ĐỒ ÁN CẦU TRỤC TRỢ LỰC CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT

Mục LụcChương 1:4Tổng quan về hệ thống cầu trục trợ lực trong cơ cấu nâng hạ41.1Các cơ cấu cầu trục trợ lực được ứng dụng trong thực tế41.2Giới thiệu về mô hình cầu trục trợ lực trong cơ cấu nâng hạ5Chương 2:7Các thiết bị của cơ cấu chấp hành và sơ đồ mô tả quá trình cơ cấu72.1 Các thiết bị cơ cấu chấp hành72.1.1 Động cơ servo cấu tạo và nguyên lý72.1.2 Driver và nguyên lý điều khiển92.1.3 Loadcell102.1.4 Khái quát về PLC102.2 Giới thiệu mô hình mô tả quá trình cho cơ cấu cầu trục trợ lực13Chương 3:14Thiết kế bộ điều khiển143.1 Phương trình động học của cơ cấu143.2 Thiết kế tính toán hàm tính giá trị vận tốc đặt Kf153.3 Mô hình hóa đối tượng điều khiển173.3.1 Nguyên lý thực hiện173.3.2 Trình nhận dạng đối tượng193.3.3 Đồ thị đáp ứng đối tượng203.4 Thiết kế bộ điều khiển PID223.4.1 Các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID223.4.2 Tính toán thông số bộ điều khiển23Chương 4:27Kết quả mô phỏng và nhận xét274.1 Mô phỏng Matlab simulink274.2 Kết quả28

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn : ThS Đào Quý Thịnh

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Huân

Lớp : ĐK&TĐH5 – K57

MSSV : 20121774

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công nghiệp, di chuyển và lắp ráp các sản phẩm nặng đặt ra mộtgánh nặng lớn cho công nhân trong dây chuyền lắp ráp.các công nhân nếuphải làm việc thủ công như vậy thường bị mệt mỏi,đau lưng và liên quankhuyết tật do các thao tác thủ công nâng hạ trực tiếp các vật nặng Do đó,một hệ thống để giảm gánh nặng cho các công nhân trong dây chuyền lắpráp và vận chuyển là rất cần thiết

Không chỉ riêng trong công nghiệp mà trong ngành y tế cũng có yêu cầu cấpthiết về một hệ thống trợ lực để giúp các y bác sỹ có thể chuyển các bệnhnhân qua các giường bệnh khác hoặc để người nhà của những bệnh nhân bịbệnh bại liệt có thể di chuyển họ từ giường bệnh xuống xe lăn hay sang một

Chương 1: Tổng quan về hệ thống cầu trục trợ lực trong cơ cấu nâng hạ

Chương 2: Mô hình hóa đối tượng,và các thiết bị của cơ cấu chấp hành

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển

Chương 4: Kết quả mô phỏng

Được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáoThS.Đào Quý Thịnh sau một thời gian em đã hoàn thành đồ

án này Tuy nhiên do thời gian và năng lực bản thân còn hạnchế nên không tránh khỏi được những thiếu sót Bởi vậy em

rất mong nhận được sự chỉ dạy và những ý kiến đóng gópcủa thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.

Mục Lục

Chương 1:

Tổng quan về hệ thống cầu trục trợ lực

trong cơ cấu nâng hạ

1.1 Các cơ cấu cầu trục trợ lực được ứng dụng trong thực tế

Trong thực tế các hệ thống trợ lực cũng đã được áp dụng khá phổ biến tạimột số nước phát triển làm cho năng suất lao động trong các nhà máy xínghiệp tăng rõ rệt cũng như chất lượng chăm sóc bệnh nhân tại các bệnhviện được cải thiện rất tốt

Ứng dụng trong nâng hạ vật

Ứng dụng trong y hoc và chăm sóc sức khỏe

1.2 Giới thiệu về mô hình cầu trục trợ lực trong cơ cấu nâng hạ

Từ các ứng dụng trong thực tế ta xây dựng lên mô hình thựcnghiệm cho cơ cấu nâng hạ :

Sơ đồ khối của mô hình thực nghiệm :

Mô hình thực nghiệm gồm:

+ Động cơ AC servo 200W được cố định

+ Driver của động cơ servo có nhiệm vụ điều khiển chodộng cơ theo vận tốc Các tín hiệu cho phép servo-on,chạy thuận, chạy nghịch, dừng của servo sẽ do PLC điềukhiển

+ Một vật nặng có khối lượng m(kg) là đối tượng nâng hạđược treo vào trục động cơ bằng dây tời, nối cùng với vật làmột loadcell có khối lượng không đáng kể để đo lực từ bênngoài tác động chuyển thành tín hiệu điện rồi khuếch đại tínhiệu đố đưa vào PLC qua truyền thông RS232

+ PLC có chức năng nhận tín hiệu từ loadcell rồi đưa ra tínhiệu điều khiển đến driver để điều khiển động cơ servo

Driver servo Động cơ servo

Giao diện giám sát PLC Loadcell

Chương 2:

Các thiết bị của cơ cấu chấp hành và sơ đồ

mô tả quá trình cơ cấu 2.1 Các thiết bị cơ cấu chấp hành

2.1.1 Động cơ servo cấu tạo và nguyên lý

Động cơ secvo về nguyên lý ,cấu tạo phần điện –từ thì

giống như các loại động cơ bình thường ( nghĩa là cũng cóphần cảm,phần ứng ,khe hở từ thông, cách đấu dây v.v)nhưng có sự khác biệt về cấu trúc cơ học ,đó là động cơsecvo có hình dáng dài,đường kính trục và rôt nhỏ hơnđộng cơ thường cùng công suất và momen

Điểm nổi bật của một secvo motor là tích hợp sẵn cơ cấufeedback vào bên trong động cơ Động cơ secvo là thiết bịđược điều khiển bằng chu trình kín ,từ tín hiệu hồi tiếp vậntốc/vị trí ,hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển hoạt độngcủa một động cơ secvo Với lí do nêu trên nên sensor đo vị

trí hoặc tốc độ (encoder hoăc máy phát tốc) là các bộ phậncần thiết phải tích hợp cho một động cơ secvo.

Động cơ secvo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điềukhiển vị trí và tốc độ Chính vì thế nó phải được thiết kế saocho các đáp ứng là phù hợp với nu cầu điều khiển … Tuynhiên tùy theo nhu cầu điềukhiển mà nó có một số điểm cảitiến hơn ( dành cho những mục đích đặc biệt ) so với động

cơ thường để phục vụ cho các mục đích điều khiển cụ thể

Về đặc tính, động cơ secvo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếpvòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khiđộng cơ quay ,vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này.Nếu có bất kì lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấuhồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạchđiều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính

Cấu tạo của hệ thống servo

Sự khác biệt của động cơ servo so với những động cơ sửdụng cảm ứng từ nói chung là nó có một máy dò (encoder)đểphát hiện tốc dộ quay và vị trí.

Nguyên tắc hoạt động,động cơ servo được điều khiển từ bộ driver củađộng cơ secvo

Tín hiệu hồi tiếp của động cơ nhờ encoder đưa về driver Driver xử lí tínhiệu hồi tiếp để và đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ

2.1.2 Driver và nguyên lý điều khiển

Driver điều khiển tốc độ và momen theo nguyên tắc nhận tín hiệu

analog dưới dạng điện áp từ bên ngoài, có thể từ ngõ ra của modun analog.Khi động cơ làm việc, encorder trên động cơ sẽ gửi tín hiệu phản hồi vị trívận tốc và momen về bộ điều khiển driver Driver sẽ thực hiện việc so sánhtín hiệu nhận từ PLC và tín hiệu phản hồi từ đó đưa ra hướng xử lí

Tín hiệu điều khiển vận tốc và momen là tín hiệu điện áp analog được đưatrực tiếp đến các chân V-ref và T-ref Tùy thuộc vào giá trị nguồn mà càiđặt thông số độ lợi cho thích hợp

Phụ thuộc vào việc cài đặt thông số trong Mod điều khiển tốc độ vàmomen mà các chân tín hiệu V-ref và T-ref có các ngưỡng điều khiển khácnhau, từng chế độ điều khiển khác nhau

Tính toán trong mode điều khiển vận tốc và momen:

Vận tốc được tính toán từ tín hiệu phản hồi của encorder

Vận tốc =

N: số xung đếm được trong thời gian lấy mẫu (xung/ vòng)

N0: độ phân giải của encorder (xung/ vòng)

T0: thời gian lấy mẫu (s)

2.1.3 Loadcell

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực

khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với

Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnhhay các lực biến thiên chậm.Một số trường hợp loadcellđược thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết

“Load” một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi

Nguyên lý hoạt động, loadcell hoạt động dựa trênnguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tácdụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điệntrở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ

2.1.4 Khái quát về PLC

PLC là tên gọi của thiết bị điều khiển logic lập trình được xuất phát từ

ba chữ cái đầu của tên gọi tiếng anh Progammable Logic Controller.Ngoài ra, PLC còn được định nghĩa là thiết bị điều khiển có cấu trúc máytính Như vậy, PLC có đầy đủ các thành phần của máy tính: CPU, ROM,RAM, BUS, I/O …

Đầu tiên, PLC được xây dựng để thay thế cho hệ thống điều khiển logic

sử dụng các rơ le điện từ, rơ le thời gian, bộ đếm và các mạch điện tử vớicác ic số … được nối dây phức tạp PLC cũng được chuẩn hoá các đầuvào, đầu ra, nguồn cấp … thuận tiện cho việc đấu nối, hoạt động ổn định

và thực hiện các logic điều khiển bằng chương trình bên trong PLC Sauđấy, vì sự thuận lợi trong ứng dụng và sự phát triển mạnh mẽ của côngnghệ điện tử, bán dẫn, PLC đã phát triển và xuất hiện trong hầu hết các vịtrí của hệ thống điều khiển Từ thiết bị cấp trường đến các vị trí điềukhiển, giám sát hệ thống, từ các máy sản xuất đơn lẻ tớ toàn bộ hệ thốngtrong phân xưởng, nhà máy

Vị trí của PLC trong hệ điều khiển

Hệ điều khiển truyền thống

Hệ điều khiển truyền thống gồm các khối

+ Khối đầu vào:

Gồm các nút điều khiển Các công tắc

Các công tắc hành trình đặt tại máy

Các cảm biến đo lường đặt tại dây chuyền sản xuất

+ Khối điều khiển gồm các phần tử:

-Khối đầu vào tương tự hệ điều khiển truyền thống

-Khối đầu ra tương tự hệ điều khiển truyền thống

-Khối điều khiển được thay bằng thiết bị điều khiển PLC kèm theo đó làmột chương trình ứng dụng, được lập trình dưới dạng giản đổ thang

2.2 Giới thiệu mô hình mô tả quá trình cho cơ cấu cầu trục trợ lực

Từ mô hình thực nghiệm với yêu cầu công nghệ của cơcấu trợ lực ta có sơ đồ mô tả quá trình cho cơ cấu:

Sơ đồ mô tả quá trình

Giới thiệu qua về sơ đồ mô tả quá trình:

Ta có các đại lượng Fh là lực do tay người tác động vào

cơ cấu, Fext là lực do loadcell đo được, Vd là vận tốc đặt liên hệvới Fext qua hàm Kf, Ud là điện áp đặt vào động cơ, W là tốc độquay của động cơ, V là vận tốc chuyển của vật và Fqt là lựcquán tính

Mô tả nguyên lý: Khi có lực tay người tác động Fh,loadcell đo được một lực tương ứng là Fext từ lực này qua cơcấu trợ lực mô tả bằng hàm Kf ta có được vận tốc Vd mongmuốn của vật, ta điều chỉnh thông qua bộ điều khiển PID đểđược tốc thực V của vật Yêu cầu giá trị đặt phải bám giá trịthực

Chương 3:

Thiết kế bộ điều khiển

3.1 Phương trình động học của cơ cấu

Để dễ dàng cho thiết kế bộ điều khiển ta mô tả hệ thống đơn

giản như hình vẽ:

Với hệ thống như hình vẽ ta có khối lượng của đối tượng làm(kg), độ dịch chuyển của đối tượng là x(m), lực do môi trườngtác động vào vật (lực tay người) là Fh(N), lực tác động của cơcấu truyền động (động cơ servo) F(N), lực đo được của loadcell(N), một lực căng T(N) của dây tời.

Từ đó ta có phương trình động lực học của hệ thống được môtả:

Theo định luật II Newton ta có :

(3.1)

Chiếu phương trình (3.1) lên phương thẳng đứng ta có:

F + + mg – T = mTrong đó lực đo được từ loadcell dược tính bằng công thức:

(3.2)Với m là lực quán tính của hệ thống và để có phép đo chínhxác lực tác động từ con người thì lực quán tính này cần càngnhỏ càng tốt (m << Fh), nếu không sẽ gây ảnh hưởng đến đápứng của hệ thống

Mô hình hệ đơn bậc tự do

3.2 Thiết kế tính toán hàm tính giá trị vận tốc đặt Kf

Để có một chuyển động trợ lực thì ta phải thiết lập được mối

quan hệ giữa lực đầu vào (lực đo được từ loadcell) và vận tốcđầu ra (vận tốc đặt vào động cơ)

Ta có phương trình vi phân:

= (3.3)Trong đó là sai lệch vị trí giữa giá trị đặt và giá trị thực ban đầucủa vật Các tham số , , là đại diện cho khối lượng mong muốn,

hệ số giảm tốc, và dộ cứng của hệ thống

Trong hệ thống thực nghiệm do sử dụng dây tời nên ta có

Ta đặt với thay vào phương trình (3.3) ta có:

= (3.4)Với trong đó là vận tốc đặt và là vận tốc thực ban đầu củavật Ta chọn thời điểm ban đầu là thời điểm bắt đầu tác dụngtay người vào vật khi đó vậy nên vận tốc ban đầu của vật khi

đó phương trình (3.4) được viết lại là:

= (3.5)

Nhiệm vụ tìm Kf là mô tả hàm truyền để tính toán vận tốc đặtvào động cơ thông qua lực đo được từ loadcell vậy ta có:

Ngày nay, các phương pháp trực tiếp dựa trên đồ thị đáp ứngquá độ thường được sử dụng rộng rãi bởi nó thường mang tínhtrực quan đơn giản Tuy nhiên mức độ chính xác của các môhình nhận được lại ở mức độ khiêm tốn vì :

- Mô hình được sử dụng đơn giản (bậc thấp).

Song với mức độ yêu cầu của một phần không nhỏ các bàitoán điều khiển quá trình thì chúng ta có thể bằng lòng vớiphương pháp này.Ở trong đồ án này ta sẽ nhận dạng hàmtruyền đối tượng dựa trên đồ thị ứng quá độ của đối tượng ứngvới một giá trị đầu vào đặt trước Sau đó dựa vào đặc tính quántính ta có thể xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặcbậc hai có trễ Tuy nhiên mô hình bậc cao thường gây khó khăntrong việc thiết kế các luật điều khiển đơn giản như PID(Proportional Integral Derivative) Do vậy, ta chỉ cần quan tâmtới bài toán xấp xỉ một khâu quán tính bậc nhất:

Mô hình FOPDT có hàm truyền đạt:

(s) 1

k G

Ts

= +

Trong đó: k là hệ số khuếch đại tĩnh của đối tượng

T là hằng số thời gianNhư vậy đối tượng cần nhận dạng có hàm truyền dạng:

Y(s) (s)

U(s) 1

k G

Ts

+

Trong đó: Y(s) là tốc độ quay của động cơ

U(s) là điện áp cấp vào driver điều khiển động cơĐối với một đối tượng có dạng khâu quán tính bậc nhất, vớiđầu vào dạng step, ta sẽ thu được đồ thị đáp ứng quá độ códạng

Đồ thị đáp ứng quá độ của một đối tượng dạng quán tính bậc nhất.

Trên cơ sở đó ta có thể xác định được 3 tham số: k, T, L nhưsau:

khi có sự thay đổi ở đáp ứng đầu ra

ra đến khi đầu ra đạt 0,632 lần giá trị xác lập

5000 của Allen Breadly có dao diện như sau :

Màn hình khởi động giao diện nhận dạng đối tượng.

Giao diện này được gọi là Trend trên RS Logic 5000 có nhiệm

vụ ghi lại xu hướng của đối tượng người dùng theo dõi theo thờigian Ở đây, biến được theo dõi là biến tốc độ được kết nối sẵnvới Driver

Khi có tín hiệu điện áp cấp trong khoảng ±10VDC vào drive,tốc độ động cơ sẽ quay tỉ lệ với giá trị điện áp từ đó ta thu được

đồ thị Trend rồi từ đồ thị Trend ta xác định được hàm truyền củađối tượng

3.3.3 Đồ thị đáp ứng đối tượng

Để xác định hàm truyền động cơ ta lần lượt đưa ba giá trịđiện áp đặt khác nhau, mỗi giá trị điện áp tương đương với một

vận tốc đặt cho trước Bao gồm u1 = 3 VDC, u2=5 VDC, u3= 8VDC Ta thu được đồ thị đáp ứng lần lượt như sau:

Từ đồ thị thu được ta xác định được các tham số của mô hìnhđối tượng là

U(s) 1

k G

Ts

+

Với 3 đáp ứng thu được cộng với thông số nhà sản xuất Tathu được kết quả của hàm truyền động cơ là

(s) (rad/s)

Từ đó ta thu được hàm truyền:

W(s) = Với đầu vào là điện áp đặt (VDC) cấp vào driver điều khiểnđộng cơ bước và đầu ra là tốc độ quay của động cơ (rad/s)

3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID

3.4.1 Các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối

tượng SISO theo nguyên lý phản hồi Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là vìtính đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưasai lệch tĩnh e của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu

Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:

u(t) = Kp [ e(t)+]

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào

u(t) là tín hiệu ra

Kp là hệ số khuếch đại

Ti là hằng số thời gian tích phân

Td là hằng số thời gian vi phân

Ta thu được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:

R(s) = Kp(1++Tds)

Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti, Td Muốn hệthống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi chọn cáctham số phù hợp Hiện nay có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điềukhiển PID nhưng phổ biến nhất là:

3.4.2 Tính toán thông số bộ điều khiển

Ở đây ta có đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất nên ta sửdụng phương pháp tối ưu độ lớn để tính toán thông số bộ điều khiển

Phương pháp tối ưu độ lớn

Phương pháp tối ưu modul là phương pháp lựa chọn tham số bộđiều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào làhàm nấc có dạng hình chữ S Xét một hệ thống điều khiển kín

như trên hình sau Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượngS(s).

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kínMột trong những yêu cầu chất lượng đối với hệ thống điề khiển

SR Gs

SR

= +

Là hệ thống luôn có được đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệchđược đưa ở đầu vào w(t) tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gianquá độ để y(t) bám được vào w(t) càng ngắn càng tốt Nói cáchkhác bộ điều khiển lý tưởng R(s) cần phải mang đến cho hệthống khả năng

|G(jw)| = 1 với mọi wNhưng trong thực tế, vì nhiều lý do mà yêu cầu R(s) thỏa mãnbiểu thức trên khó được đáp ứng, chẳng hạn như hệ thống thựcluôn chưa trong nó bản chất quán tính, tính “cưỡng lại lệnh” tácđộng từ ngoài vào Song “tính xấu” đó của hệ thống lại đượcgiảm bớt một cách tự nhiên ở chế độ làm việc có tần số lớn,nên người ta thường thỏa mãn với bộ điều khiển R(s) khi nómang lại chô hệ thống tính chất |G(jw)| = 1 với mọi w trong mộtdải tần số rộng thuộc lân cận 0

Bộ điều khiển R(s) thỏa mãn:

|G(jw)| 1