MÔ HÌNH HÓA HỆ ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY SỬ DỤNG PID.

Trong đà phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều thành tựu mới như: Kỹ thuật điện trở, kỹ thuật số, tin học đã được áp dụng với mọi lĩnh vực. Thang máy là một loại hình máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân như trong ngành khai thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng, luyện kim, công nghiệp nhẹ, trong sinh hoạt dân dụng ở những nơi đó thang máy được sử dụng để chở người và vận chuyển hàng hóa. Nó để thay thế cho sức lực của con người và đã mang lại năng suất cao, tiết kiệm thời gian.Vì vậy việc thiết kế hệ truyền động cho thang máy chở người sao cho hợp lý, đảm bảo độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và thiết bị là một nhiệm vụ hết sức quan trọng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ -

-BÀI TẬP LỚN

CƠ ĐIỆN TỬ 1

Đề tài

MÔ HÌNH HÓA HỆ ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY

Giảng viên hướng dẫn: KHỔNG MINH

Họ và tên: Trần Minh Hiếu

1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong đà phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều thành tựu mới như: Kỹ thuật điện trở, kỹ thuật số, tin học đã được áp dụng với mọi lĩnh vực

Thang máy là một loại hình máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân như trong ngành khai thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng, luyện kim, công nghiệp nhẹ, trong sinh hoạt dân dụng ở những nơi

đó thang máy được sử dụng để chở người và vận chuyển hàng hóa Nó để thay thế cho sức lực của con người và đã mang lại năng suất cao, tiết kiệm thời gian

Vì vậy việc thiết kế hệ truyền động cho thang máy chở người sao cho hợp lý, đảm bảo độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và thiết bị là một nhiệm vụ hết sức quan trọng

Trong suốt quá trình thực hiện bài tập lớn, nhóm chúng em đã nhận được sự định hướng, chỉ dẫn tận tình của thầy Khổng Minh Vì vậy, chúng em xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đối với thầy, cảm ơn thầy đã giúp đỡ và ủng hộ chúng em trong suốt thời gian vừa qua Do năng lực còn hạn chế nên trong bài tập lớn còn không tránh khỏi những sai xót, nhóm em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn

để bài tập được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 11 năm 2018

Chương I: Nghiên cứu phân tích cấu trúc thang máy

I Giới thiệu thang máy

Thang máy là thiết bị dùng để tải người, tải hàng hóa, thực phẩm, tải oto, giường bệnh nhân từ tầng này qua tầng khác một cách dễ dàng và gọn nhẹ nhất Hiện nay, trong các bệnh viện, cách tòa nhà cao ốc, siêu thị, nhà hàng, thường có sự xuất hiện của thang máy Chính vì thế, vai trò của thang máy đang trở nên vô cùng quan trọng trong cuộc sống của mỗi chúng ta, đặc biệt là những ngôi nhà cao tầng Bởi thay vì chúng ta phải bỏ sức ra trên đôi chân để đi lên những bậc cầu thang thì đã có thang máy thay chúng ta làm việc đó

Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin thì thang máy đã có những bước tiến bộ vượt bậc, đã có những bộ điều khiển tốc độ phức tạp hơn giúp an toàn hơn Bên cạnh đó, thang máy được các kỹ sư lập trình một cách đặc biệt, giúp đạt năng suất cực đại và tạo sự an toàn tuyệt đối cho người sử dụng

II Cấu tạo thang máy

Mô hình mô phỏng cấu tạo thang máy chi tiết nhất!

Cấu tạo thang máy thành 4 thành phần chính sau đây:

 Hố thang máy được đặt dọc theo chiều cao của tòa nhà, xuyên suốt từ trên xuống dưới

 Phòng Máy: Đối với thang máy có phòng máy, thì phòng máy được bố trí trên đỉnh của giếng thang

 Hố PIT được bố trí dưới sàn thấp nhất của tòa nhà Ở đây được bố trí bộ phận giảm chấn, Hệ thống điện

 Một số bộ phận khác được lắp kín trong phòng máy và giếng thang:

 Motor kéo

 Hệ thống điều khiển thang máy

 Ray dẫn hướng

 Bộ Hạn chế tốc độ

 Cáp của bộ hạn chế tốc độ

 Giảm chấn

 Cửa cabin và Cửa tầng

 Cabin thang máy và Đối trọng

Chi tiết:

1 Motor kéo: Bộ phận này thường được lắp ở trên đỉnh giếng thang hoặc 1 số

trường hợp lắp dưới hố thang Motor kéo có tác dụng dẫn động hộp giảm tốc theo 1 tốc độ nhất định làm quay puli – thiết bị kéo cabin lên xuống

2 Hệ thống điều khiển thang máy: là bộ phận chứa các thiết bị điện tử được lập

trình điều khiển để đảm bảo thang máy hoạt động theo yêu cầu

3 Ray dẫn hướng: được lắp đặt dọc theo giếng thang để dẫn hướng cho cabin và đối

trọng chuyển động dọc theo hố thang Ray dẫn hướng đảm bảo cho đối trọng và cabin luôn nằm ở vị trí thiết kế của chúng trong hố thang máy và không bị dịch chuyển theo phương ngang trong quá trình chuyển động Ngoài ra ray dẫn hướng phải đảm bảo độ cứng để giữ trọng lượng cabin và tải trọng trong cabin tựa lên ray dẫn hướng cùng với các thành phần tải trọng động khi bộ hãm bảo hiểm làm việc (trong trường hợp đứt cáp hoặc cabin đi xuống với tốc độ lớn hơn giá trị cho phép)

4 Bộ hạn chế tốc độ hay còn gọi là Thắng cơ Bộ phận này có nhiệm vụ kẹp chặt

cabin thang máy vào ray dẫn hướng khi cabin di chuyển quá tốc độ cho phép

Hệ thống phanh an toàn (Thắng cơ)

là một thiết bị quan trọng trong cấu tạo của thang máy

5 Giảm chấn là thiết bị được thiết kế ở dưới hố pit Bộ phận này có nhiệm vụ làm

giá đỡ cho cabin khi các hệ thống đảm bảo an toàn khác đều không hoạt động

6 Cửa cabin và cửa tầng: Được thiết kế mở ra đóng vào trơn tru nhất Ngoài ra còn

được tích hợp hệ thống chống kẹt cửa Photocell để đảm bảo an toàn trong trường hợp

có vật cản khi cửa thang hoặc cửa tầng đang đóng

7 Cabin là thiết bị chính trong thang máy đưa người sử dụng di chuyển theo yêu cầu.

Là nơi cho phép người sử dụng đứng bên trong và điều khiển thang máy di chuyển theo ý muốn

8 Phần đối trọng là thiết bị được thiết kế đối lập với cabin có nhiệm vụ dùng sức

nặng để kéo cabin đi lên hoặc đi xuống Bộ phận này kết hợp với máy kéo để đưa cabin lên xuống được dễ dàng

III Nguyên lý hoạt động của thang máy

Khi bạn nhấn nút gọi tầng (gửi tín hiệu điều khiển gọi tầng), tín hiệu điều khiển được đưa về hệ thống điều khiển, hệ thống điều khiển tiếp nhận tín hiệu điều khiển,

xử lý và điều khiển động cơ quay, động cơ truyền lực kéo cabin thang máy đến vị trí nhận tín hiệu điều khiển, thang máy dừng và mở cửa Khi cửa thang máy được điều khiển đóng lại, khách hàng ấn nút gọi tầng, tín hiệu điều khiển sẽ được gửi đến vi xử

lý – bộ điều khiển trung tâm, phân tích xem tầng nào gần nhất, tầng nào xa nhất, điều khiển động cơ kéo cabin, dừng tầng chính xác Quá trình lặp đi lặp lại như vậy

Đối với dòng thang máy mới nhất hiện nay áp dụng nguyên lý dùng bánh xe ròng rọc để thay thế cho trục quay trước đây Thiết kế của loại thang máy này có động cơ được nối trực tiếp với các bánh xe để dây cáp quấn quanh bánh xe ròng rọc, đầu cáp

sẽ được nối vào cabin của thang máy, đầu còn lại sẽ nối vào với đối trọng để rạo sự cân bằng

Thang máy hiện đại ngày nay được tích hợp sử dụng có các bộ phận an toàn để kiểm soát tốc độ, quá trình hoạt động của thang máy một cách hiệu quả Nhờ những thiết bị an toàn đó mà thang máy có được sự an toàn hơn, tránh tình trạng rơi tự do, vượt tốc có thể xảy ra

IV Chọn động cơ

Chọn động cơ cho thang máy:

Thang máy có các thông số

Khối lượng thang máy: MT = 1 Tấn

Từ yêu cầu trên ta chọn loại động cơ chuyên dụng cho thang máy là YJ200 model YTTD160TVF1-6 của hãng Mitsubishi

Động cơ có hộp số và thắng cơ khí

Các thông số của động cơ

V Xây dựng hàm truyền

Trong đó: MT: Khối lượng buồng thang

MĐ: Khối lượng đối trọng B: Hệ số ma sát

k: Hệ số tỉ lệ

τ(t): Moment kéo của động cơ (tín hiệu vào) y(t): Vị trí buồng thang (tín hiệu ra)

MT: Moment buồng thang

MB: Moment cản

Mqt: Moment quán tính

MĐ: Moment kéo của động cơ (τ(t))

MĐC: Moment đối trọng

Áp dụng định luật bảo toàn Momen

MT + MB + Mqt = MĐ + MĐC

 MT.g.r + B.y’(t).r + MT.g.y’’(t).r = τ(t) + MĐ.g.r

 MT.g + B.y’(t)+ MT.g.y’’(t) = k.τ(t) + MĐ.g ()

Đặt: y(t) = y*(t) + at

=> B.y’*(t) + MT.g.y’’* + a.B + MT.g = K.τ(t) + MĐ.g

Để đảm bảo về yêu cầu về vị trí và tốc độ ta có:

Biến đổi Laplace=> B.s.y*(s) + MT.g.s2.y*(s) +.B + MT.g = k.τ(s) + MĐ.g

=> B.s.y*(s) + MT.g.s2.y*(s) + MĐ.g - MT.g + MT.g = k.τ(s) + MĐ.g

=> y*(s).[B.s + MT.g.s2] = k.τ(s)

Hàm truyền:

Ứng với thông số động cơ ta có:

g = 9.81 m/s2

B = 0,3

MT = 1000 kg

VI Biểu diễn hàm truyền trong MATLAB và đáp ứng mạch hở

Chúng ta có thể biểu diễn hàm truyền nói trên trong MATLAB bằng cách định nghĩa các ma trận tử số và mẫu số như sau:

Tạo m-file mới và nhập các lệnh:

k=3.77;

Mt=1000;

g=9.81;

B=0.3;

num=k;

den=[Mt*g B 0];

thangmay=tf(num,den);

Bây giờ chúng ta sẽ xem hệ thống hở ban đầu được hình thành như thế nào Thêm các lệnh sau vào cuối m-file và chạy nó trong cửa sổ lệnh của MATLAB:

step(thangmay,0:0.1:3);

title( 'Dap ung he thong vong lap mo' );

Ta sẽ nhận được đồ thị sau:

Nhìn vào đồ thị chúng ta thấy các chỉ tiêu như thời gian xác lập, độ vọt lố, sai số xác lập đều chưa yêu cầu vậy nên chúng ta tiến hành thêm bộ PID để điều khiển phản hồi thỏa mãn các yêu cầu

VII Thiết lập PID điều khiển vị trí thang máy

Sử dụng PID Tuner đề tìm các hệ số Kp, Ki, Kd Kéo 2 thanh Response Time và

Transient Behavior để thay đổi thời gian xác lập, độ vọt lố, sai số xác lập ta có:

Chọn

Show

Parameters ta có tìm được các giá trị của Kp, Ki, Kd như hình

Từ đó ta nhập vào trong m.file các giá trị của Kp, Ki, Kd ta có đoạn lệnh sau: k=3.77;

Mt=1000;

g=9.81;

B=0.3;

num=k;

den=[Mt*g B 0];

thangmay=tf(num,den);

Kp=83043.7647;

Ki=21946.2044;

Kd=78558.7651;

contr=tf([Kd Kp Ki],[1 0]);

sys_cl=feedback(contr*thangmay,1);

step(sys_cl)

Tiến hành chạy file và ta có biểu đồ như dưới:

Từ biểu đồ trên ta thấy các yêu cầu như thời

gian xác lập, sai số xác lập, độ vọt lố thỏa mãn

Trong quá trình thực hiện em có sử dụng một số tài liệu tham khảo như:

1 Datasheet động cơ YJ200 model YTTD160TVF1-6 của hãng Mitsubishi

2 File m.file:

3 File word