Điều khiển cân bằng hệ cầu trục hai chiều

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM TÓM TẮT ĐỒ ÁN Từ nhu cầu th c tiễn sản xuất công nghiệp, cần hệ thống cầu trụ điều khiển đảm bảo tính xác, yêu cầu đáp ứng nhanh, chống rung lắc hàng hóa q trình vận hành ổn định nhiễu tá động từ môi trƣờng, đề tài “Điều khiển cân hệ cầu trục hai chiều” đƣợc chọn để đáp ứng nhu cầu đặt D a phân tích đặ điểm kỹ thuật, công nghệ chế tạo, khả ứng dụng, mứ độ khả thi xem xét đến kinh tế Đề tài hoàn thành đƣợc nội ung nhƣ sau  Hệ thống th c điều khiển cầu trục di chuyển đến vị trí mong muốn chống rung lắc hàng trình vận hành  Luật điều khiển trƣợt Việ điều khiển hệ thống d a kinh nghiệm điều khiển hệ thống thông qua phƣơng pháp điều khiển trƣợt  Quá trình ài đặt vị trí mong muốn, giám sát vị trí, điện áp, góc lệ h đƣợc cập nhật theo dõi từ máy tính thơng qua giao diện STM Studio ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vi Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM MỤC LỤC PHẦN I: GIỚI THIỆU Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp .ii Nhận xét Giáo viên hƣớng dẫn iii Nhận xét giáo viên phản biện iv Lời cảm ơn .v Tóm tắt đồ án vi Mục lục vii Danh mục hình vẽ x Danh mục bảng biểu .xii Danh mục từ viết tắt xiii PHẦN II: NỘI DỤNG ĐỒ ÁN xiv CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Lý l a chọn đề tài 1.1.2 Mụ tiêu đề tài 1.2 Ý nghĩa thực tiễn .2 1.2.1 Ý nghĩa khoa học th c tiễn đề tài .2 1.2.2 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vii Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan dòng vi điều khiển STM32 .4 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Đặ điểm STM32 2.1.3 Nguồn cung cấp điện 2.1.4 Một số STM32 2.1.5 Kết nối với giao tiếp khác 10 2.1.6 Cài đặt hƣơng trình IAR Em e e Work en h 14 2.2 Tổng quan Encoder 17 2.2.1 Nguyên lý hoạt động ản Encoder .17 2.2.2 Hoạt động En o er tƣơng đối Encoder tuyệt đối .18 2.3 Phƣơng pháp điều khiển trƣợt .20 2.3.1 Điều khiển bám 20 2.3.2 Các vấn đề xung quanh mặt trƣợt điều kiện trƣợt .23 2.3.3 Nguyên lý thuộ tính điều khiển trƣợt .26 2.3.4 Quỹ đạo pha hệ thống điều khiển trƣợt 28 2.4 Phần mềm STM Studio 29 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 Yêu cầu thiết kê .31 3.2 Thiết kế phần cứng 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP viii Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 3.2.1 Mơ hình phần cứng hệ thống 31 3.2.2 Mơ hình tổng quan hệ thống 32 3.2.3 Kết nối với STM32 38 3.3 Thiết kế phần mềm 39 3.3.1 Quy trình cơng nghệ .39 3.3.2 Lƣu đồ giải thuật 40 3.3.3 Phần mềm quan sát STM Studio 41 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết thực nghiệm không tải .43 4.1.1 Kết khơng có phƣơng pháp điều khiển trƣợt góc lệch .44 4.1.2 Kết áp dụng phƣơng pháp điều khiển trƣợt cho hệ cầu trục .46 4.2 Kết sử dụng phƣơng pháp điều khiển trƣợt 49 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 52 5.2 Hƣớng phát triển .53 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ứng dụng biến tần cho cầu trục máy nâng hạ .3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ix Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Hình 2.1: Vi điều khiển STM32 Hình 2.2: Các miền lƣợng bên STM32 Hình 2.3: Cách bố trí tụ chống nhiễu cho STM32 .7 Hình 2.4: Bộ ADC STM32 Hình 2.5: Ngõ vào Capture xung PWM Hình 2.6: Mỗi khối Timer có khả tạo xung PWM 10 Hình 2.7: Giao tiếp SPI 11 Hình 2.8: Giao tiếp I2C 12 Hình 2.9: Giao diện USART 12 Hình 2.10: Giao tiếp USB 2.0 13 Hình 2.11: Cài đặt IAR Embedded Workbench 14 Hình 2.12: Chọn IAR Embedded Workbench 15 Hình 2.13: Chọn kết nối STM32 phần mềm IAR .15 Hình 2.14: Màn hình làm việc IAR 16 Hình 2.15: Giao diện soạn thảo hƣơng trình 16 Hình 2.16: Kiểm tra uploa hƣơng trình 17 Hình 2.17: Đĩa quay en o er 18 Hình 2.18: Đĩa en o er tuyệt đối bit .18 Hình 2.19: Quỹ đạo trạng thái cách thứ điều khiển trƣợt .27 Hình 2.20: Quỹ đạo pha hệ bậc .28 Hình 2.21: Quỹ đạo pha th c tế .29 Hình 2.22: Giao diện phần mềm STM Studio 29 Hình 3.1: Mơ hình thiết kế thi cơng phần cứng 31 Hình 3.2: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển 32 Hình 3.3: Mạch nguồn tổ ong 33 Hình 3.4: Encoder SUMTAK 34 Hình 3.5: Động 24VDC .34 Hình 3.6: Mạch cầu H 35 Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động cầu H .36 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP x Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Hình 3.8: Kết nối với chân Timer STM32 .38 Hình 3.9: Hệ cầu trục phổ biến công nghiệp 39 Hình 3.10: Lƣu đồ giải thuật 40 Hình 3.11: Chọn đƣờng dẫn thƣ mụ lƣu trữ liệu điều khiển 41 Hình 3.12: Đặt giá trị điều khiển vị trí 41 Hình 3.13: Chọn đƣờng dẫn kết nối máy tính STM32 .42 Hình 3.14: Chọn giá trị cần quan sát 42 Hình 4.1: Đáp ứng góc vị trí vị trí 10cm 43 Hình 4.2: Đáp ứng góc vị trí vị trí 20cm 43 Hình 4.3: Đáp ứng góc vị trí vị trí 30cm 44 Hình 4.4: Đáp ứng góc vị trí vị trí 40cm 44 Hình 4.5: Đáp ứng góc vị trí vài vị trí khơng ó điều khiển trƣợt .45 Hình 4.6: Đáp ứng góc vị trí vị trí 10 m ó điều khiển trƣợt 46 Hình 4.7: Đáp ứng góc vị trí vị trí 20 m ó điều khiển trƣợt 47 Hình 4.8: Đáp ứng góc vị trí vị trí 30 m ó điều khiển trƣợt 47 Hình 4.9: Đáp ứng góc vị trí vài vị trí ó điều khiển trƣợt .48 Hình 4.10: Đáp ứng góc vị trí vị trí 10 m ó điều khiển trƣợt 49 Hình 4.11: Đáp ứng góc vị trí vị trí 20 m ó điều khiển trƣợt 50 Hình 4.12: Đáp ứng góc vị trí vị trí 30 m ó điều khiển trƣợt 50 Hình 4.13: Đáp ứng góc vị trí vị trí 40 m ó điều khiển trƣợt 51 DANH MỤC BẢNG BIỂU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP xi Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Bảng 3.1: Các trạng thái điều khiển mạch cầu H 37 Bảng 4.1: Kết vị trí khơng ó điều khiển trƣợt góc lệch 45 Bảng 4.2: Kết gó khơng ó điều khiển trƣợt góc lệch 46 Bảng 4.3: Kết vị trí ó phƣơng pháp điều khiển trƣợt .48 Bảng 4.4: Kết gó ó phƣơng pháp điều khiển trƣợt 49 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP xii Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM - DMA: Direct Memory Access - PWM: Pulse Width Modulation - CPU: Central Processing Unit - CPU: CPU data access ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP xiii Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM PHẦN II NỘI DUNG ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP xiv Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu hội nhập tồn cầu, Việt Nam ln trọng phát triển kinh tế việc củng cố quốc phịng, an ninh để đưa Việt Nam thành thị trường đầu tư an toàn có hiệu khơng khu vực mà giới Để làm điều đó, Việt nam phải biết phát triển kinh tế từ nội lực đất nước cụ thể việc vực dậy cơng nghiệp cịn non trẻ đến việc phát triển sở hạ tầng Do đó, máy móc ngày sử dụng rộng rãi với mức độ ngày đại có phận máy thiết bị nâng xếp dỡ đóng vai trị quan trọng sản xuất vận chuyển hàng hóa, thiết bị nâng hạ góp phần giải phóng sức lao động tạo điều khiện cho nhà máy, xí nghiệp đầu tư vào việc tiến triển công nghệ đưa công nghệ vào trình sản xuất doanh nghiệp Trong ứng dụng cơng nghiệp cầu trục, di chuyển vật nặng từ vị trí sang vị trí khác, có dao động qua lại hàng hóa (vật nặng) Dao động làm ảnh hưởng đến tuổi thọ cầu trục gây tổn hại cho hàng hóa Ngồi ra, dao động hàng hóa gây nhiều thời gian để đợi dao động tự triệt tiêu hoàn toàn trước hàng hóa di chuyển đến vị trí u cầu Do đó, việc triệt bỏ dao động gây giúp q trình vận chuyển hàng hóa cầu truc nhanh hơn, mang lại hiệu kinh tế cao Từ yêu cầu thực tiễn, thiết bị tự động ngày ứng dụng rộng rãi điều khiển cầu trục với quy mô khác Hầu hết ứng dụng nhằm giải toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.3.1 Quy trình cơng nghệ Hệ cầu trục hệ thống phổ biến sử dụng để nâng hạ hàng hóa, ứng dụng rộng rãi tất ngành đặc biệt xây dựng dân dụng cơng nghiệp Tùy vào mục đích sử dụng mà người ta thiết kế hệ cầu trục theo nhiều phương pháp khác với nhiều phương pháp điều khiển thích ứng Trong thực tế nay, hệ cầu trục thiết kế theo nhiều loại khác xe cẩu, cổng trục, gầu ngoạm Với phát triển nhanh chóng tảng kỹ thuật, buộc kỹ sư thiết kế điều khiển phải suy nghĩ thấu đáo yêu cầu vận hành môi trường làm việc để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định an tồn Hình 3.9: Hệ cầu trục phổ biến cơng nghiệp Ngồi ra, cịn có số phương pháp điều khiển điều khiển mờ, PID, LQR Các phương pháp cho thấy hiệu tầm quan trọng việc điều khiển vận hành hệ thống cầu trục cách an hoàn mà hiệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 3.3.2 Lƣu đồ giải thuật Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 3.3.3 Phần mềm quan sát STM Studio  Chọn đường dẫn thư mục lưu trữ liệu điều khiển Hình 3.11: Chọn đường dẫn thư mục lưu trữ liệu điều khiển  Đặt giá trị điều khiển vị trí Hình 3.12: Đặt giá trị điều khiển vị trí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 41 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Chọn đường dẫn kết nối phần mềm máy tính STM32 Hình 3.13: Chọn đường dẫn kết nối máy tính STM32  Chọn giá trị điều khiển cần quan sát Hình 3.14: Chọn giá trị cần quan sát ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 42 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM KHI KHƠNG TẢI 4.1.1 Kết khơng có phƣơng pháp điều khiển trƣợt góc lệch  Tại vị trí 10cm Hình 4.1: Đáp ứng góc vị trí vị trí 10cm  Tại vị trí 20cm Hình 4.2: Đáp ứng góc vị trí vị trí 20cm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 43 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Tại vị trí 30cm Hình 4.3: Đáp ứng góc vị trí vị trí 30cm  Tại vị trí 40cm Hình 4.4: Đáp ứng góc vị trí vị trí 40cm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 44 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Tại vài vị trí khơng có điều khiển trượt góc lệch Hình 4.5: Đáp ứng góc vị trí vài vị trí khơng có điều khiển trượt  Thơng số thực tế điều khiển vị trí K2 = 0.05 K1 = 0.08 A = 0.04 -310 < f(x) < 310 g(x) = 10 Bảng 4.1: Kết vị trí khơng có điều khiển trượt góc lệch Thời gian Độ vọt lố Sai số xác Thời gian lên (s) (%) lập (cm) xác lập (s) 10cm 0.51 0.1 0.73 20cm 0.53 0.1 0.75 30cm 0.55 0.1 0.77 40cm 0.55 0.1 0.78 Vị trí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Bảng 4.2: Kết góc khơng có điều khiển trượt góc lệch Vị trí Góc lệch tối Sai số xác Thời gian đa (độ) xác lập (s) lập (độ) 10cm 17.5 3.25 20cm 41 4.65 30cm 60 5.75  Nhận xét: - Sau thu kết vị trí khác ta thấy, khơng có điều khiển trượt góc lệch, thời gian xác lập góc lệch tối đa lớn - Vị trí điểm, độ vọt lố thời gian xác lập nhỏ 4.1.2 Kết áp dụng phƣơng pháp điều khiển trƣợt cho hệ cầu trục  Tại vị trí 10cm Hình 4.6: Đáp ứng góc vị trí vị trí 10cm có điều khiển trượt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 46 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Tại vị trí 20cm Hình 4.7: Đáp ứng góc vị trí vị trí 20cm có điều khiển trượt  Tại vị trí 30cm Hình 4.8: Đáp ứng góc vị trí vị trí 30cm có điều khiển trượt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 47 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Tại vài vị trí áp dụng phương pháp điều khiển trượt Hình 4.9: Đáp ứng góc vị trí vài vị trí có điều khiển trượt  Thơng số điều khiển góc lệch K2 = 1.36 K1 = 0.25 A = 0.05 -310 < f(x) < 310 g(x) = 10 Bảng 4.3: Kết vị trí có phương pháp điều khiển trượt Thời gian Độ vọt lố Sai số xác Thời gian lên (s) (%) lập (cm) xác lập (s) 10cm 0.71 10 0.02 1.2 20cm 0.74 7.5 0.02 1.1 30cm 1.75 Vị trí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 48 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Bảng 4.4: Kết góc có phương pháp điều khiển trượt Vị trí Góc lệch tối Sai số xác Thời gian đa (độ) lập (độ) xác lập (s) 10cm 1.1 20cm 10 30cm 12.5 2.4  Nhận xét: - Sau thu thập liệu vị trí khác ta thấy, góc lệch có thời gian xác lập (3.25→1.1) góc lệch tối đa (17.5 →5) cải thiện rõ rệt Vị trí có thời gian lên, độ vọt lố thời gian xác lập lâu không đáng kể 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM KHI CÓ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT CÓ TẢI  Tại vị trí 10cm Hình 4.10: Đáp ứng góc vị trí vị trí 10cm có điều khiển trượt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 49 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Tại vị trí 20cm Hình 4.11: Đáp ứng góc vị trí vị trí 20cm có điều khiển trượt  Tại vị trí 30cm Hình 4.12: Đáp ứng góc vị trí vị trí 30cm có điều khiển trượt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 50 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM  Tại vị trí 40cm Hình 4.13: Đáp ứng góc vị trí vị trí 40cm có điều khiển trượt  Nhận xét: - Bộ điều khiển trượt bền vững với sai số mô hình Khi khối lượng vật tăng chất lượng điều khiển gần không bị ảnh hưởng - Khuyết điểm điều khiển trượt tượng “chattering” (tín hiệu điều khiển dao động với tần số cao) Hiện tượng làm giảm tuổi thọ cấu khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 51 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu đầy đủ quy trình thiết kế thi cơng mơ hình phần cứng (mạch điều khiển) cho hệ thống điều khiển cân hệ trục hai chiều Thu thập hệ thống liệu chưa thực phương pháp điều khiển để tìm vị trí góc cân Đặc biệt việc ứng dụng giải thuật điều khiển trượt vào điều khiển vị trí góc lệch tải (con lắc) vị trí mong muốn tương đối xác với thời gian xác lập nhỏ Tăng khả ổn định cho hệ thống cầu trục so với phương pháp điều khiển PID Ngồi ra, việc nghiên cứu tìm hiểu thay phương pháp điều khiển PID phương pháp điều khiển trượt mang lại hiệu ổn định xác cho hệ thống Tuy nhiên, kiến thức thời gian có hạn, tài liệu khơng đầy đủ chưa có kinh nghiệm việc tính tốn thơng số cho điều khiển nên việc nghiên cứu chưa đưa hiệu tốt thông qua phương pháp điều khiển học phương pháp điều khiển mờ, LQR Vì thế, việc nghiên cứu dừng mức độ hướng dẫn tổng quan cách thức thực bước cho phương pháp điều khiển trượt Tuy nhiên, trình bày đồ án đem lại nhìn tổng quan phương pháp điều khiển hệ thống quan trọng sở tài liệu cho nghiên cứu tương lai ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 52 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN Với trình bày mong muốn chưa đạt đồ án, nhóm nghiên cứu xin đề xuất phát triển đề tài theo hướng xây dựng thêm điều khiển để nâng hạ tải thuật tốn thích hợp để mang lại hiệu tối ưu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 53 ... KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN - Thi công hệ thống cầu trục (phần mạch điều khiển) - Điều khiển vị trí đặt trượt góc lệch cầu trục vận chuyển hàng phương pháp điều khiển trượt - Cài đặt... Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống cầu trục phân tích lựa chọn giải thuật điều khiển Thiết kế giao diện điều khiển viết chượng trình thực nghiệm kiểm chứng điều khiển vị trí cầu trục chống rung... rung lắc ảnh hưởng tới hệ thống cầu trục, làm ổn định ảnh hưởng tới chât lượng sản phẩm Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, đề tài ? ?Điều khiển Cân Bằng Hệ Cầu Trục Hai Chiều? ?? người nghiên cứu