000 vịng/phút encoder có độ phân giải 131072 xung/vịng Đi kèm với động driver Mitsubishi MR-JE-20A để chọn chế độ điều khiển cấp điện áp để điều khiển động Trong tập này, em sử dụng chế độ điều khiển vận tốc Cơ cấu đo góc lệch sử dụng biến trở Một vật nặng (tải) gắn vào xe đẩy  Tủ điện điều khiển Bao gồm driver, thiết bị đóng cắt, đèn báo, nút khởi động, nút dừng khẩn cấp nút điều khiển chiều quay động  Bộ điều khiển NI-myRIO 1900 NI-myRIO tảng lập trình National Instruments sản xuất phát hành MyRIO tảng phần cứng bao gồm vi xử lý nhân ARM 667Mhz, FPGA, …, Cùng ngõ giao tiếp Analog In, I2C, PWM, SPI, UART, ngõ tương tự, ngõ âm thanh, … Ngoài ra, myRIO cịn tích hợp sẵn gia tốc kế trục, Wi-fi NI myRIO-1900 Cổng mở rộng myRIO Expansion Port (MXP) (Port A Port B) Cáp nguồn Cáp kết nối USB Cáp USB Host Các đèn LEDs Cổng Mini System Port (MSP) (Port C) Cáp vào/ra cổng âm Nút Reset Sử dụng Port C để điều khiển servo tịnh tiến Chân Loại tín hiệu Mơ tả +15V/-15V Output AI0+/AI0-; AI1+/AI1- Input AO Output AGND N/A +5V Output Nguồn ngõ +5 V DIO Input or Output Ngõ vào/ Ngõ số Ngõ 3.3 V, ngõ vào 3.3 V/5 V DGND N/A Tham chiếu cho điện áp ngõ vào, ngõ số +5 V +3.3 V Nguồn ngõ +15 V/-15 V Ngõ vào tương tự vi sai ±10 V Ngõ tương tự vi sai ±10 V Chân tham chiếu cho nguồn ngõ +15 V/-15 V tương tự vào/tương tự  Phần mềm lập trình labVIEW LabVIEW viết tắt Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) môi trường phát triển chương trình, giống mơi trường phát triển C hay Basic National Instrument Lab Windows/CVI LabVIEW khác với ứng dụng điểm quan trọng Hệ thống lập trình khác sử dụng ngơn ngữ text-based để tạo dòng mã lệnh, LabVIEW sử dụng ngơn ngữ lập trình đồ họa G để tạo chương trình dạng sơ đồ khối Bởi chương trình LabVIEW mơ giao diện hoạt động thiết bị thực, chẳng hạn dao động ký thiết bị đo đa năng, chương trình LabVIEW gọi thiết bị ảo (Virtual Instrument), thường gọi tắt VI VI có Front Panel Block Diagram Trong đó, Front Panel giao diện giám sát chứa khối điều khiển (Control) hay khối hiển thị (Indicator) dạng số đồ thị Còn Block Diagram giao diện lập trình thực tính tốn tồn chương trình bao gồm khối hàm dây nối tương tự Matlab Simulink Nhận dạng hàm truyền Nhận dạng hàm truyền điện áp vị trí xe đẩy Đối tượng nhận dạng đồ án hàm truyền điện áp điều khiển vị trí xe đẩy Để xác định hàm truyền điện áp điều khiển vị trí ta dựa hàm truyền điện áp tốc độ xe đẩy Trong báo cáo em sử dụng đồ thị đáp ứng đối tượng tương ứng với điện áp đặt trước, từ xấp xỉ hàm truyền thành mơ hình qn tính bậc ( s )= Y (s) K = U (s) Ts+ Trong đó: - K: hệ số khuếch đại tĩnh đối tượng - T: số thời gian - Y(s): tốc độ động cơ, đạo hàm giá trị vị trí thời điểm - U(s): điện áp cấp vào driver điều khiển động Từ hàm truyền điện áp điều khiển vị trí xe đẩy có dạng: G ( s )= Y ( s) K = U ( s) s(Ts+1) Trong đó: - Y(s): vị trí xe đẩy - U(s): điện áp cấp vào driver điều khiển động Ta chạy thử với điện áp 8V xuất file excel , sau đưa vào matlab để nhận dạng Qua việc thực bước nhận dạng ta thu hàm truyền điện áp tốc độ động khâu quán tính bậc nhất: G1 ( s )= Y (s ) 6.16 = U (s ) 0.039 s +1 Từ ta thu hàm truyền điện áp vị trí xe đẩy: G1 ( s )= 6.16 s (0.039 s +1) ... có phương án khác hiệu cho vấn đề chống rung Ở đồ án em tìm hiểu biện pháp điều khiển xe đến xác vị trí điều khiển ADRC đồng thời giảm dao động góc phương pháp “Sử dụng điều khiển ADRC kết hợp... khiển và bộ lọc CHƯƠNG TỔNG QUAN CẦU TRỤC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ADRC 2.1 Mơ hình lý thuyết cầu trục Hình 2.1 Mơ hình cầu trục Hình vẽ minh họa cho mơ hình cầu trục, bao gồm mợt vật nặng được... L=0.5m L=0.8m CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM CẦU TRỤC 3.1 Hệ thống Mơ hình cầu trục thực nghiệm bao gồm thành phần chính: - Mơ hình cầu trục - Tủ điện điều khiển - Bộ điều khiển NI-myRIO phần mềm