Bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử tên chủ đề thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tên chủ đề “Thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến” Giảng viên hướng dẫn Th S N[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆP HÀ NỘI KHOA : CƠ KHÍ  BÀI TẬP LỚN : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tên chủ đề: “Thiết kế sản phẩm điện tử lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến” Giảng viên hướng dẫn : Th.S Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên làm : Nguyễn Văn Quân 2019607860 Nguyễn Văn Hưng 2019607837 Nguyễn Mạnh Hùng 2019607950 Lớp : LT – ĐH Cơ điện tử Khóa : 14 Hà Nội _ 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .2 DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống lắc ngược 1.2 Các yêu cầu 1.3 Các nghiên cứu nước công bố 1.4 Phương pháp nghiên cứu .5 Chương PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ .6 2.1 Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 2.2 Nội dung : Thiết kế sơ 2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 10 2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc 13 2.5 Tính tốn thơng số động sử dụng mơ hình lắc ngược xác định theo tiêu chí: cơng suất động cơ, tốc độ kích thước .15 Chương THIẾT KẾ CỤ THỂ 23 3.1 Xây dựng bước thiết kế cụ thể 23 3.2 Tích hợp hệ thống 24 3.3 Phác thảo sản phẩm phần mềm SolidWorks 25 3.3.1 3.4 Hình ảnh lắc ngược 25 Hình ảnh động ổ trục 26 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ hệ lắc Hình 2: Biến thể concept 13 Hình 3: Biến thể concept 14 Hình 4: Biến thể concept 14 Hình 5: Mơ hình tốn học 15 Hình 6:Pully 5M 30 đai 16 Hình 7:Mơ hình cấu sử dụng đai 17 Hình 8: Sơ đồ tổng quan hệ thống 24 Hình 9: Hình ảnh lắc ngược 25 Hình 10: Hình ảnh lắc ngược .25 Hình 11:Hình ảnh lắc ngược .26 Hình 12: Hình ảnh động ổ trục .26 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế Bảng 2: Sơ đồ chức .10 Bảng 3: Nguyên tắc làm việc sản phẩm 11 Bảng 4: Bảng kết hợp quy tắc làm việc 12 Bảng 5: Bảng lựa chọn cấu trúc làm việc .13 Bảng 6: Sơ đồ độ tin cậy 18 Bảng 7: Bảng tiêu chí đánh giá 21 Bảng 8: Tên phận sản phẩm 24 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mơ hình phù hợp để kiểm tra thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình tốn học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý tưởng cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mơ hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống,… Thực đề tài “Thiết kế sản phẩm lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến” cần thiết cho vấn đề giảng dạy nghiên cứu trường Đại học thời điểm Vì mơ hình điển hình cần phải có trường Đại học, Cao đẳng theo hướng chuyên ngành kỹ thuật Việt Nam, ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, điện tử… Việc xây dựng mơ hình giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với giải thuật điều khiển lý thuyết, sở nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống lắc ngược Thời đại ngày với phát triển khoa học kỹ thuật đặc biệt lĩnh vực điều khiển tự động, ngày có them nhiều lý thuyết điều khiển đại ben cạnh lý thuyết kinh điển tồn thời gian qua Từ có nhiều phương pháp điều khiển áp dụng cho đối tượng điều khiển phức tạp nhiên hầu hết lý thuyết điều khiển phức tạp trừu tượng , người học muốn hiểu cụ thể nội dung lý thuyết cần phải có mơ hình thực tế để hiểu điều Một mơ hình phổ biến dùng để khảo sát lý thuyết điều khiển sử dụng hầu hết trường đại học mơ hình lắc ngược ( Inventer Pendulum) Hình 1: Sơ đồ hệ lắc Về tổng quan, hệ lắc ngược bao gồm lắc chuyển động tự gắn tên xe thông qua khớp xoay, xe di chuyển dễ dàng dọc theo mooth ray vị trí xe điều khiển động DC truyền động dây curoa Ngõ hệ thống vị trí xe góc lệch lắc hồi tiếp điều khiển 1.2 Các yêu cầu Nội dung đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống lắc ngược đơn bao gồm thành phần sau: Phần khí: gồm kim loại (thanh lắc) quay quanh trục thẳng đứng Thanh lắc gắn gián tiếp vào xe (xe lắc) thơng qua encoder để đo góc Trên xe có encoder khác để xác định vị trí xe di chuyển Do trình vận hành xe chạy tới lui với tốc độ cao để lấy mẫu nên phần khí cần phải tính tốn thiết kế xác, chắn nhằm tránh gây nhiễu hư hỏng trình vận hành Điện tử: gồm cảm biến đo vị trí xe góc lắc, mạch khuếch đại cơng suất (cầu H) mạch điều khiển trung tâm Cảm biến sử dụng đề tài encoder quay có độ phân giải cao Tín hiệu từ encoder truyền điều khiển thông qua khối eQEP (Enhanced Quadrature Encorder Pulse) card DSP (bộ điều khiển trung tâm) Tùy thuộc vào tín hiệu đọc từ encoder mà DSP lập trình để xuất tín hiệu ngõ điều khiển động DC qua mạch khuếch đại công suất (mạch cầu H) 1.3 Các nghiên cứu ngồi nước cơng bố Đến có nhiều nghiên cứu sử dụng thuật toán khác để điều khiển hệ thống lắc ngược quay điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phi tuyến, điều khiển thông minh, … Trong [1] Zhongmin W đồng nghiệp sử dụng điều khiển PID với phương pháp phi tuyến để điều khiển đưa lắc từ vị trí cân ổn định phía lên vị trí cân khơng ổn định phía (swing-up) với góc lệch khoảng 15 hệ thống lắc ổn định sau thời gian khoảng 8,7s; Trong [2] Sukontanakarn V công ông sử dụng giải thuật PD để xác định vị trí LQR để giữ vị trí cân cho hệ thống lắc ngược quay lắc cân chưa ổn định tuyệt đối thiết kế điều khiển bàn đặt lắc bị rung điều khiển; Trong [3] Khalil Sultan nghiên cứu điều khiển lắc đơn xe phương pháp PID kết hợp với mô Matlab để mô giữ lắc vị trí cân thẳng đứng với thời gian ổn định lắc khoảng 4.5s phịng thí nghiệm; [4] Khanesar M.A Sử dụng phương pháp điều khiển trượt phân cấp để điều khiển ổn định cân lắc ngược việc xác định mặt trượt khó hệ thống cân ổn định thời gian khoảng 25s [5] William V đồng nghiệp điều khiển cân hệ thống lắc ngược sử dụng mạng neural Ở huấn luyện điều khiển để hệ cân ổn định thành công, nhiên kết chưa mong muốn thời gian ổn định chưa cao Tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật có cơng trình nghiên cứu dùng điều khiển PID cho lắc ngược quay tác giả nghiên cứu xét cấp độ mô men bỏ qua động học động Từ kết nghiên cứu dựa lý thuyết điều khiển ,PID Và LQR chọn phương pháp điều khiển PID LQR để ổn định cho hệ lắc ngược quay so sánh thời gian ổn định hệ sử dụng phương pháp điều khiển 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng kiến thức toán học kết hợp với định luật động lực học định lý cân ổn định, tìm phương trình tốn học thể mối quan hệ đại lượng điều khiển hệ lắc ngược quay cân ổn định - Sử dụng Matlab/simulink để kiểm chứng kết thực nghiệm Chương PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2.1 Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế Danh sách yêu cầu cho lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến Thay D đổi W D D D D D D D D D D D D D D D W W xe: k = 0.3 D D D D Ngày phát hành: 20/04/2021 Trang: Yêu cầu Trách nhiệm Hình học: Cần lắc: Hình trụ trịn, rỗng Đường kính: 7mm – 12 mm Chiều dài: 0.2 – 0.6 m Quả nặng: Hình trụ trịn, đặc, gắn cố định đồng tâm đầu cần lắc Đường kính lớn đường kính cần lắc 1.2 – lần Chiều dài 20 – 35 mm Xe lắc: Chiều cao 70 -150 mm Chiều rộng < 200mm Chiều dài: 150 – 250 mm Chiều dài đường trượt 385 mm Động học: Chuyển động xe lắc: chuyển động tịnh tiến Chuyển động lắc: chuyển động quay Vận tốc tối đa xe 0.3 m/s Tốc độ tối thiểu 1200 v/p Môment kéo tải > 2Nm Động có gắn kèm encoder đo phân giải 500 xung/vòng Hệ số ma sát Lực: Khối lượng cần lắc: 0.1 – 0.3 kg Khối lượng nặng: 0.3 – 0.6 kg Khối lượng xe lắc: 1.2 kg Khối lượng toàn khung: kg Số phiên bản: Danh sách yêu cầu cho lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến Thay D đổi W D D D D D W Yêu cầu Ngày phát hành: 20/04/2021 Trang: Trách nhiệm Năng lượng: Điện áp cung cấp cho động 12V Điện áp cung cấp cho cảm biến góc 3.3 -5 V Vật liệu: Cần lắc làm thép Quả nặng làm vật liệu nhẹ chịu va đập tốt Xe lắc làm khung nhơm Cảm biến: Cảm biến đo góc lệch: cảm biến đo góc nghiêng SW520 (3.3-5V) gắn vng góc với trục lắc W Xác định vị trí xe: Cảm biến đo độ dịch chuyển(đường kính thân 18mm, tần số 100Hz) gắn đồng trục với lắc) D D D 5s D D D D D D D D D D Độ xác cao Tính hiệu nhanh nhạy, khơng bị nhiễu môi trường Điều khiển: Thời gian ổn định tọa độ vị trí xe lắc(x), góc lệch tính tốn θ Góc lắc < 20o so với phương thẳng đứng Thời gian tăng x < 0.5s Lỗi trạng thái ônt định 2% x θ Sản xuất: Đơn Bảo trì: năm/ lần Hiển thị: Màn hình điện tử Cơng thái học: Dễ dàng sử dụng Hoạt động thân thiện với mơi trường, rung động Chi phí: Chi phí sản xuất nhỏ 100 triệu Lịch trình: Hồn thành vào 02/05/2021 Số phiên bản: Bảng 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 2.2 Nội dung : Thiết kế sơ Xác định vấn đề từ danh sách yêu cầu * Bước + Bước 2:Loại bỏ sở thích cá nhân bỏ qua yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp đến chức ràng buộc thiết yếu Hình học: Cần lắc: Hình trụ trịn, rỗng Đường kính: 7mm – 12 mm Chiều dài: 0.2 – 0.6 m Quả nặng: Hình trụ tròn, đặc, gắn cố định đồng tâm đầu cần lắc Đường kính lớn đường kính cần lắc 1.2 – lần Chiều dài 20 – 35 mm Xe lắc: Chiều cao 70 -150 mm Chiều rộng < 200mm Chiều dài: 150 – 250 mm Chiều dài đường trượt 385 mm Động học: Chuyển động xe lắc: chuyển động tịnh tiến Chuyển động lắc: chuyển động quay Vận tốc tối đa xe 0.3 m/s Môment kéo tải > 2Nm Động có gắn kèm encoder đo phân giải 500 xung/vịng Lực: Khối lượng cần lắc: 0.1 – 0.3 kg Khối lượng nặng: 0.3 – 0.6 kg Khối lượng xe lắc: 1.2 kg Khối lượng toàn khung: kg Vật liệu: Cần lắc làm thép Quả nặng làm vật liệu nhẹ chịu va đập tốt Xe lắc làm khung nhơm Cảm biến: Độ xác cao Tính hiệu nhanh nhạy, khơng bị nhiễu môi trường Sản xuất: Đơn