Đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình và điều khiển hệ thống beam ball theo kiểu cơ cấu 4 khâu

Tín hiệu phản hồi được đưa tới bộ vi điều khiển qua đó xác định vị trí quả bóng và các thông số liên quan để đưa tín hiệu điềukhiển.. Hệ thống sử dụng một động cơ DC tích hợp với hốp số,

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂM BEAM-BALL 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Các đề tài nghiên cứu về hệ thống beam-ball 5

1.3 Kết luận chương 1 9

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH 10

2.1 Lựa chọn mô hình thiết kế 10

2.2 Phân tích mô hình 11

2.2.1 Phân tích lực tác dụng 11

2.2.2 Xây dựng mô hình toán 13

2.3 Thiết kế mô hình 15

2.3.1 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor 15

2.3.2 Thiết kế chi tiết 18

CHƯƠNG III TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN 31

3.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 31

3.1.1 Cơ sở của điều khiển PID 31

3.1.2 Các tham số của bộ điều khiển PID 32

3.2 Các phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID tương tự 33

3.2.1 Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID theo Ziegler-Nichols 35

3.2.2 Phương pháp Cohen-Coon 40

3.2.3 Phương pháp Chien- Hrones –Reswick 41

2.3.4 Phương pháp tổng T của Kuhn 44

2.3.5 Phương pháp tối ưu modul 45

3.3 Bộ điều khiển PID số 49

3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID số 49

3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho bài toán Beam-Ball 52

3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển 52

3.4.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho bài toán beam and ball 53 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THỬ NGHIỆM 62

4.1 Thiết kế bộ điều khiển 62

4.1.1 Bộ vi điều khiển 62

4.1.2 Động cơ RC Servo 65

4.1.3 Khối beam-ball 65

4.1.4 Cảm biến 65

4.2 Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ 67

4.2.1 Thiết kế khối xử lý trung tâm 67

4.2.2 Thiết kế khối giao tiếp với máy tính 68

4.2.3 Thiết kế đầu vào ADC 69

4.2.4 Mạch điều khiển sau khi hoàn thành 70

4.3 Tổng hợp và thử nghiệm bộ PID 71

4.3.1 Kết cấu sơ đồ 71

4.3.2 Thuật toán 71

4.4 Kết luận về sản phẩm 75

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 76

5.1 Kết quả thực hiện 76

5.1.1 Về nghiên cứu lý thuyết 76

5.1.2 Về mặt thực hành 76

5.2 Những hạn chế 76

5.3 Hướng phát triển 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Tiếng việt 77

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ quả bóng và thanh đỡ đã được biết đến sử dụng từ nhiều thập niêntrước đây Cho đến nay việc giải quyết bài toán này đã đưa ra nhiều ứng dụngđặc biệt là trong học tập và nghiên cứu Hệ thống này được sử dụng như bài thínghiệm ở nhiều trường đại học kỹ thuật trên thế giới vì nó khá gần gũi với các hệthống điều khiển thực Mục đích của hệ thống là điều khiển vị trí của quả bóngtrên thanh đỡ sao cho nó đạt đúng giá trị mong muốn dưới các ảnh hưởng từnhiễu bên ngoài

Trong phạm vi đồ án tốt nghiêp của sinh viên chuyên ngành Cơ Điện Tử,

đề tài “Xây dựng mô hình và điều khiển hệ thống Beam-Ball theo kiểu cơ cấu 4

khâu” đã giúp em hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của hệ thông Beam-Ball, thiết

kế và chế tạo được một hệ thống Qua việc làm đồ án đã giúp em hiểu hơn về viđiều khiển , có được nhiều kiến thức thực tế

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáoNguyễn Đức Anh và các thầy giáo trong bộ môn Cơ điện tử và chế tạo máy đặcbiệt đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này Nhưng do hạn chế về mặt thời gian vàtrình độ bản thân, những kết quả đạt được trong đồ án này còn nhiều hạn chế vàkhông tránh khỏi sai sót Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy giáo

và các bạn

Hà Nội ngày 22/11/2012

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂM BEAM-BALL 1.1 Giới thiệu chung

Hệ quả bóng và thanh đỡ còn được gọi là “hệ cân bằng của quả bóng trênthanh đỡ” Hệ thống này được sử dụng như một bài thí nghiệm ở hầu hết cáctrường đại học kỹ thuật trên thế giới vì nó khá gần gũi với các hệ thống điềukhiển thực nó giống như việc ổn định hệ thống cân bằng máy bay theo phươngngang khi hạ cánh dưới tác động hỗn loạn của các dòng khí Mục đích của hệthống là điều khiển vị trí của quả bóng trên thanh đỡ sao cho nó đạt đúng vị trímong muốn dưới các ảnh hưởng từ nhiễu bên ngoài như lực đẩy từ tay chúng

ta Tín hiệu điều khiển có thể nhận được từ tín hiệu phản hồi vị trí của quảbóng qua các bộ cảm biến Tín hiệu phản hồi được đưa tới bộ vi điều khiển qua

đó xác định vị trí quả bóng và các thông số liên quan để đưa tín hiệu điềukhiển tín hiệu điều khiển này được đưa tới động cơ RC Servo sẽ điều khiểnchính xác góc quay của động cơ Từ đó, quả bóng sẽ đạt đến đúng vị trí mongmuốn

Một điều tất nhiên là hệ thống ban đầu của chúng ta là hệ hở, phi tuyến vàkhông ổn định Để giải quyết vấn đề không ổn định, ta cần sử dụng một mạchphản hồi Ngoài ra, ta có thể xem hệ sẽ tuyến tính nếu thanh đỡ chỉ dao độngvới một góc anpha (α) tương đối nhỏ (-30α) tương đối nhỏ (-30) tương đối nhỏ (α) tương đối nhỏ (-30-300≤ α) tương đối nhỏ (-30≤300) Nếu góc α) tương đối nhỏ (-30 lớn hơn giá trịtrên thì kết quả thu được từ phương pháp xấp xỉ tuyến tính sẽ không còn chínhxác Trong trường hợp đó bắt buộc ta phải dùng đến các phương pháp điềukhiển phi tuyến

1.2 Các đề tài nghiên cứu về hệ thống beam-ball

Hệ “ball and beam” đã được rất nhiều các cá nhân và tổ chức trên thếgiới nghiên cứu và đã có những thành công Sau đây sẽ là một số ví dụ điểnhình:

Vào năm 2005, Arroyo đã xây dựng một hệ thống có tên “Quả bóng cânbằng trên thanh đỡ” như hình 1.1 Hệ thống sử dụng một cảm biến điện trở dây

để xác định vị trí của quả bóng Tín hiệu từ cảm biến được xử lý trong một bộDSP và xuất tín hiệu điều khiển động cơ một chiều với hộp giảm tốc Hệ thốngnày sử dụng luật điều khiển PD

Hình 1.1: “Quả bóng cân bằng trên thanh dầm” được xây dựng bởi

Berkeley Robotics Laboratory (Arroyo 2005)

Nhận xét: Hệ thống trên tương đối dễ thực hiện và bộ điều khiển PD cũngkhá đơn giản Thực tế, mặc dù vị trí của quả bóng được điều khiển bằng bộ

điều khiển PD, tuy vậy góc nghiêng của thanh dầm lại không được đo và điềukhiển Do đó, hệ thống hoạt động chưa hoàn toàn ổn định.

Năm 2006, Quanser tạo ra mẫu “quả bóng và thanh dầm” mang tính thươngmại đầu tiên như trong hình 1.2 Mẫu “quả bóng và thanh dầm” này cũng gồm

có một cảm biến điện trở dây để xác định vị trí quả bóng, một động cơ servovới hộp giảm tốc Hệ thống được điều khiển bằng bộ PID So với mẫu “quảbóng cân bằng trên thanh dầm” ở trên thì mẫu này đã hoàn thiện hơn rất nhiều

Hệ thống này thông qua cảm biến đọc vị trí quả bóng sau đó điều khiển gócquay của động cơ Servo Qua cơ cấu các tay quay sử dụng phản hồi vòng kín

để điều khiển vị trí của quả bóng

Hình 1.2 : Sản Phẩm Ball and beam do Quanser chế tạo năm 2006

Ta chọn kết cấu của Quanser để sử dụng trong đề tài này

Cục Kỹ thuật Điện tại Đại học Lakehead xây dựng hệ thống có tên là “ cânbằng quả bóng và thanh đỡ ” như trong hình 1.3 Hệ thống sử dụng một động

cơ DC tích hợp với hốp số, cảm biến điện trở dây để xác định vị trí quả bóng,

và encoder số Hệ thống này được điều khiển bởi bộ điều khiển LQR

Hình 1.3 ‘Cân bằng quả bóng và thanh đỡ’ được thiết kế bởi đại học Lakehead (Ambalavanar, Moinuddin & Malyshev 2006)

Hệ thống có thể chống nhiễu bởi vì việc áp dụng phương pháp không giantrạng thái với bộ điều khiển LQR(α) tương đối nhỏ (-30Linear Quadratic Regulator) sẽ điều khiển tốt

hệ thống MIMO (α) tương đối nhỏ (-30Multiple Input, Multiple Output)

Vào năm 1999, hệ thống với tên gọi “Ball on Beam System” đã được xâydựng bởi Hirsch Mô hình của hệ thống được thể hiện ở hình 1.4 Hệ thống này

đã sử dụng cảm biến siêu âm để đo vị trí quả bóng và dùng chiết áp để xác địnhgóc quay của thanh đỡ Động cơ với hộp số được điều khiển bởi mạch khuếchđại thuật toán Hệ thống dùng thuật toán điều khiển PD

Hình 1.4: Ball on Beam System (Hirsch 1999)

Mô hình của Hirsch xây dựng dễ dàng bởi vì phần cơ khí được thiết kế đơngiản.Tuy nhiên, thanh đỡ gắn quá xa so với trục, điều đó gây ra sai số trongviệc điều khiển vị trí quả bóng Hình 1.5 cho ta thấy điều đó:

Hình 1.5: Hướng chiếu bằng mô hình Ball on Beam System (Hirsch 1999)

Đến năm 2004, Rosales đã cho ra đời hệ thống quả bóng và thanh đỡ Môhình này tương tự với mô hình “Cân bằng quả bóng và thanh đỡ” của(α) tương đối nhỏ (-30Ambalavanar, Moinuddin & Malyshev 2006) Hệ thống của Rosales làm từvật liệu acrylic, trong khi đó hệ thống “Cân bằng quả bóng và thanh đỡ” làm từvật liệu nhôm

Cũng trong năm 2004, mô hình quả bóng và thanh đỡ được Lieberman thiết

kế với tên gọi “ A Robotic Ball Balancing Beam” được thể hiện ở hình 1.6 Hệthống này giống với hệ thống “ Ball on Beam System” của Hirsch (α) tương đối nhỏ (-301999) Mặc

dù vậy, vẫn có sự khác nhau giữa 2 mô hình này, mô hình của Lieberman sửdụng cảm biến điện trở dây để đo vị trí quả bóng, còn mô hình của Hirsch sửdụng cảm biến siêu âm

Hình 1.6 : A Robotic Ball Balancing Beam (Lieberman 2004)

Ngoài những mẫu điển hình trên còn có rất nhiều những mẫu tương tự nhưvậy, chúng chỉ khác nhau ở loại cảm biến được sử dụng, cách điều khiển (α) tương đối nhỏ (-30cóthể là điều khiển qua góc quay theta của động cơ hoặc điều khiển bằng mômenquay của thanh đỡ khi gắn trục động cơ vào tâm thanh đỡ đó)

1.3 Kết luận chương 1

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH 2.1 Lựa chọn mô hình thiết kế

Qua phân tích trong chương 1 ta lựa chọn mô hình thiết kế của Quanser cho đồ án án này với ưu điểm chính xác Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID

Hệ thống này thông qua cảm biến đọc vị trí quả bóng sau đó điều khiển góc quaycủa động cơ Servo Qua cơ cấu các tay quay sử dụng phản hồi vòng kín để điều khiển vị trí của quả bóng

Hình 2.1 Thanh đỡ được gắn tại 2 đầu trong mô hình Quanser thiết kế

Hình 2.2 Mô hình thực tế của Quanser

2.2 Phân tích mô hình

2.2.1 Phân tích lực tác dụng

Quả bóng chuyển động với 2 bậc tự do nhờ rãnh máng trên thanh đòn:

+ Chuyển động song phẳng: chuyển động tự quay và chuyển động tịnh tiếndọc theo rãnh máng của thanh đòn do trọng lực quả bóng gây lên

+ Chuyển động quay theo thanh đỡ quanh điểm A Thanh đỡ chuyển độngquay quanh điểm A nhờ hệ thống cánh tay nâng đẩy gắn lên trục động cơ RCServo Thanh đỡ được dẫn động bởi động cơ thông qua tay đòn Khi động cơquay 1 góc θ, tay đòn sẽ làm cho thanh đỡ quay 1 góc α) tương đối nhỏ (-30

Ta phân tích các lực tác dụng lên quả bóng như sau:

Hình 2.3:Phân tích trọng lực quả bóng

Trọng lực cả quả bóng được phân tích làm 2 lực như hình vẽ

Tổng hợp phản lực từ thanh đỡ có phương trùng với phương của thành phầnm.g.cosα) tương đối nhỏ (-30 nhưng ngược chiều với nó nên triệt tiêu thành phần này Tổng hợpcủa trọng lực và phản lực cho ta thành phần mg.sinα) tương đối nhỏ (-30 như hình 2.4

Hình 2.4: Tổng hợp lực lên quả bóng

Ta thấy hợp lực này có phương song song với thanh đỡ và chiều có xuhướng làm cho quả bóng lăn về phía thấp hơn.

2.2.2 Xây dựng mô hình toán

1 (α) tương đối nhỏ (-30

Thế năng cơ hệ do lực hoạt động gây ra:

Phương trình mô tả mối liên hệ giữa góc quay của thanh đỡ và góc quay của

1 (α) tương đối nhỏ (-30 ) mgd (α) tương đối nhỏ (-30 )

Viết lại dưới dạng hàm truyền giữa góc quay của động cơ teta(α) tương đối nhỏ (-30s) và toạ độ

dịch chuyển của bóng P(s) ta có hàm truyền.

2 2

2.3.1 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor

Autodesk Inc là một công ty của USA với trụ sở chính được đặt tạiSausalito, California và là hãng phần mềm thiết kế tự động hóa lớn nhất trênthế giới , họ đã sớm khẳng định chính mình bằng hàng loạt các phần mềm nổitiếng với ứng dụng lan tỏa rộng ở rất nhiều ngành như xây dựng, giải trí, truyềnthông, kiến trúc v.v… chứ không riêng gì ở ngành kỹ thuật và sản xuất

Có thể kể đến một số sản phẩm nổi tiếng của họ như AutoCad , Softimage,Maya, Discreet Inferno, Discreet fire, Discreet Flame, Discreet Flint, 3ds Max,Lustre, Toxik, Autosketch, Autodesk LocationLogic, Autodesk SubscriptionProgram, and Discreet Smoke , Autodesk Animator Studio,Cyberspace v.v…

Autodesk Inventor là một sản phẩm của Autodesk (α) tương đối nhỏ (-30Hoa kỳ), một công tytrong lĩnh vực đồ họa kỹ thuật nổi tiếng trên thế giới và quen thuộc đối với rấtnhiều kỹ sư ở Việt Nam với phần mềm Autocad Autodesk Inventor là mộtphần mềm thiết kế dành riêng cho lĩnh vực cơ khí với nhiều ưu điểm vượt trội.Khả năng mô hình hóa 3D rất mạnh, giao diện người dùng thân thiện

Autodesk Inventor phát hành phiên bản đầu tiên Inventor 1 vào tháng 9năm 1999, và liên tục phát triển không ngừng để đưa các Version tiếp theo đếnvới ngành kỹ thuật, cho đến tháng 03/2011 đã phát hành phiên bản Autodesk Inventor 2012

Cấu trúc hệ thống của Autodesk Inventor tạo ra thế mạnh về thiết kế môhình 3D, quản lý thông tin, hợp tác quốc tế và hỗ trợ kỹ thuật Một số điểmmạnh trong cấu trúc của hệ thống này là:

- Thiết kế mạch lạc, sử dụng công nghệ phát triển thông dụng (α) tương đối nhỏ (-30như – COM

và VBA)

- Tương thích với phần cứng hiện đại, như – CardOpenGL và DualProcessors

- Có khả năng xử lý hàng ngàn chi tiết và các cụm lắp lớn

- Cung cấp giao diện lập trình ứng dụng(α) tương đối nhỏ (-30 Application ProgramInterface –API) và cấu trúc mở rộng với công nghệ COM chuẩn để tạo lập và chạy cácứng dụng thứ ba (α) tương đối nhỏ (-30Third – partyapplications)

- Có khả năng trao đổi trực tiếp dữ liệu thiết kế với bản vẽ 2D củaAutoCAD, mô hình 3D của Mechanical Desktop hoặc mô hình STEP từ các hệthống CAD khác

2.3.2 Các tiện ích

Dưới đây là tổng quan về một số tiện ích dùng trong tạo mô hình, quản lýtài liệu, công cụ hỗ trợ và học tập

 Tiện ích tạo mô hình

Không giống như các công cụ tạo mô hình solid truyền thống khác,Autodesk Inventor được phát triển chuyên cho thiết kế cơ khí Nó cung cấpnhững phương tiện thuận tiện cho thiết kế mô hình chi tiết

- DerivedParts: Tạo một chi tiết dẫn xuất từ một chi tiết khác Dùng

DriveParts để khảo sát các bản thiết kế hay các quá trình sản xuất khác nhau

- Solid modeling: Tạo các đối tượng hình học phức hợp bằng khả năng tạo

mô hình lai tích hợp các bề mặt với các Solid Autodesk Inventor sử dụngcông cụ mô hình hóa hình học mới nhất ACISTM

- SheetMetal: Tạo các đối tượng và chi tiết từ kim loại tấm bằng cách sử

dụng các công cụ tạo mô hình chi tiết và các công cụ chuyên cho thiết kế chitiết từ kim loại tấm, như uốn(α) tương đối nhỏ (-30Bend), viền mép(α) tương đối nhỏ (-30Hem), gờ(α) tương đối nhỏ (-30Flange), mẫuphẳng(α) tương đối nhỏ (-30flatpattern)

- Adaptive Layout: Dùng các WorkFeature (α) tương đối nhỏ (-30mặt, trục, điểm) để lắp các “

chi tiết” 2D với nha Nó có thể được dùng để khảo sát và hợp lý hóa cụm lắptrước khi chính thức chuyển thành mô hình 3D

- Adaptive part sandassemblies: Tạo các chi tiết và các mối lắp thích nghi.

Chi tiết thích nghi có thể thay đổi theo chi tiết khác Ta có thể chỉnh sửa các chitiết ở bất kì vị trí nào trên mô hình và theo bất kì thứ tự nào chứ không nhấtthiết phải theo thứ tự tạo lập ban đầu

- Design Elements: Truy cập và lưu trữ các đối tượng trong một Catalog

điện tử để có thể sử dụng lại được Có thể định vị, chỉnh sửa chúng

- Collaborative engineering : Môi trường cho nhóm có nhiều người cùng

làm việc với một cụm lắp Nó cho phép giảm thời gian thiết kế mà không cầnhạn chế năng lực làm việc của mỗi cá nhân

 Tiện ích quản lý thông tin:

Tạo mô hình mới chỉ là bắt đầu quá trình thiết kế Autodesk Inventor còncung cấp các phương tiện giao tiếp hiệu quả:

- Projects: Duy trì sự liên kết giữa các files Tổ chức các file trước khi thiết

kế sao cho Autodesk Inventor xác định đường dẫn của các files và có thể thamchiếu đến các file đó và các file mà chúng tham chiếu đến

- Quản lý bản vẽ : Cho phép tạo các bản vẽ nhờ các công cụ đơn giản hóa

quá trình Các bản vẽ được tạo và quản lý theo các tiêu chuẩn ANSI, BSI, DIN,

GB, ISO, JIS, kể cả các tiêu chuẩn riêng của hãng

- Design Assistant : Tìm kiếm chi tiết theo các thuộc tính như: mã số chi

tiết, vật liệu, tạo báo biểu trong và ngoài môi trường Autodesk Inventor

- Engineer’sNotebook: Truy cập và ghi chú thông tin thiết kế và gắn với

các đối tượng, cho phép lưu trữ thông tin về quá trình thiết kế

 Hệ thống hỗ trợ người dùng:

Autodesk Inventor có một hệ thống hỗ trợ người dùng phong phú, tiện lợi

và hiệu quả Hệ thống này được nhúng trực tiếp trong Autodesk Inventor, giúpcho việc truy cập nhanh chóng Chúng gồm:

- Hệ thống hỗ trợ người dùng (α) tương đối nhỏ (-30 DesignSupportSystem – DSS): Một hệ

thống lớn, cho phép đặt được “day-one productivity” trong thiết kế

- Web: Từ DSS có thể liên kết với Autodesk PointA và RedSpark để tìm

thông tin bổ sung trên Web, liên kết với Site của các nhà cung cấp,

- Autodesk Online: Download phiên bản cập nhật của Autodesk Inventor

và tìm thông tin về sản phẩm, hỗ trợ kỹ thuật và các thông tin khác

2.3.2 Thiết kế chi tiết

Thiết kế mô hình

Cơ cấu của bài toàn gồm 4 khâu như sau

Hình 2.6 : Các thành phần của hệ thống beam and ball

2.3.2.1 Thiết kế khâu 4

Khâu 4 là khâu nối từ trục động cơ ra và nối với khâu 3 bằng 2 khớp quay Mục tiêu của khâu 4 là tạo ra kích thước d trong hàm truyền ở công thức 2.1

Để đảm bảo độ vững chắc và giảm thiểu lực ly tâm ta sử dụng cơ cấu dạng đĩa

Để có nhiều lựa chọn cho kích thước d ta khoan 4 lỗ với 4 khoảng cách khác nhau đến tâm đĩa (α) tương đối nhỏ (-30 gắn với trục động cơ) các kích thước đó lần lượt là 4cm, 3.5cm, 3cm, 2.5cm vật liệu lựa chọn là phíp đảm bảo khối lượng nhẹ và tiện trong quá trình chế tạo Với khâu này, khi d càng tăng thì đáp ứng càng nhanh Tuy nhiên cần đảm bảo tỷ lệ với kích thước của khâu 3 để toàn bộ cơ cấu hoạt động hài hòa

Hình 2.7: hình vẽ 3D khâu 4

2.3.2.2 Chọn động cơ

Động cơ là thiết bị chuyển điện năng thành cơ năng Nó là bộ phận quantrọng nhất trong hệ thống điều khiển quả bóng và thanh đỡ Động cơ ta chọn làđộng cơ RC servo MG 995của Tower pro

Hình 2.8: Thông số ký thuật động cơ RC servo

Động cơ RC Servo MG955 có thông số như sau:

1 Motor

2 Mạch điều khiển

3 Dây dương nguồn(α) tương đối nhỏ (-30màu đỏ)

4 Dây tín hiệu(α) tương đối nhỏ (-30màu vàng)

5 Dây âm nguồn (α) tương đối nhỏ (-30màu nâu)

cơ thông qua vôn kế Động cơ và vôn kế kết nối với mạch điều khiển tạo thànhmạch hồi tiếp vòng kín Để quay động cơ, tín hiệu số được gửi tới mạch điềukhiển Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn

kế Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt được vịtrí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ Vôn kế trong servo giữ vai tròchính trong việc định vị trí của trục ra Vôn kế được gắn vào trục ra Bằng cánhnày, vị trí của Vôn kế phản ánh chính xác vị trí trục ra của servo Vôn kế hoạtđộng nhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển, khi cần chạybên trong vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi Mạch điều khiển trong servo

so sánh điện thế này với độ dài các xung số đưa vào và phát “ tín hiệu sai số”nếu điện thế không đúng Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của vôn

kế và độ rộng của tín hiệu vào Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này đểquay động cơ Khi điện thế của vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệusai số được loại bỏ và động cơ ngừng

Hình 2.10 Sơ đồ khối trong RC servo

Nguyên lý hoạt động của động cơ RC servo:

Như đã nói ở trên vị trí góc của động cơ RC servo điều khiển dựa trên nguyên lýPWM Để điều khiển động cơ RC Servo, ta sẽ cấp xung mỗi 20ms một lần, và độrộng của xung cấp sẽ quyết định vị trí góc của trục động cơ Chẳng hạn với xung

có độ rộng 1.5ms thì trục động cơ sẽ quay đến vị trí góc 900, nếu độ rộng 1ms thìtrục động cơ sẽ quay gần về vị trí góc 00 và ngược lại nếu 2ms thì trục động cơ

sẽ quay gần đến vị trí góc 1800

Hình 2.10: Các vị trí của RC Servo tương ứng với độ rộng xung

2.3.2.3 Thiết kế khâu 3

Khâu 3 là khâu chuyển động song phẳng có tác dụng dẫn động từ khâu 4 lên khâu 2 Khâu 3 không có ảnh hưởng trong hàm truyền hệ thống tuy nhiên để phùhợp với khâu 4 và có kết cấu đẹp mắt ta có thể chọn chiều dài khâu 3 là 200mm

Để đảm bảo gọn nhẹ và đáp ứng được độ cứng vững của hệ thống ta chọn vật liệu là phíp Với độ dày là 1.5mm và bề rộng là 20mm

Hình 2.11 : Hình vẽ 3D khâu 3

2.3.2.4 Thiết kế khâu 2

Khâu 2 là thành phần cơ bản của hệ thống Khâu 2 này có cả quả bóng và thanh dầm, khâu 2 được kết nối với khâu 1 bằng một khớp quay cố định Là trục quay của cả khâu 2 Kết nối với khâu 3 cũng bằng một khớp quay tuy nhiên khớp này không cố định mà có thể di chuyển trên một đường tròn Việc thiết kế khâu 2 là rất quan trọng

Đối với quả bóng: đây là thành phần có sẵn mà ta không phải thiết kế và

chế tạo Ta có thể chọn quả bóng phù hợp với mô hình Ở đây chọn là 1 viên bi sắt đường kính d=32mm và khối lượng là m=0 14 kg

Hình 2.12: Quả bóng trong thực tế

Ta chọn bi sắt vì nó dẫn điện để có thể truyền điện giữa 2 thanh dầm với nhau tại vị trí của nó qua đó xác định được vị trí quả bóng Thành phần đặc trưngcủa quả bóng là đường kính d và khối lượng m Mặc dù trong hàm truyền của hệthống ở công thức 2.1 Có xuất hiện thành phần r và m tuy nhiên 2 thành phần này bị triệt tiêu do thành phần

2

2 5

mr

I 

Đối với thanh dầm: Thanh dầm là thành phần quan trọng giúp cho quả bóng

lăn trên đó Ngoài việc hạn chế 4 bậc tự do của viên bi đảm bảo bi lăn đúng quỹđạo còn phải bảo đảm là viên bi dễ dàng di chuyền trên quỹ đạo đó các mặt tiếpxúc với bi phải đảm bảo thẳng và phẳng Ngoài ra phải nhẹ để giảm thiểu khốilượng cho beam qua đó có thể bỏ qua khối lượng khi tính hàm truyền và động

cơ Vậy ta sẽ chọn nhôm ống kích thước 25x12 (α) tương đối nhỏ (-30mm) chiều dài dầm là 900mm Cấu tạo của thanh dầm là 2 ống nhôm kích thước như trên tạo với nhau 1 góc 900

thành 1 rãnh chữ V dài để viên bi chạy trên đó Đối với thanh dầm thì chiều dài

L là đại lượng đặc trưng Trong hàm truyền hệ thống thì L có ảnh hưởng lớn Lcàng dài thì góc quay α) tương đối nhỏ (-30 của thanh càng nhỏ (α) tương đối nhỏ (-30ứng với 1 góc θ từ động cơ cố định )

do đó hệ thống đáp ứng chậm hơn (α) tương đối nhỏ (-30 L càng ngắn thì ngược lại)

Hình 2.13: Hình 3D thanh dầm Điện trở thanh: được gắn dọc theo thanh dầm Điện trở thanh giúp xác định

chính xác vị trí của quả bóng Thanh điện trở dài 900mm rộng 25mm trên thanh

có khắc lỗ cách đều nhau 1mm để hàn điện trở Những điện trở này có giá trịbằng nhau và tương ứng với những khoảng cách bằng nhau trên điện trở thanh ta

có những giá trị điện trở như nhau

Hình 2.13: Thiết kế điện trở thanh

Hình 2:14: Điện trở thanh trong thực tế

Sử dụng công cụ assembly lắp ghép khâu 2 như sau:

Hình 2.15: Khâu 2 hoàn thiện trong Inventor

2.3.2.5 Thiết kế khâu 1

Khâu 1 là khâu cố định có nhiệm vụ đỡ cho cả hệ thống Đồng thời là nơi

có khớp quay với khâu 2 cũng như định vị vị trí động cơ Yêu cầu khâu 1 phảicứng vững Dựa vào kích thước động cơ, kích thước của khâu 3 và khâu 4 Tachọn khâu 1 như sau Khâu 1 gồm 2 thanh nhôm gắn 2 bên Có khoan lỗ để gắntrục quay cho khâu 2 Khoảng cách từ lỗ đến mặt đáy là 200mm Vậy để phù hợp

ta chọn nhôm thanh với chiều dài thanh là 270 mm Rộng 76 mm và dày 25 mm

Hình 2.16: Hình 3D khâu 1

Ngoài ra để đảm bảo vững chắc khâu 1 còn có bộ phận kết nối 2 thanh nhôm ta

sử dụng 1 thanh nhôm khác có chiều rộng và dày tương tự với thiết kế như sau

Sau khi có đầy đủ các khâu Sử dụng công cụ assembly Cùng với các chitiết khác như đai ốc, đinh tán trong thư viện inventor ta lắp ráp lại thành môhình hoàn chỉnh sau.

Hình 2.19 Hoàn thiện

Hình 2.20 Mô hình sau khi chế tạo

CHƯƠNG III TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

3.1.1 Cơ sở của điều khiển PID

Mặc dù những tiến bộ của lý thuyết và các phương pháp thiết kế đang liên

tục phát triển trong lĩnh vực điều khiển tự động, các bộ điều khiển Tỉ lệ-Tích phân-Vi phân (α) tương đối nhỏ (-30PID - Proportional, Integral, Derivative control) vẫn được sử

dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do ưu điểm về tỉ số giá thành và lợinhuận của chúng đem lại Thực tế, mặc dù chúng tương đối đơn giản trong việc

sử dụng, nhưng vẫn có khả năng thỏa mãn về thực thi trong nhiều tác vụ điềukhiển quá trình Thực ra quá trình lịch sử lâu dài và các kiến thức được để lạiqua nhiều năm đã làm cho cách sử dụng chúng như một bộ điều khiển phản hồichuẩn mực Tuy nhiên khả năng đáp ứng cao của các bộ vi xử lý, các công cụphần mềm và sự tăng yêu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời giảmgiá thành sản phẩm đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu phát minh ra các phươngpháp mới cho việc cải tiến khả năng hoạt động và sự đơn giản trong sử dụngcác bộ điều khiển

Các bộ điều khiển PID đã được phát triển trong quá trình phát triển côngnghệ, và ngày nay nó được hiện thực rất phổ biến dưới dạng số với các phần tửđiện hoặc khí nén, Nó có thể thấy trong hầu hết các loại thiết bị điều khiểnnhư một bộ điều khiển đơn - độc lập hoặc dưới dạng các khối chức năng trongcác bộ điều khiển PLC (α) tương đối nhỏ (-30Programable Logic Controller) hoặc DCS (α) tương đối nhỏ (-30DistributedControl System)

Các bộ điều khiển PID là công cụ chuẩn dùng cho tự động hóa côngnghiệp Sự linh hoạt của bộ điều khiển tạo cho nó khả năng sử dụng trongnhiều trường hợp Các bộ điều khiển cũng có thể được sử dụng trong điềukhiển tầng và các cấu hình bộ điều khiển khác Nhiều vấn đề điều khiển đơn

giản có thể được giải quyết rất tốt bởi điều khiển PID - với những yêu cầu chấtlượng không quá cao Thuật toán PID được đóng gói trong các bộ điều khiểntiêu chuẩn cho điều khiển quá trình và cũng là cơ sở cho nhiều hệ thống điềukhiển đơn giản

Thuật toán PID được biểu diễn dạng công thức gồm 3 thành phần :

0

1 (α) tương đối nhỏ (-30 ) (α) tương đối nhỏ (-30 (α) tương đối nhỏ (-30 ) (α) tương đối nhỏ (-30 ) )

3.1.2 Các tham số của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển tỉ lệ -tích phân-vi phân gồm ba thành phần cơ bản: P, I, và D

với các tính chất khác nhau:

+ Thành phần tỉ lệ (P -Proportional): đơn giản, phản ứng nhanh với tác

động đầu vào, tuy nhiên khó tránh khỏi sai lệch tĩnh với đối tượng không cóđặc tính tích phân Thành phần tỉ lệ sử dụng phù hợp nhất với các đối tượng cótính quán tính - tích phân

+ Thành phần tích phân (I - Integral): Có tác dụng tích lũy sai số để triệt

tiêu sai lệch tĩnh Tuy nhiên khâu tích phân cũng làm tăng thời gian đáp ứngcủa hệ thống, tăng thời gian xác lập, tăng độ quá điều chỉnh và dễ gây mất ổnđịnh cho hệ thống

+ Thành phần vi phân (D - Derivative): Có tác dụng giúp hệ thống nhanh

chóng ổn định, đáp ứng nhanh với các phản ứng vào hệ thống, giảm thời gianxác lập và giảm độ quá điều chỉnh của hệ thống Tuy nhiên thành phần vi phâncũng gây ra cho hệ thống sự nhạy cảm với nhiễu đầu vào

Sự ảnh hưởng của các thành phần đến chất lượng của hệ kín được trình bàytrong bảng 3.1

Bảng 3.1: Tác dụng các tham số P, I, D tới chất lượng điều khiển

Đáp ứng Thời gian

tăng

Độ quá điều chỉnh

Thời gian Xác lập

Sai lệch tĩnh

3.2 Các phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID tương tự

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển số, nên hầuhết các bộ điều khiển PID đều được thực hiện dưới dạng mạch số cứng hoặcmềm Từ đó cho phép các nhà thiết kế các bộ điều khiển PID thực hiện các thủtục tự động chỉnh định thông số cho bộ điều khiển này

Tự động chỉnh định thông số bộ điều khiển PID là quá trình tự xác địnhcác thông số cho bộ điều khiển PID theo một thuật toán nào đó dựa trên đápứng của đối tượng được điều khiển

Có nhiều phương pháp tự động điều chỉnh tham số PID đã được đề xuất.Phương pháp phổ biến nhất chính là thực hiện một thí nghiệm đơn giản với đốitượng điều khiển Thí nghiệm có thể thực hiện trong vòng điều khiển hở hoặcvòng kín Trong các thí nghiệm với vòng hở, đầu vào của quá trình được kíchthích bởi một xung hoặc một cặp bước bậc thang Một mô hình quá trình đơngiản, ví dụ như khâu bậc hai, sau đó được ước lượng bằng cách sử dụng lặp lạibằng phương pháp bình phương tối thiểu, hoặc vài phương pháp ước lượngkhác Nếu một mô hình quá trình khâu giữ mẫu bậc hai được ước lượng, sau đó

bộ điều khiển PID có thể được sử dụng để gán các điểm cực Tốc độ và sự suygiảm của hệ thống sau đó là do các tham số thiết kế Một phương pháp thiết kế

phổ biến là chọn các điểm không của bộ điều khiển, giống như khi bỏ qua haiđiểm cực của quá trình Điều này cho phép các đáp ứng tốt với sự thay đổiđiểm đặt, trong khi đáp ứng tới các nhiễu tải được xác định bởi tác động vòng

hở

Phương pháp đáp ứng tức thời cho việc tự động điều chỉnh của các bộ điềukhiển PID được sử dụng trong các bộ điều khiển của Yokogawa,Eurotherm(α) tương đối nhỏ (-30SSD), và Honeywell Nó được dùng cho việc điều chỉnh trước trongcác bộ điều khiển thích nghi của Leeds, Northrup và Turnbull Control

Các thí nghiệm điều chỉnh có thể được thực hiện trong vòng kín Một ví dụđiển hình là phương pháp tự dao động của Ziegler -Nichols hoặc dạng biến đổi.Phương pháp tự chỉnh rơle dựa trên sự tự dao động được sử dụng trong các sảnphẩm của SattControl và Fisher-Rousemount Trong các bộ điều khiển này, sựđiều chỉnh được bắt đầu đơn giản bằng cách bấm nút Một ưu điểm của việc tạocác thí nghiệm trong vòng kín là đầu ra của quá trình có thể được giữ trongvùng giới hạn hợp lý, mà có thể khó cho các quá trình có thành phần tích phânnếu thí nghiệm được thực hiện trong vòng hở

Chức năng tự động điều chỉnh thường được tích hợp sẵn trong các bộ điềukhiển PID Tự động điều chỉnh cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụngthiết bị ngoài Bộ điều chỉnh sẽ được nối với một quá trình và thực hiện một thínghiệm thông thường với mạch hở Bộ điều chỉnh sau đó sẽ gợi ý các tham sốcài đặt, và chúng sẽ được cài vào bộ điều khiển PID một cách tự động hoặcbằng tay Do yêu cầu bộ điều chỉnh bên ngoài phải có khả năng làm việc vớicác bộ PID của nhiều nhà sản xuất khác nhau, nên một điều quan trọng là nóphải có thông tin chi tiết về cách thực hiện của thuật toán PID trong từngtrường hợp cụ thể

Một phương pháp khác cho việc tự động điều chỉnh là sử dụng một hệchuyên gia để điều chỉnh bộ điều khiển Việc này được thực hiện trong thời

gian hoạt động bình thường của quá trình Hệ chuyên gia sẽ đợi cho sự thay đổicủa điểm đặt hoặc nhiễu lên tải và sau đó ước lượng sự hoạt động của hệ điềukhiển vòng kín Các thuộc tính như: độ suy giảm, chu kì dao động, và hệ sốtăng tĩnh đều được ước lượng Các tham số bộ điều khiển được thay đổi tùythuộc tới quy luật xây dựng bên trong, bắt chước hoạt động của một kĩ sư điềukhiển có kinh nghiệm Nhận dạng mẫu hoặc hệ chuyên gia được dùng trong các

bộ điều khiển của các hãng như: Foxboro và Fenwal

3.2.1 Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID theo Ziegler-Nichols

Ziegler-Nichols đã đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham

số bộ điều khiển PID Phương pháp thứ nhất sử dụng mô hình xấp xỉ quán tínhbậc nhất có trễ của một lớp đối tượng điều khiển

Phương pháp thứ hai có ưu điểm không cần sử dụng tới mô hình toán họccủa đối tượng Tuy nhiên nó có hạn chế chỉ áp dụng với một lớp đối tượng nhấtđịnh

3.2.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

Một cách đơn giản để xác định các tham số của bộ điều khiển PID dựa trên

dữ liệu đáp ứng bậc thang đã được Ziegler-Nichols phát triển và công bố năm

1942 Phương pháp này có nhiện vụ xác định kp, Ti, Td cho bộ điều khiển PIDtrên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt Ss của đối tượng thành dạng (α) tương đối nhỏ (-303.2) để hệ kínnhanh chóng trở về chế độ xác lập với độ quá điều chỉnh không vượt quá giớihạn cho phép

(α) tương đối nhỏ (-30 ) 1

Hình 3.2: Đáp ứng bậc thang và các xác định thông số cho bộ điều khiển

PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols

Các tham số của bộ điều khiển PID được Ziegler-Nichols xây đựng từ hai a

định khi nào quy tắc Ziegler-Nichols có thể áp dụng Nếu hằng số thời gian T

cũng được xác định trước, một quy tắc kinh nghiệm được xác lập khi công thức

Ziegler-Nichols có thể ứng dụng nếu 0.1<L/T<0.6 Với những giá trị L/T lớn,

rất có lợi khi sử dụng các quy tắc điều chỉnh hoặc luật điều chỉnh có bù thời

gian chết Với những giá trị L/T nhỏ, sự cải thiện hoạt động có thể được xác

định với các bộ bù bậc cao hơn Ta cũng có thể dùng nhiều quy tắc điều chỉnhphức hơn dựa trên ba tham số cơ bản

Các tham số k, L,và T có thể được xác định từ việc xây dựng đồ thị giống

như biểu diễn trong hình trên Kết quả có thể tốt hơn khi lấy các giá trị trungbình của nhiều bước nhảy, nếu tín hiệu là nhiễu Cũng có các phương pháp căn

cứ vào vùng các giá trị đo có thể sử dụng Một phương pháp kiểu này đượcminh họa trên hình 3.3 dưới đây

k

  , vùng A1 tính từ dưới đáp ứng bước nhảy tới thời gian T

+ L được xác định trước, T được tính theo công thức : T = eA 1 /k ,trong đó e

được tính theo logarit tự nhiên

Những hạn chế cơ bản của phương pháp này là có thể khó biết được kích cỡcủa bước nhảy trong tín hiệu điều khiển và khó xác định khi nào đạt tới trạngthái ổn định Bước nhảy có thể là lớn khiến cho đáp ứng được nhận thấy rõràng hơn nhiễu, tuy nhiên nó không quá lớn tới mức gây nhiễu cho hệ thống.Các nhiễu sẽ ảnh hưởng một cách đáng chú ý tới kết quả Ngoài ra việc lấy đápứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng đượccho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định (α) tương đối nhỏ (-30trừ khi chỉ chứa mộtkhâu tích phân bậc nhất) Với các quá trình có tính phi tuyến mạnh các số liệuđặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trịđặt Phương pháp kẻ tiếp tuyến đồ thị dựa trên sự đánh giá trực quan nên

thường cho số liệu L và a kém chính xác Điểm đáng chú ý nữa là đặc tính đáp

ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động (α) tương đối nhỏ (-30với hệ số tắt dần 0.25)

Hình 3.3: Phương pháp vùng cho việc xác định L và T

3.2.1.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2

Phương pháp Nichols thứ hai hay còn gọi là phương pháp Nichols vòng kín Phương pháp này cho phép việc xác định các tham số của bộđiều khiển PID dựa trên hệ số khuyếch đại tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ kínđược xác định qua thực nghiệm Hệ số khuyếch đại tới hạn của quá trình là giátrị khuyếch đại mà một bộ điều khiển P đưa hệ kín tới trạng thái dao động xáclập Các thông số của bộ điều khiển được xác đinh theo bảng 3, những tham sốnày dùng cho một hệ kín với ít sự giảm dao động Phương pháp Ziegler-Nichols 2 được thực hiện như sau:

Ziegler Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín hình 2.4a bằng bộ khuyếch đại tỷ lệ

Sau đó tăng hệ số khuyếch đại tới giá trị tới hạn K u để hệ kín ở biên giới ổn

định, đáp ứng đầu ra y(t) có dạng dao động điều hòa Từ đó xác định chu kì dao động T u

- Từ hai thông số K u và T u các thông số bộ điều khiển P, PI hay PID đượcxác định theo các công thức trong bảng 3.3

(α) tương đối nhỏ (-30a)

k u Đối tượng

điều khiển

-