báo cáo: hệ thống quạt gió cánh phẳng, hệ đại học

Ngày nay, do yêu cầu thực tế sản xuất của công nghệ hiện đại trong các lĩnh vực khác nhau, cần có một hệ thống điều khiển có thể thay đổi cấu trúc và các thông số để đảm bảo các tiêu chu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

quý báu Cũng như tất cả các thành viên trong lớp 19TDHCLC3 đã cónhững ý kiến đóng góp, bổ sung, phê bình, cũng như động viên khích lệgiúp em hoàn thiện đề tài.

Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

Lớp

Năm học

: NGUYỄN HOÀNG MAI

: TRẦN PHƯỚC NGUYÊN PHẠM MINH NHẬT NGUYỄN KHÁNH LUẬT

ĐỖ NHẬT MINH

LÊ PHƯỚC LỢI BÙI ĐẮC LỘC: 19TDHCLC3: 2020 - 2021

Mặc dù nhóm thực hiện đã cố gắng hết sức để thực hiện đồ án, nhưngkiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện cũng khó tránh khỏinhững sai sót Nhóm thực hiện mong nhận được sự đóng góp ý kiến củaquý thầy cô cùng các bạn sinh viên.

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

Trân trọng

Mục lục

Mở đầu

1. Tính cần thiết của đề tài.

Ngày nay, do yêu cầu thực tế sản xuất của công nghệ hiện đại trong các lĩnh vực khác nhau, cần có một hệ thống điều khiển có thể thay đổi cấu trúc và các thông số để đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng quy định Dựa trên nền tảng phát triển cao về kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính, lý thuyết điều khiển thích ứng ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu trên Nội dung của điều khiển thích ứng là: tạo ra một hệ thống điều khiển mà cấu trúc và các tham số có thể thay đổi theo sự thay đổi của các tham số của đối tượng điều khiển, sao cho đảm bảo chất lượng của hệ thống được bảo đảm theo các tiêu chí đã định sẵn

2. Mục tiêu.

Mục tiêu cụ thể như sau:

 Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thông qua nhận dạng thực nghiệm theo phương pháp hồi quy trung bình trượt nhằm xác định mô hình hệ thống và mô hình nhiễu tác động

 Xác định mô hình mẫu

 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và cơ cấu hiệu chỉnh

 Cài đặt bộ điều khiển và cơ cấu chỉnh định trong Matlab simulink và điều khiển thực

 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển áp dụng với phương pháp đã có

 Đánh giá và nhận xét

3. Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết về nhận dạng thực nghiệm, tiến hành nhận dạng thực tế hệ thống quạt gió cánh phẳng

 Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển thích nghi, trong đó lựa chọn phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu với cơ cấu hiệu chỉnh thông

số thích nghi

Chương 1: Tổng quan về đề tài.

1. Đặt vấn đề.

Hệ thống quạt gió cánh phẳng là một hệ thống khí động học, hệ thống có tính phi tuyến mạnh và rất nhạy cảm với ảnh hưởng của nhiễu Do đó, hệ htoongs quạt gió cánh phănt là mục tiêu tố để nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự đọng từ đơn giản đến phức tạp

2. Mô hình động lực học và sơ đồ khối.

Góc quay của tấm phẳng được xác định thông qua mpu6050, Như vậy,

ta có thể tính được góc nghiêng hiện tại của tấm bảng so với phươngthẳng đứng

Chương 2: Nghiên cứu và thiết kế mô hình

1. Phần cơ khí.

a Giá đỡ mô hình, 2 trụ và giá đỡ động cơ

- Đây là vật liệu gỗ ép tương đối

chắc chắn nên đảm bảo yêu cầu

cho việc cắt gọt để làm giá đỡ

cũng như phần trụ cho mô hình

- Với chất liệu làm bằng nhôm nên rất cứng

cáp và đảm bảo duy trì sự ổn định khi lắp

đặt cánh phẳng vào

c Cánh phẳng:

- Với chất liệu được làm từ giấy cứng

đảm bảo được độ bền bỉ cho cánh phẳng

- Kích thước 23 x 16 x 0.3 (cm)

d

Thanh sắt chữ L:

- 2 thanh sắt chữ L này có tác dụnggiúp ta cố định 2 trụ của mô hình

b. Phần điện

a Cảm biến đo góc GY-521 6DOF IMU MPU6050

- Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 được sử dụng để đo 6 thông số: 3 trụcGóc quay (Gyro), 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer)

- Thông số kĩ thuật:

 Điện áp sử dụng: 3~5VDC

 Điện áp giao tiếp: 3~5VDC

 Chuẩn giao tiếp: I2C

 Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec

 Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g

 Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động bằng máy chất lượng tốt nhất

b IC 555:

- Thông số kĩ thuật:

 Với nguồn điện áp đầu vào

nằm trong dải từ 2 – 18V

 Dòng điện tiêu thụ: 6 – 15mA

 Công suất tiêu thụ lớn nhất

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

 Điện áp đầu vào: 5~30VDC

 Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ýcông suất = dòng điện x điện áp nên

áp cấp vào càng cao, dòng càngnhỏ, công suất có định 25W)

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

 Mức điện áp logic: Low

-0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

 Kích thước: 43x43x27mm

h Nguồn nuôi 12 V

i Cáp kết nối cổng COM với máy tính.

*Ngoài ra, còn có các phụ kiện nhỏ khác như dây điện, các điện trở, tụ điện, keo dán,…

Nhóm lực chọn nhận dạng theo tín hiệu thực nghiệm.

1. Lấy số liệu thực nghiệm.

Phương pháp lấy số liệu:

 dùng bộ điều áp bằng điện trở để điều chỉnh điện áp tăng dần từ 5V,

5.5V,6V…12V

 dùng thước đo độ để đo góc lệch tương ứng

 ghi lại kết quả vào bảng

 lặp lại 5 lần lấy trung bình ta được bảng số liệu:

11 5

1 2 Góc cánh

48 50.

5

56 5 8

61 5

6 5

2. Xử lí số liệu và chọn thông số bộ điều khiển.

Dùng công cụ mat lap để nhận dạng hệ thống

a Nhận dạng hàm truyền

-Ta nhận dạng hàm truyền bằng phần mềm Identification Tool trong Matlab

-Với độ phù hợp với dữ liệu ước tính:95.69%

b Thiết kế bộ điều khiển-Mô phỏng

-Ta dùng lệnh pidTuner với hàm truyền đã được soạn sẵn trên Matlab để thiết kế

ra bộ điều khiển PID

-Và sau nhiều lần điều chỉnh em đã chọn được bộ điều khiển với thông số như bêndưới

Gc(s)=2,7766 + +3,6183s

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển.

1. Cơ sở điều khiển (PID).

Sơ đồ khối hệ thống

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra:

1 ( ) ( ) ( ( ) ( ) )

( ) ( ) ( ) ( ) )

Bộ điều khiển Pid có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e(t) của hệ thống về 0

KHÂU P

 Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần Up(t), tín hiệu điều

chỉnh u(t) càng lớn ( vai trò khâu khuếch đại Kp)

ảnh hưởng của kp đến đáp ứng của hệ thống

Nhận xét:

Kp tăng  exl giảm:

Thời gian xác lập giảm nếu chưa vọt lố

Thời gian xác lập tăng nếu có vọt lố

Kp quá lớn (Kp5):hệ thống mất ổn định

Kp quá lớn (Kp1): sai số tĩnh e(t) lớn

2. tính toán thiết bị cho bộ điều khiển PID.

3. lập mô hình hoàn chỉnh.

Bộ PID hoàn chỉnh

4 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển khác

- Nichole – zigler

Thiết kế dùng phương pháp nichole – zigler.

- Giả sử hệ thống mong muốn tìm bộ pid.

Chương 5: mô phỏng và thực nghiệm.

1. mô phỏng trên matlab simulink .

Mô phỏng ở đây được hiểu là giả lập những điều kiện, tình huống thông qua một số phần mềm với mục đích dự đoán, thiết kế hệ thống thêm phần trực quan, chính xác.

Nhận xét:

Ta thấy đáp ứng đầu ra (góc cánh phẳng) bám giá trị góc đặt, và thời gian quá độ từ 4(s) - 5(s) nên chất lượng của bộ điều khiển PID là tương đối tốt với góc đặt nhỏ hơn 15° Đối với góc đặt khác thì hệ thống vẫn hoạt động tương đối ổn định.

Hình minh hoạ cho các góc đặt khác(5 0 ,20 0 ,50 0 )

mô tả hệ thống có nhiễu ngẫu nhiên

Nhận xét:

Ta thấy hệ thống sau khi chịu tác động nhiễu hệ có khả năng trở về trạng thái xác lập: góc cánh phẳng bám giá trị góc đặt Như vậy hệ có khả năng khử nhiễu tương đối tốt.

Sơ đồ mô phỏng toàn bộ hệ thống Code cho mpu6050 trên arduino

2. chạy thử hệ thống và sửa lỗi

- các bước làm mạch in:

+ vẽ mạch và thiế kế mạch trên proteus

+ qua giao diện PCB layout để bố trí các lịnh kiện và đi dây trên mô hình thật

+ in mạch và ủi mạch in lên bảng mạck đồng

+ ngâm vs hỗn hợp bột sắt để lộ ra các đường dây

+ khoan và lặp đặt linh kiện

+phủ 1 lớp nhựa thông để tránh bị ăn mòn về lâu dài

3 bộ điểu khiến số hoàn toàn.

bộ điều khiển số hoàn toàn dùng arduino

Chương 6: Kết luận.

 Đây là hệ có tính phi tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu, do vậy bài toán đặt ra ở đây là phải xây dựng bộ điều khiển thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng; thỏa mãn tính thích nghi khi tham số thay đổi và bền vững với nhiễu

 Nhận dạng hệ thống điều khiển là bước đầu tiên và quan trọng để thực hiệnquá trình thiết kế điều khiển cho đối tượng, sau khi nhận dạng hệ thống ta đãtìm được mô hình toán học của hệ thống QGCP được biểu diễn bằng hàmtruyền Công cụ nhận dạng System Identification Toolbox của phần mềm

Matlab giúp ta tiến hành nhận dạng hệ thống QGCP một cách dễ dàng, trựcquan và nhanh chóng.

1 những sai lầm đã trải nghiệm.

 Tính toán sai, không hiểu rõ đặc tính linh kiện dẫn đến việc hư hạikhá nhiều linh kiện như: điện trở, biến trở, opamp,

 Ban đầu chọn nguyên liệu làm cánh phẳng hơi nặng khiến quạt thổikhông bay lên được

 Vận dụng được kiến thức các môn: điều khiển tuyến tính, mạch số, mạchđiện tử, lí thuyết mạch,…

 Tăng khả năng phân tích và giải quyết vấn đề