Thiết kế con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ CHỦ ĐỀ: THIẾT KẾ CON LẮC NGƢỢC BẬC TỰ DO KIỂU TỊNH TIẾN Giảng viên hƣớng dẫn : TS Nguyễn Văn Trƣờng Sinh viên thực : Nguyễn Văn Hà - 2018604897 Trịnh Văn Hiệp – 2018604648 Đào Xuân Hảo – 2018604613 Lớp :ĐH CƠ ĐIỆN TỬ – K13 Hà Nội: 2021 Mục lục Mục lục .2 Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu LỜI NÓI ĐẦU Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 1.1 Nhu cầu thị trường 1.2 Nhu cầu thực tế .8 1.3 Giới thiệu mơ hình hệ thống lắc ngược 1.4 Tổng quan nghiên cứu 13 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước 13 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 14 1.5 Mục tiêu 15 1.6 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 15 Nội dung 2: Thiết kế sơ .18 2.1 Xác định vấn đề 18 2.2 Thiết lập cấu trúc chức 19 2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 21 2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc 23 Nội dung 3: Thiết kế cụ thể 24 3.1 Xây dựng mơ hình lắc ngược 24 3.1.1 Phần điện 27 3.1.2 Phần công suất 28 3.2 Tích hợp hệ thống 31 3.3 Phác thảo sản phẩm .33 Kết đề tài đạt 34 Tài liệu tham khảo 34 Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Con lắc ngược tịnh tiến 11 Hình 1.2: Một số hình ảnh phần cứng lắc ngược .11 Hình 1.3:Hình ảnh khí lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến 12 Hình 1.4: Xe lắc ngược .12 Hình 1.5:Mơ hình thực nghiệm cân lắc ngược dùng điều khiển chiếu 14 Hình 1.6: Mơ hình cân lắc ngược dùng điều khiển LQR .14 Hình 1.7: Mơ hình cân lắc ngược dùng xử lí ảnh 15 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 3.1: Mơ hình thực tế lắc ngược 24 Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mơ hình hệ lắc ngược .25 Hình 3.4 Khung khí hệ lắc ngược .26 Hình 3.3: Board điều khiển TMDSF28335 .27 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 28 Hình 3.5; Mạch cầu H cho động 29 Hình 3.6: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy chip DSP 30 Hình 3.7: Mơ hình mơ 3D hệ lắc ngược 33 Danh mục bảng biểu Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng xe tự cân thành phố HCM .9 Bảng 1.2: Danh sách yêu cầu 17 Bảng 2.1: Các vấn đề 18 Bảng 2.2: Phát triển cấu trúc làm việc .21 Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc 23 Bảng 3.1: Check list cho thiết kế cụ thể 31 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6061.1 Khóa: 13 Tên nhóm: N12 Họ tên thành viên : Nguyễn Văn Hà _2018604897 Trịnh Văn Hiệp – 2018604648 Đào Xuân Hảo _2018604613 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế 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 cơng 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 TS Nguyễn Văn Trƣờng LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mô hình phù hợp để kiểm tra thuật tốn điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống simo (single input multi output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình toán học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý tưởng cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mô hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao cơng suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống,… Thực đề tài “thiết kế mơ hình cân lắc ngược” cần thiết cho vấn đề giảng dạy nghiên cứu thời điểm Vì mơ hình điển hình cần phải có trường đại học, cao đẳng theo hướng chuyên ngành kỹ thuật việt nam, ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, điện tử… việc xây dựng mơ hình giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với giải thuật điều khiển lý thuyết, sở nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên Để báo cáo hồn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy khoa nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em Hà Nội , ngày … tháng … năm …… Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 1.1 Nhu cầu thị trƣờng - Việt Nam q trình Cơng nghiệp hố đại hố, nhu cầu áp dụng sản phẩm điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp tang suất hạ giá thành sản phẩm Song song với trình phát triển yêu cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc mơitrường khắc nghiệt thời gian dài Vì việc thiết kế phát triển hệ thống điện tử đáp ứng nhu cầu cần thiết Mơ hình lắc ngược hệ thống điện tử lý tưởng cho việc ứng dụng thuật toán điều khiển đại kỹ thuật điều khiển máy tính Ngồi có hệ thống lắc ngược sở để xây dựng hệ thống tự cân bằng: xe bánh tự cân bằng, điều khiển cân phóng tàu vũ trụ, hệ giàn khoan cân biển, v v Như lắc ngược sản phẩm điện tử có ý nghĩa quan trọng học tập đời sống Mơ hình lắc ngược sản phẩm, thiết bị sinh viên kỹ thuật, người đam mê khoa học kỹ thuật, - Qua nhóm hướng đến nhóm khách hàng tiềm để phát triển dựu án : - Đối tượng khách hàng : + Giảng viên, sinh viên ngành kỹ thuật + Người đam mê khoa học công nghệ 1.2 Nhu cầu thực tế - Trong giáo dục: mơ hình lắc ngược mơ hình giúp kiểm tra lý thuyết, phương pháp điều khiển cách hiệu - Trong thực tiễn: Các hệ thống tự cân sử dụng rộng dãi + Xe hai bánh tự cân xe đưa bạn đến nơi nhà, công viên, đường phố…cực ngầu cá tính Kích thước nhỏ gọn xe bật, với chiều dài khoảng từ vai trái đến vai phải người xe di chuyển linh hoạt nơi có diện tích nhỏ hẹp Đây phương tiện di chuyển tuyệt vời thành phố lớn,cũng thành phố nhỏ hẹp bận rộn - Nhu cầu sử dụng xe tự cân Thành phố Hồ Chí Minh từ năm 20102020 Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng xe tự cân thành phố HCM Nhu cầu sử dụng xe tự cân thành phố HCM 400 350 300 Số xe 250 200 150 100 50 2010 2012 2014 2016 2018 2020 1.3 Giới thiệu mơ hình hệ thống lắc ngƣợc - Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mơ hình phù hợp để kiểm tra thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình tốn học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý trường cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mơ hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống,… Thực chủ đề “ thiết kế lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến” cần thiết cho vấn đề giảng dạy nghiên cứu trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội thời điểm Vì mơ hình điển hình cần phải có trường Đại học, Cao đẳng theo hướng chuyên ngành kỹ thuật Việt Nam, ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, điện tử… Việc xây dựng mơ hình giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với giải thuật điều khiển lý thuyết, sở nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường - Hệ thống lắc ngược nghiên cứu gồm số loại sau: lắc ngược đơn, lắc ngược quay, lắc ngược kiểu tịnh tiến, hệ xe lắc ngược, lắc ngược 2, bậc tự do,… 10 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 20 2.3 Phát triển cấu trúc làm việc Bảng 2.2: Phát triển cấu trúc làm việc content STT CN Kích thước Chiều dài lắc : Chiều dài lắc : Chiều dài lắc 0.5m 0.4m : 0.5m Chiều dài cố Thanh cố định: dạng Thanh cố định định 0.75 m , hình hình chữ L ( 0.2x0.3 dạng hình chữ L trụ m) ( 0.3x0.4m) Bệ đỡ (giá gá động Giá gá động cơ: cao Giá gá động cơ: cơ) 0.75x0.2x 0.01 có 0.2 m cao 0.2 m Bệ đỡ dạng Bệ đỡ: 0.4x0.4m dày 0.04m 0.4x0.4x0.04m kg kg Con lắc, cố Con lắc, cố Con lắc, cố định: nhôm định: nhôm định nhôm Bệ đỡ : nhôm nguyên khối Bệ đỡ : gang Bệ đỡ : gỗ chân cao 0.6m Trọng kg lượng Vật liệu Nguồn Sử dụng chuyển Sử dụng chuyển Nguồn tổ ong đổi 220v thành 12v đổi 220v thành 12v Công suất Động DC công Motor DC công suất Động DC suất 10w 8w công suất 8w động 21 Tốc dộ 1200 RPM 1100 RPM 1000 RPM 5v 5V 5V Sử dụng điều Sử dụng điều Sử dụng điều khiển PID khiển PID khiển PID quay động Điện áp cung cấp cho cảm biến góc quay Thuật tốn điều khiển 22 2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc Giải pháp Yêu cầu Kích thước 1 Nhỏ nhẹ, phù hợp, chắn Bệ đỡ 1 Chắc chắn, cách điện, đảm bảo tính ổn định lắc hoạt động Con lắc 1 Thẳng dài, trọng lượng vừa phải Motor 1 Tốc độ quay ổn định Vi điều khiển 1 Tính tốn xác, nhanh nhạy Encoder 1 Đo góc xác, giá thành rẻ Nguồn 1 Phù hợp với công suất tiêu thụ mạch Tổng Xếp hạng Như ta lựa chọn cấu trúc để làm việc 23 Nội dung 3: Thiết kế cụ thể 3.1 Xây dựng mơ hình lắc ngƣợc - Mơ hình hệ thống lắc ngựợc gồm hai phần: xe lắc gắn vào động DC kết hợp với encoder đo vị trí giúp xe di chuyển lắc (pendulum) gắn vào trục encoder vng góc với mặt phẳng ngang giúp xác định góc lệch lắc Bài tốn đặt điều khiển vị trí tốc độ xe để giữ cho lắc cân vị trí thẳng đứng Trong đó, encoder dùng để đọc tín hiệu vị trí xe góc lắc nhằm trả điều khiển trung tâm boad DSP, từ boad DSP điều khiển mạch cầu H xuất tín hiệu điều khiển động nhằm giúp cho lắc ln vị trí cân Hệ thống lắc ngựợc thực tế thi công hình 3.1 Hình 3.1: Mơ hình thực tế lắc ngược 24 Phần khí lắc ngược thiết kế dựa vẽ hình 3.2: Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mơ hình hệ lắc ngược 25 Phần khí - Hệ lắc ngược xây dựng bao gồm: Con lắc nhơm dạng trụ trịn, dài 0.5m, khối lượng tương đương 100g gắn vng góc với trục encoder (đo phân giải 2000 xung/vịng) để xác định góc lệch Động truyền động động DC MOTOR 8w, tốc độ sau hộp số khoảng 1200 vịng/phút, mơment kéo tải khoảng 2Nm Động có gắn kèm encoder (đo phân giải 500 xung/vòng) đồng trục với động dùng để đo vị trí xe dịch chuyển Thanh dẫn hướng ray trượt bi gối đỡ inox, đường kính Φ16mm, dài 40 cm Đế mơ hình lắc chất liệu nhôm nguyên khối để cố định chống rung lắc cho hệ thống có trọng lượng tương đương kg Hình 3.4 Khung khí hệ lắc ngược 26 3.1.1 Phần điện a.Bộ điều khiển - Mô hình điều khiển Board DSP TMDS320F28335 hãng Texas Instrument Board có cổng kết nối với máy tính thơng qua cổng USB Hình 2.5 Board điều khiển TMDSF28335 Hình 3.3: Board điều khiển TMDSF28335 - Thơng số kỹ thuật chip DSP TMS320F28335: + Hiệu suất tĩnh với công nghệ CMOS:  Tần số 150MHz (chu kỳ 6,67 ns)  Nguồn áp 1,8 V đến 1,9 V, chân I/O có điện áp 3,3V + kênh điều khiển DMA (ADC, McBSP, ePWM, XINTF SARAM) + Bộ nhớ: 256K x 16 Flash, 34K x 16 SARAM; 1K x 16 OPT ROM + 64 chân vào ra: từ GPIO0 đến GPIO63 + Hỗ trợ ngoại vi:  18 ngõ PWM  ngõ HRPWM với độ phân giải 150 ps MEP  ngõ vào kiện  ngõ vào đọc Encoder 1: Con lắc (Pendulum) + Các Port ngoại vi nối tiếp:  module CAN  module SCI (UART)  module McBSP 27  module SPI  bus I2C + 16 kênh ADC 12 bit  Tỉ số chuyển đổi 80 ns  2x8 kênh trộn ngõ vào 3.1.2 Phần công suất - Việc điều khiển điện áp cấp cho động thực cách phát xung PWM từ card DSP Bằng việc thay đổi độ rộng xung PWM, giá trị điện áp trung bình đặt lên đối tượng điều khiển thay đổi theo Tín hiệu xung PWM thông qua mạch công suất điều khiển động mạch cầu H Nguyên lý mạch cầu H mơ tả hình 2.6, giả sử, Q3 Q2 đóng (Q1 Q4 ngắt) động quay theo chiều thuận Q1 Q4 đóng (Q2 Q3 ngắt) động quay theo chiều ngược lại Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H - Mạch cầu H chịu dòng 10A điều xung 95% Có ngõ vào điều xung PWM ngõ vào chọn chiều quay động 28 Hình 3.5; Mạch cầu H cho động Phần chương trình - Chương trình điều khiển viết phần mềm Matlab/Simulink, tận dụng hàm hỗ trợ lập trình DSP có sẵn Matlab liên kết với CCS để nạp cho card DSP Việc lập trình thơng qua Matlab có ưu điểm đơn giản, thân thiện dễ hiểu, người dùng kiểm tra hiệu chỉnh cách dễ dàng Target For TI C2000 cho phép người dùng xây dựng mơ hình hệ thống thuật tốn điều khiển mơi trường Matlab thơng qua việc sử dụng khối tính tốn khối ngoại vi thư viện Simulink sau Link với Code Composer Studio để biên dịch nạp cho chip điều khiển Code Composer Studio công cụ sử dụng để phát triển gở lỗi cho ứng dụng hệ thống nhúng Nó bao gồm trình biên dịch cho tất dịng sản phẩm TI, trình biên soạn mã code, môi trường xây dựng project, công cụ sửa lỗi, cơng cụ mơ số tính khác CCS IDE cung cấp giao diện đơn lẻ cho người sử dụng cho phép bạn bước phát triển cải thiện ứng dụng Các công cụ liên quan giao diện cho phép người sử dụng làm quen bắt đầu nhanh 29 Hình 3.6: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy chip DSP 30 3.2 Tích hợp hệ thống Bảng 3.1: Check list cho thiết kế cụ thể Mức độ đánh giá Tốt Chức Khung, giá đỡ: đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định Vi xử lý: đảm bảo nhu cầu xử lý tín hiệu Encoder: Độ xác độ nhạy cao Motor: Hoạt động ổn định, Mạch cầu H Chức phụ Nguồn 12v: cung cấp điện áp cho hệ thống Ngun tắc làm Đo vị trí góc quay điểu chỉnh vị trí việc lắc Tính ổn đinh Tín hiệu góc quay từ cảm biến đên vi điều khiển xử lý tín hiệu điều chỉnh góc quay Bố cục tổng thể Độ bền cho phép : chịu tải trọng 20N Độ cứng : 0.2- 0.25N/mm2 Độ biến dạng cho phép : 45Mpa An toàn Phần giá, bệ đỡ đảm bảo cách điện Không gian làm việc hệ thống Công thái học Yếu tố gây nguy hiểm đến người dùng nhiệt điện, góc cạnh nhọn bo lại… Hình dạng, kiểu dáng, màu sắc ưa nhìn Vị trí xếp độ chắn liên kết hệ thống Sản xuất Giá thành Vật liệu sử dụng hệ kiểm soát chất thống lượng Kiểm tra định kỳ trình vận hành để đảm bảo chất lượng sản phẩm Các thiết bị có hoạt động 31 Lắp ráp vận chuyển Vận hành bồi dưỡng Tái chế Chi phí Lịch trình Lắp ráp đơn giản,chặt chẽ,gọn gàng Đảm bảo an toàn bảo mật vận chuyển, có sử dụng vật liệu chống va đập để giữ cho sản phẩm không bị hư hại Hệ thống hoạt động dễ dàng Bảo dưỡng định kỳ hệ thống(bộ phận xử lý tín hiệu, phận truyền động Sử dụng nhựa PE có khả tái chế Mạch vi xử lý motor có khả tái chế Chi phí thiết kế, sản xuất, lắp ráp, vận chuyển… nằm nguồn kinh phí cho phép Có phát sinh thêm chi phí phụ q trình sản xuất kiểm soát Thời gian thiết kế sản xuất thiết kế đảm bảo tiến độ 32 3.3 Phác thảo sản phẩm Hình 3.7: Mơ hình mơ 3D hệ lắc ngược 33 Kết luận Kết đề tài đạt đƣợc - Qua trình nghiên cứu thực đề tài số kết sau: nhóm xây dựng thành cơng mơ hình lắc ngược đơn hoạt động ổn định, thẫm mỹ áp dụng mơ hình lắc ngược cho kết mơ tốt Matlab Nhóm nghiên cứu tìm hiểu học tập sơ lắc ngược ứng dụng thực tiễn Đề tài “Thiết kế mơ hình cân lắc ngược” hỗ trợ đắc lực trình giảng dạy, học tập nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Việc áp dụng mơ hình lắc ngược giúp người học kiểm chứng lại giải thuật Tuy nhiên, nhiều điều khiển khách quan chủ quan nên đề tài chưa ứng dụng cộng nghệ xử lí ảnh vào q trình điều khiển hệ lắc ngược Tài liệu tham khảo - Hà, N T (2012) Lý thuyết điều khiển đại NXB ĐH Quốc Gia TP Hồ Chí Minh - Hồng, H T (2006) Hệ thống điều khiển thông minh NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh - Ngơn, N C (2008) Tối ưu hóa điều khiển PID giải thuật di truyền TP Hồ Chí Minh 34 ... Hình 1. 1: Con lắc ngược tịnh tiến 11 Hình 1. 2: Một số hình ảnh phần cứng lắc ngược .11 Hình 1. 3:Hình ảnh khí lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến 12 Hình 1. 4: Xe lắc ngược .12 ... thống lắc ngược nghiên cứu gồm số loại sau: lắc ngược đơn, lắc ngược quay, lắc ngược kiểu tịnh tiến, hệ xe lắc ngược, lắc ngược 2, bậc tự do, … 10 Hình 1. 1: Con lắc ngược tịnh tiến Hình 1. 2: Một... cứng lắc ngược - Với tập lớn lần này, tìm hiểu thiết kế sản phẩm điện tử lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến 11 Hình 1. 3:Hình ảnh khí lắc ngược bậc tự kiểu tịnh tiến - Mô tả qua nguyên lý hoạt động lắc