LUẬN văn tự ĐỘNG hóa mô HÌNH XE HAI BÁNH tự cân BẰNG

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứuTRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CƠNG NGH Ệ BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC MÔ HÌNH XE MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂ

Trang 1

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CƠNG NGH Ệ

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MÔ HÌNH XE

MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

TS Nguyễn Chí Ngơn Lê Trung Sơn 1041413

Trần Quốc Trung 1041428 Lớp: Cơ Điện Tử K30

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Trần Quốc Trung 1041428

Cán bộ phản biện

Luận văn được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn

Tự Động Hóa - Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Cần Thơ vào ngày

06 tháng 12 năm 2008

Mã số đề tài:………

Trang 3

LỜI CẢM TẠ LỜI CẢM TẠ

Trong suốt khóa học (2004-2008) tại Trường Đại Học Cần Thơ, với sự giúp đỡ của qúi thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện luận văn, nên luận văn đã được hoàn thành đúng thời gian qui định Em xin chân thành cảm tạ đến:

Bộ môn Tự Động Hóa cùng tất cả qúi thầy cô trong khoa Công Nghệ đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học

Đặc biệt, TS Nguyễn Chí Ngôøn TS Nguyễn Chí Ngôøn TS Nguyễn Chí Ngôøn – giáo viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp đỡ và cho em những lời chỉ dạy quí báu, giúp em định hướng tốt trong khi thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn anh Vọng Công ty DTR đã giúp em con cảm biến, bạn bè và những người thân đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Lê Trung Sơn Trần Quốc Trung

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN O VIÊN HƯỚNG DẪN O VIÊN HƯỚNG DẪN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Chí NgôTS Nguyễn Chí NgôTS Nguyễn Chí Ngôønnnn

Trang 5

NHẬN XÉT CỦA GIÁ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHA O VIÊN PHA O VIÊN PHẢN BIỆN ÛN BIỆN ÛN BIỆN

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Trang 6

Việc sử dụng Simulink để mô phỏng, phục vụ cho việc thiết kế điện tử hoặc hệ điện cơ không là mới mẻ đối với kỹ sư các nước trên thế giới Tuy vậy, điều này vẫn còn ít thấy ở kỹ sư Việt Nam, đặc biệt là ở Đồng bằng sông Cửu Long

Một nội dung khác, cũng đóng vai trò trọng yếu khi thiết kế hệ cơ điện tử;

đó là việc tạo mẫu cho hệ trước khi điều khiển Tài liệu bàn luận về công việc này, cả ở mức tham khảo hoặc chuyên sâu, đều rất hiếm thấy Mặc dù, công việc này đang trở nên nở rộ như một trào lưu tại các nước tiên tiến về công nghệ

Cơ điện tử là một ngành mới trên thế giới và ở nước ta chỉ mới xuất hiện hơn chục năm nay Điều này càng thấy rõ khi quá trình điện – cơ khí hóa nước ta vẫn còn đang xây dựng, mà chuyên ngành này lại bàn về vấn đề điều khiển để tối

ưu hóa hệ cơ điện Tuy vậy, công nghiệp, kỹ thuật muốn phát triển thì phải cần

và ngày một cần nhiều hơn nữa nguồn nhân lực của ngành Điều này sẽ thể hiện

rõ hơn trong một tương lai gần

Về phía cá nhân, là kỹ sư ngành cơ điện tử, tôi lại có ý muốn làm việc nhiều với các phương trình động lực của cơ hệ, với các định luật của cơ học cổ điển, với kiến thức điều khiển đã học được Và một hy vọng được vận dụng, kiểm nghiệm kiến thức của mình với một sản phẩm thực Vì thế, tôi đã chọn đề

về các yếu tố trên

Quá trình làm luận văn và viết bài báo cáo này, mặc dù đã cố gắng nhiều, nhưng sẽ không tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong bạn đọc thông cảm và tôi hoan nghênh những đóng góp về bài viết

Cần Thơ, ngày 01 tháng 12 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Lê Trung Sơn Trần Quốc Trung

Trang 7

và kinh nghiệm thực tiễn cho tác giả

Về nội dung chính, đề tài đã áp dụng phương pháp trên khảo sát 3 hệ cơ:

Chương 1: Hệ động cơ và khối tải – điều khiển vận tốc động cơ Chương 2: Hệ xe hai bánh tự cân bằng

Phụ lục B: Hệ cân bằng thanh tại chỗ

Hệ ở chương 1 đã được khảo sát hoàn chỉnh và đạt kết quả thực nghiệm mong muốn Hệ ở chương 2, có thể được sử dụng như một kiểu mẫu tham khảo, định tính; Để đạt được mức chính xác và đưa vào ứng dụng thì còn cần thêm nhiều cải thiện nữa Tuy nhiên, trong chương có đề cập phương pháp tạo mẫu một cơ hệ nhiều thành phần Hệ cân bằng tại chỗ đơn giản hơn, kiểu mẫu rõ ràng, có khả năng đưa vào sử dụng

Quá trình thực hiện đề tài đã giúp tôi giải quyết triệt để những câu hỏi còn lại của nội dung tôi tìm hiểu về phương pháp tạo mẫu, sơ đồ khối mô phỏng dùng Simulink và PID số Đề tài còn gợi mở nhiều xu hướng mới: về phương pháp điều khiển giảm nhẹ đi khâu tạo mẫu, cần tìm hiểu thêm về phương pháp tính số của MATLAB để sử dụng tốt công cụ này và tránh những lỗi thường gặp như lỗi vòng lặp đại số (‘algebraic loop’)

Trang 8

ABSTRACT

This thesis discusses the probem of PID control method applied to a mechanical system via modeling procedure The procedure includes 3 phases: building up the differential equations by physical theorems, simulate the system’s block diagram in Simulink, finally compare this simulation to the experimental data The thesis’s final goal is to show this procedure in a product which is a 2- wheel self-balance scooter prototype

Approaching the goal, the thesis experiences intermediate sub-projects which are gradually increased in difficult level; in order to supplement the author’s overall knowledge and experiences

About the main contents, the previous procedure has been applied to the observation of 3 mechanical systems:

Chapter 1 : velocity control of DC motor with load

Chapter 2 : 2-wheel self-balance scooter system

Appendix B: bar-balancing system

The system in chapter 1 has been successfully observed with the desired experimental results The chapter 2’s system, can be used as reference, qualitatively It needs several improvements to satisfy practical work’s precision The last system is more simple, clear model, and can be useful in practice

Throughout this project, I have thoroughly answered the left questions about my own search for the modeling method, simulating the block diagrams in Simulink and digial PID with microcontrollers

This thesis also reveal to me some new directions: about a new control method with less weight in modeling phase, the necessity to know more about MATLAB’s numerical computing method in order to effectively use this great tool, also to avoid common errors like algebraic loop

TỪ KHÓA (KEYWORDS)

Sơ đồ khối (block diagram) Tạo mẫu (modeling)

Mô phỏng (simulation) Phương trình vi phân (differential equations) Định luật vật lý (physical theorems)

PID số (digitized PID)

Trang 9

CHƯƠNG 1

HỆ ĐỘNG CƠ VÀ KHỐI TẢI –

Đ IỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ

Nằm trong khái niệm chung của công việc tạo mẫu, một công việc giúp người thiết kế hiểu rõ về những đáp ứng và bản chất của hệ khảo sát, thể hiện bằng hàm số theo thời gian của ngõ vào và ngõ ra

Trong chương này, ta sẽ đo đạc, khảo sát hệ động cơ một chiều, nam châm vĩnh cửu (loại trên hình vẽ); tạo mẫu, mô phỏng kiểu mẫu có được trên Matlab và thực hiện thí nghiệm để kiểm tra

Trang 10

I Tạo mẫu:

b

v V

Phương pháp trình bày ở đây được áp dụng cho động cơ DC, nam châm

thực hiện như sau:

Dựa vào hai công thức (từ tài liệu [2]) :

a b L a

a b L

cV K T i

Ta cần đo dòng ngưng (I a stall_ )của động cơ khi nó được đặt dưới điện áp Va,

và chịu một momen đủ lớn để động cơ ngừng quay Momen này gọi là momen

dừng (T L stall_ ) và cũng là thông số cần đo

Việc đo momen có một chút rắc rối vì không có lực kế chính xác sẵn (độ cứng lò xo là hằng số trong một miền khá rộng nhất định), tôi đã thay thế bằng lò

xo thông thường, rồi thử với nhiều tải khác nhau; từ đó, có được độ giãn của lò

xo và lực kéo tương ứng (tham khảo phần phụ lục để biết thêm thông tin)

Trang 11

T

N m K

A

Xem KT = Kb

_ _

12 42.9

a stall a

a stall

V R I

a

a a

b T

cV i

c K K

=+

2

120.12

4 0.05998

c c

2

35.37

mt

tương đương ra, định hình dạng và đo khối lượng

Vậy: J e =835.37 kg mm2

Từ các phương trình vi phân ở phần I a), ta biến đổi Laplace, và được hàm truyền như sau:

Trang 12

II Sơ đồ điều khiển MATLAB:

Hệ đã có hàm truyền (hình 1.1), ta sẽ thêm vào hệ bộ điều khiển PI theo cách như sau:

Hình 1.2

Trang 13

13

Và đây là sơ đồ kết quả:

Hình 1.3 Trên sơ đồ này, có thêm khâu giới hạn của điện áp điều khiển (khâu Saturation) Vì điện áp dùng để điều khiển là từ 2 bình ắc qui nên chỉ đạt 24V

Trang 14

III Chương trình điều khiển:

Trang 15

PORTB=0x0F; // PORTA input Tri state

TCCR1B=0; // x08 CTC or normal mode are both ok

TIMSK |=0x10; // not yet enable OCR2

ctrl=(pro+inte)*C2; // *Vmax/w_ref }

err: là sai số giữa ωref( )t và ( )ω t được hồi tiếp từ bộ đo vận tốc, đơn vị là rad/s

Do phương pháp đo vận tốc là đếm số xung encoder trong thời gian 4000 sµ , kết quả đếm là n_dat, nên cần một hệ số chuyển đổi sang rad/s là C1 = 375/180*PI;

Trang 16

16

IV Kết quả thí nghiệm:

Xem kết quả thí nghiệm và mô phỏng ở chương 3, mục I

Trang 17

dễ mắc phải một số lỗi do vi phạm thuật toán tính toán số của MATLAB

Trong chương này, ta sẽ khảo sát và tạo mẫu xe 2 bánh tự cân bằng; đồng thời, xét một vài lỗi mắc phải khi sử dụng MATLAB

Trang 18

I Tạo mẫu cho xe

Phương pháp chung:

Để khảo sát động lực học của cả cơ hệ, tôi tách cơ hệ ra từng thành phần con, gọi là

hệ con (sub system); các hệ con liên kết với nhau bằng các lực liên kết (các lực liên kết là các ẩn vec tơ chưa biết cả chiều và độ lớn) Sau đó, ứng với mỗi hệ con sẽ được khảo sát bằng hai phương trình của định luật Newton, phương trình chuyển động thẳng và chuyển động quay

Ngoài ra, để các phương trình chuyển động của hệ thể hiện đúng chuyển động của hệ thực, còn cần có các điều kiện ràng buộc chuyển động: bánh xe không rời khỏi mặt đất, hay điểm O trên thân xe được nối với trục - tâm bánh xe

Cụ thể, tôi thực hiện bài toán thuận, có lực và momen – đi tìm chuyển động, đối với nguồn động lực là motor Sau đó, giải bài toán động học tìm chuyển động của các thành phần còn lại từ chuyển động đã biết của motor và các ràng buộc Cuối cùng, thực hiện bài toán ngược, có chuyển động – tìm lực và momen, hồi tiếp thành phần lực và momen này

Trang 19

Hình 2.2

Ràng buộc chuyển động giữa puli và bánh xe:

Do dây đai xem như không co giãn, ta có thêm ràng buộc giữa góc quay của puli và góc quay của bánh xe Có được: βpl =n.βw

Biểu diễn ràng buộc này trên MATLAB:

⇒

Hình 2.3 2) Cho bánh xe:

Hình 2.4 a) Phương trình vi phân:

Trang 20

và có L.

T w

T n F

Hình 2.6 a) phương trình vi phân:

b) Biểu diễn bằng MATLAB:

Khai triển của hệ con ‘scooter_body’:

Trang 21

Hình 2.7

Các phương trình ràng buộc chuyển động của thân xe và bánh xe:

Vì điểm O gắn với trục của xe, cũng là tâm bánh xe (vì nhìn phẳng) Xe chuyển động không rời khỏi mặt đất nên:

Trang 22

Biểu diễn ràng buộc chuyển động:

- Ràng buộc trùng giữa O và tâm bánh xe:

Khai triển của hệ con ‘constraint_w_xe’:

Hình 2.10

- Ràng buộc O không rời mặt đất:

Khai triển của hệ con ‘aOy_constraint’:

Hình 2.12

Trang 23

Phương trình được viết từ hình 2.1 Do các thành phần −T,+T L,+θ•pl c là

→, T L

→,ωpl

→ được chiếu lên hệ trục đã chọn trên hình và dựa trên trạng thái đang thể hiện trên hình của hệ Trong đó, các giá trị

T,T L,θpl c

•

là những đại lượng vô hướng luôn dương

Nhưng trong quá trình khảo sát hệ, thì trạng thái của hệ biến đổi theo thời gian Vậy nên, ở thời điểm t nào đó, hệ sẽ ở trạng thái:

pl pl L pl

J θ•• = T − T − θ•c

Hình 2.13 Vậy, nếu ta dùng một phương trình đại số (phương trình 2.12), để khảo sát hệ theo t là không đủ? sẽ có một số trường hợp phương trình này sai?

Tuy vậy, khi học các môn đại cương và các môn chuyên ngành cơ sở, ta thường được học một “mẹo” để giải quyết tình huống này:

Khi hệ chuyển từ trạng thái trên hình 2.1 sang trạng thái trên hình 2.13, ta vẫn

hướng nữa, mà sẽ là đại số và là số âm vấn đề “tạm” được giải quyết

Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là: phạm vi sử dụng của “mẹo” này như thế nào? nó

có thể hiện đầy đủ và tương ứng mọi trạng thái của hệ?

Ta thử xét một trường hợp khác tương tự như trên hình 2.14, và giả sử phương, chiều của các lực liên kết của hệ đúng như các véc tơ −F 2 y,−F 2x; chiều của β, ω theo chiều dương trục z Và với trạng thái này, ta chiếu phương trình (2.9) lên trục

Ox

y

xC

Phương trình đại số này có còn đúng khi

hệ thay đổi trạng thái, cụ thể: ϕ, −F 2 y, −F 2x đổi

về chiều, phương, hay độ lớn?

Trang 24

Khi thực hiện bài toán tạo mẫu, các đại lượng như −F 2 y,−F 2 x,β

→, ω

→ lại là các

ẩn véc tơ Vậy, việc chiếu phương trình (2.9) lên trục Ox để có phương trình đại số phải thực hiện như thế nào? dùng phương pháp giả sử?

Tóm tắt vấn đề:

Có 2 nội dung chính : Thông thường, các phương trình động lực của định luật Newton đều ở dạng nguyên bản là véc tơ Để sử dụng được chúng, ta chọn một hệ trục tọa độ nhất định, một trạng thái nhất định, rồi chiếu phương trình véc tơ lên Ox, hoặc Oy để được phương trình đại số Vậy, phương trình đại số này có vẫn đúng với mọi trạng thái của hệ? hay nó chỉ đúng ở một nhóm trạng thái, và để giải bài toán ta phải chia nó thành nhiều trường hợp?

Đối với các bài toán tạo mẫu, tách một cơ hệ lớn ra nhiều thành phần con Các lực liên kết luôn là ẩn véc tơ và chúng sẽ xuất hiện trong phương trình động lực của

hệ con Vậy ta giải các phương trình vi phân, chứa ẩn véc tơ này như thế nào? Khi chiếu chúng thành phương trình đại số làm sao đảm bảo dấu?

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	1,18 MB