Mô hình con lắc ngược là một mô hình kinh điển và là một mô hình phức tạp có độ phi tuyến cao trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Đây là một hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là lực tác động cho động cơ mà phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (ít nhất hai ngõ ra) Nội dung đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống con lắc ngược đơn, một bậc tự do bao gồm 2 thành phần chính: Cơ khí và điều khiển
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6061.4 Khóa: 13 Tên nhóm: N2 Họ tên thành viên: II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm điện tử “ Con lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến” Hoạt động sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ - Xác định vấn đề - Thiết lập cấu trúc chức - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc Nội dung 3: Thiết kế cụ thể - Xây dựng bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống - Phác thảo sản phẩm phần mềm CAD và/hoặc vẽ phác Áp dụng công cụ hỗ trợ: Mơ hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch tập lớn III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tập lớn theo thời gian quy định (từ ngày 29/03/2021 đến ngày 02/05/2021) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống điện tử tài liệu tham khảo Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trong năm gần ngành Cơ điện tử có bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng sản phẩm Cơ điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp nâng cao suất lao động hạ giá thành sản phẩm Song song với trình phát triển yêu cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc mơi trường khắc nghiệt với thời gian dài hệ thống Cơ điện tử Vì việc nghiên cứu thiết kế hệ thống Cơ điện tử để đáp ứng yêu cầu việc làm cần thiết Sự phát triển hệ thống Cơ điện tử phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Dưới phân công hướng dẫn thầy“A” nhóm sinh viên thực tập lớn học phần Thiết kế hệ thống điện tử với đề tài: “ Thiết kế sản phẩm điện tử lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến” Nhận thấy đề tài hay có tính thực tế cao với mục đích đề tài bước đầu tạo cho sinh viên hiểu quy trình thiết kế sản phẩm, từ áp dụng kiến thức phương pháp học để thiết kế sản phẩm điện tử Trong trình thực đề tài, kiến thức hạn chế nên gặp nhiều khó khăn khơng tránh khỏi sai sót Rất mong góp ý quý báu thầy để chúng em hoàn thiện đề tài Chúng em xin chân thành cám ơn! TỔNG QUAN VỀ CON LẮC NGƯỢC Mơ hình lắc ngược mơ hình kinh điển mơ hình phức tạp có độ phi tuyến cao lĩnh vực điều khiển tự động hóa Đây hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động cơmà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Nội dung đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống lắc ngược đơn, bậc tự bao gồm thành phần sau: Phần khí: gồm kim loại (cần lắc) quay quanh trục thẳng đứng Thanh lắc gắn gián tiếp vào xe (xe gng) thơng qua cảm biến để đo góc Trên xe có cảm biến khác để xác định vị trí xe di chuyển Điều khiển: Mạch khuếch đại công suất mạch điều khiển trung tâm Tín hiệu từ cảm biến truyền điều khiển Tùy thuộc vào tín hiệu đọc từ cảm biến mà lập trình để xuất tín hiệu ngõ điều khiển động qua mạch khuếch đại cơng suất Hình 1.1 Con lắc ngược tịnh tiến Phân tích nhiệm vụ thiết kế Cần phải làm rõ nhiệm vụ thiết kế cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua bước sau: Bước 1: Thiết lập danh sách yêu cầu Danh sách yêu cầu cho lắc ngược tịnh tiến D Các yêu câu W Cần lắc: D - Hình trụ trịn, rỗng D - Đường kính: - 12 mm D - Chiều dài: 0.2 - 0.6m D - Khối lượng: 0.1- 0.3kg D - Vật liệu: nhẹ, chịu lực kéo, nén10N D - Mô men quán tính tương đương 0.0013 - 0.036 kgm2 Thanh dẫn hướng chuyển động cho xe gng: D - Hình dạng: hình trụ dài rỗng, đường kính7 -12 mm D - Chiều dài: 250 - 500mm, cố định đầu D D D D D W D D D W D D D Xe goòng: - Chiều cao: 70 – 150 mm - Chiều rộng không vượt 200 mm - Chiều dài: 150 - 250 mm - Vật liệu: bền, chắn, chịu khối lượng tối thiểu 5kg - Có chỗ để lắp cảm biến cần lắc - Dễ sửa chữa thay Cảm biến: - Đo góc lệch lắc với phương thẳng đứng - Đo vị trí xe gịong với vị trí ban đầu - Độ xác cao - Tín hiệu nhanh nhạy, không bị nhiễu môi trường Động cơ: - Động DC MOTOR - 24V - Tốc độ đầu tối thiểu 1200 vịng/ phút - Mơmen tải 2Nm D D D W W D D D D W D D D D W Cơ khí: - Khối lượng tổng thể hệ thống 5kg - Khối lượng lắc 1kg - Khối lượng xe gòong tối thiểu 1kg - Chính xác, bền, chắn, sử dụng lâu dài - Dễ tháo lắp, thay sửa chữa - Chuyển động lắc: chuyển động quay - Chuyển động xe gòong: chuyển động tịnh tiến Nguồn: - Nguồn động cơ: - 24V DC - Nguồn điều khiển - 24V DC - An toàn, dễ sửa chữa Điều khiển: - Thời gian ổn định tọa độ vị trí xe gịong (x), góc lệch tính tốn ( s - Góc lắc không vượt 15 độ (0.35radian) so với phương thẳng đứng - Thời gian tăng x 0.5 giây - Lỗi trạng thái ổn định 2% đói với x Chi phí: Chi phí chế tạo 2.000.000 VND- 3.000.000 VND Thiết kế sơ 2.1 Tóm tắt để xác định vấn đề Giai đoạn : Loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua u cầu khơng ảnh hưởng trực tiếp đến chức buộc cần thiết Cần lắc: - Hình trụ trịn, rỗng Đường kính: - 12mm Chiều dài: 0.2 - 0.6m Khối lượng: 0.1 - 0.3kg - Vật liệu: nhẹ, chịu lực kéo, nén10N - Mơ men qn tính 0.0013 – 0.036 kgm2 Xe goòng: - Chiều cao: 70 - 150 mm - Chiều rộng không vượt 200 mm Chiều dài: 150 - 250 mm Vật liệu: bền, chắn, chịu khối lượng tối thiểu 10kg Có chỗ để lắp cảm biến cần lắc Thanh dẫn hướng chuyển động cho xe gng: - Hình dạng: hình trụ dài rỗng, đường kính7 - 12 mm - Chiều dài: 250 - 500mm, cố định đầu Cảm biến: - Đo góc lệch lắc với phương thẳng đứng - Đo vị trí xe gịong với vị trí ban đầu - Độ xác cao Động cơ: - Động DC MOTOR 12- 24V - Tốc độ đầu tối thiểu 1200 vịng/ phút - Mơmen tải 2Nm Cơ khí: - Khối lượng tổng thể hệ thống 5kg Khối lượng lắc 1kg Khối lượng xe gòong tối thiểu 1kg Chuyển động lắc: chuyển động quay - Chuyển động xe gòong: chuyển động tịnh tiến Nguồn: - Nguồn động cơ: - 24V DC - Nguồn điều khiển: - 24V DC Điều khiển: - Thời gian ổn định tọa độ vị trí xe gịong (x), góc lệch tính tốn( s - Góc lắc khơng lớn 20 độ (0.35radian) so với phương thẳng đứng - Thời gian tăng x 0.5 giây - Lỗi trạng thái ổn định 2% đói với x Giai đoạn 3: Chuyển đổi liệu định lượng thành liệu định tính giảm chúng thành tuyên bố thiết yếu - Cần lắc hình trụ, rỗng đầu gắn xe gòong - Xe gng có chỗ để lắp cảm biến cần lắc - Cảm biến đo góc lệch lắc vị trí xe gịong - Dẫn động động điện Giai đoạn 4: Trong mức độ định, khái quát lại kết bước trước - Cần lắc gắn cố định đầu xe gòong - Xe gịong có chỗ để lắp cảm biến, cần lắc - Giữ cho phương lắc phương thẳng đứng Giai đoạn 5: Hình thành vấn đề theo thuật ngữ trung lập giải pháp Thiết kế lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến 2.2 Thiết lập cấu trúc chức Chức tổng thể: Xe gịong lắc Điện Tín hiệu điều khiển Xe gòong lắc Cân lắc Cơ Tín hiệu điện Các cấu trúc chức : Phân tích xử lý: Cấu tạo: khối vuông thiết kế lỗ hai bên để tỏa nhiệt chứa vi xử lí điều khiển lắc Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống: START STOP Thu tín hiệu Góc lệch vị trí YES NO Giới hạn hành trình Góc lệch