Ứng dụng công cụ Simmechanics mô phỏng hệ điều khiển cần trục

Tài liệu tham khảo Ứng dụng công cụ Simmechanics mô phỏng hệ điều khiển cần trục

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội cộng hoà x hội chủ nghĩa việt nam Độc lập Tự do Hạnh phúc Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: Lu Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 20001137 Họ và tên sinh viên: Lơng Văn Hng Số hiệu sinh viên: 20001464 Khoá: 45 Khoa: Cơ khí Ngành: Công nghệ chế tạo máy 1. Đề tài: ứng dụng công cụ Simmechanics mô phỏng hệ điều khiển cần trục 2. Các tài liệu: - Các tài liệu về phần mền matlab, công cụ Simulink, công cụ Simmechanics - Các tài liệu về lý thuyết điều khiển 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: - Giới thiệu chung về Matlab, Simulink & Simmechanics - Giới thiệu chung về cần trục - Giới thiệu về bộ điều khiển PID - Mô phỏng cơ cấu động học của cần trục trên Matlab - Thiết kế & mô phỏng hệ điều khiển cần trục trên Matlab - Kết quả của đồ án 4. Họ và tên cán bộ hớng dẫn: ThS. Đào Bá Phong Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 1 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN 5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 7. Ngày hoàn thành đồ án: Ngày . tháng . năm Chủ nhiệm Bộ môn Cán bộ hớng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp, ngày .tháng .năm Ngời duyệt Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 2 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội. ---------------------------- Bản nhận xét đồ án tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: Lu Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 20001137 Họ và tên sinh viên: Lơng Văn Hng Số hiệu sinh viên: 20001464 Ngành: Công nghệ chế tạo máy Khoá: 45 Cán bộ hớng dần: ThS. Đào Bá Phong Cán bộ duyệt: Nhận xét của giáo viên hớng dẫn: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 3 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN . . . . . . . . . . . . . . . Ngày .tháng .năm . Ngời hớng dẫn Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 4 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội. ---------------------------- Bản nhận xét đồ án tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: Lu Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 2000 Họ và tên sinh viên: Lơng Văn Hng Số hiệu sinh viên: 20001464 Ngành: Công nghệ chế tạo máy Khoá: 45 Cán bộ hớng dần: ThS. Đào Bá Phong Cán bộ duyệt: Nhận xét của giáo viên duyệt: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 5 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN . . . . . . . . . . . . . . . Ngày .tháng .năm . Ngời duyệt Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 6 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Lời nói đầu Công nghệ mô phỏng đang dần chiếm một vị trí quan trọng trong quá trình sản xuất. Bởi vì sau quá trình tính toán thiết kế chúng ta rất mong đợi một cách nào đó xem hệ thống hoạt động có đúng nh mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà chẳng may gặp nỗi thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí lớn cả về vật chất lẫn thời gian. Vì vậy cùng với quá trình tính toán thiết kế kết hợp với công cụ mô phỏng chúng ta có thể mô phỏng luôn hệ thống để khảo sát hệ thống, xem hệ thống hoạt động nh thế nào đã đúng nh mong đợi cha. Qua đó có thể rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử và tin học Công nghệ mô phỏng đang phát triển rất nhanh với hớng ứng dụng tin học. Nhiều nớc tiên tiến trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời những phần mềm mô phỏng mạnh với dao diện đồ hoạ và khả năng hoạt động nh thật. Một trong những phần mềm đó là phần mềm Matlab, một công cụ mạnh cho phép mô phỏng và khảo sát đối tợng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật vật lý vv. Bằng công cụ Simulink và SimMechanics trong phần mềm Matlab, với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Đào Bá Phong chúng tôi, hai sinh viên Lu Văn Hiệu và Lơng Văn Hng đã tiến hành thiết kế mô phỏng một hệ thống điều khiển cần trục, một công cụ thiết yếu dùng trong xây dựng và công nghiệp để di chuyển vật nặng, hàng hoá và vật liệu. Trên cơ sở mô hình toán của cần trục quay, chúng tôi thiết kế hai bộ điều khiển riêng bao gồm bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính và bộ điều khiển quay. Bên trong mỗi bộ điều khiển , có hai bộ điều khiển PID đợc dùng _ bộ điều khiển PID tự hiệu chỉnh cho đúng chuyển động hớng kính và chuyển động quay của cần trục, bộ điều khiển PID làm giảm dần sự dao động của vật nặng đến mức nhỏ nhất có thể. Những kết quả mô phỏng cho thấy rằng hoạt động của bộ điều khiển là tốt. Qua đây hai chúng tôi xin đợc bầy tỏ lòng biết ơn sâu xắc đến thầy giáo Đào Bá Phong ngời đã tận tình hớng dẫn hai chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án. Cũng xin đợc cảm ơn thầy Hoàng Vĩnh Sinh đã cho chúng tôi nhiều ý kiến quý báu giúp chúng tôi hoàn thành đồ án này. Do thời gian có hạn cũng nh sự hạn chế về kiến thức của chúng tôi, hẳn chúng tôi còn những thiếu sót rất mong những góp ý, những lời nhận xét bổ sung của các thầy và các bạn sinh viên. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 5 năm 2005 Hai sinh viên: Lu Văn Hiệu Lơng Văn Hng Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Mục lục Phần1: Phần mền matlab, công cụ simulink và khối simmechanics 10 1.1. Phần mền matlab, công cụ simulink 10 1.2. công cụ simmechanics . 10 1.2.1. Th viện bodies . 10 1.2.1.1. Khối Body 10 1.2.1.2. Khối Ground 17 1.2.2. Th viện Constraints & Drivers 18 1.2.2.1. Khối Angle driver 18 1.2.2.2. Khối Distance driver 20 1.2.2.3. Khối Linear driver . 21 1.2.2.4. Khối Velocity driver 22 1.2.2.5. Khối Point- curve driver 24 1.2.2.6. Khối Parallel constraint . 26 1.2.2.7. Khối Gear constraint 27 1.2.3. Th viện Joints: . 29 1.2.3.1. Khối Primastic . 29 1.2.3.2. Khối Revolute 33 1.2.3.3. Khối Spherical 34 1.2.3.4. Khối Planar 36 1.2.3.5. Khối Univeral . 37 1.2.3.6. Khối Cylindrical 39 1.2.3.7. Khối Gimbal 40 1.2.3.8. Khối Custom joint 41 1.2.3.9. Khối Weld 43 1.2.3.10. Khối Telescoping . 44 1.2.3.11. Khối In-Plane . 45 1.2.3.12. Khối Bushing . 47 1.2.3.13. Khối Bearing 48 1.2.3.14. Khối Sĩx-DoF . 49 1.2.3.15. Khối Screw 50 1.2.4. Th viện Sensor & Actuators 52 1.2.4.1. Khối Body actuator 52 1.2.4.2. Khối Joint actuator . 54 1.2.4.3. Khối Driver Actuator . 58 1.2.4.4. Khối Body sensor .61 1.2.4.5. Khối Joint sensor . 64 1.2.4.6. Khối Constraint & driver sensor 69 1.2.4.7. Khối Joint Initial Condition Actuator 72 1.2.4.8. Khối Joint Stiction Actuator 74 1.2.5. Th viện Utilities 76 1.2.5.1. Khối Connection ports . 76 Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 8 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Phần2: ứNg dụng công cụ simmechanics mô phỏng hệ điều khiển cần trục .78 2.1. Giới thiệu về Cần trục 78 2.2. Đặt vấn đề 79 2.3. Mô phỏng hệ thống cơ động học của cần trục quay với công cụ SimMechanics 80 2.3.1. Các giả thiết khi mô phỏng . 80 2.3.2. Mô phỏng hệ thống cơ động học 81 2.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển . 88 2.4.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 88 2.4.2. Chọn bộ điều khiển PID 89 2.4.2.1. Lý do chọn bộ điều khiển PID . 89 2.4.2.2. Giới thiệu về bộ điều khiển PID 90 2.4.3. Sơ đồ các bộ điều khiển 92 2.4.3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính 92 2.4.3.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển quay . 93 2.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển với công cụ Simulink . 94 2.5.1. Mô phỏng bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính . 95 2.5.2. Mô phỏng bộ điều khiển quay 96 2.6. Ghép nối hệ thống điều khiển với hệ thống cơ động học 97 2.6.1. Khối tính toán thông số ghép nối . 97 2.6.2. Ghép nối hệ điều khiển với hệ thống cơ động học . 99 2.7. Tính toán bộ điều khiển PID 99 2.7.1. Định hớng tính toán các thông số bộ điều khiển PID . 99 2.7.2. Tính toán các thông số PID cho bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính 100 2.7.3. Tính toán các thông số PID cho bộ điều khiển quay 101 2.7.4. Kiểm tra và hiệu chỉnh các thông số PID trong trờng hợp các bộ điều khiển đồng thời hoạt động 102 2.8. Mô phỏng & đánh giá chất lợng mô phỏng . 102 2.8.1. Tiến hành mô phỏng . 102 2.8.1.1. Kết quả mô phỏng khi không có hệ điều khiển . 103 2.8.1.2. Kết quả mô phỏng khi có hệ điều khiển 103 2.9. hớng phát triển . 117 Kết luận 118 Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 9 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Phần1: Phần mền matlab, công cụ simulink và khối simmechanics 1.1. Phần mền matlab, công cụ simulink MATLAB là một bộ chơng trình phần mền lớn đợc viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học kĩ thuật với các phần tử cơ bản là các ma trận. Thuật ngữ Matlab là chữ viết tắt từ hai từ MATrix và LABoratory, thể hiện định hớng chính của chơng trình là các phép tính vector và ma trận. Phần cốt lõi của chơng trình bao gồm các hàm toán học, các chức năng xuất nhập cũng nh các khả năng điều khiển chơng trình. MATLAB cung cấp các toolbox với phạm vi chức năng chuyên dụng khác nhau. Ví dụ nh : một số toolbox liên quan tới điều khiển( control system toolbox, Optimzation toolbox .) ; các toolbox liên quan tới lĩnh vực điện, cơ khí . SIMULINK là một công cụ của MATLAB nhằm mục đích mô hình hoá, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Giao diện đồ hoạ trên màn hình của SIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. SIMULINK cung cấp cho ngời sử dụng một th viện rất phong phú, có sẵn với số lợng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn. 1.2. công cụ simmechanics SIMMECHANICS là một công cụ của Matlab cho phép ngời dùng mô hình hoá đợc các chi tiết cơ khí, từ đó xây dựng đợc mô hình các bộ phận máy, các máy cơ khí. SIMMECHANICS gồm có các th viện và các khối sau: 1.2.1. Th viện bodies 1.2.1.1. Khối Body Mục đích: Biểu diễn một vật thể cứng tuỳ ý Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 10 [...]... có thể sao lại hệ toạ độ trọng tâm với tên khác + Những hệ toạ độ khác có thể đợc hình thành hoặc xoá nh ý muốn + Định hình hệ toạ độ Body cần đến hai nhóm bớc: - Vị trí gốc hệ toạ độ Body trong bảng Position - Định hớng các trục hệ toạ độ Body trong bảng Orientation + Định nghĩa hệ toạ độ Body cần quy vào một số cái khác, hệ toạ độ tồn tại trớc Trong một khối Body, bạn có thể quy vào hệ toạ độ Body... tính của nó (trong hệ toạ độ trọng tâm) và hớng của những trục toạ độ trọng tâm đối với hệ toạ độ khác trong máy Điều kiện ban đầu của một máy có thể đợc thay đổi với khối Joint Initial Condition Actuator trớc khi bắt đầu quá trình mô phỏng Nếu bạn không thay đổi trạng thái ban đầu của một Body trớc khi mô phỏng, SimMechanics đặt vị trí/ hớng ban đầu tới những mục hộp thoại Body của nó SimMechanics cũng... định bởi hệ toạ độ Body của vật Hệ toạ độ Body cần đến ở mức tối thiểu là hệ toạ độ với gốc của nó ở tại trọng tâm Điểm trọng tâm xác định cả vị trí ban đầu của toàn Body và là gốc của hệ toạ độ trọng tâm Bạn cũng phải đặt hớng cho những trục hệ toạ độ trọng tâm Bạn có thể đặt thêm một số hệ toạ độ Body trên Body Bạn phải định nghĩa mỗi hệ toạ độ Body bởi vị trí gốc của nó và hớng những trục toạ... base Body CS, hay Follower Body CS) mà những trục hệ toạ độ của nó và vector trục tịnh tiến là cùng hớng Hệ toạ độ này cũng xác định tuyệt đối nghĩa là lực và chuyển động dọc trục khớp Ngầm định là World Advance Bảng Advanced đợc chọn Bạn sử dụng nó để điều khiển SimMechanics thể hiện topology dới dạng biểu đồ Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 32 Bộ môn GCVL&DCCN Đồ án tốt nghiệp Lựa chọn Mark... tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Mô tả: Khối Body biểu diễn một vật thể cứng mà thuộc tính của nó là tuỳ ý bạn Sự miêu tả, bạn cần ấn định bao gồm: Khối lợng của vật thể và tensor mômen quán tính Toạ độ trọng tâm của vật thể (CG) Một số hệ toạ độ Body tuỳ ý (CSs) Một vật thể cứng đợc xác định trong không gian bởi vị trí trọng tâm và hớng của nó trong một hệ toạ độ nào đó Việc đặt những điều kiện ban... nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Thuộc tính khối lợng đợc định nghĩa bởi khối lợng của Body và tensor quán tính Khối lợng là quán tính của Body ứng với gia tốc dịch chuyển của trọng tâm bằng 1 trong sự phản ứng với một lực tác dụng bằng 1 đơn vị Tensor quán tính thể hiện sự phân bố mật độ khối lợng trong Body và điều khiển gia tốc quay của Body xung quanh trọng tâm bằng sự phản ứng với một mômen tác dụng Những... vào vector trục xác định hớng ban đầu của hai vector trục body ab, af Những vector trục body đó đợc khống chế để luôn đợc giữ song song với hớng trục ban đầu Ngầm định là [1 0 0]: tơng đơng là trục X Reference csys ( hệ quy chiếu) Dùng danh mục kéo xuống, lựa chọn hệ toạ độ ( World, the base Body CS, hoặc the follower Body CS) mà những trục Parallel constraint ban đầu cùng hớng với những trục toạ độ... tensor quán tính điều khiển hớng ban đầu của Body và luôn luôn đợc thể hiện nh trong những trục hệ toạ độ trọng tâm Hớng những trục hệ toạ độ trọng tâm đối với hệ toạ độ khác bên ngoài Body (World CS, một CS trên một Ground, hoặc một CS trên một Body khác) sau đó xác định hớng của Body đối với những Body khác hay đối với World Tensor quán tính của Body định nghĩa trục chính của nó, mômen và ellipsoid... chiếu): Sử dụng danh mục kéo xuống, chọn hệ toạ độ (World, base Body CS, hoặc follower Body CS) mà những trục toạ độ của chúng và những vector trục follower Body và base Body là cùng hớng với nhau Hệ toạ độ này cũng xác định phản lực/mômen mang ý nghĩa tuyệt đối Ngầm định là WORLD 1.2.2.2 Khối Distance driver Mục đích Định rõ khoảng cách giữa hai gốc hệ toạ độ Body nh một hàm theo thời gian Mô tả Khối... nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Bạn cài đặt hệ toạ độ Body trong vùng Body coordinate systems: + Ngầm định việc định cấu hình gồm có ba hệ toạ độ Body: Cần đến hệ toạ độ trọng tâm gắn với trọng tâm của Body và hai hệ toạ độ Body tuỳ ý khác, đợc gọi là CS1 và CS2, để kết nối Joint, Constraint, hoặc Driver + Bạn có thể định cấu hình hệ toạ độ trọng tâm nhng không thể xoá nó Bạn cũng không thể thêm hệ toạ độ