THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NÂNG CAO đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN BÁO CÁO PROJECT BASE LEARNING 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục Nhóm: Sinh viên thực hiện: Trần Bảo Tú Lê Công Vinh Lê Thế Vỹ Lê Minh Khoa Trần Văn Mạnh Tài Lớp: 19TDHCLC3 Lớp: 19TDHCLC3 Lớp: 19TDHCLC3 Lớp: 19TDHCLC4 Lớp: 19TDHCLC4 Nhóm học phần: 19.34 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Mai Đà Nẵng, tháng 8/2022 LỜI NÓI ĐẦU Trong suốt trình thực Đồ án, gặp phải nhiều khó khăn giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ quý Thầy Cô bạn nên Đồ án hoàn thành tiến độ Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hồng Mai tận tình hướng dẫn, bảo kinh nghiệm quý báu Nhóm chúng em xin cảm ơn thành viên nhóm lớp học phần 19.34 có ý kiến đóng góp, bổ sung, động viên khích lệ giúp em hồn thành tốt đề tài Mặc dù nhóm thực cố gắng hoàn thiện đồ án, q trình soạn thảo kiến thức cịn hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót Nhóm thực mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn sinh viên Sau nhóm thực xin chúc Thầy sức khoẻ, thành công tiếp tục đào tạo sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao Thầy Cơ giảng dạy Nhóm thực xin chân thành cảm ơn Trân trọng! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .2 MỞ ĐẦU .5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ ĐK CẦU TRỤC I Sơ lược đề tài .6 Khái niệm cầu trục Các đặc điểm cầu trục Bản vẽ chi tiết .6 Các thành phần CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC 13 Định nghĩa tọa độ tổng quát 13 Mơ hình động cần trục ba chiều 14 CHƯƠNG 3: CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 16 PID: 16 Fuzzy: .16 ANN: 16 CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH 17 I Python code: 17 II Arduino: .17 III Kết hợp Arduino xử lý ảnh điều khiển động tránh vật cản theo màu: 17 HÌNH ẢNH Hình 1: Bản vẽ 3D cẩu trục Hình 2: Bản vẽ 3D cẩu trục Hình 3: Động bước Hình 4: Cảm biến vật cản hồng ngoại Hình 5: Bánh xe cho cẩu trục Hình 6: Kích thước nhơm định hình 10 Hình 7: Nhơm định hình 10 Hình 8: Dây Curoa 10 Hình 9: Buly thép 11 Hình 10: Động ecoder 11 Hình 11: Hệ tọa độ cần trục ba chiều 14 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự tiến khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính cho đời thiết bị điều khiển số CNC, PLC thiết bị cho phép khắc phục nhiều nhược điểm hệ thống điều khiển trước đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật sản xuất Với phát triển khoa học cơng nghệ việc ứng dụng thiết bị logic khả trình PLC để tự động hố q trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng xuất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm vấn đề cấp thiết có tính thời cao.  Thế kỉ 21 mở kỉ nguyên cho đất nước ta Kỉ nguyên công nghiệp hóa đại hóa Hàng loạt nhà máy, công xưởng xây dựng lắp ráp với dây chuyền cơng nghệ máy móc đại lắp đặt với khối lượng lớn Mặt khác công tác sửa chữa khắc phục máy móc cũ sau thời gian dài sử dụng đẩy nhanh Tất cộng việc xây dựng, lắp ráp sửa chữa khơng thể vắng máy nâng chuyển Cầu trục thiết bị quan trọng thiết bị nâng Đặc biệt nhà kho, nhà máy cầu trục trở thành thiết bị quan trọng cần thiết Cầu trục sử dụng rộng rãi để xếp dỡ hàng hoá nhà kho nhà máy xí nghiệp sữa chữa lắp ráp chế tạo.  Với nhu cầu thực tế đó, thầy mơn Tự Động hóa trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đề mơ hình tìm hiểu Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tính chất động lực học điều khiển hệ cầu trục, đề xuất giải pháp điều khiển chống lắc di chuyển hàng hố xác nhằm nâng cao chất lượng làm việc cầu trục, có khả áp dụng thiết kế, chế tạo cải tiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng công nghiệp Đối tượng phạm vi nghiên cứu Họ cầu trục nhà máy khí dẫn động động điện yêu cầu làm việc chế độ tự động với quy trình nâng hạ hàng hóa định sẵn Phương pháp nghiên cứu - Trên sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mơ hình động lực học chuyển động tháp cầu trục trường hợp làm việc dạng hệ phương trình vi phân chuyển động - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển PID cho cầu trục thiết kế điều khiển PID phương pháp chỉnh định sở giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền giải thuật tối ưu bầy đàn - Mô kết tính tốn phần mềm MATLABSIMULINK - Tiến hành thử nghiệm so sánh kết tính tốn, mơ trường hợp có khơng có hệ thống điều khiển để kiểm chứng kết lý thuyết Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Khảo sát tính chất động lực học cầu trục Xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục dựa điều khiển PID Tối ưu hóa thơng số điều khiển PID giải thuật tối ưu NelderMead (NM), giải thuật di truyền (GA) giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động cầu trục mơ tả quan hệ cơ- điện - Tìm thông số tối ưu cho điều khiển PD PID dựa giải thuật GA PSO - Mô số trường hợp chuyển động cầu trục phần mềm - Xây dựng cầu trục mẫu để kiểm chứng kết khơng có điều khiển có điều khiển đề xuất - Kết Luận án tiền đề quan trọng để áp dụng vào thực tiễn Những đóng góp luận án - Đã mơ hình hóa hệ động lực học cầu trục, bao gồm mơ hình học mơ hình điện tất chế độ làm việc khác cầu trục - Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng điều khiển PID nhằm điều khiển xác vị trị làm việc chống lắc - Bằng giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền giải thuật tối ưu bầy đàn, xây dựng thuật tốn tính toán tối ưu tham số điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng làm việc cầu trục - Thiết kế chế tạo mơ hình cầu trục mẫu tiến hành thử nghiệm, kết thử nghiệm sơ đánh giá tính hiệu quả, khả thi cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ ĐK CẦU TRỤC I Sơ lược đề tài Khái niệm cầu trục Cầu trục tên gọi chung máy trục kiểu cầu, di chuyển hai đường ray cố định kết cấu kim loại tường cao để vận chuyển vật khoảng không (khẩu độ) hai đường ray Các đặc điểm cầu trục a) Các yêu cầu kỹ thuật cầu trục Với đặc điểm máy nâng chuyển đa dụng, cầu trục cần đáp ứng yêu cầu sau: Bảo đảm tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức; Có khả thay đổi tốc độ phạm vi rộng; Có khả rút ngắn thời gian độ; Có trị số hiệu suất cos cao; Đảm bảo an tồn hàng hố; Điều khiển tiện lợi đơn giản; Ổn định nhiệt điện; Tính kinh tế kỹ thuật cao b) Phạm vi ứng dụng Cầu trục có phạm vi hoạt động rộng, lại bố trí cao khơng chiếm nhiều mặt công nghệ nên sử dụng rộng rãi nhà máy, phân xưởng, nhà kho để nâng hạ hàng hóa với lưu lượng lớn Bản vẽ chi tiết Hình 1: Bản vẽ 3D cẩu trục Các thành phần Hình 2: Bản vẽ 3D cẩu trục a) Các thành phần + Dùng động bước: Hình 3: Động bước Thơng số Step motor NEMA 17 (Động bước): - Chiều dài: 48MM - Mới 100% - Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng hoạt động - Cường độ định mức 1.5A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay bước 1.8 - Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54 Tương thích với đầu động bước mạch RAMPS 1.5 CNC shield V3 - Công suất phù hợp cho máy in 3D CNC mini - Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm - Khối lượng: 400g +Driver A4988 điều khiển động bước: Driver A4988 Tính năng: - Dễ dàng điều khiển hướng quay số bước quay - chế độ điều khiển: full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16 - Có thể điều chỉnh dịng tối đa thơng qua biến trở cho phép động bước hoạt động với công suất tối đa - Ngắt bảo vệ nhiệt, áp dòng - Bảo vệ ngắn mạch - Điện áp hoạt động: 8V~35V - Dòng liên tục pha: 1A~2A - Điện áp logic: 3V-5.5V Thơng số: - Kích thước: 15,24 x 20,32cm Sơ đồ mạch: Sơ đồ mạch Driver A4988 + Cảm biến tiệm cận: Hình 4: Cảm biến vật cản hồng ngoại - Điện áp cung cấp cho mạch: 3.3V-5V - Bộ so sánh dùng Op Amp LM358 LM393 - Đầu kỹ thuật số mức ( ) - Khoảng cách: – cm Fuzzy: 2.1 Lý thuyết tổng quan Logic mờ (tiếng Anh: Fuzzy logic) phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực lập luận cách xấp xỉ thay lập luận xác theo logic vị từ cổ điển Logic mờ coi mặt ứng dụng lý thuyết tập mờ để xử lý giá trị giới thực cho tốn phức tạp Lơgic mờ xác khơng dạng lôgic khác Đây phương pháp tốn học có tổ chức để làm việc với khái niệm 'có chất khơng xác Logic mờ xác suất nói đến loại khơng chắn khác Logic mờ thiết kế để làm việc với kiện khơng xác (các mệnh đề logic mờ), xác suất làm việc với các khả năng sự kiện xảy ra (nhưng coi kết xác) Một điều khiển mờ bao gồm khối bản: Khối mờ hóa, thiết bị hợp thành khối giải mờ Ngồi cịn có khối giao diện vào giao diện Hình: Các khối chức điều khiển mờ Khối mờ hóa: có chức chuyển giá trị rõ biến ngôn ngữ đầu vào thành vecto có số phần tử số tập mờ đầu vào Thiết bị hợp thành mà chất triển khai luật hợp thành R xây dựng sở luật điều khiển Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu thành giá trị rõ y0 (ứng với giá trị rõ x0 để điều khiển đối tượng Giao diện đầu vào thực việc tổng hợp chuyển đổi tín hiệu vào (từ tương tự sang số), ngồi cịn thêm khâu phụ trợ để thực tốn động tích phân, vi phân,… Giao diện đầu thực chuyển đổi tín hiệu (từ số sang tương tự) để điều khiển đối tượng  Để thiết kế điều khiển Fuzzy logic ta thực bước sau: Bước 1: Định nghĩa biến vào  Biến vào sai lệch tốc độ sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu thực  Biến tốc độ thực  Ngoài sử dụng đến biến đổi theo thời gian Bước 2: Xác định tập mờ:  Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra gồm số tập mờ dạng hàm thuộc chúng  Miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ): số lượng giá trị ngôn ngữ nên nằm khoảng từ đến 10 giá trị (Nhỏ có ý nghĩa)  Xác định hàm thuộc: khâu quan trọng Tuy nhiên chưa có nghiên cứu đưa giải pháp tối ưu lựa chọn hàm thuộc Cần chọn hàm thuộc có phần chồng lên phủ kín miền giá trị vật lý để trình điều khiển khơng xuất lỗ hổng  Cần tránh tượng “cháy nguyên tắc” khimà tập mờ B’ có độ cao (miền xác định tập rỗng) Bước 3: Xây dựng luật điều khiển:  Tín hiệu điều khiển mờ thường tất tín hiệu vào  Vùng lân cận điểm không không tạo “lỗ hổng”, khơng có tín hiệu điều khiển làm việc Bước 4: Chọng mệnh đề hợp thành: lựa chọn : max-Min, sum-Min, maxPROD… Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ: phương pháp điểm trọng tâm sử dụng nhiều Bước 6: Tối ưu: tối ưu điều khiển thông qua trạng thái khác 2.2 Thiết kế điều khiển Fuzzy logic  Định nghĩa biến vào Biến đầu vào gồm biến là: sai lệch vị trí E độ thay đổi sai lệch vị trí DE Biến đầu ra: độ thay đổi sai lệch điện áp DU  Xác định tập mờ Tập mờ xác định sau:  Xây dựng luật điều khiển:  Chọn mệnh đề hợp thành: Chọn luật Max – Min  Chọn nguyên lý giải mờ: Chọn phương pháp điểm trọng tâm Thiết kế mô điều khiển Fuzzy logic Matlab Simulink Sau thực bước ta tiến hành mô điều khiển Fuzzy matlab sau: Bộ điều khiển mờ Matlab Hiệu chỉnh biến đầu vào đầu thiết kế: Tập mờ biến đầu vào E Tập mờ biến đầu vào DE Tập mờ biến đầu DU Xây dụng mệnh đề hợp thành dựa biến vào mà mệnh đề thiết kế Xây dựng mệnh đề hợp thành Matlab Mô điều khiển Fuzzy Matlab Kết mô phỏng: Kết mô trục X Y Z Kết mơ góc lắc alpha beta Nhận xét: ANN: 3.1 Lý thuyết tổng quan Mạng neuron nhân tạo xem mơ hình tốn học đơn giản não người Mạng nơron bao gồm tế bào neuron (đơn vị xử lý) kết nối với liên kết Mỗi liên kết kèm theo số, đặc trưng cho đặc tính kích thích hay ức chế tế bào neuron Mạng neuron Tín hiệu đầu vào:  Có m tín hiệu đầu vào Trong (m-1) tín hiệu tín hiệu kích thích đầu vào (x1, x2, …, xm-1), chúng lấy từ đầu nơron đặt trước neuron lấy từ nguồn tín hiệu đầu vào khác  Các tín hiệu kích thích đầu vào đưa qua trọng số (weight) w đặc trưng cho mức độ liên kết neuron đứng trước liên kết với Trọng số liên kết có giá trị dương tương ứng với khớp thần kinh bị kiềm chế Riêng thành phần tín hiệu vào thứ m xm gọi ngưỡng (threshold) có giá trị xm = +1 Tín hiệu xm đưa qua thành phần dịch chuyển (bias) bi : wm = b.   Ngõ tế bào neuron  Ngõ tế bào neuron cho biểu thức: y = a(net) = a(f)   Trong a(.) ký hiệu hàm chuyển đổi Hàm chuyển đổi (transfer function), có tài liệu cịn gọi hàm tác động (activation function) hay hàm truyền (transfer function), có nhiệm vụ biến đổi tổng trọng f (hoặc net) thành tín hiệu đầu y.   Các hàm truyền: Hàm truyền hardlim Hàm truyền hardlim tên hạn chế đầu neuron Nếu đầu vào n