Khớp nối ở đây ta sử dụng khớp nối mềm (Flexible Coupling)
32
Phần nối có khối lượng nối vào khớp có khối lượng ~ 2 kg, nên trọng lực tác động vào thanh được tính gần đúng vào khoảng 20 N
a) Các lực tác dụng vào khớp nối b) Ứng suất lớn nhất
c) Chuyển vị lớn nhất.
Hình 4.25. Một số Lực tác dụng vào khớp nối
Ứng suất lớn nhất 8.24N/mm2
Chuyển vị lớn nhất : 1.7 mm
4.6 HÌNH ẢNH MƠ HÌNH KHI THIẾT KẾ TRÊN PHẦN MỀM
Trong mơ hình thiết kế trên bao gồm 3 cụm chính:
1. Khung máy 2. Đồ gá remote
33 3. Hộp điều khiển
34
CHƯƠNG 5:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 5.1. Lý thuyết về điều khiển PID
PID là cách viết tắc của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm)
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vịng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính tốn và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Bộ điều khiển PID:
Hình 5.1. Ví dụ điều khiển xe trên đường thẳng
Gọi F là lực do động cơ tạo ra điều khiển xe. Ban đầu xe ở vị trí A, nhiệm vụ đặt ra là điều khiển lực F (một cách tự động) để đẩy xe đến đúng vị trí O với các yêu cầu: chính xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot).
Một điều rất tự nhiên, nếu vị trí hiện tại của xe rất xa vị trí mong muốn (điểm O), hay nói cách khác sai số(error) lớn, chúng ta cần tác động lực F lớn để nhanh chóng đưa xe về O.
- Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID:
35
Khâu p:
- Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ.
- Khâu P được tính dựa trên cơng thức: - Trong đó:
Pout: giá trị ngõ ra KP: hằng số tỉ lệ
e: sai lệch (e = SP – PV)
- Sơ đồ khối của khâu P: - Hàm truyền:
- Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.
-
Hình 5.3. Đáp ứng của khâu P Khâu I: Khâu I:
- Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
- Khâu I được tính theo cơng thức: - Trong đó:
p p
36
IOUT: giá trị ngõ ra khâu I Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV
- Sơ đồ khối khâu I: - Hàm truyền:
- Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập.
Hình 5.4. Đáp ứng quá độ của khâu I và khâu PI Khâu D: Khâu D:
- Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thê m vào giá trị điều khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn.
- Khâu D được tính theo cơng thức: - Trong đó:
DOUT: ngõ ra khâu D
KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV
- Sơ đồ khối khâu D: - Hàm truyền:
- Theo hình dưới, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ P. Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định.
I I. K U(s) 1 G(s) = = = E(s) s T s ( ) ( ) ( ) d U s G s K s E s
37
Hình 5.5. Đáp ứng quá độ của khâu D và khâu PD Tổng hợp 3 khâu-PID: Tổng hợp 3 khâu-PID:
- Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D. - Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
- Sơ đồ khối:
- Đáp ứng của bộ PID:
Hình 5.6. Đáp ứng của khâu P, PI và PID 5.2. Giới thiệu các thiết bị điện tử: 5.2. Giới thiệu các thiết bị điện tử:
5.2.1.Board Arduino Mega 2560:
P I D
de(t)
u(t) = K e(t) + K e(t)dt + K
38
Hình 5.7. Board Arduino Mega 2560.
Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau:
- Cồng USB: đây là loại cồng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng th thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
- Jack nguồn: để chạy Arduino có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V.
- Có 54 chân digital được đánh số thứ tự từ 0 đến 53 (trong đó có 15 chân PWM là 15 chân đầu), 16 chân Analog, 4 UARTs, một thạch anh 16 MHz, một nút reset, 1 chân GND, 1 chân điện áp tham chiếu (AREF).
- Vi điều khiển AVR: đây là bộ vi xử lý trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu arduino khác nhau thì con chip khác nhau. Ở con Arduino Mega2560 này thì sử dụng ATMega 2560.
- Các thơng số chi tiết của Arduino Mega 2560: Bảng 5.1. Các thông số của Arduino Mega 2560.
Vi xử lý: 5v
Điện áp hoạt động: 7-12V Điện áp đầu vào: 6-20V
Chân Digital: 54 (15 chân PWM) Chân Analog: 16
Dòng điện trong mỗi chân Digital 40mA Dòng điện chân nguồn 3.3V 50mA Bộ nhớ trong: 256KB
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Thạch anh 16MHz
39
Các Mega 2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định đo từ 0 đến 5V, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và AnalogRefence.
Các Atmega 2560 có 256 KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và KB của EEPROM.
5.2.2.Mạch cầu H IR2184:
Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "cơng tắc" được mắc theo hình chữ H, các “cơng tắc” thường là Transitor hoặc Fet. Bằng cách điều khiển 4 "cơng tắc" này đóng mở, ta có thể điều khiển được dịng điện qua động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự. Ở đề tài này, sử dụng mạch cầu H-Bridge IR2184 để điều khiển 2 động cơ DC hoạt động cung cấp momen hoạt động cho cơ cấu.
Hình 5.8. Board cầu H IR2184.
Đặc tính kỹ thuật: - Dịng liên tục 30A. - Dòng đỉnh 40A (200 ms). - Điện áp cấp từ +24V.
- Có Led báo nguồn cho mạch. - Có Led báo chiều động cơ. - Bảo vệ ngắn mạch.
- Board được thiết kế nhỏ gọn.
- Dùng ic kích FET chuyên dụng IR2184.
5.2.3. Thiết bị thu và phát để kiểm tra REMOTE TV: 5.2.3.1. Thiết bị phát hồng ngoại: 5.2.3.1. Thiết bị phát hồng ngoại:
40
Hình 5.9. Hình ảnh một chiếc romote.
- Nguyên lý: Gồm một LED phát hồng ngoại các nút nhấn và một board. Khi mỗi một nút trên remote được nhấn thì board sẽ nhận được tín hiệu sau đó mỗi vị trí được nhấn sẽ được mã hóa tương ứng. Sau đó board sẽ phát tín hiệu đi thơng qua LED phát hồng ngoại.
5.2.3.2. Thiết bị thu hồng ngoại:
Hình 5.10. Hình ảnh led thu hồng ngoại
- Sơ đồ nguyên lý:
+ Khối này gồm mắt thu hồng ngoại. + Hình dạng bên ngồi như hình trên. + Cấu tạo bằng bán dẫn có 3 chân:
● Chân OUT: chân đưa tín hiệu ra ngồi. ● Chân GND: Chân nối mass.
● Chân VS: Chân nối nguồn +5V. - Nguyên lý hoạt động:
Khi REMOTE phát tín hiệu hồng ngoại thì mắt thu sẽ nhận được, đưa tín hiệu về chân Arduino.
41
Hình 5.11. PC817
- Nguyên lý: khi cung cấp 5V vào chân số 1, 0V vào chân số 2, xảy ra hiện tượng quang điện dẫn đến 3-4 thông.
- Mục đích: Nếu có sự cố ở phần ứng dụng thì cũng khơng ảnh hưởng đến phần điều khiển.
42
CHƯƠNG 6:
THIẾT KẾ GIAO DIỆN
6.1. Giới thiệu giao diện:
Hình 6.1. Giao diện màn hình chính
- Bao gồm:
+ Nút Manual: Khi nhấn vào sẽ hiện ra giao diện chế độ manual. + Nút Auto: Khi nhấn vào sẽ hiện ra giao diện chế độ auto. + Nút Exit: Thốt chương trình.
Hình 6.2. Giao diện chế độ MANUAL
- Bao gồm: Chế độ MANUAL và AUTO giống nhau:
+ Phần bên trái, để hiển thị trạng thái nút nhấn sau khi test.
+ Ô COM: nhập cổng giao tiếp giữa máy tính và board điều khiển. + Nút RUN: chạy chương trình.
43
+ Nút BACK: lùi về giao diện MAIN. + Nút EXIT: Thốt chương trình.
44
CHƯƠNG 7
THIẾT KẾ LƯU ĐỒ VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Lưu đồ tổng quát của đề tài:
Hình 7.1. Lưu đồ tổng quát của đề tài
Hệ thống hoạt động theo nguyên lý:
Khi có lệnh điều khiển từ giao diện thì board trung tâm sẽ xử lý tín hiệu rồi xuất tín hiệu thơng qua các mạch cơng suất, mạch cách ly để điều khiển các động cơ và xy lanh đến vị trí các nút nhấn của remote và nhấn nút. Sau đó, thiết bị thu tín hiệu remote sẽ truyền tín hiệu về bộ board trung tâm. Cuối cùng, board trung tâm sẽ truyền tín hiệu lên giao diện.
45
7.1. Đọc tín hiệu encoder:
46
7.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển:
7.2.1. Lưu đồ giải thuật điều khiển tổng quát:
47
7.2.2. Lưu đồ điều khiển chế độ MANUAL:
Hình 7.4. Lưu đồ điều khiển chế độ MANUAL 7.2.3. Lưu đồ điều khiển chế độ AUTO: 7.2.3. Lưu đồ điều khiển chế độ AUTO:
48
CHƯƠNG 8
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 8.1. Khảo sát thời gian hoạt động của thiết bị.
Hình 7.1 Hình ảnh thiết bị khi hồn thành
Remote được gá đặt trên bàn máy 1 cách chắc chắn như hình 7.1. bên cạnh mơ hình là hộp điện chứa các bo mạch điều khiển van khí nén và nguồn kết nối với mơ hình thơng qua các giắc cắm. khi hoạt động ở chế độ auto thì thời gian kiểm tra 1 sản phẩm là 2 đến 3 phút
8.2. Khảo sát độ chính xác khi xy lanh nhấn nút
49
Với 2 động cơ điểu khiển vị trí xy lanh tới đúng tâm nút nhấn đảm bảo cảm biến thu tín hiệu 1 cách chính xác khơng bỏ sót 1 nút nhấn nào hay nhấn mà cảm biến khơng thu được tín hiệu
Hình 8.3 Hình ảnh giao diện khi thu tín hiệu từ cảm biến
50
CHƯƠNG 9
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.
Sau khoảng thời gian gần bốn tháng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo với sự nỗ lực của cả nhóm đã có những kết quả như sau:
9.1. Những kết quả đạt được 9.1.1. Về thiết kế cơ khí
- Hồn thành các u cầu về cơ khí đề ra để có thể đảm bảo cho phần điều khiển. - Chế tạo và gá đặt thành cơng remote lên thiết bị để có thể tiến hành kiểm tra. - Điều chỉnh thiết bị gọn, nhẹ và mang tính thẩm mỹ nhất có thể.
9.1.2. Về điều khiển
- Kiểm tra remote với thời gian tương đối ngắn và độ chính xác cao.
- Giao diện dễ hiểu.
- Dễ dàng thao tác trên hộp điều khiển.
9.2. Những hạn chế còn tồn tại.
- Phần khung thiết bị làm hoàn toàn từ mica 5mm nên độ cứng,bền tương đối còn thấp.
- Tốc độ kiểm tra remote tuy nhanh nhưng khó cạnh tranh với các thiết bị bên ngoài thị trường.
- Động cơ đôi khi bị nhiễu khi hoạt động.
9.3 Hướng phát triển đề tài
- Tìm kiếm, sử dụng vật liệu mới để gia cơng chế tạo cơ khí với mục đích tăng. độ cứng và bên của sản phẩm nhưng gọn nhẹ.
- Nâng cao tôc độ kiểm tra remote để có thể canh tranh bên ngồi. - Thêm các cơ cấu cung cấp remote cho thiết.
51
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy Tập một, Nhà Xuất Bản Giáo Dục, Huế, 2006. [2] Nguyễn Thế Hùng, Điều khiển tự động, tài liệu lưu hành nội bộ Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, 2006.
Nguồn khác
[3] http://arduino.vn/
52
PHỤ LỤC BẢN VẼ CHI TIẾT
53
54
55