(Đồ án hcmute) điều khiển cân bằng hệ cầu trục hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CẦU TRỤC HAI CHIỀU GVHD: Th.S NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH: HỒ SĨ HOÀNG MSSV: 11151199 SKL 0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CẦU TRỤC HAI CHIỀU GVHD : Th.S NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH : HỒ SĨ HOÀNG 11151199 NGÀNH: CNKT ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA : 2011 - 2015 TP.HỒ CHÍ MINH – 1/2016 an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – T o – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: HỒ SĨ HOÀNG MSSV: 11151199 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & T động hóa Lớp: 11151CL2 Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT Ngay nhận đề tài: 05/10/2015 Ngày nộp đề tài: 08/01/2016 Tên đề tài: “ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CẦU TRỤC HAI CHIỀU ” Các số liệu, tài liệu ban đâu:  Điều khiển cân hệ cầu trục dùng Arduino phƣơng pháp PID Nội dung th đề tài:  Th c điều khiển cầu trục di chuyển đến vị trí mong muốn chống rung lắc hàng trình vận hành  Điều khiển hệ thống d a kinh nghiệm điều khiển hệ thống thông qua phƣơng pháp điều khiển trƣợt Sản phẩm:  Điều khiển cân hệ trục hai chiều phƣơng pháp điều khiển trƣợt quan sát s thay đổi hệ thống phần mềm STM Studio TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: HỒ SĨ HOÀNG MSSV: 11151199 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & T động hóa Tên đề tài: “Điều khiển cân hệ cầu trục hai chiều” Họ tên Giáo viên hƣớng dẫn: Th S NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lƣợng th hiện: Ƣu điểm: Khuyêt điểm: Đề nghị ho ảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Băng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hƣớng dẫn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: HỒ SĨ HỒNG Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điều khiển & T động hóa Tên đề tài: “Điều khiển cân hệ cầu trục hai chiều” MSSV: 11151199 Họ tên Giáo viên phản biện: TS NGUYỄN MINH TÂM NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lƣợng th hiện: Ƣu điểm: Khuyêt điểm: Đề nghị ho ảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Băng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP tháng năm 20… iv an Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM LỜI CẢM ƠN  Hơn ốn năm đƣợc vinh d sinh viên trƣờng Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM, em đƣợc học hỏi biết ao nhiêu điều hay lẽ phải tình u thƣơng q Thầy Cơ, khoảng thời gian đẹp mà em khơng ịn hội đƣợc quay trở lại Bây khoảng thời gian ngắn ngủi cuối mà chúng em đƣợc gọi Sinh viên trƣờng Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM, với tất lịng mình, em xin đƣợc lên hai tiếng “CẢM ƠN” đến tất quý Thầy, quý Cô trƣờng Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM – ngƣời chắp ánh ho húng em vào tƣơng lai Kính hú Thầy Cô đƣợc khỏe mạnh vui vẻ Cách riêng, em xin đƣợc CẢM ƠN Cô NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT – Cơ nhiệt tình với em từ môn họ sở ngành đến mơn chun ngành tận tình việc giới thiệu hƣớng dẫn nhóm em làm Đồ án tốt nghiệp Trong q trình làm đồ án, Cơ động viên, thăm hỏi, hƣớng dẫn góp ý để em th c đồ án cách hiệu Kính chúc Cơ đƣợc nhiều sức khỏe, hạnh phúc bình an Trong trình làm đồ án, trình độ cịn hạn chế nên có nhiều kiến thức mà em hƣa thể lãnh hội hết chắn khơng tránh khỏi nhiều sai sót đề tài, kính mong q Thầy Cơ bạn góp ý, hƣớng dẫn thêm để đề tài đƣợc hoàn thiện Sinh viên th c HỒ SĨ HOÀNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v an 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, cơng 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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  Thông 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 mơ 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 an 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 thông 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 an 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 an S an K L 0 ...  Điều khiển hệ thống d a kinh nghiệm điều khiển hệ thống thông qua phƣơng pháp điều khiển trƣợt Sản phẩm:  Điều khiển cân hệ trục hai chiều phƣơng pháp điều khiển trƣợt quan sát s thay đổi hệ. .. “ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CẦU TRỤC HAI CHIỀU ” Các số liệu, tài liệu ban đâu:  Điều khiển cân hệ cầu trục dùng Arduino phƣơng pháp PID Nội dung th đề tài:  Th c điều khiển cầu trục di chuyển đến... CAO BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CẦU TRỤC HAI CHIỀU GVHD : Th.S NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH : HỒ SĨ HOÀNG 11151199 NGÀNH: CNKT ĐIỀU KHIỂN –