Bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử tên chủ đề thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tên chủ đề “Thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến” Giảng viên hướng dẫn Th S N[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆP HÀ NỘI

KHOA : CƠ KHÍ



BÀI TẬP LỚN : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Tên chủ đề: “Thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu

tịnh tiến”

Lớp : LT – ĐH Cơ điện tử 1

Khóa : 14

Hà Nội _ 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 4

1.1 Giới thiệu mô hình hệ thống con lắc ngược 4

1.2 Các yêu cầu cơ bản 4

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 5

Chương 2 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 6

2.1 Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 6

2.2 Nội dung 2 : Thiết kế sơ bộ 8

2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 10

2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc 13

2.5 Tính toán các thông số của động cơ sử dụng trong mô hình con lắc ngược được xác định theo các tiêu chí: công suất động cơ, tốc độ kích thước 15

Chương 3 THIẾT KẾ CỤ THỂ 23

3.1 Xây dựng các bước thiết kế cụ thể 23

3.2 Tích hợp hệ thống 24

3.3 Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm SolidWorks 25

3.3.1 Hình ảnh con lắc ngược 25

3.4 Hình ảnh động cơ và ổ trục 26

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ hệ con lắc 4

Hình 2: Biến thể concept 1 13

Hình 3: Biến thể concept 2 14

Hình 4: Biến thể concept 3 14

Hình 5: Mô hình toán học 15

Hình 6:Pully 5M 30 đai răng 16

Hình 7:Mô hình cơ cấu sử dụng đai răng 17

Hình 8: Sơ đồ tổng quan hệ thống 24

Hình 9: Hình ảnh con lắc ngược 25

Hình 10: Hình ảnh con lắc ngược 25

Hình 11:Hình ảnh con lắc ngược 26

Hình 12: Hình ảnh động cơ và ổ trục 26

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2: Sơ đồ chức năng 10

Bảng 3: Nguyên tắc làm việc của sản phẩm 11

Bảng 4: Bảng kết hợp các quy tắc làm việc 12

Bảng 5: Bảng lựa chọn cấu trúc làm việc 13

Bảng 6: Sơ đồ độ tin cậy 18

Bảng 7: Bảng tiêu chí đánh giá 21

Bảng 8: Tên các bộ phận của sản phẩm 24

2

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử dụngtrong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học trên khắp thế giới Hệthống con lắc ngược là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phituyến cao trở lại ổn định 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) Ngoài ra,phương trình toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyếnđiển hình Vì thế, đây là một mô hình nghiên cứu lý tưởng cho các phòng thí nghiệmđiều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển được nghiên cứu trên

mô hình con lắc ngược nhằm tìm ra các giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điềukhiển thiết bị tự động trong thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao côngsuất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân bằng hệ thống,…

Thực hiện đề tài “Thiết kế sản phẩm con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến” là

rất cần thiết cho vấn đề giảng dạy và nghiên cứu tại trường Đại học thời điểm hiện tại

Vì đây là một mô hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường Đại học, Caođẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại Việt Nam, nhất là ngành điều khiển tựđộng hóa, điện công nghiệp, cơ điện tử… Việc xây dựng mô hình sẽ giúp ích cho côngtác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với các giải thuật điều khiển trên lýthuyết, là cơ sở nghiên cứu khoa học cho cả giảng viên và sinh viên tại trường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ CON LẮC NGƯỢC

1.1 Giới thiệu mô hình hệ thống con lắc ngược

Thời đại ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong lĩnhvực điều khiển tự động, ngày càng có them nhiều lý thuyết điều khiển hiện đại bencạnh các lý thuyết kinh điển đã tồn tại trong thời gian qua Từ đó có nhiều phươngpháp điều khiển mới được áp dụng cho các đối tượng điều khiển phức tạp tuy nhiênhầu hết các lý thuyết điều khiển này đều phức tạp và trừu tượng , do đó người họcmuốn hiểu được cụ thể nội dung của từng lý thuyết cần phải có mô hình thực tế đểhiểu được điều đó Một trong các mô hình phổ biến được dùng để khảo sát các lýthuyết điều khiển được sử dụng hầu hết ở các trường đại học là mô hình con lắc ngược( Inventer Pendulum)

Hình 1: Sơ đồ hệ con lắc

Về tổng quan, hệ con lắc ngược bao gồm một con lắc chuyển động tự do đượcgắn tên xe thông qua khớp xoay, xe có thể di chuyển dễ dàng dọc theo mooth thanhray vị trí của xe được điều khiển bởi 1 động cơ DC truyền động dây curoa Ngõ racủa hệ thống là vị trí của chiếc xe và góc lệch của con lắc đều được hồi tiếp về bộ điềukhiển

1.2

Nội dung đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thốngcon lắc ngược đơn bao gồm 2 thành phần chính sau:

Phần cơ khí: gồm 1 cây kim loại (thanh con lắc) quay quanh 1 trục thẳng đứng.

Thanh con lắc được gắn gián tiếp vào một xe (xe con lắc) thông qua một encoder để

đo góc Trên chiếc xe có 1 encoder khác để xác định vị trí chiếc xe đang di chuyển

Do trong quá trình vận hành chiếc xe sẽ chạy tới lui với tốc độ cao để lấy mẫu nên

4

phần cơ khí cần phải được tính toán thiết kế chính xác, chắc chắn nhằm tránh gây nhiễu và hư hỏng trong quá trình vận hành.

Điện tử: gồm cảm biến đo vị trí xe và góc con lắc, mạch khuếch đại công

suất (cầu H) và mạch điều khiển trung tâm Cảm biến được sử dụng trong đề tài làencoder quay có độ phân giải cao Tín hiệu từ encoder sẽ được truyền về bộ điềukhiển thông qua khối eQEP (Enhanced Quadrature Encorder Pulse) của card DSP(bộ điều khiển trung tâm) Tùy thuộc vào tín hiệu đọc được từ các encoder màDSP được lập trình để xuất tín hiệu ngõ ra điều khiển động cơ DC qua một mạchkhuếch đại công suất (mạch cầu H)

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng các thuật toán khác nhau để điềukhiển hệ thống con lắc ngược quay như điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phituyến, điều khiển thông minh, …

Trong [1] Zhongmin W và các đồng nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID vớiphương pháp phi tuyến để điều khiển đưa con lắc từ vị trí cân bằng ổn định phía dướilên vị trí cân bằng không ổn định mới phía trên (swing-up) với góc lệch khoảng 15nhưng hệ thống con lắc ổn định sau thời gian khoảng 8,7s;

Trong [2] Sukontanakarn V và các công sự của ông đã sử dụng các giải thuật

PD để xác định vị trí và LQR để giữ vị trí cân bằng cho hệ thống con lắc ngược quaynhưng con lắc cân bằng chưa ổn định tuyệt đối do thiết kế bộ điều khiển và bàn đặtcon lắc bị rung khi điều khiển;

Trong [3] Khalil Sultan đã nghiên cứu điều khiển con lắc đơn trên xe bằngphương pháp PID kết hợp với mô phỏng Matlab để mô phỏng và giữ con lắc ở vị trícân bằng thẳng đứng với thời gian ổn định của con lắc khoảng 4.5s nhưng mới chỉ ởtrong phòng thí nghiệm;

[4] Khanesar M.A Sử dụng phương pháp điều khiển trượt phân cấp để điềukhiển ổn định cân bằng con lắc ngược nhưng việc xác định mặt trượt là rất khó và hệthống cân bằng ổn định trong thời gian khoảng 25s

[5] William V và các đồng nghiệp điều khiển cân bằng hệ thống con lắc ngượcbằng sử dụng mạng neural Ở đây đã huấn luyện điều khiển để hệ cân bằng ổn định thànhcông, tuy nhiên kết quả chưa được như mong muốn và thời gian ổn định chưa cao Tạitrường Đại học Sư phạm Kỹ thuật cũng đã có công trình nghiên cứu dùng điều khiển PIDcho con lắc ngược quay nhưng tác giả đã nghiên cứu xét ở cấp độ mô men bỏ qua độnghọc của động cơ

Từ các kết quả nghiên cứu ở trên dựa trên lý thuyết điều khiển ,PID Và LQRchọn phương pháp điều khiển PID và LQR để ổn định cho hệ con lắc ngược quay và

so sánh thời gian ổn định của hệ khi sử dụng các phương pháp điều khiển

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng các kiến thức về toán học kết hợp với các định luật về động lực

học và các định lý về cân bằng ổn định, tìm ra phương trình toán học thể hiện mốiquan hệ giữa các đại lượng điều khiển hệ con lắc ngược quay cân bằng ổn định

- Sử dụng Matlab/simulink để kiểm chứng kết quả thực nghiệm

Chương 2 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

2.1 Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

D

D

D

D

D

D

W

W

Khối lượng toàn bộ khung: 5 kg

Số phiên bản:

6

Danh sách yêu cầu Ngày phát hành:

D Điện áp cung cấp cho cảm biến góc 3.3 -5 V

Vật liệu:

D

D

D

D

D

Bảng 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

2.2 Nội dung 2 : Thiết kế sơ bộ.

Xác định các vấn đề cơ bản từ danh sách yêu cầu.

* Bước 1 + Bước 2:Loại bỏ sở thích cá nhân và bỏ qua các yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng và các ràng buộc thiết yếu.

Hình trụ tròn, đặc, gắn cố định đồng tâm tại một đầu của cần

lắc Đường kính lớn hơn đường kính cần lắc 1.2 – 2 lần Chiều

Chuyển động của xe con lắc: chuyển động tịnh tiến

Chuyển động của con lắc: chuyển động quay

Vận tốc tối đa của xe là 0.3 m/s

Môment kéo tải > 2Nm

Động cơ có gắn kèm encoder đo phân giải 500 xung/vòng

Lực:

Khối lượng cần lắc: 0.1 – 0.3 kg

Khối lượng quả nặng: 0.3 – 0.6 kg

Khối lượng xe con lắc: 1.2 kg

Khối lượng toàn bộ khung: 5 kg

Vật liệu:

Cần lắc làm bằng thép

Quả nặng làm bằng vật liệu nhẹ chịu va đập tốt

Xe con lắc làm bằng khung nhôm

*Bước 3:Chuyển đổi định lượng thành dữ liệu định tính và rút gọn thành các

báo cáo thiết yếu:

- Cần lắc hình trụ, rỗng một đầu gắn quả nặng một đầu trên xe con lắc

- Quả nặng hình trụ tròn, đặc, gắn cố định, đồng tâm tại một đầu của cần lắc

- Xe con lắc 4 bánh, có chỗ để lắp cảm biến động cơ và cần lắc

- Cảm biến đo góc lệch của con lắc và vị trí xe con lắc

- Dẫn động bằng động cơ điện

- Chuyển động của xe con lắc: chuyển động tịnh tiến

- Chuyển động của con lắc: chuyển động quay

- Nguồn điện cung cấp cho hệ thống

- Điều khiển con lắc có thể giữ được ở phương thẳng đứng

*Bước 4: Khái quát lại kết quả của bước trước:

- Con lắc gồm quả nặng được gắn cố định và đồng tâm với một đầu của cần lắc, đầu còn lại gắn cố định trên xe

- Xe con lắc 4 bánh, có chỗ để lắp cảm biến đo góc lệch của cần lắc, vị trí xe con lắc, động cơ dẫn động và cần lắc

- Phương của con lắc luôn thẳng đứng

*Bước 5: Hình thành vấn đề trong các thuật ngữ trung lập về giải pháp:

Mô hình con lắc ngược là mô hình phức tạp có độ phi tuyến cao Bộ phân cơ khígồm một xe goòng nhỏ, trên đó có các bộ phân chí nh 1à tay đòn gắn con lắc có thểxoay tự do trên một trục ngang Xe goòng đó được truyền động bởi một động cơ điện

m ột chiều thông qua hệ thống Pu1y và dây đai có thể di chuy ển trên đường ray phẳngtrong phạm vi chuyển động giới hạn Vị trí của xe goòng được điều khiển bởi hệ thốngđiều khiển số thông minh đảm bảo con lắc di chuyển và được giữ cân bằng Đườngray có độ dài cố định 1à đi ều kiện ràng buộc của thuât toán điều khiển Encoder gắncùng trục puly của cơ cấu chuyển động được sử dụng cho xác định vị trí tức thời xegoòng Góc quay của con lắc được đo bằng một chiết áp xoay gắn trên trục quay củacon lắc ngược

*Bước 6: Xác định cấu trúc chức năng:

- Chức năng tổng thể của sản phẩm:

Kiểm chứng cơ sở lý

2.3

Tìm kiếm nguyên tắc làm việc:

10

3 Cảm biến đo Encoder Cảm biến Hall Cảm biếnđiện dung Cảm biến từ

11

Giải pháp

1 Chức năng con

12

Bảng 5: Bảng lựa chọn cấu trúc làm việc

2.4

Biến thể concept 1:

Hình 2: Biến thể concept 1

13

Biến thể concept 2:

Việc mô tả các chuyển động của động lực học con lắc ngược dựa vào định luậtcủa Newton về chuyển động Các hệ thống cơ khí có hai trục: chuyển động của xe conlắc ở trên trục X và chuyển động quay của thanh con lắc trên mặt phẳng XY Phân tích

sơ đồ của hệ thống con lắc ngược ta có được sơ đồ lực tác động vào xe con lắc vàthanh con lắc theo hình

Hình 3: Biến thể concept 2

Biến thể concept 3:

Hình 4: Biến thể concept 3

Cũng cố các biến thể giải pháp:

Hình 5: Mô hình toán học

Trong đó:

 l: Chiều dài con lắc (m)

 F: Lực tác động vào xe (N)

 x: vị trí xe con lắc (m)

 θ: góc lệch giữa con lắc và phương thẳng đứng (rad)

2.5 Tính toán các thông số của động cơ sử dụng trong mô hình con lắc

ngược được xác định theo các tiêu chí: công suất động cơ, tốc độ kích

thước.

-Công suất động cơ P= n T

9.55

Trong đó: n là tốc độ quay của động cơ(vòng/phút)

T là momen xoắc của trục động cơ (N.m)

-Với giả thiết hạn lực lức tối đa là 10N Bán kính mỗi puly kéo là 2

- Encorder 200 xong, 2 kênh AB, điện áp sử dụng 5V DC

*Tính toán bộ truyền đai răng:

Hình 6:Pully 5M 30 đai răng

Tỷ số truyền được sử dụng là 1:1 để tiện lợi cho tính toán Bộ truyền đai được sửdụng gắn với động cơ thông qua pully M5 đầu bên kia gắn với plly cùng loại/

Đai răng để phù hợp với pully thì ta chọn đai răng 5M

Hình 7:Mô hình cơ cấu sử dụng đai răng

Tính chọn chiều dai đai răng:

L = 2A + (R1 + R2) + ( R1 + R2 )2

=1225.6 mm

A

Trong đó:

Bảng 6: Sơ đồ độ tin cậy

*Tiến hành tổng hợp các lực tác động vào xe con lắc theo phương ngang ta được

các phương trình về chuyển động:

F

Chúng ta có thể tổng hợp các lực theo phương thẳng đứng nhưng không hữu ích

vì chuyển động của hệ thống con lắc ngược không chuyển động theo hướng này và

trọng lực của Trái Đất cân bằng với tất cả lực thẳng đứng

Tổng hợp lực của thanh con lắc theo chiều ngang ta được:

Tổng hợp các lực vuông góc với thanh con lắc:

Psin +Ncos mg sin ml θ mx cos

(1.2)

(1.3)

(1.4)

Để làm triệt tiêu hai điều kiện P và N ta tiến hành tổng hợp moment tại trọng

tâm thanh con lắc:

Từ hai phương trình (1.3) và (1.6) ta có hệ phương trình mô tả đặc tính động

học phi tuyến của hệ thống con lắc ngược:

(1.8)(J ml )θ m lgsin ml ¨ cos

Thay các phương trình (1.9) và (1.10) vào các phương trình (1.7) và (1.8) ta

được phương trình toán của hệ con lắc ngược phi tuyến:

19

θ¨=

ml

sθinθcosθθ+( M+ m) gsθinθ)

(

)

(1.12)

Để đơn giản hóa hệ thống ta bỏ qua khối lượng cần lắc, mô hình toán phi

tuyến của hệ con lắc ngược được xác định như sau:

Để tuyến tính hoasheej con lắc ngược ta sử dụng góc θ nhỏ để có thể xấp xỉ sin

θ ≈ θ, cosθ ≈ 1, θ˙2 ≈ 0 Ta được phương trình tuyến tính hóa hế thống như sau:

20

21

Tiêu chí đánh giá Đặc tính Biến thể V1 Biến thể V2 Biến thể V3

Các bộ phận theo tiêu Tỉ lệ của các bộ phận

Từ bảng đánh giá trên cho thấy biến thể V1 có giá trị tổng thể cao nhất nên sẽ là biến thể được chọn trong bước tiếp theo

Chương 3 THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1 Xây dựng các bước thiết kế cụ thể

Xác định điều kiện biên hoặc không gian cưỡng bức của bước thiết kế cụ thể:Xác lập layout thô với trọng tâm là xác định phương án tổng thể của các bộphận thực hiện chức năng chính(các cụm và thành phần hoàn thành các chức năngchính)

Cơ sở cho bước này là biến thể giải pháp nguyên tắc V1 Bảng đánh giá ở trênliệt kê các khối mang chức năng chính được sử dụng trong biến thể giải pháp đã chọn

để đáp ứng các chức năng phụ khác nhau, cùng với các đặc điểm chính của chúng Cáckhối mang chức năng chính là:

Phát triển các layout sơ bộ và thiết kế định dạng, các layout thực hiện chứcnăng chính phải được phát triển(layout chung, hình dạng thành phần và vật liệu phảiđược xác định tạm thời)

Lựa chọn một hoặc nhiều layout sơ bộ phù hợp với quy trình

Tiếp tục phát triển các layout sơ bộ và các định dạng thiết kế cho các bộ phậnthực hiện chức năng chính, cái mà chưa được xem xét vì các giải pháp đã có chochúng hoặc chúng không được xác định theo phương án cho đến giai đoạn này

Tìm kiếm các giải pháp cho các chức năng phụ trợ, khai thác các giải pháp đãbiết (chẳng hạn như bộ phận lặp lại, bộ phận tiêu chuẩn,…)

Phát triển chi tiết các layouts và các định dạng thiết kế cho các bộ phận thựchiện chức năng chính, phù hợp với các quy tắc thiết kế, quan tâm đúng mức đến cáctiêu chuẩn, quy định, tính toán chi tiết và kết quả thực nghiệm và cả vấn đề tươngthích với các chức năng phụ trợ đã được thực hiện

Phát triển chi tiết các layouts và các định dạng thiết kế cho các bộ phận thựchiện chức năng phụ, bổ sung các bộ phận tiêu chuẩn và đã mua Nếu cần, hãy tinhchỉnh thiết kế của các bộ phận thực hiện chức năng chính và kết hợp tất cả các bộ phậnthực hiện chức năng thành bố cục tổng thể

Đánh giá lại một lần nữa các layouts dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tếChỉnh sửa layout tổng thể sơ bộ mô tả cấu trúc xây dựng hoàn chỉnh của hệthống hoặc sản phẩm đang được thiết kế

Tối ưu hóa và hoàn thiện các định dạng thiết kế cho layout đã chọn bằng cáchloại bỏ các điểm yếu đã được xác định trong quá trình đánh giá

Kiểm tra thiết kế layout để tìm các lỗi (lỗi thiết kế) về chức năng, khả năngtương thích không gian, …và ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu Thực hiện nhữngcải tiến có thể cần thiết

Kết thúc giai đoạn thiết kế cụ thể bằng cách chuẩn bị danh sách bộ phận sơ bộcũng như tài liệu sản xuất và lắp ráp sơ bộ

24