THIẾT kế điều KHIỂN hệ XE đẩy có GIẢM CHẤN

Đồ án Thiết Bị tự động là một môn học giúp chúng em vận dụng lý thuyết vào việc thiết kế, xây dựng các bộ điều khiển cho một mô hình thực, từ đó hiểu hơn về lý thuyết, kiểm định lại lý thuyết và biết cách xử lý các bài toán trong thực tế. Đồ án giúp chúng em tiếp cận gần hơn với thực tế.

ĐỒ ÁN THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ XE ĐẨY CÓ GIẢM CHẤN MỤC LỤC Page Lời nói đầu Nước ta thời kỳ cơng nghiệp hóa- đại hóa đất nước, với mục tiêu trở thành nước công nghiệp năm 2020 Điều đặt cho hệ trẻ, chủ nhân tương lai đất nước, nhiệm vụ phải không ngừng học tập, nghiên cứu khoa học, ứng dụng khoa học vào thực tế, phục vụ cho phát triển đất nước Sự phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện- điện tử nói riêng làm cho kinh tế nước ta không ngừng phát triển Để đáp ứng yêu cầu ngày cao xã hội, sinh viên chúng em ý thức cần học tập nghiên cứu chun mơn trường đại học cách chuyên sâu nghiêm túc Đo lường Điều khiển tự động ngành mới, đà phát triển, đóng góp cách tích cực cơng nghiệp nước nhà , vậy, sinh viên ngành, em ý thức cần phải cố gắng học tập, trau dồi kiến thức, vận dụng vào thực tế, góp ích cho phát triển xã hội Đồ án Thiết Bị tự động môn học giúp chúng em vận dụng lý thuyết vào việc thiết kế, xây dựng điều khiển cho mơ hình thực, từ hiểu lý thuyết, kiểm định lại lý thuyết biết cách xử lý toán thực tế Đồ án giúp chúng em tiếp cận gần với thực tế Page CHƯƠNG I : MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 1.1 Mơ hình hóa hệ thống: Mơ hình hệ thống sau: K=2 (N/m) Độ cứng lò xo b=7 (Ns/m) Hệ số ma sát Page m=1 (kg) Khối lượng xe u Tín hiệu điều khiển y Đáp ứng đầu d2 y dy du m + b + ky = b + ku dt dt dt Hay : Trong đó: u(t) tín hiệu điều khiển độ dịch chuyển xe Giả thiết thời điểm khảo sát, xe dịch chuyển với tốc độ không đổi, tức =const Đầu dịch chuyển vật nặng xe y(t) Giả thiết lực ma sát phận giảm chấn tỉ lệ với - lò xo tuyến tính tức lực đàn hồi lò xo tỉ lệ với y-u Giả sử lực có phương chiều hình vẽ, với a gia tốc vật nặng, áp dụng định luật II Newton ta có: ma = ∑ F Trong đó, lượng ∑F tổng lực tác dụng lên vật nặng Chú ý xe không trọng d2y dy du m = −b( − ) − k(y − u) dt dt dt (1) Đây phương trình vi phân mơ tả hệ Page Laplace hai vế (1) ta được: (ms + bs + k)Y(s) = (bs + k)U(s) G (s) = Vậy hàm truyền đối tượng : G(s) = Thay số ta có: Y (s) bs + k = U ( s ) ms + bs + k 7s + s + 7s + Ta có A(s) =+7s+ Xét tính ổn định theo tiêu chuẩn Raox: a0=2 , a1=7 ,a2=1 Bảng Raox: Trong đó: a0 a2 a a b0 = − = − ( 2.0 − 7.1) = a1 Ta thấy hệ số cột ≥0 Như hệ ổn định 1.2 Xét tính điều khiển G(s) = Dạng chuẩn điều khiển 7s + s + 7s + 2 Page   7  X= x + ÷ ÷u − − − 47     Y= Với =>     −47   A.b=  ÷. −47 ÷ =  315 ÷ − −      −47   Rank  ÷  −47 315  b= =2 >0 Vậy hệ thống điều khiển 1.3 Xét tính quan sát Xác định theo tiêu chuẩn kalman: C  Rank  ÷  CA  =n 1   −2 −7 ÷   C=[1 0] , CA=[1 0] =[0 1] 1 0 Rank  ÷ 0 1 =2 >0 Do hệ thống quan 1.4 Mục tiêu điều khiển : - Hệ thống có giảm chấn mục tiêu: + Giảm dập tắt va đập truyền lên khung xe bánh xe lăn đường không phẳng nhằm bảo vệ tính đàn hồi Page + Đảm bảo dao động phần không treo nhỏ làm tốt tiếp xúc xe mặt đường + Nâng cao tính chất truyền động xe khả tăng tốc, độ an toàn chuyển động - Hệ thống đàn hồi: + Tạo sức đàn hồi tổng hợp thay đổi theo tải trọng CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Phương pháp thiết kế điều khiển theo phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi dựa vào đa thức bậc nghiên cứu đầy đủ để tổng quát cho bậc cao Các tiêu chuẩn ổn đình cho phép xác định khả ổn định hệ không cho phép đánh giá xác chất lượng hệ Phương pháp hệ số suy giảm thay đổi dựa vào đa thức chuẩn bậc Được nghiên cứu đầy đủ để tổng quát hóa cho hệ cao - Xét hàm truyền cho hệ bậc chuẩn: a0 ω02 G k (s) = = a + a1s+a 2s s + 2ξsω0 + ω02 Với ξ ω0 tần số riêng hệ số suy giảm vào ξ để đánh giá chất lượng bậc sau: Page ξ Hình 2.5 Hàm độ với trị số khác ξ  Với ξ =1 khơng có q điều chỉnh thời gian xác lập lâu  Với =0.707 Độ điều chỉnh 4.3% xem tối ưu lĩnh vực đo lường điều chỉnh đối tượng công nghiệp ξ  Với =0.5 Độ tác động nhanh tốt Độ điều chỉnh lớn thường dùng hệ tùy động ξ ξ  Khi nhỏ độ điều chỉnh lớn tiếp tục giảm hệ trở lên ổn định - Xét hệ bậc n hàm truyền : G k (s) = a0 a + a1s+ +a ns n Ta có hệ số đặc trưng sau : α= a aa 2 α = a aa n 2 ; a α = a a n ; n −1 Page n +1 Và tần số đặc trưng: ω = a0 a ω=a a ω 1 ; n = a a n n +1 ; Với cách đặt ta có: α = ω ω α = ω2 ω ; α ; n = ω ω n n −1 α - Một đa thức cho có tần số đặc trưng thứ ω0 hệ số suy giảm α Sau vào ω0 việc chọn ta tính thơng số khác sau: ω=a a 1 ω =a a 2 =aa aa 1 =a a aa = a a aa a = αω0 2 2 = a a aa a 2 = α ω1 Tương tự : ω0 ; αω0 ; α ω0 Các hệ số đa thức tính cách ta cho hệ số =1 hệ số khác có cách chia cho tần số đặc trưng Tổng quát với hệ bậc n tần số đặc trưng hệ số xác định theo công thức tổng quát sau:( Phải chọn α cho hợp lý) ωn = α n ω0 Page an = α − n (n −1) ω0 Nhận xét: Hệ số α có tính chất hệ số suy giảm, σ lượng điều chỉnh % lớn Lượng điều chỉnh σ % quan hệ với α α bé hệ dao động mạnh, theo công thức kinh nghiệm sau: log(σ%) = 4.8 − 2α t qd = Thời gian độ: 2.2 ω0 α ≥ 1,6 α < 1,5 Thông thường chọn hệ số Khi hệ trở lên ổn định Với α = 1,7 coi tối ưu điều khiển - Xét ảnh hưởng tử số:  Khi tử số có dạng bậc 1: a '0 + a1' s G k (s) = a + a1s+ +a ns n  Biểu thức hiệu chỉnh là: α ' = 1.5 + ω0 (α − 1.5) ω'0 a '0 ω = ' a1 ' Page 10 • Hàm liên thuộc đầu xác định theo tập mờ đầu có dạng: Giải mờ theo ngun lý trung bình ta có: u= u1 + u 0.51875 + 1.47125 = = 0.995 2 b.Thiết kế điều khiển mờ động: Bước 1: Định nghĩa biến vào ra: Từ giá trị đo ta có: e ∈ [ −1 ÷ 1] TpE ∈ [ −1 ÷ 1] u ∈ [ −0.91 ÷ 2.906 ] ; ; - Đối với tín hiệu sai lệch e ta sử dụng biến ngơn ngữ để mờ hóa chúng e = { Rất Nhỏ, Nhỏ, Cân Bằng, Lớn , RL} hay e = { RN, N, CB, L, RL} Page 38 - Đối với tín hiệu tích phân sai lệch e ta sử dụng biến ngơn ngữ để mờ hóa chúng tpe = { Rất Nhỏ, Nhỏ, Cân Bằng, Lớn , RL} tpe = { RN, N, CB, L, RL} - Đối với tín hiệu điều khiển ta sử dụng biến ngơn ngữ để mờ hóa chúng u = { Rất Nhỏ, Nhỏ, Cân Bằng, Lớn , RL} u = { RN, N, CB, L, RL} Bước 2: Xác định hàm liên thuộc vào/ra: Hàm liên thuộc đầu vào e : - Hàm liên thuộc đầu vào tích phân tpe: - Hàm liên thuộc đầu u: Page 39 Xây dựng luật hợp thành: RL : L :1  e, tpe CB : N : −  RN : − Tpe RN e RL L CB N RN -1 -2 -2 -2 N CB L RL -1 -2 -2 -1 -2 2 -1 2 Page 40 Giải mờ tìm giá trị rõ đầu ra: +Chọn luật hợp thành Max-Min +Giải mờ theo nguyên lý trung bình +Giá trị rõ đầu vào e = 0.75, tpe = -0.75 Với E=-0.25 DE=0.0025 tích cực luật điều khiển: R1: If e = RL and tpe = RN then u=CB R2: If e = RL and tpe = N then u=L R3: If e = RL and tpe = CB then u=RL R4: If e = RL and tpe = L then u=RL R5: If e = RL and tpe = RL then u=RL Page 41 2.5) Thiết kế mạch điện tử cho BĐK PI lí tưởng Page 42 Vậy ta được: R R W (s) = (1 + ) R1 R3 R2 C2 s ta chọn  R2 = K m = 16  R   R C = T = 0,06  2 i → Ta chọn C2 = 0.1pF R2 = 600kΩ => R1 = 37.5kΩ , CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG 3.1 BĐK PI Page 43 3.1.1 BĐK (PI) lý tưởng chưa có nhiễu a) Sơ đồ khối: b) Kết mô phỏng: c) Nhận xét: BĐK lý tưởng đáp ứng yêu cầu tiêu đặt ra: • Thời gian độ nhỏ Tqd = 1.2(s) • Lượng điều chỉnh σ%≤ 15% Page 44 3.1.2) BĐK (PI) thực có cấu trúc phản hồi vị trí: a) Sơ đồ khối: b) Kết mô phỏng; 3.1.3) BĐK PI thực có cấu trúc khơng phản hồi vị trí: Page 45 a)Sơ đồ khối: b) Kết mô phỏng: c) Nhận xét: Từ bdk ta nhận thấy,BDK PI thực phản hồi vị trí có tác dộng nhanh dao động BDK PI thực có cấu trúc khơng phản hồi vị trí Page 46 3.1.4) BĐK (PI) có nhiễu tác động: a) Nhiễu đầu vào hệ thống: - - Sơ đồ khối: - - Kết mô phỏng: b) Nhiễu đầu hệ thống - Sơ đồ khối: Page 47 - Kết mô phỏng: - Nhận xét: Khi có nhiễu tác động vào hệ thống đáp ứng hệ thống bám sát giá trị đặt sau khoảng thời gian nhiễu tác động, hệ thống ổn định có nhiễu tác động 3.2) BĐK mờ a Sơ đồ khối mờ tĩnh mờ động: Page 48 b.Mô phỏng: c Nhận xét: Cả hai BĐK mờ đểu đáp ứng tiêu chuần đặt ra, tác động nhanh điều chỉnh nhỏ, nhiên BĐK mờ động có thời gian tác động nhanh Page 49 3.3) BĐK số a) Sơ đồ khối: b) Kết mô phỏng: c) Nhận xét: BĐK số cho đáp ứng đảm bảo đủ tiêu chuẩn đặt ra, đáp ứng nhanh, ồn định, lượng điều chỉnh nằm phạm vi cho phép Page 50 3.4) So sánh BĐK Kết mô Page 51 3.5) Kết luận Sau thiết kế điều khiển cho đối tượng khảo sát đặc tính đáp ứng đầu khơng có nhiễu có nhiễu tác động thơng qua mơ phỏng, ta thấy, điềukhiển tương tự số có khả làm việc môi trường nhiễu cho đáp ứng ổn định, sai lệch tĩnh nhỏ Bộ điều khiển mờ tác động nhanh nhiên thời gian xác lập lâu khả chịu ảnh hưởng nhiễu nhiều Do vậy, tùy đối tượng mà ta lựa chọn điều khiển cho phù hợp, với hệ thống khơng cần tính xác cao điều khiển mờ ưu thế, nhiên ta thường sử dụng điều khiển tương tính ổn định chịu ảnh hưởng nhiễu Page 52 ... liên thuộc thiết lập thêm nguyên tắc điều khiển bổ sung Bước 7: Thử nghiệm đối tượng thực 2.4.2 Thực thiết kế BĐK mờ a.BĐK mờ tĩnh Bước 1: Mơ hình vào điều khiển Để thiết kế điều khiển mờ ta... KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Phương pháp thiết kế điều khiển theo phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi dựa vào đa thức bậc... u(t) tín hiệu điều khiển độ dịch chuyển xe Giả thiết thời điểm khảo sát, xe dịch chuyển với tốc độ không đổi, tức =const Đầu dịch chuyển vật nặng xe y(t) Giả thiết lực ma sát phận giảm chấn tỉ lệ