Đang tải... (xem toàn văn)
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 VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦU TRỤC TRỢ LỰC TRONG CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện: Lớp MSSV Nguyễn Ngọc Huân : : ThS Đào Quý Thịnh ĐK&TĐH5 – K57 20121774 LỜI NÓI ĐẦU Trong công nghiệp, di chuyển lắp ráp sản phẩm nặng đặt gánh nặng lớn cho công nhân dây chuyền lắp ráp.các công nhân phải làm việc thủ công thường bị mệt mỏi,đau lưng liên quan khuyết tật thao tác thủ công nâng hạ trực tiếp vật nặng Do đó, hệ thống để giảm gánh nặng cho công nhân dây chuyền lắp ráp vận chuyển cần thiết Không riêng công nghiệp mà ngành y tế có yêu cầu cấp thiết hệ thống trợ lực để giúp y bác sỹ chuyển bệnh nhân qua giường bệnh khác để người nhà bệnh nhân bị bệnh bại liệt di chuyển họ từ giường bệnh xuống xe lăn hay sang vị trí khác cách dễ dàng Chính lý bọn em chọn đề tài đồ án chuyên ngành “Nghiên cứu điều khiển hệ thống cầu trục trợ lực cấu nâng hạ vật”, Đồ án thực hướng dẫn thầy giáo ThS Đào Quý Thịnh Nội dung đồ án gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống cầu trục trợ lực cấu nâng hạ Chương 2: Mô hình hóa đối tượng,và thiết bị cấu chấp hành Chương 3: Thiết kế điều khiển Chương 4: Kết mô Được hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo ThS.Đào Quý Thịnh sau thời gian em hoàn thành đồ án Tuy nhiên thời gian lực thân hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Bởi em mong nhận dạy ý kiến đóng góp thầy cô bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Mục Lục Chương 1: Tổng quan hệ thống cầu trục trợ lực cấu nâng hạ 1.1 Các cấu cầu trục trợ lực ứng dụng thực tế Trong thực tế hệ thống trợ lực áp dụng phổ biến số nước phát triển làm cho suất lao động nhà máy xí nghiệp tăng rõ rệt chất lượng chăm sóc bệnh nhân bệnh viện cải thiện tốt Ứng dụng nâng hạ vật Ứng dụng y hoc chăm sóc sức khỏe 1.2 Giới thiệu mô hình cầu trục trợ lực cấu nâng hạ Từ ứng dụng thực tế ta xây dựng lên mô hình thực nghiệm cho cấu nâng hạ : Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm : Giao diện giám sát Driver servo Động servo PLC Loadcell Mô hình thực nghiệm gồm: + Động AC servo 200W cố định + Driver động servo có nhiệm vụ điều khiển cho dộng theo vận tốc Các tín hiệu cho phép servo-on, chạy thuận, chạy nghịch, dừng servo PLC điều khiển + Một vật nặng có khối lượng m(kg) đối tượng nâng hạ treo vào trục động dây tời, nối với vật loadcell có khối lượng không đáng kể để đo lực từ bên tác động chuyển thành tín hiệu điện khuếch đại tín hiệu đố đưa vào PLC qua truyền thông RS232 + PLC có chức nhận tín hiệu từ loadcell đưa tín hiệu điều khiển đến driver để điều khiển động servo Chương 2: Các thiết bị cấu chấp hành sơ đồ mô tả trình cấu 2.1 Các thiết bị cấu chấp hành 2.1.1 Động servo cấu tạo nguyên lý Động secvo nguyên lý ,cấu tạo phần điện –từ giống loại động bình thường ( nghĩa có phần cảm,phần ứng ,khe hở từ thông, cách đấu dây v.v) có khác biệt cấu trúc học ,đó động secvo có hình dáng dài,đường kính trục rôt nhỏ động thường công suất momen Điểm bật secvo motor tích hợp sẵn cấu feedback vào bên động Động secvo thiết bị điều khiển chu trình kín ,từ tín hiệu hồi tiếp vận tốc/vị trí ,hệ thống điều khiển số điều khiển hoạt động động secvo Với lí nêu nên sensor đo vị trí tốc độ (encoder hoăc máy phát tốc) phận cần thiết phải tích hợp cho động secvo Động secvo động hoạt động dựa theo lệnh điều khiển vị trí tốc độ Chính phải thiết kế cho đáp ứng phù hợp với nu cầu điều khiển … Tuy nhiên tùy theo nhu cầu điềukhiển mà có số điểm cải tiến ( dành cho mục đích đặc biệt ) so với động thường để phục vụ cho mục đích điều khiển cụ thể Về đặc tính, động secvo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay ,vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có lí ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm Cấu tạo hệ thống servo Sự khác biệt động servo so với động sử dụng cảm ứng từ nói chung có máy dò (encoder) đểphát tốc dộ quay vị trí Nguyên tắc hoạt động,động servo điều khiển từ driver động secvo Tín hiệu hồi tiếp động nhờ encoder đưa driver Driver xử lí tín hiệu hồi tiếp để đưa tín hiệu điều khiển cho động 2.1.2 Driver nguyên lý điều khiển Driver điều khiển tốc độ momen theo nguyên tắc nhận tín hiệu analog dạng điện áp từ bên ngoài, từ ngõ modun analog Khi động làm việc, encorder động gửi tín hiệu phản hồi vị trí vận tốc momen điều khiển driver Driver thực việc so sánh tín hiệu nhận từ PLC tín hiệu phản hồi từ đưa hướng xử lí Tín hiệu điều khiển vận tốc momen tín hiệu điện áp analog đưa trực tiếp đến chân V-ref T-ref Tùy thuộc vào giá trị nguồn mà cài đặt thông số độ lợi cho thích hợp Phụ thuộc vào việc cài đặt thông số Mod điều khiển tốc độ momen mà chân tín hiệu V-ref T-ref có ngưỡng điều khiển khác nhau, chế độ điều khiển khác Tính toán mode điều khiển vận tốc momen: Vận tốc tính toán từ tín hiệu phản hồi encorder Vận tốc = N: số xung đếm thời gian lấy mẫu (xung/ vòng) N0: độ phân giải encorder (xung/ vòng) T0: thời gian lấy mẫu (s) 2.1.3 Loadcell Loadcell thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực trọng lượng thành tín hiệu điện Khái niệm“strain gage”: cấu trúc biến dạng đàn hồi chịu tác động lực tạo tín hiệu điện tỷ lệ với biến dạng Loadcell thường sử dụng để cảm ứng lực lớn, tĩnh hay lực biến thiên chậm.Một số trường hợp loadcell thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế Loadcell Loadcell cấu tạo hai thành phần, thành phần thứ "Strain gage" thành phần lại "Load" Strain gage điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo dãn nuôi nguồn điện ổn định, dán chết lên “Load” kim loại chịu tải có tính đàn hồi Nguyên lý hoạt động, loadcell hoạt động dựa nguyên lý cầu điện trở cân Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với thay đổi điện trở cảm ứng cầu điện trở, trả tín hiệu điện áp tỉ lệ Màn hình khởi động giao diện nhận dạng đối tượng Giao diện gọi Trend RS Logic 5000 có nhiệm vụ ghi lại xu hướng đối tượng người dùng theo dõi theo thời gian Ở đây, biến theo dõi biến tốc độ kết nối sẵn với Driver Khi có tín hiệu điện áp cấp khoảng ±10VDC vào drive, tốc độ động quay tỉ lệ với giá trị điện áp từ ta thu đồ thị Trend từ đồ thị Trend ta xác định hàm truyền đối tượng 3.3.3 Đồ thị đáp ứng đối tượng Để xác định hàm truyền động ta đưa ba giá trị điện áp đặt khác nhau, giá trị điện áp tương đương với vận tốc đặt cho trước Bao gồm u = VDC, u2=5 VDC, u3= VDC Ta thu đồ thị đáp ứng sau: Với điện áp đặt u1= VDC Với điện áp đặt u = VDC đồ thị đáp ứng vận tốc thu Đáp ứng động điện áp VDC Từ đồ thị thu ta xác định tham số mô hình đối tượng là: - (vòng/phút) = 10.023 (rad/s) Với điện áp đặt u2= VDC Với điện áp đặt u = VDC đồ thị đáp ứng vận tốc thu Đáp ứng động điện áp VDC Từ đồ thị thu ta xác định tham số mô hình đối tượng - (vòng/phút) = 10.006 (rad/s) Với điện áp đặt u1= VDC Với điện áp đặt u = VDC đồ thị đáp ứng vận tốc thu Đáp ứng động điện áp VDC Từ đồ thị thu ta xác định tham số mô hình đối tượng (vòng/phút) = 10.016 (rad/s) Kết Ta coi hệ truyền động khâu quán tính bậc với hàm - truyền đạt: G (s) = Y(s) k = U(s) + Ts Với đáp ứng thu cộng với thông số nhà sản xuất Ta thu kết hàm truyền động (s) (rad/s) Từ ta thu hàm truyền: W(s) = Với đầu vào điện áp đặt (VDC) cấp vào driver điều khiển động bước đầu tốc độ quay động (rad/s) 3.4 Thiết kế điều khiển PID 3.4.1 Các phương pháp tổng hợp điều chỉnh PID Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý phản hồi Lý PID sử dụng rộng rãi tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: - Nếu sai lệch e lớn thông qua thành phần u p, tín hiệu điều chỉnh - u lớn Nếu sai lệch e chưa thành phần u I, PID tạo tín hiệu điều - chỉnh Nếu thay đổi sai lệch e lớn thông qua thành phần u D, phản ứng thích hợp u nhanh Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID Bộ điều khiển PID mô tả mô hình vào ra: u(t) = Kp [ e(t)+] Trong e(t) tín hiệu đầu vào u(t) tín hiệu Kp hệ số khuếch đại Ti số thời gian tích phân Td số thời gian vi phân Ta thu hàm truyền đạt điều khiển PID là: R(s) = Kp(1++Tds) Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số K p, Ti, Td Muốn hệ thống có chất lượng mong muốn phải phân tích đối tượng chọn tham số phù hợp Hiện có nhiều phương pháp xác định tham số điều khiển PID phổ biến là: - Phương pháp Ziegler-Nichol - Phương pháp tối ưu độ lớn - Phương pháp tối ưu đối xứng - Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3.4.2 Tính toán thông số điều khiển Ở ta có đối tượng điều khiển khâu quán tính bậc nên ta sử dụng phương pháp tối ưu độ lớn để tính toán thông số điều khiển Phương pháp tối ưu độ lớn Phương pháp tối ưu modul phương pháp lựa chọn tham số điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng hình chữ S Xét hệ thống điều khiển kín hình sau Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín Một yêu cầu chất lượng hệ thống điề khiển Gs = kín mô tả hàm truyền đạt: SR + SR Là hệ thống có đáp ứng y(t) giống tín hiệu lệch đưa đầu vào w(t) điểm tần số thời gian độ để y(t) bám vào w(t) ngắn tốt Nói cách khác điều khiển lý tưởng R(s) cần phải mang đến cho hệ thống khả |G(jw)| = với w Nhưng thực tế, nhiều lý mà yêu cầu R(s) thỏa mãn biểu thức khó đáp ứng, chẳng hạn hệ thống thực chưa chất quán tính, tính “cưỡng lại lệnh” tác động từ vào Song “tính xấu” hệ thống lại giảm bớt cách tự nhiên chế độ làm việc có tần số lớn, nên người ta thường thỏa mãn với điều khiển R(s) mang lại chô hệ thống tính chất |G(jw)| = với w dải tần số rộng thuộc lân cận Bộ điều khiển R(s) thỏa mãn: |G(jw)| Trong giải tần số thấp có độ rộng lớn gọi điều khiển tối ưu độ lớn Bộ điều khiển R(s) cần phải chọn cho biểu đồ Bode hàm truyền hệ kín G(s) thỏa mãn: L(w) = 20lg|G(jw) 0| Là lớn Dải tần số lớn chất lượng hệ kín cao Phương pháp tối ưu độ lớn xây dựng chủ yếu phục vụ việc chọn tham số điều khiển PID để điều khiển đối tượng S(s) có hàm truyền đạt dạng S ( s) = - Quán tính bậc nhất: S (s) = - Quán tính bậc hai: S ( s) = - Quán tính bậc ba: k + Ts k (1 + T1s).(1 + T2 s) k (1 + T1s ).(1 + T2 s ).(1 + T3s ) Do đối tượng điều khiển khâu quán tính bậc nên ta quan tâm đến chọn thông số điều khiển với khâu quán tính bậc S (s) = Đối tượng khâu quán tính bậc nhất: k + Ts R( s) = Bộ điều khiển chọn khâu tích phân: kp TI s Như có: - Hàm truyền đạt hệ kín: k G (s ) = TR s (1 + Ts) + k TR = với : TI kp Gh ( s) = R( s).S ( s) = - Hàm truyền đạt hệ hở: | G ( jw) |= Suy ra: ⇔| G ( jw) |= k TR (1 + Ts) k (k − TRTw ) + (wTR ) k2 k + (TR − 2kTRT )w + TR 2T w Và điều kiện để thỏa mãn |G(jw)| dải tần số thấp có độ rộng lớn, tất nhiên người ta chọn cho: TR − 2kTRT = ⇔ TR = TI = 2kT kp Vậy đối tượng điều khiển khâu quán tính bậc R( s) = điều khiển tích phân khiển tối ưu độ lớn kp TI s với tham số TI = 2kT kp điều Chương 4: Kết mô nhận xét 4.1 Mô Matlab & simulink Theo yêu cầu công nghệ ta chọn khối lượng mong muốn cho cấu 1kg, tốc độ nâng hạ 0.014 m/s ứng với lực tay cd = người tác dung 1N Ta thu dược giá trị = 71 0.014 Từ suy hàm Kf có dạng: Kf = s + 71 Với đối tượng điều khiển khâu quán tính bậc có hàm truyền đầu vào điện áp dầu vận tốc S(s) = G(s).R Với G(s) hàm truyền động sevor R bán kính ta đo dược động R=0.007m thay vào ta có hàm truyền đối tượng điều khiển: S ( s) = 10.015π *0.007 0.001s + Từ ta có điều khiển tích phân matlab có dạng R(s) = I s I= với kp TI = 1 = = 2270.24 2kT 2*10.015π *0.007 *0.001 Sau mô hình hóa đối tượng tính toán điều khiển ta tiến hành mô matlab Ta có sơ đồ khối: Sơ đồ khối hệ thống Ta xét với đối tượng cấu nâng hạ có khối lượng 3kg, vận tốc nâng hạ ứng với lực tay người tác động 1N 0.014m/s, bán kính trục động 0.007m ta có trương trình m.file matlab: m=3; R=7*10^-3; Td=0.001; Kd=10.015*pi Md=3; Cd=71; K=0.014; 4.2 Kết Fh -2 -4 -6 -8 10 15 T im e 20 25 Đồ thị thể lực tay người Fh tác động 30 Fext -2 -4 -6 -8 10 15 T im e 20 25 30 Đồ thị thể lực Fext đo từ loadcell Vd 0 0 0 0 -0 -0 -0 -0 -0 10 15 T im e 20 25 Đồ thị thể vận tốc đặt Vd mong muốn 30 a -0 -1 -1 5 10 15 T im e 20 25 Đồ thị thể gia tốc a vật nâng hạ 30 Vd V 0 0 0 0 -0 -0 -0 -0 -0 10 15 Tim e 20 25 Đồ thị thể vận tốc đặt Vd vận tốc thực V 30 [...]... công thức: (3.2) Với m là lực quán tính của hệ thống và để có phép đo chính xác lực tác động từ con người thì lực quán tính này cần càng nhỏ càng tốt (m