Đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình và điều khiển xe triền trong công nghiệp tàu thủy

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 1.2.1. Mục đích 5 1.2.2. Yêu cầu 6 2.1.1. Vận chuyển bằng tời và hệ thống giữ tàu 7 2.1.2. Vận chuyển trên đường trượt nghiêng 8 2.2.1. Định nghĩa 9 2.2.2. Một số sản phẩm thực tế về xe triền hiện nay 13 3.1.1. Mô hình xe triền 19 3.1.2. Thiết lập mô hình toán 21 3.1.3. Mô hình hóa động cơ điện 1 chiều 23 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 24 3.2.2. Chọn bộ điều khiển PID 25 3.3.1. Giới thiệu về phần mềm MATLAB, công cụ SIMULINK 28 3.3.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển của xe triền 29 4.1.1. Giới thiệu cảm biến Accelerometer (Cảm biến gia tốc) 36 4.1.2. Thiết kế hệ thống cảm biến cho mô hình xe triền 44 4.2.1. Các phần tử chấp hành thủy khí 45 4.2.2. Cơ cấu vitme – đai ốc 51 4.2.3. Tính toán chọn động cơ 54 5.1.1. Thiết mạch điều khiển trung tâm 56 5.1.2. Mạch điều khiển động cơ 59 5.2.1. Xây dựng thuật toán 61 5.2.2. Chương trình điều khiển 63 6.1.1. Về nghiên cứu lý thuyết 63 6.1.2. Về mặt thực hành 64 PHỤ LỤC LỜI NÓI ĐẦU gười Việt Nam chúng ta vẫn luôn tự hào về nguồn gốc con rồng cháu tiên, về rừng vàng biển bạc chính vì vậy mà vấn đề biển được nhà nước và xã hội rất quan tâm. Đặc biệt nước ta đang trong thời kì hội nhập với kinh tế thị trường thì việc phải phát triển nền kinh tế là một nhu cầu khách quan chính vì vậy mà nước ta đã đề ra chỉ tiêu đến năm 2020 nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại trong đó kinh tế biển đóng một vai trò rất lớn tới việc phát triển nền kinh tế của Việt Nam. N Nước ta có ba mặt giáp biển, trong chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, phải phấn đấu nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền biển đảo của Việt Nam.Nói đến biển không thể không nói đến nền công nghiệp tàu thủy của nước ta.Việt Nam là một nước có nền công nghiệp đóng tàu lớn mạnh vươn lên hàng thứ 10 thế giới về đóng tàu. Đây là một thành công không nhỏ của đội ngũ kỹ sư tàu thủy Việt Nam tuy nhiên việc phát triển ngành công nghiệp đóng tàu sẽ kéo theo cần phát triển thêm nhiều những ngành sản xuất có liên quan như những thiết bị hỗ trợ việc đóng, sửa chữa và hạ thủy tàu. Đây là một mặt còn yếu của nền đóng tàu Việt Nam chúng ta còn phải nhập khẩu rất nhiều thiết bị từ nước ngoài để hoàn thiện và xuất xưởng một con tàu. Công nghiệp đóng tàu ngày càng phát triển thì trọng tải của những con tàu cũng ngày càng được nâng lên và một tất yếu là việc chuyên chở và hạ thủy con tàu đó cũng cần những kỹ thuật mới mẻ hơn và kinh tế hơn đặc biệt có độ an toàn cao hơn trước.Trước thực tế đó một yêu cầu đặt ra là phải tập trung nghiên cứu và phát triển về kỹ thuật nâng, chở tàu và hạ thủy tàu ở Việt Nam. Là một kỹ sư tương lai mang trong mình niềm tự hào dân tộc mong muốn góp sức lực nhỏ bé của mìnhvào việc xây dựng đất nước do đó em đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng mô hình và điều khiển xe triền trong công nghiệp tàu thủy”. Đây là một kỹ thuật không phải là mới nhưng rất có hiệu quả trong việc chuyên chở, nâng hạ và hạ thủy những con tàu lớn đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng.Ở Việt Nam trong những năm gần đây xe triền cũng được một số công ty tàu thủy sử dụng để phục vụ việc đóng tàu, vận chuyển và hạ thủy tàu nhưng vẫn chưa phổ biến và cần có sự giúp sức của các kỹ sư nước ngoài. Trên cơ sở những gì đã học và qua tìm tòi nghiên cứu thực tế và sách vở em đã thiết kế một mô hình xe triền và cách điều khiển để phục vụ cho công việc nghiên cứu, học tập và cũng có thể phát triển thành sản phẩm thật có ứng dụng cao trong thực tiễn đặc biệt là công nghiệp tàu thủy. Em xin chân thành cảm ơn khoa hàng không vũ trụ, bộ môn cơ điện tử đã quan tâm giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án; xin cám ơn thầy giáo Vũ Minh Đức và các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Do kiến thức còn hạn chế và kinh nghiệm thực tế không nhiều nên đồ án còn nhiều sai sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, các bạn sinh viên để em hoàn thành đồ án tốt hơn. Cấu trúc của đồ án gồm 6 chương: Chương 1: Đặt vấn đề. Chương 2: Tổng quan về xe triền Chương 3: Mô hình hóa xe triền Chương 4: Hệ thống cảm biến và chấp hành Chương 5: Lập trình phần mền điều khiển Chương 6: Vận hành đánh giá kêt quả Hà Nội, ngày 10/09/2012 CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, NỘI DUNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Chương này nhằm giới thiệu sơ lược tính cấp thiết của đồ án, mục tiêu cần đạt được và yêu cầu cũng như ý nghĩa của đồ án nhằm có một cái nhìn tổng thể cho người đọc khi đọc nội dung đồ án này. 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỒ ÁN Với điều kiện nền kinh tế nước ta còn nghèo nàn lạc hậu thì việc tiếp cận với các kỹ thuật tiên tiến hiện đại là vô cùng khó khăn vì thế mà cần đòi hỏi đội ngũ trí thức của ta phải không ngừng nâng cao cả về chất lượng và số lượng để đáp ứng được với yêu cầu của xã hội. Học viện kỹ thuật quân sự là một trung tâm đào tạo cán bộ kỹ thuật của quân đội cũng như xã hội. Nhiệm vụ chủ yếu của học viện là đào tạo bồi dưỡng đội ngũ cán bộ có trình độ kỹ thuật cao cho toàn quân. Đào tạo cán bộ kỹ thuật được coi là nhiệm vụ khó khăn, phức tạp nhất bởi đây đồng nghĩa với việc đặt những viên gạch đầu tiên xây dựng nên nhân cách người sĩ quan kỹ thuật, vững vàng về chính trị, kiên định với mục tiêu lý tưởng của Đảng và Nhà nước.Chính vì vậy mà học viện đã rất quan tâm tới công tác giảng dạy và đặc biệt là những đối tượng học viên năm cuối sắp ra trường để phục vụ cho quân đội và xã hội vì thế mà việc lựa chọn đồ án tốt nghiệp cũng được xem xét rất kỹ càng và đây là những đề tài có tính thực tiễn và ứng dụng cao. Kinh tế càng phát triển trong đó có công nghiệp đóng tàu thì sự ra đời của những chiếc tàu trọng tải lớn là điều hiển nhiên, số lượng tàu sẽ ngày càng gia tăng dẫn đến việc đóng mới và sửa chữa cũng tăng cao. Trong quá trình sử dụng có nhiều nguyên nhân khiến cho tàu bị hư hỏng cần phái được bảo dưỡng và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo độ an toàn cho tàu và cũng cho chính con người ở trên tàu. Xã hội càng phát triển thì vấn đề đảm bảo quyền lợi và an toàn cho con người càng được nâng cao đặc biệt là an toàn lao động. Công nghiệp tàu thủy là một ngành công nghiệp lớn nhưng đây cũng là một môi trường làm việc đặc thù có nguy cơ mất an toàn lao động cao do một số kỹ thuật của ta còn hạn chế. Đồ án: “Xây dựng mô hình và điều khiển xe triền trong công nghiệp tàu thủy”. Là một đồ án có tính thực tiễn khá cao nhằm cải thiện kỹ thuật chuyên chở tàu một cách linh hoạt và an toàn hơn. Đây là một đồ án khá mới mẻ về vấn đề công nghiệp tàu thủy- một vấn đề không phải là thế mạnh của học viện ta. Ở Việt Nam thì kỹ thuật về việc nâng, hạ, chở tàu thủy còn chậm phát triển, những thành tựu đạt được không nhiều tuy rằng về kỹ thuật đóng tàu của chúng ta rất tốt. Việc vận chuyển tàu thủy luôn tồn tại nhiều nguy hiểm liên quan đến tính mạng con người và của cải vật chất chính vì vậy mà thực tế đã chứng minh cho tính cấp thiết của vấn đề này, nó góp phần giảm thiểu những tai nạn có thể xảy ra và đưa công nghiệp tàu thủy của ta lên một bước tiến mới. Xe triền còn khá lạ lẫm với nhiều người, những kiến thức liên quan đến xe triền còn có hạn, chính vì vậy mà đồ án này rất có ý nghĩa.Chúng ta có thể tham khảo và cũng có thể nghiên cứu tiếp để ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. 1.2. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU ĐỒ ÁN 1.2.1. Mục đích - Phải nắm bắt được một cách khá cụ thể về xe triền. - Biết cách điều khiển và hiểu rõ nguyên lý hoạt động của loại xe này. - Chế tạo được mô hình xe triền. - Tính toán cụ thể các số liệu và phù hợp với thực tế. 1.2.2. Yêu cầu Để đạt được mục đích đề ra, đồ án cần tập trung thực hiện tốt các yêu cầu sau: - Mô hình hóa và tính phương trình vi phân chuyển động của xe triền. - Biết sử dụng Matlab Simulink để mô phỏng. - Thiêt kế mạch và lập trình vi điều khiển phải nắm vững. - Biết chế tạo và lắp ráp mô hình trong thực tế. 1.3. NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN Đồ án tốt nghiệp này nhằm chế tạo một mô hình xe triền ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy. Tính toán được các yêu cầu về cơ khí và động lực học ngoài ra cũng phải thiết kế được phần điều khiển điện để mô hình hoạt động được như mong muốn. Mô hình tạo ra phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đồ án và phải được thử nghiệm thành công. Thiết kế hệ thống nâng, hạ và bề mặt chở tàu phải tính toán hợp lý để cho tàu được cân bằng và khi di chuyển tàu không được nghiêng ngả hay rơi khỏi xe. Điều đặc biệt quan tâm ở đây là cơ chế tự cân bằng và cách điều khiển hoạt động của xe. 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đồ án này nghiên cứu trong phạm vi nhà trường, học viện. Tuy phạm vi nghiên cứu có giới hạn song có thể tham khảo thêm thực tế tại các nhà máy, công ty tàu thủy của Việt Nam để phát triển thành các đề tài có thể ứng dụng trong thực tế. 1.5.KẾT LUẬN Trong chương 1 này đã trình bày về cơ sở và phương pháp nghiên cứu để thực hiện các nội dung đồ án sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ XE TRIỀN 2.1. MỘT SỐ KỸ THUẬT VẬN CHUYỂN TÀU ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ Trên thực tế có khá nhiều những kỹ thuật được ứng dụng trên thế giới và ở nước ta để chuyên chở và vận chuyển tàu.Mỗi kỹ thuật lại có những ưu và nhược điểm riêng nó phù hợp cho từng loại tàu và trên các địa hình khác nhau. Ở đây chỉ xin giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản và được ứng dụng khá phổ biến ở nhiều nơi. Hình 2.1: Một số kỹ thuật vận chuyển tàu 2.1.1. Vận chuyển bằng tời và hệ thống giữ tàu Đây là một kỹ thuật khá đơn giản và dễ thực hiện nhưng lại có một số hạn chế khi với những tàu có trọng tải lớn thì hệ thống giữ tàu sẽ thiết kế khó khăn và tời cũng phải được sản xuất với khả năng chịu lực lớn hơn. Nhiều nước đã dựa trên nguyên lý đơn giản này và cải tiến thêm bằng hệ thống bánh xe đã tạo nên những sản phẩm chuyên sử dụng để chở tàu, nâng hạ tàu một cách dễ dàng hơn. Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho kỹ thuật này: Hình 2.2: Vận chuyển tàu bằng tời và hệ thống giữ tàu 2.1.2. Vận chuyển trên đường trượt nghiêng + Đà tàu ( đà ngang, đà dọc) + Triền tàu( triền ngang, triền dọc) Sau khi đóng xong, tàu tự trượt xuống nước theo mái nghiêng, nhờ trọng lượng bản thân của tàu. Nhược điểm của vận chuyển trên đường trượt nghiêng: - Cần thiết tốn tiền cho việc gia cường triền vì lực nén bề mặt lớn ở gần cuối triền và tốn nhiều công khi xây dựng bảo quản phần triền dưới nước. - Xuất hiện ứng xuất lớn trong mối ghép thân tàu. - Cần có lòng sông rộng từ bờ này sang bờ bên kia, ít nhất 2 ÷ 2,5 lần chiều dài khi tàu xuống nước. - Khi vận chuyển gặp nhiều khó khăn và nguy cơ biến dạng vỏ tàu nhiều. Hình 2.3: Đường triền 2.2. SƠ LƯỢC VỀ XE TRIỀN 2.2.1. Định nghĩa 2.2.1.1. Định nghĩa triền tàu: Triền tàu cũng là loại công trình nâng hạ tàu dạng mái nghiêng và là một trong những loại công trình thuỷ công xuất hiện sớm nhất. Từ rất lâu, triền tàu chỉ là những mặt đất nghiêng, trên đó có kê những dầm gỗ để cho tàu trượt trên nó. Khi kéo lên cạn hoặc hạ xuống nước, và đồng thời để tiến hành sửa chữa hay đóng mới trên nó. Người ta cũng dùng loại công trình này để chuyển tàu qua các đập trong những kênh đào.Ví dụ như năm 1702, Pie đệ nhất đã sử dụng chúng để chuyển hạm đội tàu nhỏ từ Bạch Hải đến hồ Ozenck. Dần dần với việc tăng kích thước và trọng tải của tàu, loại công trình mái nghiêng này được cải tiến về vật liệu xây dựng, về thiết bị và về kĩ thuật thao tác nâng hạ tàu vv và đến thế kỉ thứ 19 nó mới trở thành những công trình chuyên dụng.Triền trở thành công trình sử dụng kết hợp nâng, hạ tàu nên được trang bị cho các nhà máy sửa chữa. Đầu tiên, để chuyển -tàu trên mái nghiêng, người ta dùng các con lăn bằng gỗ, sau này với đà, người ta dùng xe trượt và với triền người ta dùng xe chở tàu bằng kim loại chạy trên đường ray. Lần đầu tiên xe được dùng vào triền để chở tàu do Tô-mát Mooc-tôn chế tạo và sau gọi là triền Mooc-tôn. Khoảng giữa và cuối thế kỉ 19, triền Mooc-tôn được sử dụng rộng rãi ở khắp các nước châu Âu. Một trong những triền kiểu này được xây dựng ở Xê-vát-stô-pôn (Nga) vào năm 1859-1861 thay thế cho ụ khô đã bị phá hoại năm 1855 có lực nâng lớn nhất là 3000 tấn. Sau này do trọng lượng tàu tăng lên mạnh kiểu triền này không được phát triển nữa vì khi nâng, hạ tàu đuôi tàu nổi lên phía trước, trong khi đó phía mũi tàu vẫn tì trên đường trượt làm cho các bánh xe chịu lực không đều nhau. Những bánh xe phía lái không chịu lực (khi hạ tàu cho phía lái xuống nước trước), còn bánh xe ngoài cùng phía mũi chịu lực rất lớn gọi là áp lực đầu tàu (trị số này đạt khoảng 20 - 25 % trọng lượng hạ thuỷ của tàu). Mặt khác, quá trình nâng hạ và sửa chữa, tàu luôn ở trạng thái nằm nghiêng. Do đó, đến đầu thế kỉ 20 triền Mooc-tôn chỉ được tiếp tục xây dựng ở Anh và các nước thuộc địa của Anh. Một kiểu triền mới được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và nam Mỹ, sau đó phổ biến dần sang các nước khác đó là “ụ đường ray”. Kiểu này tiến bộ hơn triền Mooc-tôn ở chỗ đã biết hạn chế độ nghiêng của mặt xe bằng cách chế tạo loại xe [...]... nghiêng của sàn và điều chỉnh độ cao hiện thời của từng cụm bánh xe Hình 2.13: Mô hình cơ khí của xe triền Hình 2.14: Kết cấu cụm bánh xe chở tàu 2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP Trong nền công nghiệptàu thủy hiện nay xe triền được điều khiển dưới 2 dạng sau: • Triền dọc: Là triền có trục dọc thẳng góc với tuyến bờ Nói một cách khác, triền dọc là triền mà khi hạ thuỷ, tàu chuyển động... bộ điều khiển Đồ thị đáp ứng hệ kín khi không có bộ điều khiển của xe triền như hình 3.15 Hình 3.15: Đồ thị đáp ứng hệ kín khi không có bộ điều khiển Lấy khối PID trong thư viện MATLAB và lấy phản hồi ϕ ta mô phỏng được đáp ứng hệ kín của xe triền (hình 3.16) Hình 3.16: Mô hình hệ điều khiển xe triền Tính toán bộ điều khiển PID: Bởi vì đối tượng điều khiển có mô hình phức tạp cao và không thuộc vàomột... Vận chuyển tàu qua một số địa hình không bằng phẳng 2.6 KẾT LUẬN Ở chương này đã giới thiệu được tổng quan về xe triền và các sản phẩm thực tế ở trong nước và trên thế giới Qua đó chúng ta có thể hiểu được về các kết cấu, ứng dụng và sự cần thiết của xe triền trong công nghiệp tàu thủy CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA XE TRIỀN 3.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA XE TRIỀN 3.1.1 Mô hình xe triền Mô hình xe triền gồm:... giảm dần về 0 độ Ta so bộ điều khiển của chúng ta với chức năng điều khiển như vậy với các bộ điều khiển mà ngày nay chúng ta có như: • Bộ điều khiển tuyến tính và phi tuyến có bộ điều khiển Mờ, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển Mờ lai PID, bộ điều khiển trượt, … vv • Bộ điều khiển số • Bộ điều khiển logic Ta thấy rằng phù hợp hơn cả là bộ điều khiển PID bởi vì đó là bộ điều khiểncó nhiệm vụ đưa sai... kế như hình vẽ dưới đây: Hình 3.1: Xe triền thiết kế bằng Inventor Từ mô hình thực tế trên ta xây dựng được mô hình xe triền như hình vẽ dưới đây: x1 F1 F2 w1 x2 w2 Hình 3.2: Mô hình xe triền m là khối lượng tải trọng, chiều dài của sàn xe là l (có thể bỏ qua chiều rộng của sàn do đây là mô hình xe triền có 2 toa) F 1, F2 là lực của cơ cấu chấp hành tác dụng lên sàn xe w1, w2 biểu diễn độ mấp mô của... triền ngang khó định vị tàu hơn triền dọc Do đó, ở các nhà máy đóng tàu sông dùng triền ngang thích hợp hơn 2.5 ỨNG DỤNG CỦA XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦY Đây là một thiết bị không thể thiếu trong công nghiệp tàu thủy, nó được sử dụng ở nhiều giai đoạn từ việc đóng mới, hạ thủy và sửa chữa tàu đều cần đến Một số ứng dụng chính như sau: - Dùng để chở tàu, vận chuyển tàu để hạ thủy - Nâng, hạ tàu. .. trượt và biện pháp thi công chúng - Cải tiến thiết bị vận chuyển (xe chở tàu) và tiến tới định hình hoá việc chếtạo chúng - Nâng cao tỉ lệ cơ giới hoá và tự động hoá trong khâu thao tác và vận chuyển tàu để giảm bớt các công tác thi công và đơn giản sơ đồ thao tác Ở Việt Nam ta, trong những năm hoà bình đã xây dựng được một số triền như triền Cửa Hội, triền Ninh Bình, triền ở nhà máy đóng tàu đóng tàu. .. mở rộng là 9, trong đó xe cũ là 5 (4 xe kiểu 1 + 1 xe ghép gồm kiểu 2 và kiểu 3 gộp lại), số xe mới kiểu 1 là 3 và cải tạo xe ghép kiểu 2, kiểu 3 thành xe 02 xe kiểu 1 2.2.2.2 Xe triền trên thế giới Trong các nước phát triển các hệ thống xe triền được gắn thêm các hệ thống điều khiển tự động để có thể dễ dàng nâng hạ hoặc tự cân bằng khi chở tàu như hình 2.11 Hình 2.11: Các bánh xe triền có gắn thêm... tuổi thọ cao và dễ kéo Chúng được bịt kín và có thể ngâm trong nước biển Hình 2.9: Hệ thống ray Hình 2.10: Bánh xe Syncrolift Tàu được di chuyển dọc trên hệ dịch chuyển dọc gồm những thanh và có thể lắp theo những chiều dài khác nhau phù hợp với yêu cầu của tàu Tàu được cập trên xe chở tàu đỡ bởi khối đỡ đáy và hông thân tàu đặt trên xe chở tàu Xe chở tàu được thiết kế theo từng mô đun và được lắp... Tuy quy mô còn nhỏ bé song những người thiết kế cũng đã áp dụng các sơ đồ của các triền hiện đại ở nước ngoài một cách sáng tạo vào điều kiện thực tế ở Việt Nam 2.2.1.2 Định nghĩa xe triền Xe triền là một dạng xe chở tàu thông minh (smart ship-trolleys) có tác dụng chở tàu và kèm theo một số chức năng khi kết hợp với các thiết bị khác như nâng, hạ tàu dùng trong việc đóng mới và sửa chữa tàu Xe triền . 2.13: Mô hình cơ khí của xe triền. Hình 2.14: Kết cấu cụm bánh xe chở tàu. 2.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP Trong nền công nghiệptàu thủy hiện nay xe triền được điều khiển. lắp ráp mô hình trong thực tế. 1.3. NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN Đồ án tốt nghiệp này nhằm chế tạo một mô hình xe triền ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy. Tính toán được các yêu cầu về cơ khí và động. thủy. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA XE TRIỀN 3.1. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA XE TRIỀN 3.1.1. Mô hình xe triền. Mô hình xe triền gồm: Một sàn cứng và sàn cứng này phải được tựa trên hai cụm bánh xe (2 toa),