Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử hai xe liên kết với nhau bằng lò xo bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu Nhóm: 08 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Mạnh Cường - 2019601283 Ngô Thị Thảo - 2019603806 Nguyễn Thị Huyền – 2019604225 Hà Nội – 2021 Tieu luan PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6057.3 Khóa: K14 Tên nhóm: 08 Họ tên thành viên: Nguyễn Mạnh Cường 2019601283 Ngô Thị Thảo 2019603806 Nguyễn Thị Huyền 2019604225 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ hệ hình Trong đó: M1 M2 khối lượng hai xe Hai xe liên kết với lò xo Bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường Các thông số hệ thống sau: - Khối lượng vật 1: kg - Khối lượng vật 2: k g - Độ cứng lò xo: 0.05 N/m - Tốc độ đặt: 10m/s Hình Yêu cầu : - Giới thiệu tổng quan ứng dụng hệ thống điều khiển tốc độ - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ ta hệ thống - xây dựng biểu đồ bond graph quan hệ nhân biểu đồ bond graph - Thiết kế điều khiển mô hệ thống phần mềm 20-sim Tieu luan Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình mơ hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA/TRUNG TÂM TS Phan Đình Hiếu TS.Nguyễn Anh Tú Tieu luan LỜI NĨI ĐẦU Ngày tự động hóa trở thành vấn đề thiết yếu ngành công nghiệp Để thiết kế mơ hình tự động hóa nhà máy cơng nghiệp người thiết kế cần nắm kiến thức Lý thuyết điều khiển tự động-bộ mơn ngành tự động hóa Một kỹ mà người học cần phải có sau học xong mơn nhận dạng hệ thống điều khiển biết cách ổn định mơ hình điều khiển mơ hình điều khiển không trạng thái ổn định Trong môi trường công nghiệp đại ngày nay, toán điều khiển vận tốc động sử dụng rộng rãi ngành khí nói riêng cơng nghiệp nói chung Được phân công hướng dẫn thầy giáo Phan Đình Hiếu, nhóm em có thực tập lớn mơn Mơ hình hóa mơ phỏng, làm phân tích vật lí mơ phỏng, đánh giá hệ thống phần mềm 20-sim hệ thống điều khiển tốc độ Em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn giúp em hoàn thành tập lớn mong người xem giúp em tập lớn nhóm em lỗi mắc phải đồ án, hy vọng bạn, thầy góp ý kiến cho nhóm em để em chỉnh sửa đồ án hoàn thiện hơn! Em xin chân thành cảm ơn! Tieu luan MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ .6 1.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống 1.3 Giới thiệu chung điều khiển(vi xử lý) 1.4 Giới thiệu chung cảm biến đo vận tốc 1.5 Liên hệ thực tế CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MƠ TA HỆ THỐNG CƠ 12 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ QUAN HỆ NHÂN QUẢ CỦA BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 16 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM 19 4.1 Mô đánh giá hệ thống hở 19 4.2 Mơ đánh giá hệ thống kín gồm hệ điều khiển PID 21 4.2.1 Bộ điều khiển PID 21 4.2.2 Mô đánh giá hệ thống kín 24 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 Tieu luan DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cảm biến đo vận tốc Hình 1.2 Tủ lạnh Hình 1.3 Máy CNC Hình 1.4 Robot robocon Hình 1.5 Cần trục Hình 1.6 Cánh tay robot 10 Hình 1.7 Robot lắp ráp tô 11 Hình 2.1 Cơ cấu hệ thống 12 Hình 3.1 Xây dựng bond graph bước 16 Hình 3.2 Xây dựng bond graph bước 16 Hình 3.3 Xây dựng bond graph bước 17 Hình 3.4 Xây dựng bond graph bước 17 Hình 3.5 Xây dựng bond graph bước 18 Hình 4.1 Cơ cấu hệ thống 19 Hình 4.2 Mơ hệ thống hở phần mềm 20-Sim 19 Hình 4.3 Thơng số hệ thống hở 19 Hình 4.4 Đồ thị mô tả dao động vận tốc M2 hệ thống hở 20 Hình 4.5 Mơ hệ thống kín điều khiển điều khiển PID phần mềm 20-Sim 24 Hình 4.6 Thơng số ban đầu hệ kín 24 Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn tốc độ vật M2 điều khiển PID 25 Hình 4.8 Mơ hệ thống kín dùng thêm giảm chấn phần mềm 20-Sim 26 Hình 4.9 Thơng số hệ kín thêm giảm chấn .26 Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn tốc độ M2 thêm giảm chấn điều khiển PID 27 Tieu luan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ Lĩnh vực điều khiển tự động ngày phát triển Đặc biệt điều khiển xác, trở thành phần thiếu ngành công nghiệp đại Phàn lớn thiết bị máy móc, thiết bị dân dụng hay cơng nghiệp sử dụng động điện Từ đọng điện máy công cụ, máy CNC, cánh tay robot,… đến thiết bị gia dụng máy giặt, điều hịa, máy hút bụi, máy tính Những thiết bị yêu cầu độ xác cao, tiết kiệm lượng, tuổi thọ chu kì bảo dưỡng dài Một yêu cầu đáp ứng để đạt tiêu điều khiển tốc độ cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru xác lập thay đổi trạng thái 1.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống Hệ thống bao gồm: cảm biến tốc độ, điều khiển trung tâm Nguyên lí: Cảm biến tốc độ đo tốc độ hệ thống, muốn thay đổi tốc độ hệ thống, điều khiển trung tâm tính tốn tăng giảm để đạt giá trị mong muốn sau điều khiển trung tâm tác động vào vận hành (motor) quay nhanh, chậm theo tốc độ mong muốn 1.3 Giới thiệu chung điều khiển(vi xử lý) PID tạo thành từ cụm từ tiếng Anh đầy đủ Proportional Integral Derivative Đây chế phản hồi vòng điều khiển hệ thống điều khiển công nghiệp mà sử dụng rộng rãi Bộ điều khiển đưa vào sử dụng nhiều hệ thống điều khiển vịng kín hay hệ thống có tín hiệu phản hồi Bộ điều khiển PID giúp máy công nghệ tính tốn giá trị sai số hiệu số giá trị đo thông số biển đối giá trị đặt theo mong muốn người thiết kế, người dùng Thông qua điều chỉnh giá trị điều khiển đầu mà mà nhờ hệ thống điều khiển thực giảm tối đa sai số, cho hoạt động xác đạt hiệu cao Tieu luan Để đạt kết tốt nhất, thông số PID cần sử dụng điều chỉnh theo tính chất hệ thống gắn vào Trong trường hợp điều khiển giống nhau, cần tính tốn đẻ đặc thù hệ thống để thông số PID chuẩn xác hiệu cao làm việc 1.4 Giới thiệu chung cảm biến đo vận tốc Trong sống ngày, thường sử dụng loại cảm biến nhiều ứng dụng khác cảm biến hồng ngoại sử dụng để điều khiển truyền hình từ xa, cảm biến hồng ngoại thụ động sử dụng cho hệ thống cửa tự động mở trung tâm mua sắm cảm biến LDR dùng cho chiếu sáng trời, hệ thống chiếu sáng đường phố tự bật tắt, cảm biến tốc độ đo tốc độ quay động cơ, v.v Hình 1.1 Cảm biến đo vận tốc 1.5 Liên hệ thực tế • Tủ lạnh Tieu luan Hình 1.2 Tủ lạnh Tủ lạnh có điều khiển trung tâm điều khiển nhiệt độ, tốc độ quạt gió, thời gian quạt gió, thời gian xả tuyết khoang tủ lạnh cách xác • Máy CNC Hình 1.3 Máy CNC Máy CNC máy cần thiết phổ biến công nghiệp ngày Từ máy CNC đồ mộc, đến máy gia công chi tiết máy Máy CNC điều khiển motor bước xác để xác định vị trí cần giá cơng chuẩn dựa vào điều khiển tốc độ, vòng quay motor bước Tieu luan • Robot sân chơi Robocon Hình 1.4 Robot robocon Các robot lập trình điều điều khiển vận tốc động cho hợp lí Giúp robot vận hành với hiệu suất cao hiệu nhất, đặc biệt đưa robot đến vị trí xác nhanh • Cần trục thi cơng xây dựng Hình 1.5 Cần trục Cần trục gồm cấu liên quan đến điều khiện vận tốc Motor Bộ phận thứ phần tời nâng hạ vật liệu, phần nâng hạ vật liệu nhanh chậm theo ý muốn người công nhân Bộ phận thứ hai cần nâng giúp mang liệu Tieu luan B = ∂f = ∂u ( (2.7) 𝑋̅ , 𝑢̅ ) 𝑀1 0 C= ∂H = ∂X ( D= ∂H = ∂u ( => 𝑋̅ , 𝑢̅ ) = ̃̇ 𝑋3 ̃̇ 𝑋4 = 0 (2.8) (2.9) ̃̇ 𝑋1 𝑦̃ 0 𝑋̅ , 𝑢̅ ) ̃̇ 𝑋2 1 −𝐾 𝐾 𝑀1 𝑀1 0 0 ̃ 𝑋1 0 ̃ + 𝑋2 ̃ 𝑋3 0 ̃ 𝑋4 𝐾 −𝐾 𝑀2 𝑀2 0 ̃ 𝑋1 0 ̃ 𝑋2 ̃ 𝑋3 ̃ 𝑋4 15 Tieu luan 𝑀1 u + u CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ QUAN HỆ NHÂN QUẢ CỦA BIỂU ĐỒ BOND GRAPH Ở toán ta thấy có điểm thay đổi vận tốc xe M1 M2 nên ta có one-junction cho vị trí thay đổi vận tốc − Xe M1 M2 nối với lị xo K − xe M1 M2 có khối lượng − Lực F tác động vào xe M1 tác động lên xe M2 di chuyển − Xây dựng bond graph cho hệ thống: Bước 1: Tại vị trí có vận tốc khác nhau, ta đặt Junction Hình 3.1 Xây dựng bond graph bước Bước 2: Chèn phần tử cổng cách kết nối với Junction đường liên kết chèn vào Junction có liên quan v1 v2 Hình 3.2 Xây dựng bond graph bước 16 Tieu luan Bước 3: Gán chiều công suất tới tất đường liên kết sơ đồ v1 v2 Hình 3.3 Xây dựng bond graph bước Bước 4: Tại vị trí có vận tốc khơng xác định xóa bỏ Junction đường liên kết với v1 v2 Hình 3.4 Xây dựng bond graph bước 17 Tieu luan Bước 5: Tối giản sơ đồ theo nguyên tắc thêm quan hệ nhân Hình 3.5 Xây dựng bond graph bước 18 Tieu luan CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM Hình 4.1 Cơ cấu hệ thống 4.1 Mô đánh giá hệ thống hở Hình 4.2 Mơ hệ thống hở phần mềm 20-Sim - Thông số hệ thống hở: Hình 4.3 Thơng số hệ thống hở 19 Tieu luan - Đặc tính dao động M2: Hình 4.4 Đồ thị mơ tả dao động vận tốc M2 hệ thống hở Theo hình 3.5 ta thấy tốc vật M2 ln liên tục tăng lên Vì cần thêm điều khiển PID để tốc đạt mức độ ổn định mà đề đặt 10m/s 20 Tieu luan 4.2 Mô đánh giá hệ thống kín gồm hệ điều khiển PID 4.2.1 Bộ điều khiển PID a, Tổng quan điều khiển PID Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động),bộ điều khiển tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp khơng có kiến thức (mơ hình tốn học) hệ thống điều khiển điều khiển PID điều khiển tốt Tuy nhiên, để đạt kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất hệ thống-trong kiểu điều khiển giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù hệ thống Sơ đồ điều khiển PID đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh nó, tổng ba khâu tạo thành biến điều khiển (MV) Ta có: MV (t) = P(out) +I(out)+ D(out) - Khâu tỷ lệ: Khâu tỷ lệ độ lợi cơng làm thay đổi giá trị đầu có có tỷ lệ với giá trị sai số Để đáp ứng yêu cầu tỷ lệ, bạn điều chỉnh độ lợi cách nhân sai số với số Kp - hệ số tỉ lệ Khi khâu tỉ lệ tính với cơng thức sau: P(out) = Kp.e.t Trong đó: + P(out) thừa số tỉ lệ đầu + Kp hệ số tỉ lệ hay thông số điều chỉnh + e sai số tính SP - PV + t thời gian khoảng thời gian tức thời - Khâu phân tích: 21 Tieu luan Khâu phân tích hay reset có tỉ lệ thuận với biên độ sai số quãng thời gian xảy sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta thấy tích lũy bù hiệu chỉnh tước Sau tích lũy sai số đem nhân với độ lợi tích phân cơng thêm tín hiệu đầu điều khiển PID Biên độ phân phối khâu phân tích xác định độ lợi tích phân ký hiệu Ki Khi đó, thừa số tích phân tính với cơng thức sau: 𝑡 I(out) = Ki∫0 𝑒(𝜏)𝑑𝜏 Trong cơng thức tính trên: + I(out) thừa số tích phân đầu + Ki độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh + e sai số + t thời gian thời gian tức thời + 𝜏 biến tích phân trung gian - Khâu vi phân Để tính tốc độ thay đổi sai số trình ta dùng cách xác định độ dốc sai số theo thời gian Hiểu đơn giản tức xác định đạo hàm theo bậc thời gian cụ thể sau đem nhân chúng với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ phân khối khâu vi phân tính tất hành vi điều khiển giới hạn độ vi phân Kd Khi cơng thức tính thừa số vi phân sau: 𝑑 D(out) = Kd e(t) 𝑑𝑡 Trong công thức trên, đại lượng biểu thị sau: + D(out) thừa số vi phân đầu + Kd độ lợi vi phân, thơng số điều chỉnh + e sai số + t thời gian thời gian tức thời 22 Tieu luan b, Ứng dụng điều khiển PID PID coi là điều khiển lý tưởng hệ thống điều khiển quy trình đại Nó sử dụng hầu hết ứng dụng điều khiển trình tự động công nghiệp Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, vv… • Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu • Hạn chế độ dao động • Giảm thời gian xác lập độ vọt lố 23 Tieu luan 4.2.2 Mô đánh giá hệ thống kín Mơ khảo sát vận tốc xe: Hình 4.5 Mơ hệ thống kín điều khiển điều khiển PID phần mềm 20-Sim - Các thơng số Hình 4.6 Thơng số ban đầu hệ kín 24 Tieu luan - Khảo sát tốc độ hai vật M1, M2 : Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn tốc độ vật M2 điều khiển PID Từ mô ta nhận thấy tốc độ vật M2 không ổn định Trong trường hợp này, dù có điều chỉnh thơng số điều khiển hệ thống ổn định Để hệ thống hoạt động ổn định, ta cần thêm giảm chấn hoạt động kết hợp với lị xo Từ đó, ta kiểm sốt hệ thống cách ổn định 25 Tieu luan Sơ đồ BondGraph hệ thống sau thêm giảm chấn: Hình 4.8 Mơ hệ thống kín dùng thêm giảm chấn phần mềm 20-Sim - Các thông số sau thêm giảm chấn: Hình 4.9 Thơng số hệ kín thêm giảm chấn 26 Tieu luan - Mô khảo sát vận tốc xe sau thêm giảm chấn: Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn tốc độ M2 thêm giảm chấn điều khiển PID Nhận xét: Sau thêm giảm chấn diều khiển PID hệ thống ổn định đạt tốc độ mong muốn thời gian ngắn Cụ thể toán vận tốc vật M2 đạt ổn định mức 10 m/s 27 Tieu luan KẾT LUẬN Bài tập mơn học mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử toán động học hai vật giúp sinh viên hiểu cách hoạt động hệ vật chuyển động nói chung chuỗi chuyển động hệ vật góc độ phân tích Khi tìm hiều giải vấn đề đặt yêu cầu tập chúng em xây dựng phương trình trạng thái mô tả hệ cơ, đồng thời thiết kế xây dựng biểu đồ bond graph phần mềm 20-sim để mơ vị trí vật khảo sát, điều khiển tốc độ vật Qua tập lớn giúp cho sinh viên củng cố kiến thức học lớp, hiểu phương pháp điều khiển điều khiển, biết sử dụng phần mềm 20-sim Cũng cố lại kiển thức mơn lí thuyết điều khiển cấu chấp hành điều khiển Đồng thời, tích lũy kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập học phần có liên quan, đồ án môn học đồ án tốt nghiệp sau 28 Tieu luan TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết điều khiển tự động – Phan Xuân Minh – Nxb Giáo dục Giáo trình đo lường cảm biến – Hà Văn Phương – Nxb KH&KT 29 Tieu luan ... TRÌNH MÔ TA HỆ THỐNG CƠ Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ hệ hình Trong đó: M1 M2 khối lượng hai xe Hai xe liên kết với lò xo Bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường Các thông số hệ thống sau:... dung học tập Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ hệ hình Trong đó: M1 M2 khối lượng hai xe Hai xe liên kết với lò xo Bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường Các thông số hệ thống sau:... KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM Hình 4.1 Cơ cấu hệ thống 4.1 Mơ đánh giá hệ thống hở Hình 4.2 Mơ hệ thống hở phần mềm 20-Sim - Thông số hệ thống hở: Hình 4.3 Thơng số hệ thống