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

1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 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 2.2 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 43 2.3.5 Phương pháp tối ưu modul 45 3.3. Bộ điều khiển PID số 48 3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID số 48 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 52 CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THỬ NGHIỆM. 61 2 4.1 Thiết kế bộ điều khiển 61 4.1.1 Bộ vi điều khiển 62 4.1.2 Động cơ RC Servo 64 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 3 LỜI NÓI ĐẦU Hệ quả bóng và thanh đỡ đã được biết đến sử dụng từ nhiều thập niên trước đây. Cho đến nay việc giải quyết bài toán này đã đưa ra nhiều ứng dụng đặc biệt là trong học tập và nghiên cứu. Hệ thống này được sử dụng như bài thí nghiệm ở nhiều trường đại học kỹ thuật trên thế giới vì nó khá gần gũi với các hệ thống điều khiển thực . Mục đích của hệ thống là điều khiển vị trí của quả bóng trên thanh đỡ sao cho nó đạt đúng giá trị mong muốn dưới các ảnh hưởng từ nhiễu 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 vi điều khiển , có được nhiều kiến thức thực tế Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo Nguyễn Đức Anh và các thầy giáo trong bộ môn Cơ điện tử và chế tạo máy đặc biệt đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Nhưng do hạn chế về mặt thời gian và trình độ bản thân, những kết quả đạt được trong đồ án này còn nhiều hạn chế và không 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 4 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 trên thanh đỡ”. Hệ thống này được sử dụng như một bài thí nghiệm ở hầu hết các trường đại học kỹ thuật trên thế giới vì nó khá gần gũi với các hệ thống điều khiển thực nó giống như việc ổn định hệ thống cân bằng máy bay theo phương ngang khi hạ cánh dưới tác động hỗn loạn của các dòng khí. Mục đích của hệ thống là điều khiển vị trí của quả bóng trên thanh đỡ sao cho nó đạt đúng vị trí mong 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 quả bóng 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 điều khiển. tín hiệu điều khiển này được đưa tới động cơ RC Servo sẽ điều khiển chính xác góc quay của động cơ. Từ đó, quả bóng sẽ đạt đến đúng vị trí mong muốn. Một điều tất nhiên là hệ thống ban đầu của chúng ta là hệ hở, phi tuyến và không ổn định. Để giải quyết vấn đề không ổn định, ta cần sử dụng một mạch phản hồi. Ngoài ra, ta có thể xem hệ sẽ tuyến tính nếu thanh đỡ chỉ dao động với một góc anpha (α) tương đối nhỏ (-30 0 ≤ α≤30 0 ). Nếu góc α lớn hơn giá trị trên thì kết quả thu được từ phương pháp xấp xỉ tuyến tính sẽ không còn chính xác. Trong trường hợp đó bắt buộc ta phải dùng đến các phương pháp điều khiển phi tuyến. . 5 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 thế giới nghiên cứu và đã có những thành công. Sau đây sẽ là một số ví dụ điển hình: Vào năm 2005, Arroyo đã xây dựng một hệ thống có tên “Quả bóng cân bằng 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 bộ DSP và xuất tín hiệu điều khiển động cơ một chiều với hộp giảm tốc. Hệ thống này 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 cũng khá đơn giản. Thực tế, mặc dù vị trí của quả bóng được điều khiển bằng bộ 6 điều khiển PD, tuy vậy góc nghiêng của thanh dầm lại không được đo và điều khiển. Do đó, hệ thống hoạt động chưa hoàn toàn ổn định. Năm 2006, Quanser tạo ra mẫu “quả bóng và thanh dầm” mang tính thương mại 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 servo với hộp giảm tốc. Hệ thống được điều khiển bằng bộ PID. So với mẫu “quả bóng 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 góc quay 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 “ cân bằng 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. 7 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 gian trạng thái với bộ điều khiển LQR(Linear Quadratic Regulator) sẽ điều khiển tốt hệ thống MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Vào năm 1999, hệ thống với tên gọi “Ball on Beam System” đã được xây dựng 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 định góc quay của thanh đỡ. Động cơ với hộp số được điều khiển bởi mạch khuếch đại thuật toán. Hệ thống dùng thuật toán điều khiển PD. 8 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 đơn giản.Tuy nhiên, thanh đỡ gắn quá xa so với trục, điều đó gây ra sai số trong việc 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. Mô hình này tương tự với mô hình “Cân bằng quả bóng và thanh đỡ” của (Ambalavanar, Moinuddin & Malyshev 2006). Hệ thống của Rosales làm từ vật liệu acrylic, trong khi đó hệ thống “Cân bằng quả bóng và thanh đỡ” làm từ vật liệu nhôm. 9 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. Hệ thống này giống với hệ thống “ Ball on Beam System” của Hirsch (1999). Mặc dù vậy, vẫn có sự khác nhau giữa 2 mô hình này, mô hình của Lieberman sử dụng cảm biến điện trở dây để đo vị trí quả bóng, còn mô hình của Hirsch sử dụng 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 như vậy, chúng chỉ khác nhau ở loại cảm biến được sử dụng, cách điều khiển (có thể là điều khiển qua góc quay theta của động cơ hoặc điều khiển bằng mômen quay của thanh đỡ khi gắn trục động cơ vào tâm thanh đỡ đó). 1.3 Kết luận chương 1 10 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 quay 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 2.1 Thanh đỡ được gắn tại 2 đầu trong mô hình Quanser thiết kế [...]... động từ khâu 4 lên khâu 2 Khâu 3 không có ảnh hưởng trong hàm truyền hệ thống tuy nhiên để phù hợp 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 25 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... Các bộ điều khiển PID là công cụ chuẩn dùng cho tự động hóa công nghiệp Sự linh hoạt của bộ điều khiển tạo cho nó khả năng sử dụng trong nhiều trường hợp Các bộ điều khiển cũng có thể được sử dụng trong điều khiển tầng và các cấu hình bộ điều khiển khác Nhiều vấn đề điều khiển đơn 32 giản có thể được giải quyết rất tốt bởi điều khiển PID - với những yêu cầu chất lượng không quá cao Thuật toán PID được... 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 19 Hình 2.6 : Các thành phần của hệ thống beam and ball 2.3.2.1 Thiết kế khâu 4 Khâu 4 là khâu. .. 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 20 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 quan trọng nhất trong hệ thống điều khiển quả bóng và thanh đỡ Động cơ ta chọn là động cơ RC servo... của vôn kế và độ rộng của tín hiệu vào Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ Khi điện thế của vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng 23 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 lý PWM Để điều khiển động cơ RC Servo,... PID được đóng gói trong các bộ điều khiển tiêu chuẩn cho điều khiển quá trình và cũng là cơ sở cho nhiều hệ thống điều khiển đơn giản Thuật toán PID được biểu diễn dạng công thức gồm 3 thành phần : t u (t ) = K c ( e(t ) + 1 de e( s )ds + Td ) Ti ∫ dt 0 (3.1) 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:... hệ điều khiển vòng kín Các thuộc tính như: độ suy giảm, chu kì dao động, và hệ số tăng tĩnh đều được ước lượng Các tham số bộ điều khiển được thay đổi tùy thuộc tới quy luật xây dựng bên trong, bắt chước hoạt động của một kĩ sư điều khiển 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. .. vị trí động cơ Yêu cầu khâu 1 phải cứng vững Dựa vào kích thước động cơ, kích thước của khâu 3 và khâu 4 Ta chọn khâu 1 như sau Khâu 1 gồm 2 thanh nhôm gắn 2 bên Có khoan lỗ để gắn trục 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 29 Ngoài ra để đảm bảo vững chắc khâu 1 còn có... Mạch điều khiển 3 Dây dương nguồn(màu đỏ) 4 Dây tín hiệu(màu vàng) 5 Dây âm nguồn (màu nâu) 6 Vôn kế 7 Bánh răng giảm tốc 8 Bộ phận bánh gá kết nối với phần chấp hành 9 Vỏ động cơ 10 Chíp điều khiển Bên trong động cơ có tích hợp mạch điều khiển, bộ truyền bánh răng và một thiết bị hồi tiếp là một sensor đo vị trí (biến trở xoay) được nối tiếp với trục ngoài của động cơ như Sensor này có tác dụng theo. .. chỉnh và dễ gây mất ổn định 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 gian xác lập và giảm độ quá điều chỉnh của hệ thống Tuy nhiên thành phần vi phân cũng 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 bày trong bảng . 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. 45 3.3. Bộ điều khiển PID số 48 3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID số 48 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. toán beam and ball 52 CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THỬ NGHIỆM. 61 2 4. 1 Thiết kế bộ điều khiển 61 4. 1.1 Bộ vi điều khiển 62 4. 1.2 Động cơ RC Servo 64 4.1.3 Khối beam- ball 65 4. 1.4