Đồ án:" Bài toán điều khiển vị trí của đầu đọc ghi " doc

Yêu cầu Yêu cầu của bài toán là khảo sát tính ổn định của hệ thống, từ đó tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp quỹ tích để điều khiển vị trí của đầu đọc/ ghi đề sau: - Nghiên cứu động

vị trí của đầu đọc ghi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN 2

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1.1 Mục đích 2

1.1.2 Yêu cầu 2

1.2 PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN LỰC CỦA BÀI TOÁN 4

1.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN 6

1.3.1 Phương trình vi phân 6

1.3.2 Hàm truyền 6

Thay số ta có: 7

1.3.3 Không gian trạng thái 8

1.3.4 Mô hình hóa bằng phương pháp tương tự 9

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN 11

2.1 PHƯƠNG PHÁP QUỸ TÍCH NGHIỆM 11

2.1.1 Cực của hệ kín 11

2.1.2 Các bước tổng hợp bộ điều khiển 12

2.1.3 Bộ bù Lead 12

2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN 13

2.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DÙNG SIMULINK 20

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 22

3.1 KẾT LUẬN 22

3.2 KIẾN NGHỊ 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

PHỤ LỤC 23

CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN

ổn định tại một tốc độ nhất định theo mỗi loại ổ đĩa cứng

Khi đĩa cứng quay đều, đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt

chứa phủ vật liệu từ theo phương hướng kính của đĩa Chuyển động này kết hợpvới chuyển động quay của đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bềmặt đĩa để đọc/ghi dữ liệu

Bài toán đưa ra trong đồ án là bài toán điều khiển vị trí của đầu đọc ghi

1.1.1 Mục đích

- Giúp học viên ôn tập lại và bổ sung kiến thức cho các môn học đã được học,

đặc biệt là môn phân tích và tổ hợp hệ thống Cơ điện tử

- Giúp học viên rèn luyện các kỹ năng liên quan, đồng thời rèn luyện ý thức và

kỹ năng trình bày 1 văn bản khoa học theo tiêu chuẩn phục vụ cho quá trình

làm đồ án tốt nghiệp sắp tới

1.1.2 Yêu cầu

Yêu cầu của bài toán là khảo sát tính ổn định của hệ thống, từ đó tổng hợp

bộ điều khiển theo phương pháp quỹ tích để điều khiển vị trí của đầu đọc/ ghi

đề sau:

- Nghiên cứu động học, động lực học của hệ thống Từ đó xác định được hàmtruyền và mô hình hóa của hệ thống Khảo sát tính ổn định và chất lượngcủa hệ thống

- Tổng hợp bộ điều khiển thích hợp cho hệ thống sử dụng phương pháp quỹtích nghiệm

Bảng tham số

Yêu cầu:

- Thời gian tăng <=0.3s

- Thời gian quá độ <=1s

- Độ quá chỉnh<5%

1.2 PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN LỰC CỦA BÀI TOÁN

Hệ thống gồm có các thành phần:

- Động cơ điện một chiều điều khiển bằng điện áp đặt lên cuộn dây phần ứng

- Bộ truyền đai (Puli – dây đai)

Ta mô hình hóa hệ thống như sau:

Hình 1: Mô hình động cơ điện 1 chiều ACM

Bộ truyền đai được mô hình hóa bằng 1 giảm chấn xoắn và 1 lò xo xoắn vớicác hệ số BL, KL. Khi Puly quay 1 góc  thì sẽ sinh ra mômen ma sát Tmsvàmômen do lực căng Tc.( Hình 2)

Hình 2: Các mômen sinh ra khi Puly quay

Ta có mô hình của hệ thống Puli – dây đai như sau:

Hình 3: Mô hình bộ truyền Puli – dây đai

 Tác dung lên Puli 1:

- Mômen dẫn động T 0truyền từ trục động cơ điện

- Mômen quán tính :Tqt1  Jm m 

- Mômem ma sát nhớt: Tms1  BL(  m   L)

- Mômen do lực căng đai gây ra: Tc1  KL( m  L)

 Tác dung lên Puli 2:

- Mômen quán tính :Tqt2  JL  L

- Mômem ma sát nhớt: Tms2  BL(   L  m)

- Mômen do lực căng đai gây ra: Tc1  KL( L  m)

1.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN

s TF

1.3.3 Không gian trạng thái

1

2

3 3 4

0

x x

E x

x

x x

Đầu ra:

1 2 2

3 3

[0 1 0 0]

L

x x x

1.3.4 Mô hình hóa bằng phương pháp tương tự

Ta có sơ đồ tương đương của hệ thống

Hình 4: Sơ đồ tương đương của hệ thống

Đặt PV: điện áp hoặc vận tốc góc

FV: dòng điện hoặc mômen

Ta có sơ đồ trở kháng

Hình 5: Sơ đồ trở kháng của hệ thống

Từ sơ đồ trở kháng ta có các phương trình điểm nút như sau:

Ta các phương trình trên ta có sơ đồ khối như sau:

Hình 6: Sơ đồ khối của hệ thống

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN2.1 PHƯƠNG PHÁP QUỸ TÍCH NGHIỆM

Mục đích của việc thiết kế quỹ tích nghiệm là ước đoán đáp ứng của hệ kínthông qua quỹ tích nghiệm của hệ hở Bằng cách thêm vào hệ thống các điểm

không và điểm cực (thêm khâu bù), quỹ tích nghiệm và đáp ứng của hệ kín sẽ đượcđiều chỉnh theo ý muốn

Gọi n là bậc của đa thức a(s) và m là bậc của đa thức b(s)

Tại giới hạn K -> 0, cực của hệ kín ứng với a(s) = 0 hoặc cực của H(s) Tạigiới hạn K -> vô cùng, cực của hệ kín ứng với b(s) = 0 hoặc điểm 0 của H(s) Dù K

ứng với điểm nào đi nữa thì hệ kín cũng phải luôn luôn có n cực, trong đó n chính

là số cực của H(s) Đường quỹ tích phải có n nhánh, mỗi nhánh xuất phát từ cựccủa H(s) và chạy đến điểm 0 của H(s) Nếu H(s) có số cực nhiều hơn số điểm 0

(điều thường xảy ra), m < n thì ta nói rằng H(s) có điểm 0 ở vô cùng Trong trường

hợp này, giới hạn của H(s) khi s -> vô cùng bằng 0 Số điểm 0 ở vô cùng là hiệun-m, nghĩa là hiệu giữa số cực và số điểm 0 và là số nhánh của quỹ tích nghiệmtiến tới vô cùng (tiệm cận)

Vì quỹ tích nghiệm biểu diễn mọi vị trí có thể của các cực của hệ kín, nên từquỹ tích nghiệm chúng ta có thể chọn hệ số truyền để đạt các tính năng đặt ra cho

hệ thống Nếu có bất kỳ một cực nào nằm trong nửa mặt phẳng phía phải thì hệ kín

sẽ không ổn định Cực càng nằm ở gần trục ảo thì ảnh hưởng càng nhiều đến đáp

ứng hệ kín

2.1.2 Các bước tổng hợp bộ điều khiển

Các bước tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp quỹ tích nghiệm:

- Bước 1: Vẽ quỹ tích nghiệm của hệ hở dùng lệnh rlocus trong Matlab.

- Bước 2: Chọn hệ số tỉ lệ K từ quỹ tích nghiệm

- Bước 3: Kiểm tra và so sánh với các chỉ tiêu đặt ra (sai số xác lập, độ quá

điều chỉnh, thời gian quá độ) Nếu chưa đạt yêu cầu thì thử lại giá trị K

- Bước 4: Nếu không có giá trị K thỏa mãn thì thêm bộ bù lead-lag để điềuchỉnh

2.1.3 Bộ bù Lead

Một bộ bù lead bậc 1 có thể được thiết kế sử dụng cho quỹ tích nghiệm Một

bộ bù lead trong quỹ tích nghiệm có dạng:

0 0

nghiệm dịch chuyển về nửa mặt phẳng trái Điều này cải thiện tính ổn định và tăngtốc độ đáp ứng của hệ thống

Biểu thức để xác định giao điểm của đường tiệm cận với trục thực là:

Khi một bộ bù lead được thêm vào hệ thống, giá trị của giao điểm này sẽ làmột số âm lớn hơn giá trị trước đó Số điểm 0 và số điểm cực sẽ giống nhau (một

điểm 0 và một điểm cực được thêm vào) Nhưng điểm cực được thêm vài là một số

âm lớn hơn điểm 0 được thêm vào Vì thế, hiệu quả của bộ bù lead là làm dịchchuyển giao điểm của tiệm cận xa hơn về nửa mặt phẳng trái, và toàn bộ quỹ tíchnghiệm được dịch chuyển về phía trái, Điều này làm tăng vùng ổn định cũng nhưtốc độ đáp ứng của hệ thống

2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN

a Quỹ tích nghiệm của hệ hở:

Tạo 1 m-file với các lệnh sau để lập mô hình hệ hở và vẽ quỹ tích nghiệm

Hình 7: Quỹ tích nghiệm của hệ thống

Tiêu chuẩn ổn định được biểu diễn bằng lệnh sgrid(zeta,Wn).

Trong đó: zeta, Wn lần lượt là hệ số giảm chấn và tần số dao động

P

P

M zeta

Nhìn vào tỉ lệ xích của các trục ta thấy có 1 điểm cực ở rất xa về phía trái (xa

kín trừ khi ta sử dụng các hệ số rất lớn, ở đó hệ thống trở nên mất ổn định Chúng

ta bỏ qua điểm cực này và thực hiện tối giản hoá mô hình hệ thống

b Tối giản hóa mô hình

Để xem các điểm cực của hàm truyền là gì, gọi lệnh sau trong Matlab:

Hình 8: Quỹ tích nghiệm của hệ thống sau khi tối giản hóa mô hình

Từ quỹ đạo vẽ được, ta thấy hệ thống không ổn định vì có 1 phần quỹ đạonghiệm nằm ở nửa mặt phẳng bên trái Để hệ thống ổn định, ta cần dịch chuyểnquỹ đạo nghiệm sang nửa mặt phẳng bên trái Để làm điều đó, ta sẽ sử dụng bộ bùLead

c Bộ bù Lead

Một khâu Lead có hàm truyền như sau:

0 0

Ta sẽ đặt một điểm không ở gần gốc toạ độ để khử đi một cực Cực của khâu

bù sẽ được đặt ở phía bên trái gốc toạ độ để kéo quỹ tích nghiệm về phía trái mặtphẳng toạ độ Thêm các lệnh sau vào m-file

Ta có quỹ tích nghiệm như sau:

Hình 9: Quỹ tích nghiệm của hệ thống với bộ điều khiển Lead

Ta lựa chọn đoạn quỹ tích nghiệm có giá trị nhỏ

axis ([-100 10 -70 70])

Hình 10: Quỹ tích nghiệm của hệ thống với bộ điều khiển Lead

2.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DÙNG SIMULINK

Từ sơ đồ khối xây dựng bằng phương pháp tương tự, ta xây dựng được môhình hệ thống trong simulink như sau:

Hình 12: Mô hình hóa hệ thống trong Simulink

Bộ điều khiển được xây dựng như sau:

Hình 13: Hệ kín khi có bộ điều khiển Lead và hệ số K đã chọn

Trước khi chạy file mô phỏng ta phải khai báo các thông số của hệ trong cửa

sổ Matlab như sau:

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

3.1 KẾT LUẬN

Đồ án đã hoàn thành đúng tiến độ và đầy đủ các nội dung bao gồm:

- Vai trò, ý nghĩa của bài toán

- Xây dựng mô hình hóa của hệ thống bằng các phương pháp đã được học

- Xây dựng bộ điều khiển bằng phương pháp quỹ tích nghiệm Bộ điều khiển

được xây dựng đã đáp ứng được yêu cầu của đồ án

- Mô phỏng hệ thống dung Simulink

3.2 KIẾN NGHỊ

Qua quá trình làm đồ án giúp cho sinh viên vận dụng kiến thức của các mônhọc như: phân tích tổ hợp hệ thống cơ điện tử, lý thuyết điều khiển tự động, cơ lýthuyết… Em đã hoàn thành các yêu cầu đề ra.Tuy nhiên đồ án dừng lại ở xây dựng

bộ điều khiển và khảo sát tính ổn định của hệ thống trong môi trường Matlab Đểxây dựng hệ thống thực tế, ta có thể vẽ mô hình hệ thống bằng phần mềm CAD3D(Inventor) Sau đó, liên kết giữa mô hình CAD với gói công cụ SimMechanics

trong Matlab để mô phỏng hệ thống

Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em rất mongnhận được sự chỉ bảo của các thầy Cuối cùng em xin cảm ơn thầy Hoàng QuangChính cùng các thầy trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bài giảng phân tích và tổ hợp hệ thống cơ điện tử - PGS.TS Đào VănHiệp

2 Lý thuyết điều khiển tự động - HVKTQS

2 Control Tutorial for Matlab and Simulink