thiết kế bộ điều khiển vị trí xy lanh khí nén

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH KHÍ NÉN Sinh viên thực Cán hƣớng dẫn Nguyễn Văn Tâm MSSV: 1091289 TS Ngô Quang Hiếu Cần Thơ, tháng - 2013 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN  ………………………………………………………………………………….… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2013 Giảng viên hƣớng dẫn ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN  ………………………………………………………………………………….… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2013 Giảng viên hội đồng iii LỜI CAM ĐOAN Hiện nay, Phòng thí nghiệm Thủy lực khí nén đƣợc trang bị thí nghiệm điều khiển vị trí xy lanh khí nén Nhằm mục đích nhận dạng mô hình thiết kế điều khiển bền vững cho mô hình thực tế, đề tài “Thiết kế điều khiển vị trí xy lanh khí nén” đƣợc thực với mục tiêu thiết kế đƣợc điều khiển vị trí đáp ứng đƣợc yêu cầu việc điều khiển hệ thống Vì em chọn đề tài để làm luận văn tốt nghiệp cho Trong trình thực đề tài, nhiều thiếu sót kiến thức hạn chế nhƣng nội dung trình bày báo cáo hiểu biết thành em đạt đƣợc dƣới hƣớng dẫn thầy Ngô Quang Hiếu Em xin cam đoan rằng: nội dung trình bày báo cáo luận văn tốt nghiệp chép từ công trình có trƣớc Nếu không thật, em xin chịu trách nhiệm trƣớc nhà trƣờng Cần Thơ, ngày 05 tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực Nguyễn Văn Tâm iv LỜI CẢM TẠ Trải qua năm tháng đƣợc học tập rèn luyện trƣờng Đại học Cần Thơ, nhà trƣờng thầy cô không truyền đạt cho em kiến thức chuyên môn ngành mà giáo dục cho em lý tƣởng đạo đức sống Đây hành trang thiếu cho sống nghiệp em Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất quý thầy, cô trƣờng Đại học Cần Thơ nói chung thầy cô công tác khoa Công Nghệ nói riêng tận tình dạy bảo, truyền đạt kiến thức quý báo suốt khoảng thời gian em theo học trƣờng Đặc biệt em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Quang Hiếu, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, gợi ý cho lời khuyên bổ ích việc nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn đến tất bạn bè, ngƣời cảm nhận chia sẻ buồn vui chốn giảng đƣờng đại học suốt thời gian qua Cuối ngƣời viết xin gởi lời tri ân vô vàng đến cha mẹ ngƣời thân gia đình tạo điều kiện tốt để ngƣời viết vững tâm thực ƣớc mơ theo học trƣờng Đại học Cần Thơ suốt năm qua Xin gởi đến cha, mẹ, thầy, cô bạn bè lời chúc sức khỏe, chúc tất ngƣời thành công công tác, học tập hạnh phúc sống v MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG viii KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ix TÓM TẮT xii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU CHƯƠNG NỘI DUNG ĐỀ TÀI 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1.1 Phƣơng pháp giản đồ hệ số 3.1.2 Mô hình hóa hệ khí nén 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 7 10 21 23 23 4.1.1 Mô chƣa có điều khiển 23 4.1.2 Mô với điều khiển 23 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 26 4.2.1 Mô hình thí nghiệm 26 4.2.2 Kết thực nghiệm so sánh với kết mô 29 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 PHỤ LỤC 34 vi DANH MỤC HÌNH Hình 3.1 Sơ đồ khối tiêu chuẩn CDM 10 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống khí nén servo 11 Hình 3.3 Sơ đồ van FESTO 12 Hình 3.4 Tỷ lệ lƣu lƣợng – bar qua van FESTO 12 Hình 3.5 Hộp công cụ nhận dạng hệ thống Matlab 19 Hình 3.6 Tín hiệu ngõ vào ngõ 20 Hình 3.7 Tỷ lệ phần trăm phù hợp với mô hình hàm truyền khác 20 Hình 3.8 Sự ảnh hƣởng tham số việc đáp ứng ngõ vòng kín 22 Hình 4.1 Mô động lực học hệ khí nén chƣa thiết kế điều khiển 23 Hình 4.2 Đồ thị thể ngõ vào ngõ chƣa có điều khiển 23 Hình 4.3 Sắp xếp lại sơ đồ khối hệ thống điều khiển CDM 24 Hình 4.4 Sơ đồ khối đối tƣợng điều khiển Simulink/Matlab 24 Hình 4.5 Đáp ứng hệ thống khí nén với CDM 24 Hình 4.6 Đáp ứng hệ thống khí nén với PID 25 Hình 4.7 Đáp ứng ngõ điều khiển CDM PID 25 Hình 4.8 Mô hình thí nghiệm hệ thống truyền động khí nén 26 Hình 4.9 Sơ đồ khối Simulink để thu thập số liệu ngõ vào - 28 Hình 4.10 Sơ đồ khối Simulink để điều khiển vị trí xy lanh với CDM 28 Hình 4.11 Kết đáp ứng mô hình thí nghiệm với ngõ vào hàm nấc 29 Hình 4.12 Kết đáp ứng mô hình thí nghiệm giá trị ngõ vào thay đổi 29 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Các thành phần có hệ thống truyền động khí nén 27 Bảng 4.2 Các thành phần mạch giao tiếp 27 viii KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Kí hiệu hệ số đa thức đặc trƣng A diện tích mặt cắt piston Ac(s) mẫu số chuẩn hàm truyền điều khiển Ap(s) mẫu số hàm truyền đối tƣợng Av tiết diện thay đổi cửa van Ba(s) tử số chuẩn hàm truyền điều khiển Bc(s) tử số hồi tiếp hàm truyền điều khiển Bp(s) tử số hàm truyền đối tƣợng c hệ số giãn nở nhiệt cv nhiệt dung riêng đẳng tích cp nhiệt dung riêng đẳng áp C ma trận hệ số Cd hệ số xả cửa van d nhiễu đối tƣợng F lực tác dụng theo định luật II Newton h hệ số suy giảm không khí ki tham số thiết kế tử số hàm truyền điều khiển kv độ khuếch đại li tham số thiết kế mẫu số hàm truyền điều khiển L chiều dài hành trình xy lanh m khối lƣợng lƣu chất buồng m i lƣu lƣợng theo khối lƣợng buồng i M khối lƣợng piston khí nén n nhiễu ngõ P(s) đa thức đặc trƣng hệ thống vòng kín ix Patm áp suất khí Pcr áp suất giới hạn Pd áp suất dòng xuống Pi áp suất buồng i Pu áp suất dòng lên P chênh lệch áp suất tuyệt đối qua piston Pi động lực học áp suất buồng i Q hệ số truyền nhiệt qua thành xy lanh R số khí lý tƣởng T nhiệt độ tuyệt đối không khí u tín hiệu điều khiển cấp vào van V thể tích buồng V0i thể tích cố định cuối buồng i Vi lƣu lƣợng theo thể tích buồng i x vị trí piston x vận tốc piston x gia tốc piston xv vị trí ống van xv vận tốc ống van yr giá trị đặt w độ chênh lệch tiết diện cửa cổng điều khiển  hệ số giãn nở nhiệt trình đoạn nhiệt i số ổn định  i* giới hạn ổn định  khối lƣợng riêng không khí  số thời gian tƣơng đƣơng i lƣu lƣợng theo khối lƣợng định mức buồng i x Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.2.1 Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm đƣợc lắp đặt nhƣ hình 4.8, mô hình thử nghiệm trực tuyến cấu truyền động kết nối với chƣơng trình điều khiển máy tính thông qua mạch giao tiếp Hệ thống điều khiển vị trí xy lanh khí nén gồm ba phần chính: cấu trúc phần cứng, mạch giao tiếp chƣơng trình điều khiển Hình 4.8 Mô hình thí nghiệm hệ thống truyền động khí nén 4.2.1.1 Cấu trúc phần cứng Các thành phần hệ thống truyền động khí nén thử nghiệm đƣợc liệt kê Bảng 4.1 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 26 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Bảng 4.1 Các thành phần có hệ thống truyền động khí nén THÀNH PHẦN KÝ HIỆU HÃNG DGPL-25-450-PPV-A-KF-B Xy lanh khí nén Pmax = bar MLO-POT-450-TLF Cảm biến vị trí FESTO Code: 152628 MPYE-5-1/8-LF-010 B Van U = 24 VDC FESTO UW = – 10 VDC FESTO 4.2.1.2 Mạch giao tiếp Để giao tiếp thiết bị hệ thống truyền động khí nén với phần mềm Matlab máy tính, thành phần mạch giao tiếp đƣợc nêu Bảng 4.2 Bảng 4.2 Các thành phần mạch giao tiếp THÀNH PHẦN MÔ TẢ Mạch giao tiếp với máy tính thông Mạch Arduino Mega 2560 qua USB Mạch dùng để giảm tín hiệu điện áp từ Mạch chia điện áp cảm biến vị trí để nạo vào Arduino Mạch lấy tín hiệu từ đầu PWM Mạch nhân đôi điện áp Arduino chuyển sang tín hiệu điều khiển van từ – 10 VDC Mạch nguồn 10 VDC Mạch đƣợc ứng dụng từ mạch nhân đôi Các thành phần cấu trúc phần cứng mạch giao tiếp hệ thống khí nén đƣợc trình bày chi tiết phần phụ lục 4.2.1.3 Chương trình điều khiển Vị trí xy lanh khí nén đƣợc điều khiển trực tiếp với máy tính thông qua chƣơng trình Simulink phần mềm Matlab Chƣơng trình điều khiển bao gồm phần lấy tín hiệu liệu vào – để thực việc nhận dạng mô hình phần giao tiếp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 27 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ điều khiển CDM mô với thiết bị thực nghiệm Hình 4.9 cho thấy chƣơng trình Simulink để lấy số liệu từ việc cấp điện áp từ ngõ chân PWM Arduino với dạng hình sin cho van thu đƣợc vị trí (mm) từ chân ngõ vào tƣơng tự Arduino đƣợc chuyển đổi Hình 4.9 Sơ đồ khối Simulink để thu thập số liệu ngõ vào - Chƣơng trình sử dụng CDM để điều khiển vị trí xy lanh khí nén đƣợc trình bày Hình 4.10 Do hệ khí nén đáp ứng nhanh với tín hiệu đặt nên lọc trƣớc (Prefilter) Gf (s) đƣợc lƣợt bỏ phần mô với mô hình thực nghiệm Hình 4.10 Sơ đồ khối Simulink để điều khiển vị trí xy lanh với CDM Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 28 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ 4.2.2 Kết thực nghiệm so sánh với kết mô Qua kết đáp ứng từ thực nghiệm (Hình 4.11) cho thấy thời gian lên thời gian độ nhanh so với kết mô Hình 4.5 Khi đƣợc phóng to vị trí đáp ứng kết đạt đƣợc trạng thái nhƣ mong muốn vọt lố xảy Hình 4.11 Kết đáp ứng mô hình thí nghiệm với ngõ vào hàm nấc Hình 4.12 trình bày kết đáp ứng hệ thống với CDM đƣợc điều khiển vị trí khác Quan sát đồ thị biểu diễn ta thấy đƣợc có vấn đề sai số xảy nhiều yếu tố tác động nhƣ ma sát, dao động khung mô hình, nhiễu từ mạch giao tiếp với máy tính phần từ việc nhận dạng mô hình chƣa hoàn toàn xác (82.44%) Hình 4.12 Kết đáp ứng mô hình thí nghiệm giá trị ngõ vào thay đổi Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 29 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 CHƢƠNG Đại học Cần Thơ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nhận dạng hệ thống cung cấp phƣơng pháp thuận tiện để điều khiển hệ thống phi tuyến cách sử dụng điều khiển tuyến tính Nó đƣợc áp dụng thành công cho hệ thống truyền động khí nén để thiết lập mô hình tuyến tính liên tục tốt cho hệ thống Mô hình hàm truyền (Transfer Function Model) đƣợc chọn cho mô hình hóa hệ thống thiết kế điều khiển Bộ điều khiển đƣợc thiết kế dùng phƣơng pháp giản đồ hệ số hàm truyền có phần trăm phù hợp cao từ mô hình nhận dạng đƣợc áp dụng cho thử nghiệm trực tuyến Bộ điều khiển CDM có khả để nâng cao tính bền vững hệ thống chống lại ma sát piston, vùng chết van giản nở không khí Tuy nhiên, nhiễu từ thiết bị giao tiếp với máy tính (không phải thiết bị tiêu chuẩn) nên tốc độ đáp ứng lấy mẫu tƣơng đối thấp dẫn đến sai số trình thu thập liệu để nhận dạng điều khiển chƣa hoàn toàn xác nhƣ vị trí mong muốn Vì vậy, đề nghị nghiên cứu cần đƣợc thử nghiệm với thiết bị chuẩn để tìm đƣợc mô hình nhận dạng có phần trăm phù hợp cao tránh sai số nhiễu gây Từ thành công việc nhận dạng mô hình điều khiển bền vững CDM đề tài này, mở hƣớng phát triển cho nghiên cứu điều khiển đối tƣợng phi tuyến phức tạp kết hợp với phƣơng pháp giải thuật điều khiển đại tƣơng lai Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 30 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Andrighetto Pedro Luís, Valdiero Antonio Carlos, Bavaresco Delair (2008) Dead zone compensation in pneumatic servo systems ABCM Symposium Series in Mechatronics, 3: 501-509 [2] Andrighetto Pedro Luís, Valdiero Antonio Carlos, Vincensi César Nowaczyk (2004) Experimental comparisons of the control solutions for pneumatic servo actuators ABCM Symposium Series in Mechatronics, 1: 399-408 [3] Belforte Guido, Mauro Stefano, Mattiazzo Giuliana (2004) A method for increasing the dynamic performance of pneumatic servosystems with digital valves Mechatronics, 14: 1105-1120 [4] Blagojević Vladislav, Stojiljković Miodrag, Veselić Boban (2010) Advantages of digital sliding mode position control of the rodless pneumatic cylinder Automatic Control and Robotics, (1): 95-102 [5] Budiyono Agus, Kartidjo Muljowidodo and Sugama Agus (2009) Coefficient diagram method for the control of an unmanned underwater vehicle Indian Journal of Marine Sciences, 38 (3): 316 – 323 [6] Carneiro J Falcão and Almeida F Gomes de (2012) A neural network based nonlinear model of a servopneumatic system Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 134 (024502): 1-8 [7] FESTO (datasheet) Proportional directional control valves MPYE [8] Gyeviki János, Sárosi József, Endrődy Tamás, Forgács Endre, Tomán Péter (2010) LabVIEW based position control for a pneumatic cylinder Annals of Faculty Engineering Hunedoara – International Journal of Engineering 8(1): 25-32 [9] Hamamci S.E., Koksal M (2001) Robust control of a DC motor by Coefficient Diagram Method 9th Mediterranean Conf on Control and Automation [10] Hamamci S E and Tan N (2006) Design of PI controllers for achieving time and frequency domain specifications simultaneously ISA Transactions, 45(4): 529–543 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 31 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ [11] He Liang (2010) Dynamical Adaptive Backstepping-Sliding Mode Control of Pneumatic Actuator A Thesis Submitted to the Faculty of Graduate Studies In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Science Department of Mechanical & Manufacturing Engineering The University of Manitoba Winnipeg, Manitoba [12] İMAL E (2009) Design of CDM-based controller for integrating pumped tank process, its comparative setpoint tracking performance, and disturbance rejection capability Journal of Electrical & Electronics Engineering, 9(2): 1003-1013 [13] İMAL Erkan (2009) CDM based controller design for nonlinear heat exchanger process Turk J Elec Eng & Comp Sci, 17 (2): 143 – 161 [14] Lai W.K., Rahmat M.F and Wahab N Abdul (2012, September 1) Modeling and controller design of pneumatic actuator system with control valve International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, (3): 624-644 [15] Manabe S (1998) Coefficient diagram method 14th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, pp 211-222 [16] Manabe Shunji, Kim Young-Chol (2000) Recent development of coefficient diagram method Proceedings of the 3rd Asian Control Conference, pp 2055-2060 [17] Manabe Shunji (2002) Brief tutorial and survey of coefficient diagram method The 4th Asian Control Conference, pp 1161-1166 [18] Matoušek Přemysl, Moučka Michal (2010) Identification of pneumatic positional servomechanism Journal of Applied Science in the Thermodynamics and Fluid Mechanics, 4(1): 1-7 [19] Meemongkol A., Tipsuwanporn V and Numsomran A (2009) Optimization parameters of rotary positioner controller using CDM World Academy of Science, Engineering and Technology, 35: 294-298 [20] Michael Brian Thomas, M.S (2003) Advanced servo control of a pneumatic actuator Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 32 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ [21] Parnichkun Manukid, Ngaecharoenkul Charoen (2001) Kinematics control of a pneumatic system by hybrid fuzzy PID Mechatronics, 11: 1001-1023 [22] Rahmat M.F., Salim Sy Najib Sy, Faudzi Ahmad „Athif Mohd, Ismail Zool Hilmi, Samsudin S.I., Sunar N.H., Jusof K (2011) Non-linear modeling and cascade control of an industrial pneumatic actuator system Australian Journal of Basic and Applied Sciences, (8): 465-477 [23] Rahmat M F., Salim Sy Najib Sy, Sunar N H., Faudzi Ahmad „Athif Mohd, Ismail Zool Hilmi and Huda K (2012, April 23) Identification and non-linear control strategy for industrial pneumatic actuator International Journal of the Physical Sciences, 7(17): 2565-2579 [24] Ritter Carla Silvane, Valdiero Antonio Carlos, Andrighetto Pedro Luís, Zago Fernando, Endler Luciano (2010) Nonlinear characteristics systematic study in pneumatic actuators ABCM Symposium Series in Mechatronics, 4: 818-826 [25] Roengruen P., Tipsuwanporn V., Puawade P and Numsomran A (2009) Smith predictor design by CDM for temperature control system World Academy of Science, Engineering and Technology, 35: 344-348 [26] Sobczyk S., Mário Roland, Perondi, Eduardo A (2005) Variable structure cascade control of a pneumatic positioning system ABCM Symposium Series in Mechatronics, 2: 27-34 [27] Surgenor B.W and Vaughan N.D (1997) Continuous sliding mode control of a pneumatic actuator Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 119: 578-581 [28] Wang Jihong, Pu Junsheng, Moore Philip (1999) A practical control strategy for servo-pneumatic actuator systems Control Engineering Practice, 7: 14831488 [29] Yu Shao-Juan, Qi Xiang-Dong, Han Ru-Cheng, Pan Feng (2005) Practical Design of an Iterative Learning-Sliding Mode Controller for Electro-Pneumatic International Journal of Information Technology, 11 (5): 1-9 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 33 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ PHỤ LỤC Xy lanh khí nén Thiết bị truyền động xy lanh không trục tác động kép đƣợc sản xuất từ hãng FESTO Đức, với đặc điểm hình dáng bên đƣợc trình bày hình bên dƣới Xy lanh khí nén DGPL (FESTO) Xy lanh khí nén đƣợc sử dụng đề tài loại xy lanh trƣợt tuyến tính, có chiều dài hành trình 450 mm Đặc điểm kỹ thuật xy lanh khí nén DGPL (FESTO) THÔNG SỐ MÔ TẢ KÝ HIỆU Xy lanh trƣợt tuyến tính DGPL Đƣờng kính piston 25 mm 25 Hành trình 450 mm 450 Điều chỉnh giảm chấn vị trí cuối PPV Nam châm A Định hƣớng Ổ bi dẫn tuần hoàn KF Tốc độ tối đa m/s - Áp suất 2-8 bar - Lực tác dụng lý thuyết bar 295 Nm - Tải di chuyển 0.43 kg - Loại Bộ phận giảm chấn Cảm biến vị trí Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 34 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Cảm biến vị trí Để xác định vị trí xy lanh khí nén đƣợc trình bày phần trên, thiết bị cảm biến đƣợc dùng loại mã hóa độ dịch chuyển tƣơng tự (MOL) Cảm biến vị trí FESTO Thiết bị cảm biến hoạt động dựa nguyên lý đo biến trở, để chiều dài lắp đặt phù hợp với xy lanh khí nén hành trình cảm biến 450 mm Thông số kỹ thuật cảm biến vị trí MLO THÔNG SỐ MÔ TẢ KÝ HIỆU Bộ mã hóa độ dịch chuyển tƣơng tự MLO Nguyên lý đo Biến trở POT Hành trình 450 mm 450 Biên dạng TLF Loại Kiểu – nguồn 10VDC (xanh) Kết nối chân – tín hiệu (trắng) – 0V (nâu) - – PE, hình (vàng) Van Van thiết bị để điều khiển vị trí xy lanh khí nén, việc hiểu cấu tạo đặc điểm kỹ thuật van cần thiết Van khí nén đƣợc sử dụng loại van điều khiển định hƣớng tỷ lệ (MPYE) cổng vị trí Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 35 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Van điều khiển cổng vị trí FESTO Van đƣợc điều khiển tín hiệu điện áp tƣơng tự – 10 VDC, tỷ lệ lƣu lƣợng tiêu chuẩn qua van van mở cửa 100 % 350 l/min đặc tính kỹ thuật khác đƣợc nêu bảng dƣới Đặc tính kỹ thuật van khí nén loại MPYE (FESTO) THÔNG SỐ MÔ TẢ KÝ HIỆU Loại Van điều khiển định hƣớng tỷ lệ MPYE Chức Van điều khiển năm cửa ba vị trí G1/8 lƣu lƣợng thấp 1/8 LF Tín hiệu điện áp tƣơng tự – 10V 010 mm - 350 l/min - Kết nối khí nén Giá trị đặt ngõ vào Kích thƣớc danh nghĩa Tỉ lệ lƣu lƣợng tiêu chuẩn – nguồn điện áp 24V DC (đỏ) Kết nối chân – GND nguồn (xanh) – Uw/lw giá trị đặt (trắng) - – GND (vàng) Mạch Arduino Mega 2560 Arduino đƣợc sử dụng rộng rãi giới, ngày chứng tỏ đƣợc sức mạnh chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo ngƣời dùng cộng đồng nguồn mở (open-source) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 36 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Tổng quan mạch Arduino Mega 2560 Tuy nhiên Việt Nam Arduino chƣa đƣợc biết đến nhiều Trong đề tài Arduino đƣợc dùng để giao tiếp thiết bị phần cứng với phần mềm Matlab, mạch Arduino đƣợc dùng Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 bảng mạch vi điều khiển ATmega2560 Nó có 54 chân ngõ vào/ số (trong có 14 chân đƣợc dùng làm ngõ PWM), 16 chân ngõ vào tƣơng tự, cổng nối tiếp với phần cứng UARTs, thạch anh 16 MHz, kết nối USB, jack cắm điện, phần đầu ICSP nút ấn RESET đƣợc thể vị trí hình sơ đồ tổng quát bên dƣới Nó chứa thứ cần thiết hỗ trợ cho vi điều khiển, cần kết nối với máy tính cáp USB sử dụng với chuyển đổi ADC hay pin để bắt đầu Sơ đồ tổng quát vị trí nguồn chân bảng mạch Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 37 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Các chân đƣợc sử dụng đề tài chân ngõ vào tƣơng tự chân ngõ tƣơng tự (PWM) với điện áp tối đa nạp xuất 5V Nguồn đƣợc cấp cho mạch đƣợc nạp từ cáp USB kết nối trực tiếp với máy tính Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 THÔNG SỐ MÔ TẢ Vi điều khiển Atmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp ngõ vào (đề nghị) – 12V Điện áp ngõ vào (giới hạn) – 20V Chân ngõ vào/ số 54 ( có 14 chân ngõ PWM) Chân ngõ vào tƣơng tự 16 Dòng DC chân I/O 40 mA Dòng DC cho chân 3.3V 50 mA Flash Memory 256 KB SRAM KB EEPROM KB Thạch anh 16 MHz Mạch chia điện áp Mạch chia điện áp mạch tuyến tính tạo điện áp đầu Vout phần điện áp đầu vào Vin Mạch đơn giản để chia đƣợc điện áp bao gồm hai điện trở mắc nối tiếp biến trở đƣợc trình bày hình dƣới (a) (b) Sơ đồ mạch chia đôi điện áp: (a) hai điện trở mắc nối tiếp (b) biến trở Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 38 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Áp dụng định luật Ôm, mối quan hệ điện áp đầu vào, Vin, điện áp đầu ra, Vout là: Vout  R2 Vin R1  R2 Trong đề tài mạch chia điện áp biến trở, việc xoay núm điều chỉnh để thay đổi tỷ lệ R1 R2, điện áp đầu đƣợc điều chỉnh độ lớn cách dễ dàng Mạch nhân đôi điện áp Mạch nhân đôi điện áp đƣợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu PWM từ ngõ Arduino Mega 2560 sang tín hiệu điện áp nhân đôi Hình dƣới trình bày sơ đồ mối quan hệ tín hiệu xung PWM tín hiệu điện áp tƣơng ứng Sơ đồ mối quan hệ tín hiệu PWM từ Arduino tín hiệu điện áp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 39 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu Luận văn tốt nghiệp khoá 35 Đại học Cần Thơ Khi tín hiệu từ – V (sử dụng – 100 % xung PWM từ Atmage2560) đƣợc nạp mạch nhân đôi, chuyển thành từ – 10 V ngõ Để hiệu chỉnh xác ngõ V từ Arduino sang 10 V đầu mạch nhân đôi cần điều chỉnh biến trở tinh chỉnh vị trí thích hợp Sơ đồ mạch mạch nhân đôi điện áp Mạch nguồn 10 VDC Đây mạch đƣợc ứng dụng từ mạch nhân đôi điện áp phần trên, nhƣ hình sơ đồ mối quan hệ tín hiệu xung PWM tín hiệu điện áp xuất tín hiệu 255 PWM từ ngõ Arduino tƣơng ứng với 5V vào mạch nhân đôi tín hiệu 10 VDC để cấp nguồn cho thiết bị cảm biến vị trí Các câu lệnh sử dụng phần mềm Matlab >> ident % mở hộp công cụ nhận dạng hệ thống >> mypid = pidtune(tf12,'pid') >> step(feedback(mypid*tf12,1)) % thiết lập điều khiển PID tự chỉnh % đáp ứng hàm nấc đơn vị cho điều khiển PID hàm truyền tf12 có hồi tiếp ngõ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tâm 40 Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Quang Hiếu [...]... định vị chính xác thu đƣợc là tốt hơn 10m và đƣợc giới hạn bởi cảm biến vị trí Tiếp sau đó, [22] đã mô hình hóa phi tuyến và điều khiển theo cấp của hệ thống truyền động khí nén công nghiệp Bộ điều khiển theo cấp bao gồm sự kết hợp của bộ điều khiển PID và P đƣợc áp dụng cho hệ thống Kết quả mô phỏng thể hiện tính hiệu quả của bộ điều khiển theo cấp đƣợc đề xuất điều khiển cả vị trí và đƣờng đi Kết... Một bƣớc phát triển mới của việc điều khiển vị trí với LabVIEW cho xy lanh khí nén [8] đã chứng minh rằng hệ thống khí nén servo có thể dùng cho điều khiển vị trí chính xác bền vững, không chỉ di chuyển tại hai vị trí dừng đầu và cuối Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển kiểu trƣợt đƣợc đề xuất cho ra đáp ứng nhanh và tính năng quá độ tốt Ngoài ra, hệ thống điều khiển còn rất bền vững với sự biến... so với bộ điều khiển PI Sau đó, một thiết bị dƣới nƣớc không ngƣời lái (UUV) đã đƣợc [5] sử dụng CDM để điều khiển và đã đƣợc chứng minh rằng bộ điều khiển CDM có thể đạt hiệu suất thỏa mãn với quá trình thiết kế tƣơng đối đơn giản Nó sẽ thu hút sự quan tâm cho việc khảo sát trong tƣơng lai về tính thiết thực và tối ƣu của bộ điều khiển trong sự so sánh với thiết kế bộ điều khiển tối ƣu nhƣ bộ điều chỉnh... với dùng PI Từ kết quả của những nghiên cứu trƣớc cho thấy khả năng điều khển vị trí của hệ thống khí nén bằng nhiều bộ điều khiển khác nhau cả phi tuyến lẩn tuyến tính và ứng dụng của CDM trong lĩnh vực điều khiển các đối tƣợng có mô hình hàm truyền liên tục theo thời gian Do đó, đề tài này lần đầu tiên sử dụng phƣơng pháp giản đồ hệ số để thiết kế bộ điều khiển vị trí cho xy lanh khí nén (đối tƣợng... trong thiết kế bộ điều khiển bằng CDM và chứng minh rằng đây là phƣơng pháp tối ƣu để thiết kế ra một bộ điều khiển thật bền vững khi biết đƣợc hàm truyền của hệ thống 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Xác định mô hình toán của đối tƣợng thông qua hộp công cụ nhận dạng hệ thống (System Identification Toolbox) trong Matlab Giao tiếp các thiết bị với máy tính để lấy số liệu và điều khiển vị trí xy lanh khí nén bằng... Cần Thơ 1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu là một xy lanh khí nén với tải trọng không đổi và các thiết bị có liên quan trong phòng thí nghiệm Thủy lực và khí nén nhƣ van điều khiển tỷ lệ, cảm biến vị trí, … Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phƣơng pháp giản đồ hệ số điều khiển vị trí xy lanh khí nén 1.5 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Ngoài chƣơng 1 trình bày những giới thiệu về đề... truyền động khí nén có nhiều lợi thế hơn truyền động cơ điện và thủy lực cho các ứng dụng về định vị Tuy nhiên, truyền động khí nén phải chịu lực ma sát cao, vùng chết và thời gian chết, mà điều khiển vị trí vừa nhanh vừa chính xác thì rất khó để đạt đƣợc Bài nghiên cứu này trình bày quá trình của việc xác định bộ điều khiển, thiết kế, mô hình hóa và điều khiển cho hệ thống truyền động khí nén Cách tiếp... Kết quả chứng tỏ rằng bộ điều khiển theo cấp cho hiệu quả cao trong cả định vị và giám sát so với bộ điều khiển PID cổ điển Theo kết quả mô phỏng, bộ điều khiển đƣợc đề nghị là thích hợp và ứng dụng đƣợc cho thực hiện thời gian thực Thời gian gần đây, [14] đã sử dụng bộ điều khiển tuyến tính để điều khiển hệ thống phi tuyến Nó đã đƣợc áp dụng thành công cho hệ thống truyền động khí nén nhằm xây dựng mô... của hệ thống thiết bị truyền động khí nén và thiết kế bộ điều khiển Thu thập dữ liệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của hệ thống đƣợc thực hiện từ quy trình thử nghiệm Bộ điều khiển CDM đƣợc thiết kế dựa vào mô hình hàm truyền với phần trăm phù hợp cao nhất và nó đƣợc áp dụng vào mô hình thí nghiệm Kết quả thu đƣợc trong thí nghiệm thành công để chứng minh rằng các tín hiệu đầu ra với bộ điều khiển gần nhƣ... của kỹ thuật điều khiển trong nhiều lĩnh vực khác nhau, việc thiết kế điều khiển đơn giản và đáng tin cậy là thực sự cần thiết Điều khiển cổ điển đáp ứng tốt cho bài toán thiết kế điều khiển thông thƣờng nhƣng các đối tƣợng phức tạp hơn thì không thể Điều khiển hiện đại đã đƣợc phát triển để đáp ứng việc đòi hỏi này nhƣng nó đã không đạt đƣợc trạng thái nhƣ mong muốn, vì lý thuyết điều khiển phức tạp, ... lực khí nén đƣợc trang bị thí nghiệm điều khiển vị trí xy lanh khí nén Nhằm mục đích nhận dạng mô hình thiết kế điều khiển bền vững cho mô hình thực tế, đề tài Thiết kế điều khiển vị trí xy lanh. .. tốt Kết mô cho thấy hiệu phƣơng pháp cho hệ thống Một bƣớc phát triển việc điều khiển vị trí với LabVIEW cho xy lanh khí nén [8] chứng minh hệ thống khí nén servo dùng cho điều khiển vị trí xác... Mô hình hóa hệ khí nén 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 7 10 21 23 23 4.1.1 Mô chƣa có điều khiển 23 4.1.2 Mô với điều khiển 23 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM