THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NÂNG CAO đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục 2

các thiết bị này cho phépkhắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó và đáp ứngđược yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất.. Với nhu cầu thực tế đó, c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO PROJECT BASE LEARNING 2:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO

Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục

LỜI NÓI ĐẦU

Trong suốt quá trình thực hiện Đồ án, mặc dù gặp phải nhiều khó khăn nhưng được sự giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ quý Thầy Cô và các bạn nên Đồ án đã hoàn thành đúng tiến độ Em xin chân thành cảm

ơn thầy Nguyễn Hoàng Mai đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kinh

nghiệm quý báu.

Nhóm chúng em cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm lớp học phần 19.34 đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, cũng như động viên khích lệ giúp em hoàn thành tốt đề tài.

Mặc dù nhóm thực hiện đã cố gắng hoàn thiện được đồ án, nhưng trong quá trình soạn thảo cũng như kiến thức còn hạn chế nên có thể còn nhiều thiếu sót Nhóm thực hiện mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên.

Sau cùng nhóm thực hiện xin chúc Thầy cô sức khoẻ, thành công và tiếp tục đào tạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc các bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao các Thầy Cô đã giảng dạy Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.

Trân trọng!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ ĐK CẦU TRỤC 6

I Sơ lược đề tài 6

1 Khái niệm cầu trục 6

2 Các đặc điểm của cầu trục 6

3 Bản vẽ chi tiết 6

4 Các thành phần chính 7

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 13

1 Định nghĩa các tọa độ tổng quát 13

2 Mô hình động của một cần trục ba chiều 14

CHƯƠNG 3: CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 16

1 PID: 16

2 Fuzzy: 16

3 ANN: 16

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH 17

I Python code: 17

II Arduino: 17

III Kết hợp Arduino và xử lý ảnh điều khiển động cơ tránh vật cản theo màu: 17

HÌNH ẢNH

Hình 1: Bản vẽ 3D cẩu trục 7

Hình 2: Bản vẽ 3D cẩu trục 8

Hình 3: Động cơ bước 8

Hình 4: Cảm biến vật cản hồng ngoại 9

Hình 5: Bánh xe cho cẩu trục 9

Hình 6: Kích thước nhôm định hình 10

Hình 7: Nhôm định hình 10

Hình 8: Dây Curoa 10

Hình 9: Buly thép 11

Hình 10: Động cơ ecoder 11

Hình 11: Hệ tọa độ của cần trục ba chiều 14

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máytính đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số như CNC, PLC các thiết bị này cho phépkhắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó và đáp ứngđược yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất Với sự phát triển của khoa họccông nghệ như hiện nay thì việc ứng dụng thiết bị logic khả trình PLC để tự động hoáquá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng xuất lao động, giảm sức người, nâng caochất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao

Thế kỉ 21 đã mở ra một kỉ nguyên mới cho đất nước ta Kỉ nguyên công nghiệphóa hiện đại hóa Hàng loạt những nhà máy, công xưởng được xây dựng và lắp rápcùng với các dây chuyền công nghệ máy móc hiện đại được lắp đặt với khối lượng rấtlớn Mặt khác công tác sửa chữa khắc phục những máy móc cũ sau một thời gian dài

sử dụng cũng được đẩy nhanh Tất cả các cộng việc xây dựng, lắp ráp và sửa chữa đókhông thể vắng các máy nâng chuyển Cầu trục là một thiết bị quan trọng trong cácthiết bị nâng đó Đặc biệt trong các nhà kho, nhà máy cầu trục trở thành thiết bị quantrọng và rất cần thiết Cầu trục được sử dụng rộng rãi để xếp dỡ hàng hoá trong cácnhà kho trong các nhà máy xí nghiệp sữa chữa lắp ráp và chế tạo

Với nhu cầu thực tế đó, các thầy ở bộ môn Tự Động hóa của trường Đại HọcBách Khoa Đà Nẵng đã đề ra mô hình tìm hiểu Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển của hệ cầu trục, đề xuấtcác giải pháp điều khiển chống lắc và di chuyển hàng hoá chính xác nhằm nâng caochất lượng làm việc của cầu trục, có khả năng áp dụng trong thiết kế, chế tạo hoặc cảitiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng trong công nghiệp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Họ cầu trục trong các nhà máy cơ khí dẫn động bằng động cơ điện yêu cầulàm việc ở chế độ tự động với quy trình nâng hạ hàng hóa được định sẵn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Trên cơ sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình động lực học chuyển độngcủa tháp cầu trục trong các trường hợp làm việc dưới dạng các hệ phương trình

vi phân chuyển động

- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID cho cầu trục

và thiết kế bộ điều khiển PID bằng các phương pháp chỉnh định trên cơ sở giảithuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền và giải 2 thuật tối ưu bầy đàn

- Mô phỏng các kết quả tính toán trên phần mềm MATLABSIMULINK

- Tiến hành thử nghiệm và so sánh kết quả tính toán, mô phỏng giữa các trườnghợp có và không có hệ thống điều khiển để kiểm chứng các kết quả lý thuyết

5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Khảo sát tính chất động lực học của cầu trục.

- Xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục dựa trên bộ điều khiển PID

- Tối ưu hóa các thông số bộ điều khiển PID bằng các giải thuật tối ưu Mead (NM), giải thuật di truyền (GA) và giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO)

Nelder-6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Xây dựng được hệ phương trình vi phân chuyển động của cầu trục mô tả quan

hệ cơ- điện

- Tìm được bộ thông số tối ưu cho bộ điều khiển PD và PID dựa trên các giảithuật GA và PSO

- Mô phỏng số được các trường hợp chuyển động của cầu trục trên phần mềm

- Xây dựng được cầu trục mẫu để kiểm chứng kết quả khi không có điều khiển vàkhi có bộ điều khiển được đề xuất

- Kết quả của Luận án là tiền đề quan trọng để áp dụng vào thực tiễn

7 Những đóng góp mới của luận án

- Đã mô hình hóa hệ động lực học cầu trục, bao gồm cả mô hình cơ học và môhình cơ điện ở tất cả các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục

- Đề xuất được cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng bộ điềukhiển PID nhằm điều khiển chính xác vị trị làm việc và chống lắc

- Bằng các giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền và giải thuật tối ưubầy đàn, đã xây dựng thuật toán và tính toán tối ưu tham số của các bộ điềukhiển PID nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục

- Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục mẫu và tiến hành thử nghiệm, kết quả thửnghiệm sơ bộ có thể đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của cấu trúc hệ thốngđiều khiển cầu trục đề xuất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ ĐK CẦU TRỤC

I Sơ lược đề tài

1 Khái niệm cầu trục

Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên hai đường ray cốđịnh trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật trong khoảng không(khẩu độ) giữa hai đường ray đó

2 Các đặc điểm của cầu trục

a) Các yêu cầu kỹ thuật cầu trục

Với đặc điểm là máy nâng chuyển đa dụng, cầu trục cần đáp ứng được các yêu cầuchính sau: Bảo đảm tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức; Có khả năng thay đổitốc độ trong phạm vi rộng; Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ; Có trị số hiệu suấtcos cao; Đảm bảo an toàn hàng hoá; Điều khiển tiện lợi và đơn giản; Ổn định nhiệt

cơ và điện; Tính kinh tế và kỹ thuật cao

b) Phạm vi ứng dụng

Cầu trục có phạm vi hoạt động rộng, lại được bố trí trên cao không chiếmnhiều mặt bằng công nghệ nên được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà máy, phânxưởng, nhà kho để nâng hạ hàng hóa với lưu lượng lớn

3 Bản vẽ chi tiết

Hình 1: Bản vẽ 3D cẩu trục

- Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không

đỡ bị lỏng khi hoạt động

- Cường độ định mức 1.5A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8

- Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54 Tương thích với đầu ra động

cơ bước trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3

- Công suất phù hợp cho máy in 3D và CNC mini

- Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm

- Khối lượng: 400g

+Driver A4988 điều khiển động cơ bước:

Driver A4988

Tính năng:

- Dễ dàng điều khiển hướng quay và số bước quay

- 5 chế độ điều khiển: full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16

- Có thể điều chỉnh dòng tối đa thông qua một biến trở cho phép động cơ bước hoạt động với công suất tối đa

- Ngắt bảo vệ khi quá nhiệt, quá áp và quá dòng

- Độ phân giải: 334x4=1336

- 5VDC: 1000rpm

- 12VDC: 4300rpm

- Điện áp: 5 - 12 VDC

+ Vi điều khiển Arduino Uno R3

Hình 10: KIT ARDUINO UNO R3

Một số thông tin về Kit ARDUINO:

- Chip điều khiển chính: ATmega328P

- Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC

- Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM)

- Số chân PWM Digital I/O: 6

- Số chân Analog Input: 6

- Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA

- Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA

- Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader

Fms = μ x N = 0,25 × 3,92 = 0,98 (N)

Áp dụng DL II Newton, F = ma

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC

Hình 11: Hệ tọa độ của cần trục ba chiều

1 Định nghĩa các tọa độ tổng quát

XYZ là hệ tọa độ cố định và X T Y T Z Tlà hệ tọa độ xe đẩy chuyển động cùng xe đẩy.Gốc của hệ tọa độ xe đẩy là (x, y , 0) trong hệ tọa độ cố định Mỗi trục của hệ tọa độ

xe đẩy song song với trục đối của hệ tọa độ cố định Y Tđược xác định dọc theo dầmkhông được thể hiện trong hình Xe đẩy di chuyển trên dầm theo hướng Y T(đi ngang)

và dầm và trục Y T chuyển động theo hướng X T (di chuyển) θlà góc xoay của tải theomột hướng bất kỳ trong không gian và có hai thành phần: θ xvà θ y, trong đó θ xlà gócxoay chiều trên mặt phẳng X T Y T Z T và θ y là góc xoay đo từ mặt phẳng X T Z T

Vị trí của tải (x m , y m , z m) trong hệ tọa độ cố định được cho bởi

x m =x+l sinθ x cosθ y ,

ym = y+lsin θ y ,

z m =−lcosθ x cosθ y ,

Trong đó l là độ dài dây

Mục đích của nghiên cứu này là kiểm soát chuyển động của cả cần trục và tải trọngcủa nó Do đó x, y, l, θ x , và θ y được định nghĩa là các tọa độ tổng quát để mô tảchuyển động

2 Mô hình động của một cần trục ba chiều

Trong phần này, các phương trình chuyển động của một hệ thống cần trục được suy

ra bằng phương trình Lagrange (Meirovitch, 1970) Trong nghiên cứu này, tải trọngđược coi là một khối lượng điểm Khối lượng và độ cứng của sợi dây cũng bị bỏ qua

Mô hình cầu trục dạng tổng quát

K, động năng của cần trục và tải của nó, và P, thế năng của tải, được cho là

K= 1

2(M x ˙x2+M y ˙y2+M z z2)+ m

2 ν2m , P=mgl(1−cosθ x cos θ γ),

Trong đó M x , M y và M l lần lượt là các thành phần x (di chuyển), y (di chuyểnngang) và l (nâng hạ) của khối lượng cần trục và khối lượng tương đương của các bộphận quay như động cơ và bộ truyền động của chúng; m, g và v m lần lượt biểu thị khốilượng tải, gia tốc trọng trường và tốc độ tải;

v m2(≡ ˙x m2+ ˙y m2+z m2)thu được là

(M¿¿x+m) ¨x+ml cosθx cosθ y ¨θ x −ml sinθ x sinθ y ¨θ y +msin θ x cosθ y ¨l+D x ˙x+2m cosθ x cosθ y ˙l ˙θ x −2m sin θ x sin θ y ˙l ˙θ y −mlsin θ x cos θ y ˙θ x2−2mlcos θ x sin θ y ˙θ x ˙θ y −mlsin θ x cosθ y ˙θ2y =f x¿

ml2 cos 2θ y ¨θ x +mlcosθ x cosθ y ¨x+2ml cos2θ y ˙l ˙θ x −2m l2sin θ y cosθ y ˙θ x ˙θ y +mgl sin θ x cosθ y =0,

(M y +m) ¨y+mlcosθ y ¨θ y +msin θ y ¨l+D y ˙y+2 mcosθ y ˙l ˙θ y −mlsin θ y ˙θ2y =f y

ml2¨θ y +ml cosθ y ¨y−mlsin θ x sin θ y ¨x+2ml˙l ˙θ x arctan s θ y sinθ y ˙θ x2+mgl cosθ x sinθ y =0,

(M l +m¿¨l+msin θ x cosθ y ¨x+m sin θ y ¨y+D l ˙l−mlcos2θy ˙θ2x −ml ˙θ2y −mgcosθ x cosθ y =f l ,

−m l ¨x lsinα sinβ+m l ¨y cosα +m l l2¨a+2m l ≪ ˙a+m l glcosα sinβ=0

m l ¨x lcosα cosβ−2m l l2˙α β sinα cosα +2m l l2¨β cos˙ 2α+m l glsinα cosβ=0

3 Mô phỏng trên Matlab:

Mô hình toán cẩu trục 3 chiều

CHƯƠNG 3: CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN

1 PID:

1.1 Lý thuyết tổng quan

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) làmột cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụngnhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị

"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộđiều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiểnđầu vào

Mô hình toán bộ điều khiển PID

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

u(t)=K p e(t)+ K i∫

0

0

e(t)dt+ K d dt d e(t)

trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu

tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động

Độ lợi tích phân, giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi

lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng

quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái

ổn định

Độ lợi vi phân, giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng

quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho cầu trục

Hệ thống cầu trục cần điều khiển chính xác vị trí của hàng khi cẩu trục di chuyển

và thời gian thực hiện công việc là tối ưu nhất Vì vậy áp dụng bộ điều khiển pid đểhiệu chỉnh tham số tốc độ và nhận biết vị trí và cài đặt thời gian đáp ứng một cách hợp lí

Với thông số đầu vào là tốc độ đặt, đầu ra là vị trí và thời gian chạy, tốc độ động cơ

sẽ được phải hồi qua encoder và hoàn thành vòng kín điều khiển

Mô hình toán bộ điều khiển pid như sau:

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục bằng PID

Với thông số K p , K i , K d, được lựu chọn dựa vào mô phỏng và thực nghiệm trên Matlab Simukink

Mô phỏng bộ điều khiển PID trên Matlab Simulink:

Kết quả mô phỏng các trục X Y Z

Kết quả mô phỏng góc lắc alpha, beta

Nhận xét:

Logic mờ và xác suất nói đến các loại không chắc chắn khác nhau Logic mờ đượcthiết kế để làm việc với các sự kiện không chính xác (các mệnh đề logic mờ), trongkhi xác suất làm việc với các khả năng sự kiện đó xảy ra (nhưng vẫn coi kết quả làchính xác).

Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hóa, thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra.

Hình: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

Khối mờ hóa: có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành vecto có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào.

Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển.

Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng với mỗi giá trị rõ x0 để điều khiển đối tượng.

Giao diện đầu vào thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào (từ tương tự sang số), ngoài ra còn có thể thêm các khâu phụ trợ để thực hiện bài toán động như tích phân, vi phân,…

Giao diện đầu ra thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự) để điều khiển đối tượng.

 Để thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic ta thực hiện 6 bước sau:

Bước 1: Định nghĩa các biến vào ra.

 Biến vào là sai lệch và tốc độ sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực

 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ

Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ): số lượng giá trị ngôn ngữ nên nằm trongkhoảng từ 3 đến 10 giá trị (Nhỏ hơn 3 thì ít có ý nghĩa)

 Xác định hàm thuộc: đây là khâu cực kỳ quan trọng Tuy nhiên chưa có một nghiên cứu nào đưa ra giải pháp tối ưu lựa chọn hàm thuộc

Cần chọn hàm thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý

để trong quá trình điều khiển không xuất hiện lỗ hổng

 Cần tránh hiện tượng “cháy nguyên tắc” khimà tập mờ B’ có độ cao bằng 0 (miền xác định là tập rỗng)

Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển:

 Tín hiệu ra của các bộ điều khiển mờ thường bằng 0 khi tất cả các tín hiệu vào bằng 0

 Vùng lân cận điểm không không được tạo ra “lỗ hổng”, vì như vậy sẽ không

có tín hiệu điều khiển khi đang làm việc