ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Tìm hiểu mô hình điều khiển chống rung cho cầu trục

cấp điện cho toàn bộ cầu trục - Cabin điều khiển 1.1.3 Nguyên lí hoạt động Điện được truyền tới động cơ điện nhằm chuyển động qua trục truyềnđộng và khối nối rồi tới các hộp giảm tốc..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Tìm hiểu mô hình điều khiển chống rung cho cầu trục

BÙI QUANG MINH

minh.bq181644@sis.hust.edu.vn

Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Trọng Hiếu

Khoa: Tự động hóa

Trường: Điện – Điện tử

HÀ NỘI, 2/2022

Chữ ký của GVHD

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Cầu trục

1.1.1 Khái niệm

Cầu trục (tiếng Anh: overhead crane) là một loại thiết bị đảm bảo các thaotác nâng-hạ-di chuyển hàng hóa trong nhà xưởng Nó rất tiện dụng và có hiệuquả cao trong quá trình bốc xếp hàng hóa, với sức nâng từ 1 đến 500 tấn, vậnhành chủ yếu bằng các động cơ điện nên được dùng rộng rãi trong các nhà máysản xuất công nghiệp

1.1.2 Cấu tạo

Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống cầu trục

Cấu tạo của 1 hệ cầu trục bao gồm những thành phần sau

- Dầm chính ( dầm đơn hoặc dầm đôi)

- Palang, con lợn nâng hạ ( tải trọng theo yêu cầu)

- Động cơ di chuyển cầu trục (Motor)

- Hệ thống đường ray di chuyển ( ray P hoặc ray vuông)

- Dầm biên cho cầu trục

- Bánh xe di chuyển

- Tủ điện

- Hệ điện ngang.( cấp điện cho Palang)

- Hệ điện dọc.( cấp điện cho toàn bộ cầu trục)

- Cabin điều khiển

1.1.3 Nguyên lí hoạt động

Điện được truyền tới động cơ điện nhằm chuyển động qua trục truyềnđộng và khối nối rồi tới các hộp giảm tốc Xong truyền chuyển động tới cho các

bánh xe di chuyển cầu trục như vậy sẽ làm di chuyển toàn bộ dầm chính đượcgắn trến các dầm đầu trục.

Bên cạnh đó xe con chứa bộ phận cơ cấu nâng được lắp đặt trên dầmnhầm di chuyển trên ray trên dầm chính Ngoài ra có phanh làm hãm khi cầnthiết Cabin thì làm nhiệm vụ chuyền hệ thống động cơ điện để hoạt động cầutrục

1.2 Vấn đề chống rung cho cầu trục

Xét một hệ thống cầu trục di chuyển từ vị trí A đến vị trí B theo trục x Để

xe con cầu trục di chuyển ta cung cấp một lực theo phương x, khi đó hệ hànghóa với khối lượng lớn treo bên dưới sẽ bị dao động và những dao động rung lắcnhư vậy sẽ gây nguy hiểm cho con người và hàng hóa

Do vậy để đảm bảo an toàn cho hệ thống thì chúng ta phải hạn chế gócdao động xuống mức nhỏ nhất Phương pháp thông thường, đơn giản nhất để hạnchế góc dao động là cho hệ thống di chuyển chậm, tuy nhiên hiệu suất lại khôngcao Vì thế chúng ta cần phải có những phương án khác hiệu quả hơn cho vấn đềchống rung

Ở đồ án này em sẽ tìm hiểu biện pháp điều khiển xe đến chính xác vị tríbằng bộ điều khiển ADRC đồng thời giảm dao động góc bằng phương pháp “Sửdụng bộ điều khiển ADRC kết hợp bộ lọc định dạng đầu vào dựa trên mô hìnhmẫu” (thông qua việc thu thập dữ liệu đầu ra của hệ thống)

1.3 Nội dung đồ án

- Tìm hiểu mô hình cầu trục, bộ điều khiển ADRC và bộ lọc dựa trên môhình mẫu

- Mô phỏng cầu trục với bộ điều khiển và bộ lọc

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CẦU TRỤC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ADRC

2.1 Mô hình lý thuyết cầu trục

Hình 2.1 Mô hình cầu trục

Hình vẽ trên là minh họa cho mô hình cầu trục, bao gồm một vật nặng đượctreo vào 1 xe đẩy qua 1 dây cáp

Các đại lượng vật lý

- � là vị trí của xe đẩy theo phương X

- � là chiều dài của cáp treo

- θ là góc dao động của tải

- � � là khối lượng xe đẩy

- �� là khối lượng tải

- là lực cản tác động vào chuyển động xe đẩy

- là lực cản tác động vào chuyển động con lắc

Để đơn giản bài toán ta coi cả xe đẩy và tải là khối lượng của một điểm vàtác động của nhiễu được bỏ qua trong báo cáo này Ta có vector vị trí tải trọng và

xe đẩy trong hệ tọa độ XY được mô tả như sau:

mẽ chống lại các biến động cho đối tượng thực tế, do đó gián tiếp giúp đơn giảnhoá mô hình.

Hình 2.2 Mô hình tổng quát ADRC

Do hệ phương trình mô tả cầu trục có dạng như (2.1) và (2.2) Ta xét khâudao động bậc 2

- f(t) : nhiễu tổng quát

Một bộ quan sát mở rộng ESO được xây dựng cung cấp giá trị để bù lạitác động của trên mô hình bằng phương pháp loại bỏ nhiễu

Luật điều khiển được xây dựng như sau:

Nhiệm vụ là ta phải thiết kế L sao cho L(y-C) � 0

Ta viết lại như sau:

(2.7)

- Áp dụng luật điều khiển (2.5) với và ;

- Biến đổi Laplace ta thu được

- Từ đó ta thiết kế được ADRC

Hình 2.3 Mô hình ADRC cho hệ bậc 2

2.2.2 Tính toán thiết kế:

Để hệ ổn định, điểm cực phải nằm ở bên trái trục ảo Để đơn giản ta sẽcho 2 điểm cực trùng nhau; hàm truyền mong muốn có dạng:, với là điểm cựccủa hệ Khi đó KP, KD, sCL được tính theo công thức:

Đáp ứng của bộ quan sát phải đủ nhanh, nên điểm cực của bộ quan sátphải nằm bên trái của điểm cực vòng kín sCL Chọn:

 Ta có được mô hình cầu trục trong matlab

Hình 2.4 Mô hình cầu trục matlab

 Bộ ADRC

Hình 2.5 Mô hình cầu trục kết hợp ADRC matlab

Hình 2.7 Cấu trúc ADRC kết hợp bộ lọc

Phương pháp sử dụng bộ lọc dựa trên đầu ra của hệ thống là một phươngpháp thiết kế bộ lọc nhằm giảm thiểu sự khác biệt giữa đầu vào hệ thống và môhình tham chiếu Bằng cách giảm sự sai lệch giữa đầu ra, bộ lọc đầu vào đảm bảorằng hệ thống thực tế đáp ứng theo kết quả tham chiếu

Hình 2.8 Cấu trúc bộ lọc

(2.10)

Khi đó G(s), vì vậy các hệ số ξm , ,ωm có thể được chọn thích hợp cho bộ

lọc Khi ξm , ,ωm được chọn, bộ lọc được viết lại như sau:

Ta có thể viết lại hàm truyền mong muốn dưới dạng tổng các hàm:

(2.13)

(2.14)Với n=2l

Bộ lọc có thể viết lại như sau:

(2.15)Trong đó:

Do , nên là kết quả đáp ứng bước nhảy của

Đặt đáp ứng bước nhảy của là Khi đó có thể đạt được thông qua trước khi

được biết

Vì yi (t) là thành phần của y(t) , nên:

(2.19)Biểu thức trên được thể hiện qua hình vẽ bên dưới:

Hình 2.9 Đầu ra

2.2.2 Thiết kế bộ lọc

Dải tích phân của sai lệch tĩnh được xác định từ t = 0 đến t =∞ , nhưng trongthực tế, dải tích phân có thể tính cho 1 chu kỳ nhất định:

(2.20)Thay , ta được:

(2.21)Theo phương pháp bình phương nhỏ nhất, điều kiện cần và đủ để E nhỏ nhất là:

(2.22)

Do đó:

(2.23)Định nghĩa:

(2.24)Tương tự, ta định nghĩa:

(2.25)Thay các giá trị trên vào ta có phương trình như sau:

(2.26)Thực tế các giá trị và được biến đổi về dạng:

(2.27)

(2.28)Trong đó ∆t là chu kỳ trích mẫu và N=T/∆t, và là các giá trị được lấy mẫu Sau

khi các giá trị và được tính toán thì dựa vào công thức (2.26) ta sẽ tính toánđược thông số của bộ lọc

Đối với mô hình cầu trục, do đối tượng tham chiếu có dạng bậc hai, do đó đềxuất chọn hàm truyền mong muốn có dạng:

(2.29)Với và

Khi đó, bộ lọc có dạng:

(2.30)

Để vị trí của xe đẩy sẽ bám sát vị trí tham chiếu thì

Tính toán trong matlab

Từ đây ta tính ra được các hệ số:

Với

Tính toán trong matlab

Tính toán trong matlab

Từ đây ta tính ra được các hệ số:

3.2 ADRC không bộ lọc

Hình 2.12 ADRC không bộ lọc

Xét tín hiệu đầu vào:

Ta có:

=>

Thời gian xác lập 2% là khoảng thời gian để đầu ra y(t) đạt 98% giá trị đặt

: thời gian xác lập (tính toán)

: thời gian đặt mong muốn

Khi chưa có bộ lọc :

Giải phương trình trên ta được

Hình 0.2 Mô hình ADRC không bộ lọc trong matlab

3.4 Kết quả

Nhận xét:

Đáp ứng vị trí:

- Với mô hình ADRC không có bộ lọc, thời gian xác lập =3.95s

- Với mô hình ADRC wf=2, thời gian xác lập

- Với mô hình ADRC wf=4, thời gian xác lập

- Với mô hình ADRC wf=7, thời gian xác lập

mp=1.5 kg

Thay đổi chiều dài dâyL=0.5m

L=0.8m

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CẦU TRỤC

3.1 Hệ thống

Mô hình cầu trục thực nghiệm trên bao gồm 3 thành phần chính:

- Mô hình cầu trục

- Tủ điện điều khiển

- Bộ điều khiển NI-myRIO và phần mềm lập trình labVIEW

 Mô hình cầu trục

- Có 1 động cơ điều khiển tịnh tiến theo trục x

Động cơ servo được sử dụng là động cơ Mitsubishi HG-KN23J-S100 với tốc độ quay 3000 vòng/phút và encoder có độ phân giải 131072 xung/vòng

Đi kèm với động cơ là 1 bộ driver Mitsubishi MR-JE-20A để chọn chế độ điều khiển và cấp điện áp để điều khiển động cơ

Trong bài tập này, em sử dụng chế độ điều khiển vận tốc

Cơ cấu đo góc lệch sử dụng biến trở

Một vật nặng (tải) được gắn vào xe đẩy

 Tủ điện điều khiển

Bao gồm driver, các thiết bị đóng cắt, đèn báo, nút khởi động, nút dừng khẩn cấp và nút điều khiển chiều quay động cơ

 Bộ điều khiển NI-myRIO 1900

NI-myRIO là một nền tảng lập trình do National Instruments sản xuất vàphát hành MyRIO là một nền tảng phần cứng bao gồm bộ vi xử lý 2 nhân ARM667Mhz, FPGA, …, Cùng các ngõ giao tiếp ngoài như Analog In, I2C, PWM,SPI, UART, ngõ ra tương tự, ngõ âm thanh, … Ngoài ra, myRIO còn được tíchhợp sẵn gia tốc kế 3 trục, Wi-fi

7 Cổng Mini System Port (MSP) (Port C)

8 Cáp vào/ra cổng âm thanh

9 Nút Reset

Sử dụng Port C để điều khiển servo tịnh tiến

Chân Loại tín hiệu Mô tả

+15V/-15V Output Nguồn ngõ ra +15 V/-15 V

AI0+/AI0-;

AI1+/AI1- Input Ngõ vào tương tự vi sai ±10 V.

AO <0 1> Output Ngõ ra tương tự vi sai ±10 V

+15 V/-15 V và tương tự vào/tương

tự ra

DIO <0 7> Input or

Output Ngõ vào/ Ngõ ra số Ngõ ra 3.3 V,ngõ vào 3.3 V/5 V

ngõ ra số +5 V và +3.3 V

 Phần mềm lập trình labVIEW

LabVIEW là viết tắt của Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench) là một môi trường phát triển chương trình, rất giống môi trường pháttriển C hay Basic và National Instrument Lab Windows/CVI LabVIEW khác vớicác ứng dụng đó ở một điểm rất quan trọng Hệ thống lập trình khác sử dụngngôn ngữ text-based để tạo các dòng mã lệnh, trong khi LabVIEW sử dụng ngônngữ lập trình đồ họa G để tạo ra các chương trình dưới dạng sơ đồ khối

Bởi vì chương trình LabVIEW mô phỏng giao diện và hoạt động của cácthiết bị thực, chẳng hạn như dao động ký và thiết bị đo đa năng, chương trìnhLabVIEW được gọi là thiết bị ảo (Virtual Instrument), thường gọi tắt là VI VI cóFront Panel và Block Diagram Trong đó, Front Panel là giao diện giám sát chứacác khối điều khiển (Control) hay các khối hiển thị (Indicator) ở dạng số hoặc đồthị Còn Block Diagram là giao diện lập trình chính thực hiện các tính toán củatoàn bộ chương trình bao gồm các khối hàm và dây nối tương tự MatlabSimulink.

Nhận dạng hàm truyền

Nhận dạng hàm truyền giữa điện áp và vị trí xe đẩy

Đối tượng nhận dạng trong đồ án này là hàm truyền giữa điện áp điều khiển và vịtrí của xe đẩy Để có thể xác định được hàm truyền giữa điện áp điều khiển và vịtrí thì ta dựa trên hàm truyền giữa điện áp và tốc độ của xe đẩy

Trong báo cáo này em sử dụng đồ thị đáp ứng của đối tượng tương ứng với 1điện áp đặt trước, từ đó có thể xấp xỉ hàm truyền thành mô hình quán tính bậcnhất

Trong đó:

- K: hệ số khuếch đại tĩnh của đối tượng

- T: hằng số thời gian

- Y(s): tốc độ của động cơ, bằng đạo hàm giá trị của vị trí tại thời điểm đó

- U(s): điện áp cấp vào driver điều khiển động cơ

Từ đó hàm truyền giữa điện áp điều khiển và vị trí xe đẩy sẽ có dạng:

Trong đó:

- Y(s): vị trí của xe đẩy

- U(s): điện áp cấp vào driver điều khiển động cơ

Ta chạy thử với điện áp 8V và xuất ra 1 file excel , sau đó đưa vào matlab đểnhận dạng

Qua việc thực hiện các bước nhận dạng ta thu được hàm truyền giữa điện áp

và tốc độ động cơ là một khâu quán tính bậc nhất:

Từ đó ta thu được hàm truyền giữa điện áp và vị trí xe đẩy: