Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo thực tập làm vật từ trường bay.Ứng dụng trong việc làm cây bonsai bay.Sử dụng bộ điều PID kinh điển để điều khiển hệ nâng vật bằng trừ trường. Thực nghiệm tạo ra mô hình, nghiên cứu tác động của từ trường tới đối tượng được nâng. Tính toán các thông số của hệ thống, độ cao được nâng, khối lượng đối tượng được nâng. Mục đích ứng dụng trong trang trí, trưng bày, đồ chơi trẻ em trong bảo tàng, cửa hàng, triển lãm …
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÕ VĂN AN HỮU VĂN CƯNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA TP HỒ CHÍ MINH, 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÕ VĂN AN HỮU VĂN CƯNG 41100042 41100434 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TH.S NGUYỄN ĐỨC HỒNG TP HỒ CHÍ MINH, 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TP HCM, ngày….tháng… năm…… NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG Nhóm Sinh viên thực hiện: Cán hướng dẫn: VÕ VĂN AN 41100042 HỮU VĂN CƯNG 41100434 TH.S NGUYỄN ĐỨC HOÀNG Đánh giá Luận văn Về báo cáo: Số trang Số chương Số hình vẽ Số tài liệu tham khảo Sản phẩm Số bảng số liệu Một số nhận xét hình thức báo cáo: Về nội dung luận văn: Về tính ứng dụng: Về thái độ làm việc sinh viên: Đánh giá chung: Luận văn đạt/không đạt yêu cầu luận văn tốt nghiệp kỹ sư, xếp loại Giỏi/ Khá/ Trung bình Điểm sinh viên: Võ Văn An Hữu Văn Cưng :……… /10 :……… /10 Người nhận xét (Ký tên ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TP HCM, ngày….tháng… năm…… NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG Nhóm Sinh viên thực hiện: VÕ VĂN AN Cán phản biện: 4110004 HỮU VĂN CƯNG ………………………………… ………………………………… 4110043 Đánh giá Luận văn 1.Về báo cáo: Số trang Số chương Số bảng số liệu Số hình vẽ Số tài liệu tham khảo Sản phẩm Một số nhận xét hình thức báo cáo: 2.Về nội dung : 3.Về tính ứng dụng: 4.Về thái độ làm việc sinh viên: Đánh giá chung: Luận văn đạt/không đạt yêu cầu luận văn tốt nghiệp kỹ sư, xếp loại Giỏi/ Khá/ Trung bình Điểm sinh viên: Võ Văn An Hữu Văn Cưng :……… /10 :……… /10 Người nhận xét (Ký tên ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TP HCM, ngày….tháng… năm…… ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG Cán hướng dẫn: TH.S NGUYỄN ĐỨC HOÀNG Thời gian thực hiện: Từ ngày……………… đến ngày…………… Sinh viên thực hiện: VÕ VĂN AN - 41100042 HỮU VĂN CƯNG - 41100434 Nội dung đề tài: (Mô tả chi tiết mục tiêu, phạm vi, đối tượng, phương pháp th ực hiện, kết mong đợi đề tài) Sử dụng điều PID kinh điển để điều khiển hệ nâng vật trừ trường Thực nghiệm tạo mơ hình, nghiên cứu tác động từ tr ường t ới đ ối tượng nâng Tính tốn thơng số hệ thống, độ cao nâng, khối lượng đối tượng nâng Mục đích ứng dụng trang trí, trưng bày, đồ chơi tr ẻ em bảo tàng, cửa hàng, triển lãm … Kế hoạch thực hiện: (Mô tả kế hoạch làm việc phân công công việc cho sinh viên tham gia) Hữu Văn Cưng: Xây dựng mơ hình tốn đối tượng, điều ển hệ thống điều khiển PID kinh điển, mô Matlab, thi cơng mơ hình phần cứng Võ Văn An: Điều khiển hệ thống điều khiển PID kinh ển, th ực hi ện điều khiển hệ thống thực, thi cơng mơ hình phần cứng Xác nhận Cán hướng dẫn TP HCM, ngày….tháng … năm… Sinh viên DANH SÁCH HỘI Đ ỒNG BẢO V Ệ LUẬN VĂN Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số ………………… ngày ………………… Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa TP.HCM ………………………………………… – Chủ tịch ………………………………………… – Thư ký ………………………………………… – Ủy viên MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Một số kết nghiên cứu hệ thống Levitating Magnet (LM) 1.3 Phương pháp thực luận văn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIÊU KHIỂN PHI TUYẾN 2.1 Giới thiệu hệ phi tuyến 2.1.1 Mơ hình toán học 2.2 Phương pháp tuyến tính hóa gần 16 2.2.1 Khái niệm .16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG LEVITATING MAGNET(LM) 22 3.1 Tĩnh từ 22 3.1.1 Phân tích mạch từ 25 3.1.1.1 Nguồn dòng điện 25 3.1.2 Phương trình tốn học hệ thống 28 3.1.2.2 Hệ thống nam châm vòng 28 3.1.2.3 Phương trình hệ theo trục z 34 3.1.2.3 Lực từ nam châm điện .34 3.1.2.3 Phương trình lực theo trục X 39 3.1.2.4 Thành phần lực theo trục Y 41 3.2 Tổng kết .42 3.2.1 Phương trình hệ thống theo truc Z 42 3.3 Mô hệ phi tuyến 43 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống theo trục X 43 3.3.2 Sơ đồ khối hệ thống theo trục Y 47 3.3.3 Sơ đồ khối mô toàn hệ thống điều khiển PID .47 3.3.4 Kết mô hệ thống 47 3.4 Tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến .50 3.4.1 Tuyến tính hóa trục X .50 3.4.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống .54 3.4.3 Đáp ứng vòng hở hệ thống .55 3.4.4 Xây dựng đáp ứng vòng kín hệ thống 55 3.4.4.1 Tiêu chuẩn ổn định Routh-Hurwitz 57 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH .63 4.1 Linh kiện sở điều khiển mơ hình Levitating Magnet 63 4.1.1 Cảm biến từ trường .63 4.1.2 Vi điều khiển STM32F4 .64 Hình 4.20: Tác động điểu khiển trường hợp TH3: Vi sai CB1-CB2 > nên Coil 12 đẩy Coi 21 hút Vi sai CB2-CB3 > nên Coil 23 đẩy Coil 32 hút Vi sai CB3-CB1 < nên Coil 31 hút Coil 13 đẩy Hình 4.21: Tác động điểu khiển trường hợp TH4: Vi sai CB1-CB2 < nên Coil 12 hút Coil 21 đẩy Vi sai CB2-CB3 < nên Coil 23 hút Coil 32 đẩy Vi sai CB3-CB1 > nên Coil 31 đẩy Coil 13 hút 87 Hình 4.22: Tác động điểu khiển trường hợp 4.4.1.2 Sơ đồ mạch analog điều khiển PD hệ thống Nguyên lý điều khiển sử dụng mạch điều khiển PD analog v ới b ộ điều khiển cho cặp nam châm điện Mơ hình tính tốn xây dựng theo phác họa 88 Hình 4.23: Mơ hình t qt LM Với sơ đồ PD với cảm biến từ trường đầu vào nam châm ện đầu đựa vào ngun lý theo hình sau Các tín hiệu cảm biến qua PD xử lý , sau đ ược qua b ộ vi sai đ ể tìm độ chênh lệch cảm biến với Vì tín hi ệu c ảm bi ến tr tr ường có tầm hoạt động 2.5V với nguồn ni 5V nên cần bù áp cho c ảm bi ến, việc bù áp tìm vị trí ều ển mà vi sai c ảm bi ến Yếu tố quan trọng bù áp th ực tế thi ết k ế v ị trí điều khiển khơng tồn nghĩa khơng có vị trí t ại tín hi ệu đọc cảm biến Bù Offset Công Suất Tổng CB1 PD 89 (Cầu H, TDA2040) Nam châm điện Vi sai CB2 PD Bù Offset Công Suất Tổng CB2 CB3 PD PD (Cầu H, TDA2040) Nam châm điện Vi sai CB3 PD Bù Offset Công Suất Tổng CB3 PD (Cầu H, TDA2040) Nam châm điện Vi sai CB1 PD Với nguyền lý ta thiết kế điều khiển PD thực tế sau , v ới mô hình khơng có bù offset nên có ểm ều ển, vi ệc thi ết k ế khó Với lại điểm điều khiển thay đổi được, thực tế vùng điều khiển khoảng nhỏ tâm nam châm nhẫn l ớn (Nguyên lý tham khảo tài liệu http://radiokot.ru/circuit/analog/games/26/) 90 Hình 4.23: Nguyên lý điều khiển analog loại Mạch ngun lý mơ hình có sử dụng bù áp để chỉnh vị trí ều ển t ạo điều kiện cho việc điều chỉnh để nâng vật v ới tr ọng l ượng khác Với mạch tín hiệu đầu vào qua b ộ chia áp, bù áp t ụ m ắc phia sau cảm biến để làm chậm tác động tần số cao từ nam châm tr ước vào IC vi sai INA128N Các tính hiệu trước vi sai dao đ ộng t ại g ần 0V Với biến trở 5K ta hiệu chỉnh xác xác định đ ược vị trí điều khiển mà đối tượng ổn định Với nguồn nuôi nguồn đôi 9V cặp nam châm điện mắc hình tầm ều ển b ộ công su ất t -9V đến 9V (Tham khảo tài liệu Nicanor Apostol: “Magentic Levitation” ) 91 Hình 4.24: Nguyên lý điều khiển analog loại 92 4.4.2 Tính tốn xây dựng mơ hình Levitating Magnet 3.0 4.4.2.1 Thiết kế nam châm điện Sáu nam châm điện sử dụng tính tốn cho phù h ợp v ới đường kính cm nam châm hình nhẫn lớn kích th ước nam châm thiết kế hình Theo tính tốn cuấn giây đồng đường kính 0.3 mm số vòng giây đạt 1500 vòng trở kháng đạt 18 ohm Hình 4.25: Nam châm điện 3.0 4.4.2.2 Bố trí mạch cảm biến Mạch cảm bố trí đạt yêu cầu để nam châm ện có th ể n ằm tr ọn nam châm hình nhẫn cách tâm 5.5 cm lệch góc 60 đ ộ, với cảm biến đặt cặp nam châm g ần khơng đối 93 Hình 4.26: PCB cảm biến 3.0 4.4.2.3 Mơ hình hình ảnh thực tế - Mơ thiết kế mơ hình Hình 4.27: Mơ mơ hình 3.0 94 Hình 4.28: Mơ thiết kế cảm biến nam châm điện 3.0 - Hình ảnh thực tế mơ hình: Cảm biến Nam châm điện Hình 4.29: Hình ảnh thực tế cảm biến nam châm điện 3.0 95 7905 INA128P TDA2040 7905 Hình 4.30: Hình ảnh thực tế mạch analog 3.0 Vì mục tiêu đề tài nhóm dùng VĐK để điều khiển đối tượng nên h ệ thống analog mang tính chất so sánh hiệu quả, học h ỏi kinh nghi ệm tạo điều kiện để thực mạch vi xử lý tốt hơn, ổn định mạch analog hi ện có thị trường CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 96 5.1 Kết đạt phương hướng giải Levitating Magnet 1.0 5.1.1 Kết Mơ hình đạt số u cầu sau: - Nam châm điện tự quấn hoạt động tốt tác động hút đẩy độ nóng có th ể chịu thời gian hoạt động dài, công suất cầu H L298N đáp ứng tốt - Đối tượng cân thời gian ngắn khoảng - s - Mô hình thiết kế chắn, khơng sai lệch vị trí sau tác đ ộng mang vác mơ hình, dịch chuyển, chỉnh sữa nâng cấp mơ hình - Đây mơ hình mang tính chất xây dựng m ột phương án khác hoàn hảo hơn, rút kinh nghiệm để thiết kế xây dựng phiên b ản sau hoàn thiện - Tác động PID tốt, tiên lượng khả ều ển PID đáp ứng tốt mô hình 5.1.2 Phương hướng giải Sau thực nghiệm mơ hình nâng cấp mạch xử lý tín hi ệu x lý nhiễu , thay đổi đối tượng điều khiển, thơng số PID vòng tháng nhóm rút kết luận sau: - Nam châm điện phần lõi lớn ( lõi nam châm đ ược làm b ằng bu lơng bình thường lõi sắt từ) nên xẩy tượng nam châm hút v ề lõi nam châm điện mạnh Nói cách khác, nam châm ện khơng th ắng lực hút sắt nam châm Trong trường hợp nam châm hút, lực hút nam châm điện gộp với lực hút đối tượng với lõi nam châm l ớn => Cần giảm đường kính lõi nam châm điện, giảm đường kính giây qu ấn đ ể đảm bảo cân lực hút đẩy Bên cạnh đảm bảo khả tỏa nhiệt thấp, mơ hình hoạt động bền bỉ theo thời gian - Độ cao điều khiển lớn, thực tế đo đạc độ cao ều ển cm , l ớn so với khả nâng bổng giữ thăng hệ thống, 97 => Cần thiết kế cho khoảng điều khiển từ đối tượng với nam châm ện t cm đến 2.5 cm tùy theo độ nặng đối tượng - Cảm biến đặt xa với đối tượng điều khiển Thật vậy, dịch chuy ển cảm biến phía gần đối tượng ảnh hưởng từ trường sinh từ nam châm điện gây nhiễu giảm rõ rệt Bên cạnh đó, tác đ ộng đối tượng vào cảm biến trở nên mạnh mẽ => Đưa cảm biến gần với đối tượng , vị trý lý tưởng m ặt ph ẳng cao hệ thống 5.2 Kết đạt phương hướng giải Levitating Magnet 2.0 5.2.1 Kết đạt - Hệ thống nâng đối tượng với độ cao tư cm đến cm - Bộ PID đáp đứng tốt trình điều ển v ị trí h ệ th ống Nói chung cần khâu P điều khiển đối tượng v ị trí cân bằng, khâu D,I làm cho đáp ứng thêm chuẩn , nhanh tốt - Có thể đặt vật khối , vật nhỏ trang trí lên đối tượng V ới tối ưu cảm biến theo dạng vi sai, với vật có kích cở, đ ộ m ạnh c từ tr ường khác đảm bảo giữ hệ thống tự chỉnh - Hệ thống hoạt động lâu dài bền bỉ, chạy liên tục ngày khơng có tượng nóng, đọc sai giá trị, vật bị rơi, rung -Với ngoại lực tác động lớn ngoại lực tự nhiên gió, độ nghiêng hệ thống giữ đối tượng trở vị trí cân ổn định cách nhanh chóng 5.2.2 Phương hướng giải Với mục đích đề tài nâng vật đở vật l l ửng không trung áp dụng cho ứng dụng trang trí, trưng bày ta cần gi ải quy ết nh ững v ấn đề sau: 98 - Cần đảm bảo đối tượng không bị rung trình điều ển Tạo điều kiện để đặt vật cách dễ dàng không rung, khơng trượt - Thay đổi nam châm hình nhẫn vĩnh cửu loại có lực đ ẩy m ạnh h ơn t ạo điều kiện cho vật nặng đặt lên - Thay đổi thiết kế gọn nhẹ, mạch điều khiến kết hợp mạch công suất, LED trang trí 5.3 Kết đạt phương hướng giải Levitating Magnet 3.0 5.3.1 Kết đạt - Hệ thống hoạt động ổn định, nâng đa dạng loại đối tượng so với dùng vi điều khiển, thay đổi đ ối tượng cần phải ch ỉnh lại vị trí điều khiển tìm điểm hoạt động cân - Hệ thống thiết kế nhỏ gọn đáp ứng nhanh, tác động bên nh va chạm, lực gió ảnh hưởng đến đối tượng - Ưu mạch analog đáp ứng cực nhanh, mạch công su ất TDA2040 nóng q trình làm việc, cần có giá tản nhi ệt l ớn không hoạt động thời gian dài hạn 3.4.3.1 Phương hướng giải Trong thực tế, sản phẩm nâng vật trừ trường thiết kế mơ hình analog, hướng nhiều lợi không thua so với mạch dùng vi xử lý Mạch điều khiển sử dụng cho mạch analog dạng mạch đơn giản Nếu nâng cao đáp ứng va độ phức tạp h ệ th ống mạch đáp ứng tốt Chính điều hệ th ống nâng v ật b ằng tr tr ường thị trường dùng mạch điều khiển analog 99 KẾT LUẬN Kết đạt được: Đây sản phẩm đơn giản nhóm đ ể ti ếp cận v ới công nghệ từ trường, công nghệ tương lai, với mục đích tạo s ản ph ẩm nhằm phục vụ trang trí, trưng bày cho tòa nhà , tri ển lãm, show room, c ửa hàng vàng bạc, đá q Trong q trình nhóm nghiên cứu có k ết sau: - Sản phẩm chạy ổn định đặt vật với mục đích tr ưng bày trang trí lên đối tượng - Kiểm soát hiểu tác động từ trường với v ật th ể xung quanh - Với hướng điều khiển hệ thống vi xử lý, yếu tố hệ th ống nâng cấp dễ dàng , áp dụng điều ển hi ện đại vào mô hình tăng đáp ứng, tăng độ ổn định - Phát triển khả , sáng tạo thân gặp vấn đề m ới cần hướng giải quết hiệu Kiến nghị đề xuất hướng nghiên cứu: Có nhiều cơng ty giới nghiên cứu áp dụng công nghệ từ trường vào sản phẩm họ: - Đồ chơi thách thức từ trường Levitron Revolution cơng ty Fascinations - Ván trượt khơng khí Hendo Hoverboard, dự án vừa đời 07/2015 công ty tên Hendo Hover Los Gatos, California, Mỹ - Thang máy nệm từ trường: Dự án Nhật Đức dự ki ến xuất xưởng năm 2016 với ưu đặc biệt như: chuy ển ngang, ổn đ ịnh, êm, tốc độ cao - Những tàu niệm từ trường với tốc độ cực cao Nhật, Trung Quốc … Với ứng dụng sẵn có nhóm có số đề xu ất nghiên c ứu sau: - Phương tiện chuyển không ma sát đệm từ Chống rung giảm chấn cho tòa nhà cao tầng n ệm từ Xe đẩy, nâng vận chuyển hàng hóa cảng, nhà kho Ứng dụng trang trí đèn ngủ lơ lửng, trưng bày lơ lửng bảo tàng, tiệm vàng, trang sức … 100 DANH MỤC THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà (chủ biên), Huỳnh Thái Hoàng, “Lý thuyết điều khiển tự động” , Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2003 [2] Nguyễn Thị Phương Hà, “Lý thuyết điều khiển đại” , Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2012 [3] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển đại” , Nhà xuất khoa học kỹ thuật-Hà Nội, 2005 [4] http://levitron.co.uk [5] http://radiokot.ru/circuit/analog/games/26 [6] Arthur Gohin, Janic Simeray, Wang Xiao Bing, Li Liang Qing, “Levitation Device”, Tạp chí khoa học số US 2007/0170789 A1, Jul 26/2007 [7] Nicanor Apostol, “Magentic Levitation” [8] Benjamin C Kuo, “Automatic Control Systems”, Prentice-Hall International Editions, Seventh Edition, 1995 101