Ứng dụng công cụ Simmechanics mô phỏng hệ điều khiển cần trục

Ön Unknown. ë ®©y lµ mét Joint Initial Condition Actuator ®· nèi víi khíp l¨ng trô, mµ nèi hai Body. H×nh 1.2.4.7b: VÝ dô c¸ch sö dông khèi IC B¹n ph¶i thªm vµo mét cæng Actuator (cæng nèi) vµo khèi Joint ®Ó nèi Initial Condition Actuator víi nã. Thø tù base- follower Body trªn hai bªn cña khíp quyÕt ®Þnh h−íng d÷ kiÖn Initial Condition Actuator. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 73 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • Initial position Trong vïng nµy, cµi ®Æt vÞ trÝ ban ®Çu theo chiÒu dµi hoÆc gãc, tuú thuéc vµo Actuator nµy ®−îc nèi víi khíp tÞnh tiÕn hay khíp quay. NgÇm ®Þnh lµ 0.0. Trong danh môc kÐo xuèng, chän ®¬n vÞ cho vÞ trÝ ban ®Çu theo chiÒu dµi hay gãc. NgÇm ®Þnh cho theo chiÒu dµi lµ m, theo gãc lµ deg. • Initial velocity Trong vïng nµy, cµi ®Æt vËn tèc ban ®Çu theo chiÒu dµi hoÆc gãc, tuú thuéc vµo Actuator nµy ®−îc nèi víi khíp tÞnh tiÕn hay khíp quay. NgÇm ®Þnh lµ 0.0. Trong danh môc kÐo xuèng, chän ®¬n vÞ cho vËn tèc ban ®Çu theo chiÒu dµi hay gãc. NgÇm ®Þnh cho theo chiÒu dµi lµ m/s, theo gãc lµ deg/s. 1.2.4.8. Khèi Joint Stiction Actuator Môc ®Ých G©y ra ma s¸t cæ ®iÓn cho mét khíp nguyªn thuû M« t¶ Khèi Joint Stiction Actuator g©y ra ma s¸t tÜnh (static friction = stiction) cho mét khíp tÞnh tiÕn hay khíp quay nguyªn thuû. Ma s¸t tÜnh ®−îc ®iÒu chØnh l¹i bëi m« h×nh lý t−ëng mµ c¸c th«ng sè cña nã do b¹n x¸c ®Þnh. (Xem lý thuyÕt ma s¸t tÜnh bªn d−íi). Joint Stiction Actuator g©y ra ma s¸t tÜnh cho khíp nguyªn thuû d−íi d¹ng lùc/ m«men t−¬ng ®èi gi÷a nh÷ng Body ®−îc nèi cña khíp. Nh÷ng Body cã thÓ c¶m thÊy nh÷ng lùc thªm vµo ®éc lËp cña khíp. §Çu vµo lµ nh÷ng tÝn hiÖu Simulink. §Çu ra lµ cæng nèi. B¹n kh«ng thÓ nèi mét Joint Stiction Actuator víi khèi Spherical hoÆc khíp cÇu nguyªn thuû. Sù h¹n chÕ ®ång thêi trªn nh÷ng Actuator vµ nh÷ng Sensor: • B¹n kh«ng thÓ kÝch ®éng mét khíp nguyªn thuû ®ång thêi víi mét Joint Stiction Actuator vµ mét Joint Actuator. Nh−ng víi cæng vµo External Actuator cña Joint Stiction Actuator, b¹n cã thÓ g©y ra víi khíp nguyªn thuû tÝn hiÖu kÝch ®éng lùc/ m«men ngo¹i t−¬ng ®−¬ng víi viÖc t¸c ®éng mét Joint Actuator. • B¹n cã thÓ kÝch ®éng ®ång thêi mét khíp nguyªn thuû víi mét Joint Stiction Actuator vµ mét Joint Initial Condition Actuator. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 74 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • B¹n còng cã thÓ kÝch ®éng ®ång thêi khíp nguyªn thuû víi mét Joint Stiction Actuator vµ ®o lùc/ m«men däc theo/ xung quanh khíp nguyªn thuû víi mét Joint Sensor. Hép tho¹i vµ nh÷ng th«ng sè (Dialog Box and Parameters) H×nh 1.2.4.8: B¶ng th«ng sè cña khèi Joint Stiction Actuator Hép tho¹i cã mét vïng ho¹t ®éng lµ Stiction actuation. • Connected to primitive Trong danh môc kÐo xuèng, lùa chän khíp nguyªn thuû bªn trong khíp mµ b¹n muèn kÝch ®éng víi Joint Stiction Actuator. Mét khèi Joint nguyªn thuû chØ cã mét khíp nguyªn thuû. B¹n kh«ng thÓ nèi mét Joint Stiction Actuator víi khíp cÇu nguyªn thuû. NÕu Joint Stiction Actuator kh«ng ®−îc nèi víi khèi Joint, môc nµy chØ hiÖn Unknown. • External force units Trong danh môc kÐo xuèng, chän ®¬n vÞ cho ngo¹i lùc/moment kh«ng ma s¸t Fext. NgÇm ®Þnh lµ N nÕu ®−îc nèi víi khíp tÞnh tiÕn vµ lµ Nm nÕu ®−îc nèi víi khíp nguyªn thuû quay. • Kinematic friction units Trong danh môc kÐo xuèng, chän ®¬n vÞ cho lùc/moment ma s¸t ®éng FK. NgÇm ®Þnh lµ N nÕu ®−îc nèi víi khíp tÞnh tiÕn vµ lµ Nm nÕu ®−îc nèi víi khíp nguyªn thuû quay. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 75 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • Locking velocity threshold (MKS-SI units) (ng−ìng vËn tèc kho¸) NhËp vµo vËn tèc t−¬ng ®èi cña khíp nguyªn thuû mµ khíp bÞ kho¸ l¹i bëi ma s¸t tÜnh. Trªn vËn tèc ®ã, khíp kh«ng bÞ kho¸. §¬n vÞ MKS ph¶i lµ: cho khíp l¨ng trô nguyªn thuû lµ m/s; cho khíp quay nguyªn thuû lµ rad/s. 1.2.5. Th− viÖn Utilities 1.2.5.1. Khèi Connection ports Môc ®Ých T¹o mét cæng kÕt nèi víi m« h×nh vËt lý cho mét hÖ thèng con. M« t¶ Khèi nµy n»m bªn trong hÖ thèng con ®· ®−îc x©y dùng cña c¸c khèi Simmechanics. Cæng nèi ®ùoc thÓ hiÖn bªn ngoµi hÖ thèng cong b»ng mét vßng trßn g¾n t¹i viÒn cña khèi hÖ thèng con. Khi cæng nèi ®ã ®−îc nèi víi mét tÝn hiÖu th× vßng trßn ®ã chuyÓn thµnh h×nh trßn mµu ®en. B¹n nèi c¸c khèi Simmechanics riªng rÏ vµ c¸c hÖ thèng con tíi c¸c khèi hay c¸c hÖ thèng con kh¸c víi mét ®−êng kÕt nèi ®Æt biÖt thay v× ®−êng tÝn hiÖu m« pháng b×nh th−êng. Khi ®−îc h×nh thµnh th× hÖ thèng con tù ®éng c¸c c¸c cæng kÕt nèi nÕu ng−êi sö dông kh«ng nèi cæng kÕt nèi. B¹n còng cã thÓ thªm c¸c cæng kÕt nèi b»ng c¸ch thªm c¸c cæng kÕt nèi cho hÖ thèng con cña b¹n. Hép tho¹i c¸c c¸c th«ng sè( Dialogbox & Parameters) H×nh 1.2.5.1: B¶ng th«ng sè cña khèi Connection port L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 76 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN C¸c th«ng sè cña khèi Connection port: * Port number: C¸c nh·n( tªn) kh¸c nhau cña c¸c cæng kÕt nèi trong hÖ thèng con ®−îc to¹ bëi th«ng sè nay. Trong mét hÖ thèng con cã nhiÒu cæng kÕt nèi th× mçi cæng cÇn cã mét tªn kh¸c nhau ®ã chÝnh lµ sè ®−îc nhËp trong th«ng sè nµy. Gi¸ trÞ mÆc ®Þnh cæng tÝn hiÖu ®µu tiªn lµ 1. * Port location on parent subsystem: Chän t¹i ®©y mét trong hai vÞ trÝ cña cæng kÕt nèi phÝa bªn ngoµi cña hÖ thèng con. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 77 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN PhÇn2: øNg dông c«ng cô simmechanics m« pháng hÖ ®iÒu khiÓn cÇn trôc 2.1. Giíi thiÖu vÒ CÇn trôc CÇn trôc quay ®−îc coi nh− lµ mét c«ng cô thiÕt yÕu dïng trong c«ng nghiÖp vµ x©y dùng ®Ó di chuyÓn vËt nÆng, hµng ho¸ vµ vËt liÖu tõ chç nµy ®Õn chç kh¸c. Mét −u ®iÓm lín khã cã thÓ thay thÕ cña cÇn trôc quay lµ chóng cã thÓ di chuyÓn ®−îc nh÷ng vËt nÆng lªn cao vµ vµo n¬i nguy hiÓm qua ®ã chóng lµm t¨ng tiÕn ®é qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. Nh×n chung, cÇn trôc quay cã rÊt nhiÒu cÊu tróc bÒn v÷ng hîp lÝ ®Ó n©ng nh÷ng träng t¶i nÆng. Nh− trong h×nh vÏ 2.1, cÊu tróc chung cÇn trôc quay bao gåm: • Mét th¸p ®øng gi÷ cÇn ngang cña cÇn trôc quay. Sinh ra chuyÓn ®éng quay cña cÇn trôc th«ng qua th¸p ®øng nµy. • Mét ch©n ®Õ th−êng cè ®Þnh víi nÒn ®Ó ng¨n chÆn sù xª dÞch cña cÇn trôc. • Mét cÇn ngang ®−îc ®Æt trªn th¸p vµ quay trong mÆt ph¼ng ngang xung quanh trôc ®øng cè ®Þnh. • Mét xe gi÷ vËt nÆng vµ cã thÓ di chuyÓn trªn cÇn ngang. • HÖ thèng treo bao gåm c¸c d©y c¸p vµ rßng räc. Nh− vËy th×, sù kÕt hîp chuyÓn ®éng cña xe vµ cÇn cã thÓ di chuyÓn vËt nÆng ®Õn mäi n¬i trong mÆt ph¼ng ngang trong ph¹m vi cña cÇn trôc quay. VËt nÆng ®−îc treo vµo xe b»ng c¸ch sö dông mét bé c¸c d©y c¸p. ChiÒu dµi d©y c¸p cã thÓ thay ®æi ®Ó phôc vô cho qu¸ tr×nh n©ng h¹ vËt nÆng lªn xuèng. Mét trong nh÷ng vÊn ®Ò hiÖn nay ®èi víi cÇn trôc trong c«ng nghiÖp vµ x©y dùng lµ cÇn trôc ngµy cµng trë lªn lín h¬n vµ cao h¬n ®Ó ®¸p øng ®−îc víi nh÷ng c«ng tr×nh lín h¬n vµ cao h¬n víi yªu cÇu thêi gian hoµn thµnh ng¾n h¬n. Nh−ng thËt kh«ng may, cÇn trôc víi cÊu tróc lín t−¬ng øng víi kho¶ng di chuyÓn lín mµ l¹i di chuyÓn víi tèc ®é cao lµ lu«n lu«n ®i kÌm víi sù dao ®éng cña vËt nÆng kh«ng mong ®îi do ®éng lùc häc hÖ thèng. Mµ nÕu vËt nÆng dao ®éng m¹nh th× sÏ ph¸t sinh c¸c vÊn ®Ò nh− kÕt cÊu cña cÇn trôc ph¶i cøng v÷ng H×nh 2.1: M« h×nh cÇn trôc L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 78 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN h¬n rÊt nhiÒu ®Ó chÞu c¸c lùc kh¸c nhau do dao ®éng cña vËt nÆng còng nh− gi¶m tuæi thä cña cÇn trôc, råi khã kiÓm so¸t møc ®é dao ®éng cña cÇn trôc dÉn ®Õn tÝnh an toµn kÐm. Nh− vËy chóng ta cÇn thiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn cho cÇn trôc quay ®Ó di chuyÓn vËt nÆng víi hai yªu cÇu chÝnh. * Thø nhÊt lµ thêi gian cÇn cho vËt nÆng di chuyÓn tõ vÞ trÝ n©ng ®Õn vÞ trÝ h¹ ph¶i lµ ng¾n nhÊt. * Thø hai lµ ph¶i khèng chÕ ®−îc sù dao ®éng cña vËt nÆng sao cho nhá ®Ó ng¨n ngõa rñi ro cho con ng−êi vµ nh÷ng thiÕt bÞ trong vïng lµm viÖc. 2.2. §Æt vÊn ®Ò • LÊy mét hÖ to¹ ®é Decac OXYZ lµm hÖ to¹ ®é tuyÖt ®èi x¸c ®Þnh cÇn trôc. Nã ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: Gèc O t¹i ®iÓm nÒn ®Õ cÇn trôc. Trôc OX h−íng sang ph¶i vµ n»m trong mÆt ph¼ng cÇn trôc khi cÇn trôc ë vÞ trÝ ban ®Çu (ch−a cã sù di chuyÓn). Trôc OY h−íng th¼ng ®øng lªn trªn trïng víi trôc cña th¸p. Trôc OZ n»m thuËn theo quy t¾c bµn tay ph¶i. • LÊy mét hÖ to¹ ®é Decac OX’Y’Z’ g¾n liÒn víi sù chuyÓn ®éng cña cÇn ngang Hai hÖ to¹ ®é nµy cã OY ≡ OY’, T¹i thêi ®iÓm ban ®Çu hai hÖ to¹ ®é nµy trïng nhau, t¹i thêi ®iÓm t hai hÖ to¹ ®é cã gãc hîp bëi OX vµ OX’ lµ γ(t). Th¸p ®øng CÇn ngang Xe tr¦ît §Õ VËt n©ng t t O Y X' Z' r(t) Z X Y' H×nh 2.2. HÖ thèng to¹ ®é cña cÇn trôc L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 79 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • Chóng ta di chuyÓn vËt nÆng tõ mét vÞ trÝ ®Õn mét vÞ trÝ kh¸c cÇn hai chuyÓn ®éng: cÇn ngang quay trong mÆt ph¼ng ngang xung quanh trôc OY mét gãc γ(t), xe di chuyÓn trªn cÇn ngang víi vÞ trÝ r(t) ®−îc x¸c ®Þnh trªn trôc OX. • Khi di chuyÓn vËt nÆng, c¸c chuyÓn ®éng lµm cho vËt nÆng dao ®éng. VËt nÆng dao ®éng ®−îc ®Æc tr−ng bëi hai gãc lµ φ vµ θ. Gãc φ lµ gãc hîp bëi d©y c¸p vµ chiÒu ©m cña trôc Y’ trong mÆt ph¼ng X’OY’, cßn gãc θ lµ gãc hîp bëi d©y c¸p vµ mÆt ph¼ng X’OY’. X' Z' Y' A(X'o, Y'o, Z'o) B(X', Y', Z') t t H×nh 2.3. C¸c gãc dao ®éng cña vËt nÆng Nh− vËy, vÊn ®Ò ®Æt ra ë ®©y lµ thiÕt kÕ mét bé ®iÒu khiÓn víi chøc n¨ng tho¶ m·n hai yÕu tè chÝnh. * Thø nhÊt lµ thêi gian cÇn ®Ó di chuyÓn vËt nÆng tõ vÞ trÝ n©ng ban ®Çu ®Õn vÞ trÝ h¹ lµ nhá nhÊt. * Thø hai lµ c¸c gãc dao ®éng φ vµ θ ph¶i nhá ®Õn møc cã thÓ ®Ó ng¨n ngõa nh÷ng rñi ro cho con ng−êi vµ trang thiÕt bÞ t¹i n¬i lµm viÖc, t¨ng n¨ng suÊt lao ®éng. 2.3. M« pháng hÖ thèng c¬ ®éng häc cña cÇn trôc quay víi c«ng cô SimMechanics 2.3.1. C¸c gi¶ thiÕt khi m« pháng • Bá qua ma s¸t t¹i c¸c kh©u khíp cña cÇn trôc. • Bá qua sù co d·n cña d©y treo vËt nÆng. • Bá qua ¶nh h−ëng cña giã. • HÖ cÇn trôc ®−îc coi lµ cøng v÷ng tuyÖt ®èi L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 80 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.3.2. M« pháng hÖ thèng c¬ ®éng häc M« h×nh cÇn trôc ®−îc x©y dùng tõ c¸c khèi cña matlab nh− h×nh d−íi: • §Õ cÇn trôc ®−îc x©y dùng bëi khèi “Ground” víi th«ng sè duy nhÊt lµ to¹ ®é cña nã so víi hÖ to¹ ®é gèc( World). LÊy to¹ ®é nµy =[0 0 0] nghÜa lµ ®Õ cÇn trôc t¹i gèc hÖ to¹ ®é World. §Õ cÇn trôc ®−îc khai b¸o trong matlab nh− h×nh d−íi: H×nh2.3.2b: Th«ng sè cña ®Ó cÇn trôc H×nh 2.3.2a: M« h×nh cÇn trôc x©y dùng b»ng c¸c khèi cña matlab L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 81 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • Khíp quay ®Ó cÇn trôc cã thÓ quay ta g¾n khíp quay gi÷a ®Õ vµ th¸p ®øng khíp quay ®ù¬c x©y dùng tõ khèi “Revolute” víi th«ng sè lµ trôc quay theo 1 hÖ to¹ ®é nµo ®ã. C¸c th«ng sè nhËp lµ chuyÓn ®éng quay quanh trôc Y cña hÖ to¹ ®é World nh− h×nh d−íi. H×nh 2.3.2c: Th«ng sè cña khíp quay Ta sÏ ph¶i dïng mét kh©u kÝch ®éng cho khíp quay nµy ®Ó t¹o ra chuyÓn ®éng quay cho cÇn trôc, vµ mét kh©u c¶m biÕn ®o gãc quay ®Ó lµm tÝn hiÖu ph¶n håi cho hÖ ®iÒu khiÓn. V× vËy trong môc khai b¸o “ connection parameters” nhËp th«ng sè lµ 2. • Th¸p ®øng cÇn trôc ®−îc x©y dùng tõ khèi “body” víi c¸c th«ng sè: Khèi l−îng 3000( Kg). Cã d¹ng h×nh häc lµ h×nh hép ch÷ nhËt kÝch th−íc theo hÖ to¹ ®é h×nh vÏ 2.1, XxYxZ= 1,5x50x1,5 ( m). Trong ch−¬ng tr×nh h×nh d¹ng h×nh häc cña nã ®−îc thÓ hiÖn qua mét tensor momen qu¸n tÝnh( 3x3) víi c¸ch khai b¸o : “[ I1 0 0; 0 I2 0; 0 0 I3]” vµ gi¸ trÞ ®−îc tÝnh nh− sau: Th¸p ®øng: 3000Kg; XxYxZ= 1.5x50x1.5m; TÝnh [I]: )(Kg.m6255638.625562)5.150(3000. 12 1).(. 12 1 22222 1 ≈=+=+= ZYmI )(Kg.m1125)5.15.1(3000. 12 1).(. 12 1 22222 2 =+=+= ZXmI L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 82 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN )(Kg.m6255638.625562)505.1(3000. 12 1).(. 12 1 22222 3 ≈=+=+= YXmI Th¸p ®øng ®−îc khai b¸o trong matlab nh− h×nh d−íi: H×nh 2.3.2d: Th«ng sè cña th¸p ®øng cÇn trôc • Khíp nèi ®−îc x©y dùng tõ khèi “Weld” cã t¸c dông nèi cøng hai “body” kh«ng cã th«ng sè cÇn ph¶i nhËp tõ ng−êi sö dông trong tr−êng hîp nµy. Tuy ta cã thÓ thªm ®−îc c¸c c¶m biÕn ®Ó ®o øng suÊt nÕu cÇn. • CÇn ngang ®−îc x©y dùng tõ khèi “body” víi c¸c th«ng sè: Khèi l−îng 5000( Kg). Cã d¹ng h×nh häc lµ h×nh hép ch÷ nhËt kÝch th−íc theo hÖ to¹ ®é h×nh vÏ 2.1, XxYxZ= 30x1x1 ( m). Trong ch−¬ng tr×nh h×nh d¹ng h×nh häc cña nã ®−îc thÓ hiÖn qua mét tensor momen qu¸n tÝnh( 3x3) víi c¸ch khai b¸o : “[ I1 0 0; 0 I2 0; 0 0 I3]” vµ gi¸ trÞ ®−îc tÝnh nh− sau: CÇn ngang 5000( Kg); XxYxZ= 30x1x1 ( m) TÝnh [I]: )(Kg.m833.33833)11(5000. 12 1).(. 12 1 22222 1 ≈=+=+= ZYmI )m375417(Kg.375416.6)130(5000. 12 1).(. 12 1 22222 2 ≈=+=+= ZXmI )m375417(Kg.375416.6)130(5000. 12 1).(. 12 1 22222 3 ≈=+=+= YXmI L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 83 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN CÇn ngang ®−îc khai b¸o trong matlab nh− h×nh d−íi: H×nh 2.3.2.e: Th«ng sè cña cÇn ngang cÇn trôc • Khíp tr−ît ®Ó xe tr−ît cã thÓ dÞch chuyÓn tÞnh tiÕn trªn cÇn ngang cña cÇn trôc ®ù¬c x©y dùng tõ khèi “Prismatic” víi th«ng sè lµ trôc tÞnh tiÕn theo 1 hÖ to¹ ®é nµo ®ã. C¸c th«ng sè nhËp lµ chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn theo trôc X cña hÖ to¹ ®é World nh− h×nh d−íi: H×nh 2.3.2f: Th«ng sè cña khíp tr−ît L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 84 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Ta sÏ ph¶i dïng mét kh©u kÝch ®éng cho khíp tÞnh tiÕn nµy ®Ó t¹o ra chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn cho cÇn trôc. V× vËy trong môc khai b¸o “ connection parameters” nhËp th«ng sè lµ 1. • Xe tr−ît ®−îc x©y dùng tõ khèi “body” víi c¸c th«ng sè: Khèi l−îng 200( Kg). Cã d¹ng h×nh häc lµ h×nh hép ch÷ nhËt kÝch th−íc theo hÖ to¹ ®é h×nh vÏ 2.1 XxYxZ= 0,5x0,2x0,4 ( m). Trong ch−¬ng tr×nh h×nh d¹ng h×nh häc cña nã ®−îc thÓ hiÖn qua mét tensor momen qu¸n tÝnh( 3x3) víi c¸ch khai b¸o : “[ I1 0 0; 0 I2 0; 0 0 I3]” vµ gi¸ trÞ ®−îc tÝnh nh− sau: Xe trù¬t:200Kg; XxYxZ=0,5x0,2x0,4m TÝnh [I]: )(Kg.m3.1333.1)4.04.0(200. 12 1).(. 12 1 22222 1 ≈=+=+= ZYmI )(Kg.m8.68333.6)4.05.0(200. 12 1).(. 12 1 22222 2 ≈=+=+= ZXmI )(Kg.m8.48333.4)2.05.0(200. 12 1).(. 12 1 22222 3 ≈=+=+= YXmI Xe tr−ît ®−îc khai b¸o trong matlab nh− h×nh d−íi: H×nh 2.3.2.g: Th«ng sè cña xe tr−ît L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 85 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • D©y + vËt nÆng: V× khèi l−îng cña vËt nÆng lín h¬n rÊt nhiÒu so víi d©y treo nÆng nªn träng t©m cña body nµy coi nh− t¹i träng t©m vËt nÆng. §−îc x©y dùng tõ khèi “body” víi c¸c th«ng sè: Khèi l−îng 3000( Kg). Cã d¹ng h×nh häc lµ h×nh lËp ph−¬ng kÝch th−íc theo hÖ to¹ ®é h×nh vÏ 2.1 XxYxZ= 1x1x1 ( m). Trong ch−¬ng tr×nh h×nh d¹ng h×nh häc cña nã ®−îc thÓ hiÖn qua mét tensor momen qu¸n tÝnh( 3x3) víi c¸ch khai b¸o : “[ I1 0 0; 0 I2 0; 0 0 I3]” vµ gi¸ trÞ ®−îc tÝnh nh− sau: VËt nÆng:3000Kg; XxYxZ=1x1x1m( h×nh lËp ph−¬ng) TÝnh [I]: )(Kg.m500)11(3000. 12 1).(. 12 1 22222 1 =+=+= ZYmI )(Kg.m500)11(3000. 12 1).(. 12 1 22222 2 =+=+= ZXmI )(Kg.m500)11(3000. 12 1).(. 12 1 22222 3 =+=+= YXmI D©y + VËt nÆng ®−îc khai b¸o trong matlab nh− h×nh d−íi: H×nh 2.3.2h: Th«ng sè cña vËt nÆng • Mét c¶m biÕn khíp quay: §Ó cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña cÇn trôc quay so víi vÞ trÝ ban ®Çu cña nã, ta cÇn x¸c ®Þnh gãc quay cña cÇn trôc. §Ó ®o gãc L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 86 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN quay cña cÇn trôc ta sö dông khèi “Joint sensor” víi th«ng sè cÇn ®o lµ gãc quay. Khèi nµy ®−îc g¾n víi khíp quay gi÷a ®Õ vµ th¸p ®øng. C¸c th«ng sè vÒ gèc to¹ ®é, gi¸ trÞ ®o vµ ®¬n vÞ ®−îc khai b¸o nh− h×nh d−íi. H×nh 2.3.2i: Th«ng sè cña c¶m biÕn ®o gãc quay • Hai c¶m biÕn vÞ trÝ: §Ó x¸c ®Þnh ®−îc c¸c gãc dao ®éng cña vËt n©ng th× cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña vËt n©ng vµ vÞ trÝ cña xe tr−ît t¹i thêi ®iÓn t. §Ó x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña xe tr−ît trªn cÇn ngang cña cÇn trôc vµ vÞ trÝ cña vËt n©ng ta sö dông khèi “body sensor” g¾n vµo xe tr−ît vµ vËt n©ng. C¸c th«ng sè vÒ gèc to¹ ®é, gi¸ trÞ ®o vµ ®¬n vÞ ®−îc khai b¸o nh− h×nh d−íi: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 87 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN H×nh 2.3.2j: Th«ng sè cña c¶m biÕn ®o vÞ trÝ §èi víi vËt nÆng do cã liªn kÕt víi xe tr−ît b»ng d©y c¸p mµ ë ®©y ta m« h×nh ho¸ nã lµ mét khíp cÇu liªn kÕt víi mét thanh m¶nh. V× vËy kh«ng thÓ ®o trùc tiÕp to¹ ®é cña vËt n©ng trong hÖ to¹ ®é cÇn trôc( quay cïng cÇn trôc), do ®ã ta sÏ ph¶i tÝnh gi¸n tiÕp ra c¸c to¹ ®é cña vËt n©ng trong hÖ to¹ ®é cÇn trôc b»ng c¸c ®o to¹ ®é cña nã trong hÖ to¹ ®é cè ®Þnh “ World” sau ®ã dïng mét khèi chuyÓn ®æi hÖ to¹ ®é ®Ó tÝnh ra to¹ ®é ta cÇn( trong hÖ to¹ ®é cÇn trôc). V× vËy trong khai b¸o th«ng sè cña c¶m biÕn nµy cã kh¸c mét chót so víi c¶m biÕn g¾n trªn xe tr−ît nh− h×nh d−íi. 2.4. S¬ ®å hÖ thèng ®iÒu khiÓn 2.4.1. S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn Chóng ta cÇn x¸c ®Þnh mét c¸ch râ rµng c¸c phÇn tö cña hÖ thèng. Còng nh− mäi hÖ thèng ®iÒu khiÓn nã cã m« h×nh chung víi c¸c phÇn tö sau: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 88 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN • ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn: lµ mét bé ®iÒu khiÓn nµo ®ã • §èi t−îng ®iÒu khiÓn: lµ chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cña xe vµ chuyÓn ®éng quay cña cÇn ngang. • ThiÕt bÞ ®o l−êng: lµ c¶m biÕn ®o c¸c gãc dao ®éng φ vµ θ cña vËt n©ng. C¸c tÝn hiÖu t¸c ®éng trong hÖ thèng: • TÝn hiÖu vµo: lµ hai tÝn hiÖu t¹o chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cña xe rd(t) vµ chuyÓn ®éng quay cña cÇn ngang γd(t) mµ chóng ta cã thÓ biÕt ®−îc tõ b¶ng ®iÒu khiÓn cña ng−êi ®iÒu khiÓn. • TÝn hiÖu ra: lµ mét bé 2 tÝn hiÖu gåm vÞ trÝ thùc cña xe ra(t), gãc quay thùc cña xe γa(t). • TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn t¸c ®éng lªn ®èi t−îng: lµ d2r(t)/dt2 vµ d2γ(t)/dt2. • TÝn hiÖu ph¶n håi: lµ mét bé 4 tÝn hiÖu gåm vÞ trÝ thùc cña xe ra(t), gãc quay thùc cña xe γa(t), gãc dao ®éng φ(t) vµ θ(t). 2.4.2. Chän bé ®iÒu khiÓn PID 2.4.2.1. Lý do chän bé ®iÒu khiÓn PID NhËn thÊy chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cña xe g©y ra gãc dao ®éng φ vµ chuyÓn ®éng quay cña xe g©y ra gãc dao ®éng θ nªn ta chñ ®Ých thiÕt kÕ hai bé ®iÒu khiÓn: Bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cho xe víi tÝn hiÖu ph¶n håi ®−îc sö dông lµ gãc φ. Bé ®iÒu khiÓn quay cho cÇn ngang víi tÝn hiÖu ph¶n håi ®−îc sö dông lµ gãc θ. Nh− vËy lµ bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cña xe cã nhiÖm vô lµ ®ång thêi ®−a c¸c sai lÖch vÒ vÞ trÝ r vµ gãc dao ®éng φ vÒ gÇn 0, bé ®iÒu khiÓn quay cña cÇn ngang cã nhiÖm vô lµ ®ång thêi ®−a c¸c sai lÖch vÒ gãc quay γ vµ gãc θ vÒ gÇn 0. H×nh 2.4.1. S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn cÇn trôc TÝn hiÖu ®Çu vµo HÖ ®iÒu khiÓn cÇn trôc M« h×nh cÇn trôc ra(t) γa(t) )( .. tr )( .. tγ rd(t), γd(t),φ(t),θ(t) L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 89 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Ta so bé ®iÒu khiÓn cña chóng ta víi chøc n¨ng ®iÒu khiÓn nh− vËy víi c¸c bé ®iÒu khiÓn mµ ngµy nay chóng ta cã nh−: • Bé ®iÒu khiÓn tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn cã bé ®iÒu khiÓn Mê, bé ®iÒu khiÓn PID, bé ®iÒu khiÓn Mê lai PID, bé ®iÒu khiÓn tr−ît, …vv • Bé ®iÒu khiÓn sè. • Bé ®iÒu khiÓn logic. Ta thÊy r»ng phï hîp h¬n c¶ lµ bé ®iÒu khiÓn PID bëi v× ®ã lµ bé ®iÒu khiÓn cã nhiÖm vô ®−a sai lÖch vÒ 0 sao cho qu¸ tr×nh qu¸ ®é tho¶ m·n c¸c yªu cÇu c¬ b¶n vÒ chÊt l−îng vµ v× ®èi t−îng ®iÒu khiÓn cña chóng ta lµ kiÓu ®èi t−îng SISO (mét vµo mét ra) theo nguyªn lý håi tiÕp, h¬n n÷a PID cßn cã tÝnh ®¬n gi¶n c¶ vÒ cÊu tróc lÉn nguyªn lý lµm viÖc. 2.4.2.2. Giíi thiÖu vÒ bé ®iÒu khiÓn PID Tªn gäi PID lµ ch÷ viÕt t¾t cña ba thµnh phÇn c¬ b¶n cã trong bé ®iÒu khiÓn (h×nh 2.4.2.2a): khuÕch ®¹i tû lÖ (P), tÝch ph©n (I), vµ vi ph©n (D). Bé ®iÒu khiÓn PID ®−îc vÝ nh− mét tËp thÓ hoµn h¶o gåm ba c¸ nh©n víi ba tÝnh c¸ch kh¸c nhau: + Phôc tïng vµ thùc hiÖn chÝnh x¸c nhiÖm vô ®−îc giao (tû lÖ). + Lµm viÖc vµ cã tÝch luü kinh nghiÖm ®Ó thùc hiÖn tèt nhiÖm vô ®−îc giao (tÝch ph©n). + Lu«n cã s¸ng kiÕn vµ ph¶n øng nhanh nh¹y víi sù thay ®æi trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn nhiÖm vô (vi ph©n) Bé ®iÒu khiÓn PID ®−îc sö dông kh¸ réng r·i ®Ó ®iÒu khiÓn ®èi t−îng SISO (mét vµo, mét ra) theo nguyªn lý håi tiÕp (h×nh 2.4.2.2b). Lý do bé ®iÒu khiÓn PID ®−îc sö dông réng r·i lµ v× tÝnh ®¬n gi¶n cña nã c¶ vÒ cÊu tróc lÉn nguyªn lý e(t) u(t) uP uD uI e(t) u(t) H×nh 2.4.2.2a: Ba thµnh phÇn cña bé ®iÒu khiÓn PID L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 90 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN lµm viÖc. Bé ®iÒu khiÓn PID cã nhiÖm vô ®−a sai lÖch e(t) cña hÖ thèng vÒ 0 sao cho qu¸ tr×nh qu¸ ®é tho¶ m·n c¸c yªu cÇu c¬ b¶n vÒ chÊt l−îng. Nguyªn lý lµm viÖc cña bé ®iÒu khiÓn PID ®−îc m« t¶ mét c¸ch ®Þnh tÝnh nh− sau: + NÕu sai lÖch e(t) cµng lín th× th«ng qua thµnh phÇn uP(t), tÝn hiÖu ®iÒu chØnh u(t) cµng lín (vai trß cña kh©u khuÕch ®¹i KP). + NÕu sai lÖch e(t) ch−a b»ng 0 th× th«ng qua thµnh phÇn uI(t), bé ®iÒu khiÓn PID vÉn cßn t¹o tÝn hiÖu ®iÒu chØnh u(t) (vai trß cña kh©u tÝch ph©n TI). + NÕu sù thay ®æi cña sai lÖch e(t) cµng lín th× th«ng qua thµnh phÇn uD(t), bé ®iÒu khiÓn PID sÏ ph¶n øng cµng nhanh (vai trß cña kh©u vi ph©n TD). BiÓu thøc to¸n häc cña bé ®iÒu khiÓn PID cã d¹ng: ( ) ( ) ( ) ( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ++= ∫ dttdeTdeTtektu D t I P 0 1 ττ Trong ®ã e(t) lµ tÝn hiÖu ®Çu vµo, u(t) lµ tÝn hiÖu ®Çu ra, kP ®−îc gäi lµ hÖ sè khuÕch ®¹i, TI lµ h»ng sè tÝch ph©n, TD lµ h»ng sè vi ph©n. Tõ biÓu thøc to¸n häc trªn ta suy ra ®−îc hµm truyÒn ®¹t cña bé ®iÒu khiÓn PID: ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++= sT sT ksR D I P 11 ChÊt l−îng cña hÖ thèng phô thuéc vµo c¸c tham sè kP, TI, TD. Muèn hÖ thèng cã ®−îc chÊt l−îng nh− mong muèn th× ph¶i ph©n tÝch ®èi t−îng råi trªn c¬ së ®ã chän c¸c tham sè kP, TI, TD cho phï hîp. HiÖn cã kh¸ nhiÒu ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh c¸c tham sè kP, TI, TD cho bé ®iÒu khiÓn PID. D−íi ®©y lµ mét sè nh÷ng ph−¬ng ph¸p th−êng ®−îc sö dông: + Ph−¬ng ph¸p tèi −u m«dun, ph−¬ng ph¸p tèi −u ®èi xøng + Ph−¬ng ph¸p cña Ziegler-Nichols + Ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm Bé ®iÒu khiÓn PID §èi t−îng ®iÒu khiÓn ThiÕt bÞ ®o l−êng x(t) H×nh 2.4.2.2b: M« h×nh hÖ thèng ®iÒu khiÓn víi bé PID - e(t) u(t) y(t) L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 91 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN + Ph−¬ng ph¸p cña Reinisch Mét ®iÓm cÇn chó ý lµ trong nhiÒu tr−êng hîp kh«ng cÇn x¸c ®Þnh c¶ ba tham sè kP, TI, TD cho bé ®iÒu khiÓn PID. Ch¼ng h¹n nh− b¶n th©n ®èi t−îng ®· cã thµnh phÇn tÝch ph©n th× trong bé ®iÒu khiÓn ta kh«ng cÇn ph¶i cã thªm kh©u tÝch ph©n míi triÖt tiªu ®−îc sai lÖch tÜnh, tøc lµ ta chØ cÇn sö dông bé ®iÒu khiÓn PD lµ ®ñ. Hµm truyÒn ®¹t cña bé ®iÒu khiÓn PD cã d¹ng: ( ) ( )sTksR DP += 1 NÕu tÝn hiÖu trong hÖ thèng thay ®æi t−¬ng ®èi chËm vµ b¶n th©n bé ®iÒu khiÓn kh«ng cÇn ph¶i cã ph¶n øng thËt nhanh víi sù thay ®æi cña sai lÖch e(t) th× ta chØ cÇn sö dông bé ®iÒu khiÓn PI víi hµm truyÒn ®¹t cã d¹ng: ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += sT ksR I P 11 2.4.3. S¬ ®å c¸c bé ®iÒu khiÓn Nh− vËy lµ chóng ta cã hai bé ®iÒu khiÓn. Mét lµ bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cña xe, bªn trong cã hai bé ®iÒu khiÓn PID víi mét cho viÖc hiÖu chØnh chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn h−íng kÝnh cña xe trªn cÇn ngang vµ mét cho viÖc lµm gi¶m dÇn gãc dao ®éng φ. Hai lµ bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng quay cña cÇn ngang, bªn trong còng cã hai bé ®iÒu khiÓn PID víi mét cho viÖc hiÖu chØnh chuyÓn ®éng quay cña cÇn ngang vµ mét cho viÖc lµm gi¶m dÇn gãc dao ®éng θ. 2.4.3.1. S¬ ®å khèi bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh Bé ®iÒu khiÓn nµy ph¶i ®¶m nhiÖm hai nhiÖm vô gi¶m thêi gian dÞch chuyÓn cña vËt n©ng tõ vÞ trÝ ban ®Çu tíi vÞ trÝ yªu cÇu ®ång thêi gi¶m dÇn gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng cÇn trôc φ(t) (Víi chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn th× chØ g©y ra gãc dao ®éng nµy do vËy muèn dËp t¾t gãc dao ®éng nµy chØ cã thÓ dïng chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn). §Ó ®¬n gi¶n ta gi¶ sö chØ cã chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn t¹i thêi ®iÓm nµy, nghÜa lµ chØ cã gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng φ(t). §Ó gi¶m gãc dao ®éng ta sö dông bé ®iÒu khiÓn PID víi c¬ chÕ ho¹t ®éng nh− sau: NÕu gãc dao ®éng nµy nh− h×nh vÏ 2.3 th× ®ã lµ gãc d−¬ng khi ®ã tÝn hiÖu ra tõ khèi PID gi¶m dao ®éng nµy lµ gia tèc tÞnh tiÕn d−¬ng, khi ®ã xe tr−ît sÏ t¨ng gia tèc ®Ó ®uæi theo vËt n©ng -> sÏ gi¶m ®−îc gãc dao ®éng. Trong tr−êng hîp gãc dao ®éng ®ang lµ ©m th× tÝn hiÖu ra cña PID gi¶m dao ®éng nµy sÏ ph¶i lµ tÝn hiÖu gia tèc ©m, khi ®ã xe sÏ gi¶m gia tèc t−¬ng øng lµ vËn tèc gi¶m ®Ó chê vËt n©ng -> gi¶m ®−îc gãc dao ®éng. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 92 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN V× vËy tÝn hiÖu ph¶n håi( gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng φ(t)) ph¶i cã gi¸ trÞ ®¹i sè, ®iÒu nµy phï hîp víi c¸ch tÝnh gãc φ(t) ë trªn. Vµ ph¶i cã mét hÖ sè chuyÓn ®æi tõ gia tèc gãc sang gia tèc tÞnh tiÕn t−¬ng øng cho tÝn hiÖu ra cña PID gi¶m dao ®éng gãc. §Ó gi¶m thêi gian dÞch chuyÓn ta sö dông mét bé PID ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn víi tÝn hiÖu ®Çu vµo lµ sai lÖch cña chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn( cã sai lÖch nµy lµ do qu¸ tr×nh t¨ng gi¶m cña gia tèc tÞnh tiÕn g©y ra trong qu¸ tr×nh lµm gi¶m gãc dao ®éng). §Çu ra lµ gia tèc tÞnh tiÕn. Mçi ®Çu ra cña mét PID ë trªn sÏ ®¶m nhiÖm mét nhiÖm vô cña hÖ ®iÒu khiÓn v× vËy kh«ng thÓ hoµn thµnh c¶ hai nhiÖm vô tèt nhÊt nh− khi thùc hiÖn tõng nhiÖm vô ®¬n lÎ. Ta ph¶i chÊp nhËn mét kÕt qu¶ cã thÓ coi lµ tèt nhÊt khi thùc hiÖn c¶ hai nhiÖm vô cïng mét lóc b»ng c¸ch nh©n víi mçi tÝn hiÖu ra mét hÖ sè( K1,1-K1) nh− c¸c ®èi träng. Tõ ®ã ta x©y dùng ®−îc bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn víi hai bé PID cã s¬ ®å m« h×nh bé ®iÒu khiÓn ®ã nh− h×nh d−íi. 2.4.3.2. S¬ ®å khèi bé ®iÒu khiÓn quay T−¬ng tù nh− bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn bé ®iÒu khiÓn nµy còng ph¶i ®¶m nhiÖm hai nhiÖm vô lµ gi¶m thêi quay cña vËt n©ng tõ vÞ trÝ ban ®Çu tíi vÞ trÝ yªu cÇu ®ång thêi gi¶m dÇn gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng cÇn trôc θ(t) (Víi chuyÓn ®éng quay sÏ g©y ra dao ®éng gãc ngoµi mÆt ph¼ng ( nh−ng gi¸ trÞ nhá) vµ gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng do vËy muèn dËp t¾t gãc dao ®éng nµy cÇn dïng ®Õn c¶ hai chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ quay). T¹i mét thêi ®iÓm chuyÓn ®éng cã c¶ gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng φ(t) vµ gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng θ(t). Gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng ®−îc gi¶m do bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn ®¶m nhiÖm. PID hiÖu chØnh chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn PID lµm gi¶m gãc dao ®éng φ K1 1-K1 + )(td )(t r )(tra φ )( tr&& H×nh 2.4.3.1 :S¬ ®å khèi bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn + − L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 93 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN §Ó gi¶m gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng φ(t) ta sö dông bé ®iÒu khiÓn PID víi c¬ chÕ ho¹t ®éng nh− sau: NÕu gãc dao ®éng nµy nh− h×nh 2.3 th× ®ã lµ gãc ©m khi ®ã tÝn hiÖu ra tõ khèi PID gi¶m dao ®éng nµy lµ gia tèc gãc ©m. Khi ®ã cÇn trôc sÏ gi¶m gia tèc quay ®Ó chê vËt n©ng -> sÏ gi¶m ®−îc gãc dao ®éng. Trong tr−êng hîp gãc dao ®éng ®ang lµ d−¬ng th× tÝn hiÖu ra cña PID gi¶m dao ®éng nµy sÏ ph¶i lµ tÝn hiÖu gia tèc d−¬ng, khi ®ã gia tèc quay cÇn trôc t¨ng ®Ó ®uæi theo vËt n©ng -> gi¶m ®−îc gãc dao ®éng. V× vËy tÝn hiÖu ph¶n håi( gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng θ(t)) ph¶i cã gi¸ trÞ ®¹i sè, ®iÒu nµy phï hîp víi c¸ch tÝnh gãc θ(t) ë trªn. Nh− ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ®Ó gi¶m thêi gian dÞch chuyÓn ta sö dông mét bé PID ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng quay víi tÝn hiÖu ®Çu vµo lµ sai lÖch cña gãc quay( cã sai lÖch nµy lµ do qu¸ tr×nh t¨ng gi¶m cña gia tèc gãc g©y ra trong qu¸ tr×nh lµm gi¶m gãc dao ®éng). §Çu ra lµ gia tèc gãc quay. Mçi ®Çu ra cña mét PID ë trªn sÏ ®¶m nhiÖm mét nhiÖm vô cña hÖ ®iÒu khiÓn v× vËy kh«ng thÓ hoµn thµnh c¶ hai nhiÖm vô tèt nhÊt nh− khi thùc hiÖn tõng nhiÖm vô ®¬n lÎ. Ta ph¶i chÊp nhËn mét kÕt qu¶ cã thÓ coi lµ tèt nhÊt khi thùc hiÖn c¶ hai nhiÖm vô cïng mét lóc b»ng c¸ch nh©n víi mçi tÝn hiÖu ra mét hÖ sè( K2,1-K2) nh− c¸c ®èi träng. Tõ ®ã ta x©y dùng ®−îc bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng quay víi hai bé PID víi m« h×nh bé ®iÒu khiÓn ®ã nh− h×nh d−íi. 2.5. M« pháng hÖ thèng ®iÒu khiÓn víi c«ng cô Simulink Tõ s¬ ®å khèi c¸c bé ®iÒu khiÓn ta tiÕn hµnh m« pháng c¸c bé ®iÒu khiÓn víi c«ng cô Simulink cña Matlab. PID lµm gi¶m gãc dao ®éng θ PID hiÖu chØnh chuyÓn ®éng quay K2 1-K2 + )(tdγ )(taγ )(tθ )(tγ&& H×nh 4.3.2: S¬ ®å khèi bé ®iÒu khiÓn quay + − L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 94 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.5.1. M« pháng bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh Tõ m« h×nh khèi ta x©y dùng ®−îc hÖ ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn víi c¸c ®Çu vµo vµ ra nh− h×nh d−íi: §Çu vµo: + §Çu vµo sè 2 lµ tÝn hiÖu chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ph¶n håi( chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn thùc cña cÇn trôc do tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tõ hÖ ®iÒu khiÓn cÇn trôc ®iÒu khiÓn). + §Çu vµo 5 lµ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn mong muèn, tÝn hiÖu tõ ng−êi ®iÒu khiÓn cÇn trôc ®−a vµo. TÝn hiÖu nµy ®−îc x©y dùng lµ tÝn hiÖu vËn tèc. V× vËy ®Ó tÝn hiÖu chuyÓn thµnh tÝn hiÖu vÞ trÝ R(t) ta sö dông kh©u tÝch ph©n( TP) c«ng t¾c chuyÓn ®æi ( S1) ®Ó ta ng¾t chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn khi cÇn. §Ó lÊy sai lÖch chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ta dïng khèi “ Sum” víi dÊu tÝn hiÖu ph¶n håi dÊu ©m. + §Çu vµo 3 lµ tÝn hiÖu gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng cÇn trôc, tÝn hiÖu nµy sÏ ®−îc ®−a qua PID thø hai( PID gi¶m dao ®éng gãc) ®−a ra tÝn hiÖu gia tèc gãc dao ®éng, tÝn hiÖu ra sÏ ®−îc ®−a vµo ®Ó ®iÒu khiÓn gia tèc tÞnh tiÕn v× vËy ta cÇn cã mét kh©u khuyÕch ®¹i ®Ó biÕn gia tèc gãc dao ®éng thµnh gia tèc tÞnh tiÕn t−¬ng øng. §Çu ra: + §Çu ra 3 lµ gia tèc tÞnh tiÕn, tÝn hiÖu nµy sÏ ®−îc ®−a qua kh©u kÝch ®éng ®iÒu khiÓn chuyÓn ®«ng tÞnh tiÕn cÇn trôc. + §Çu ra 3 sÏ ®−îc ®−a tíi kh©u hiÓn thÞ ®Ó chØ thÞ ®¸p øng cña hÖ thèng. H×nh2.5.1: Bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 95 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.5.2. M« pháng bé ®iÒu khiÓn quay T−¬ng tù nh− trªn ta sÏ x©y dùng ®−îc ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng quay víi c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra nh− h×nh d−íi: H×nh 2.5.2: HÖ ®iÒu khiÓn gãc quay §Çu vµo: + §Çu vµo sè 1 lµ tÝn hiÖu gãc quay ph¶n håi( gãc quay thùc cña cÇn trôc do tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tõ hÖ ®iÒu khiÓn cÇn trôc ®iÒu khiÓn). + §Çu vµo 6 lµ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn mong muèn, tÝn hiÖu tõ ng−êi ®iÒu khiÓn cÇn trôc ®−a vµo, tÝn hiÖu nµy ®−îc x©y dùng lµ vËn tèc gãc theo ®¬n vÞ Rad/s. Th«ng qua mét khèi khuyÕch ®¹i cã gi¸ trÞ 57,23 ®Ó chyÓn ®æi ®¬n vÞ gãc thµnh ®é/s. §Ó tÝn hiÖu chuyÓn thµnh tÝn hiÖu gãc γ(t) ta sö dông kh©u tÝch ph©n( TP) c«ng t¾c chuyÓn ®æi ( S1) ®Ó ta ng¾t chuyÓn ®éng quay khi chØ cÇn chuyÓn ®éng quay. §Ó lÊy sai lÖch chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ta dïng khèi “ Sum” víi dÊu tÝn hiÖu ph¶n håi dÊu ©m. + §Çu vµo 4 lµ tÝn hiÖu gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng cÇn trôc, tÝn hiÖu nµy sÏ ®−îc ®−a qua PID thø hai( PID gi¶m dao ®éng gãc) ®−a ra tÝn hiÖu gia tèc gãc. §Çu ra: + §Çu ra 1 lµ gia tèc gãc, tÝn hiÖu nµy sÏ ®−îc ®−a qua kh©u kÝch ®éng ®iÒu khiÓn chuyÓn ®«ng quay cÇn trôc. + §Çu ra 4 sÏ ®−îc ®−a tíi kh©u hiÓn thÞ ®Ó chØ thÞ ®¸p øng gãc quay cña hÖ thèng. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 96 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.6. GhÐp nèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn víi hÖ thèng c¬ häc 2.6.1. Khèi tÝnh to¸n th«ng sè ghÐp nèi V× chóng ta kh«ng thÓ ®o ngay ®−îc gi¸ trÞ c¸c tÝn hiÖu ph¶n håi. Do vËy ta ph¶i x©y dùng mét khèi cã chøc n¨ng t×nh to¸n c¸c tÝn hiÖu nµy th«ng qua c¸c gi¸ trÞ th«ng sè ®o ®ù¬c. V× kh«ng ®o ®−îc vÞ trÝ cña vËt n©ng (§iÓm B_ H×nh2.2.1) theo hÖ to¹ ®é cÇn trôc (X’,Y’,Z’), nªn ta ph¶i ®o vÞ trÝ cña nã theo hÖ to¹ ®é World (X,Y,Z) sau ®ã chuyÓn hÖ to¹ ®é b»ng khèi “ChangeCS1” khèi nµy ®−îc x©y dùng nh− sau: §æi hÖ to¹ ®é( quay quanh trôc Y) G¾n víi ®Õ cÇn trôc X Z’ Z z X’ θ M 0 Quay cïng cÇn trôc x x’ z’ H×nh 2.6.1a: BiÓu diÔn to¹ ®é mét ®iÓm trªn hai hÖ to¹ ®é B©y giê ta thùc hiÖn quy ®æi to¹ ®é ®iÓm M tõ hÖ to¹ ®é World cè ®Þnh g¾n víi ®Õ cÇn trôc (OXYZ) vÒ hÖ to¹ ®é g¾n víi mÆt ph¼ng cÇn trôc( OX’Y’Z’). Ta cã: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ z y x z y x θθ θθ cos0sin 010 sin0cos ' ' ' Tõ c«ng thøc to¸n häc x©y dùng ®−îc bé thay ®æi to¹ ®é trong matlab nh− h×nh d−íi: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 97 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN H×nh 2.6.1b: Khèi chuyÓn ®æi hÖ to¹ ®é OXYZ -> OX’Y’Z’ “ChangeCS1” Ta cã thÓ ®o to¹ ®é cña ®iÓm A ( H×nh 2.3) theo hÖ to¹ ®é g¾n víi cÇn ngang vµ theo c«ng thøc to¸n häc: Víi to¹ ®é A(X’o,Y’o,Z’o) lµ ®iÓm ®Çu trªn cña d©y mµ t× vµo xe vµ B(X’,Y’,Z’) lµ vÞ trÝ cña vËt nÆng trong hÖ to¹ ®é g¾n víi cÇn ngang th× c¸c gãc dao ®éng ®−îc tÝnh nh− sau: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − −= '' '')( YoY oXXactgtφ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= L ZoZact ''sin)(θ ; L: chiÒu dµi d©y. Ta thiÕt kÕ ®−îc khèi tÝnh to¸n c¸c gãc dao ®éng nh− h×nh d−íi: H×nh 2.6.1c: Khèi tÝnh to¸n c¸c tÝn gãc dao ®éng L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 98 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.6.2. GhÐp nèi hÖ ®iÒu khiÓn víi hÖ thèng c¬ ®éng häc Sau khi thiÕt kÕ ®−îc m« h×nh, hÖ ®iÒu khiÓn, c¸c khèi tÝnh to¸n, ta cã thÓ gÐp nèi c¸c khèi ®ã víi nhau nh− h×nh d−íi: H×nh 2.6.2a: M« h×nh cÇn trôc ®· ®−îc ghÐp nèi hÖ ®iÒu khiÓn B−íc tiÕp theo lµ tÝnh to¸n c¸c th«ng sè cña PID ®Ó kÕt qu¶ ®iÒu khiÓn lµ tèt nhÊt. 2.7. TÝnh to¸n bé ®iÒu khiÓn PID 2.7.1. §Þnh h−íng tÝnh to¸n c¸c th«ng sè bé ®iÒu khiÓn PID Bëi v× ®èi t−îng ®iÒu khiÓn cã m« h×nh ph−íc t¹p cao vµ kh«ng thuéc vµo mét lo¹i ®Æc biÖt nµo, v× vËy lµ kh«ng thÓ dïng mét vµi ph−¬ng ph¸p th«ng th−êng ®Ó tÝnh nh÷ng th«ng sè cho c¸c bé ®iÒu khiÓn PID nh− ph−¬ng ph¸p tèi −u m« ®un, ph−¬ng ph¸p tèi −u ®èi xøng, ph−¬ng ph¸p Reinisch, ph−¬ng ph¸p Chien-Hrones-Reswick, ph−¬ng ph¸p Kuhn. Trong tr−êng hîp nµy nh÷ng th«ng sè ®ã cña c¸c bé ®iÒu khiÓn PID (KP,TI, TD) lu«n lu«n ®−îc tÝnh bëi ph−¬ng ph¸p L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 99 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Ziegler-Nichols thø hai (ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm). Tuy nhiªn sÏ lµ rÊt khã vµ ph−íc t¹p ®Ó x¸c ®Þnh ®ång thêi c¸c th«ng sè cho 4 bé ®iÒu khiÓn PID bëi v× sù thay ®æi c¸c th«ng sè cho bé ®iÒu khiÓn PID nµy sÏ lµm ¶nh h−ëng ®Õn c¸c bé ®iÒu khiÓn PID kh¸c. V× thÕ chóng ta cã mét sè gi¶i ph¸p sau: • Thø nhÊt, chóng ta chØ tÝnh c¸c th«ng sè cho bé ®iÒu khiÓn tù hiÖu chØnh h−íng kÝnh vµ bé ®iÒu khiÓn PID ng¨n chÆn sù dao ®éng h−íng kÝnh trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng h−íng kÝnh. • Thø hai, chóng ta chØ tÝnh c¸c th«ng sè cho bé ®iÒu khiÓn tù hiÖu chØnh h−íng kÝnh vµ bé ®iÒu khiÓn PID ng¨n chÆn sù dao ®éng h−íng kÝnh trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng quay. C¸c th«ng sè bé ®iÒu khiÓn PID ®−îc tÝnh trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng h−íng kÝnh sÏ ®−îc sö dông trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng quay nµy. • Cuèi cïng, chóng ta kiÓm tra c¸c bé ®iÒu khiÓn PID ®−îc tÝnh trong tr−êng hîp tæng hîp (c¶ chuyÓn ®éng h−íng kÝnh vµ chuyÓn ®éng quay) vµ ®iÒu chØnh chóng nÕu cÇn thiÕt. Nguyªn lý tÝnh to¸n cña ph−¬ng ph¸p Ziegler-Nichols thø hai Nguyªn lý cña ph−¬ng ph¸p nµy nh− sau: Thay bé ®iÒu khiÓn b»ng mét bé khuÕch ®¹i. Sö dông tÝn hiÖu thö lµ hµm step 1(t). Sau ®ã t¨ng dÇn hÖ sè khuyÕch ®¹i tíi gi¸ trÞ kth ®Ó hÖ kÝn ë biªn giíi æn ®Þnh, nghÜa lµ h(t) cã d¹ng dao ®éng ®iÒu hoµ. X¸c ®Þnh chu kú Tth cña dao ®éng. X¸c ®Þnh tham sè cho bé ®iÒu khiÓn P, PI, PID nh− sau: NÕu sö dông bé ®iÒu khiÓn khuÕch ®¹i PkpR =)(θ th× chän thP kk 2 1= NÕu sö dông bé ®iÒu khiÓn PI: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += pT kpR I P 11)(θ th× chän vµ thP kk 45.0= thI TT 85.0= NÕu sö dông bé ®iÒu khiÓn PID: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++= pT pT kpR D I P 11)(θ th× chän thP kk 6.0= , vµ thI TT 5.0= thD TT 12.0= 2.7.2. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè PID cho bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn h−íng kÝnh Víi m« h×nh ®· ®ù¬c x©y dùng ¸p dông ph−¬ng ph¸p Ziegler-Nichols x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè theo tõng b−íc. §Çu tiªn lµ x¸c ®Þnh tõng c¸c cÆp th«ng sè cho tõng bé PID cña c¸c chuyÓn ®éng riªng rÏ. Sau ®ã cho tÊt c¶ c¸c chuyÓn ®éng vµ xem xÐt kÕt qu¶ vµ chØnh söa l¹i c¸c th«ng sè cho tèt h¬n: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 100 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN B−íc 1: X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cho bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn. Ban ®Çu ta t¾t chuyÓn ®éng quay vµ lÊy hÖ sè K1 =1 ®Ó ®i x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cho PID ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn. Thay tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn b»ng tÝn hiÖu thö lµ hµm step1(t) ®−îc hÖ sè khuÕch ®¹i kth ®Ó hÖ thèng ë biªn giíi æn ®Þnh lµ: kth = 82 vµ chu kú dao ®éng Tth = 9 (s) Sö dông bé ®iÒu khiÓn tÞnh tiÕn PID víi c¸c th«ng sè nh− sau: kP = 50, TI = 5 (s), TD = 1.08 (s) tøc lµ hµm truyÒn ®¹t: p p pR 551050)( ++=θ B−íc 2: X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cho PID gi¶m dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng. Ban ®Çu chän hÖ sè ®èi träng K1=0.87( HÖ sè nµy ¶nh h−ëng ®Õn ®¸p øng cña hÖ thèng. NÕu hÖ sè nµy lín th× ®¸p øng cña hÖ thèng sÏ gÇn víi tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®−a vµo, nh−ng còng ®ång thêi lµm gi¶m kh¶ n¨ng gi¶m dao ®éng gãc cña vËt n©ng. V× vËy hÖ sè nµy ph¶i ®−îc chän nhiÒu lÇn). Sau mét sè lÇn chän lùa ta chän ®−îc hÖ sè nµy lµ K1=0.8 víi c¸c th«ng sè cña PID gi¶m dao ®éng gãc nh− sau: p p pR 4.02.08.1)( ++=θ 2.7.3. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè PID cho bé ®iÒu khiÓn quay T−¬ng tù khi x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cho bé ®iÒu khiÓn quay. §Çu tiªn chóng ta g¸n K2=1 ®Ó lo¹i bá bé ®iÒu khiÓn lµm gi¶m dao ®éng gãc ra khái m« h×nh vµ thay ®æi c¸c th«ng sè cho bé ®iÓu khiÓn hiÖu chØnh quay cho ®Õn khi hÖ thèng ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh. KÕt qu¶ lµ ta cã ®−îc c¸c th«ng sè cña PID ®iÒu khiÓn gãc quay t−¬ng øng víi hµm truyÒn ®¹t: p p pR 51.05)( ++=θ Hµm truyÒn ®¹t cho PID gi¶m dao ®éng gãc ngoµi mÆt ph¼ng: p p pR 1.13.06)( ++=θ L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 101 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.7.4. KiÓm tra vµ hiÖu chØnh c¸c th«ng sè PID trong tr−êng hîp c¸c bé ®iÒu khiÓn ®ång thêi ho¹t ®éng Cho c¸c chuyÓn ®éng cïng mét lóc vµ chØnh söa l¹i c¸c hÖ sè cña c¸c PID cho phï hîp chän ®−îc c¸c hÖ sè nh− sau: + PID ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn: KP=50, KI=10, KD=105. + PID gi¶m dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng: KP=1.8, KI= 0.2, KD=0.4 + PID ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng quay: KP=5, KI=0.1, KD=5. + PID gi¶m dao ®éng gãc ngoµi mÆt ph¼ng: KP=6, KI=0.3, KD=1.1 2.8. M« pháng & ®¸nh gi¸ chÊt l−îng m« pháng 2.8.1. TiÕn hµnh m« pháng C¸c th«ng sè cña cÇn trôc m« pháng lµ: + Th¸p ®øng cao 50m, nÆng 3000Kg. + CÇn ngang dµi 30m, nÆng 5000Kg( ®· cã ®èi träng). + Xe tr−ît nÆng 200Kg. + VËt n©ng nÆng 3000Kg. TÝn hiÖu ®Æt( tÝn hiÖu tõ ng−êi ®iÒu khiÓn cÇn trôc): ChuyÓn ®éng tÞnh tiÕn 9m tõ vÞ trÝ r= 1m tíi vÞ trÝ r= 10m. ChuyÓn ®éng quay 900. §Ó thÊy ®ù¬c hiÖu qu¶ cña hÖ ®iÒu khiÓn vµ t×m ®−îc tÝn hiÖu ®Æt hîp lý nhÊt ta sÏ x©y dùng tÝn hiÖu ®Çu vµo cho ba tr−êng hîp: + Tr−êng hîp 1: C¸c dÞch chuyÓn ®−îc thùc hiÖn trong 8s. + Tr−êng hîp 2: C¸c dÞch chuyÓn ®−îc thùc hiÖn trong 14s. + Tr−êng hîp 3: C¸c dÞch chuyÓn ®−îc thùc hiÖn trong 20s. §Ó thÊy ®−îc chÊt l−îng ®iÒu khiÓn cña hÖ ®iÒu khiÓn ta x©y dùng, ta cho c¬ hÖ chuyÓn ®éng m« pháng khi kh«ng cã t¸c ®éng ®iÒu khiÓn tõ hÖ ®iÒu khiÓn sÏ cã ®−îc kÕt qu¶ dao ®éng cña vËt n©ng khi ®ã nh− h×nh d−íi. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 102 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 2.8.1.1. KÕt qu¶ m« pháng khi kh«ng cã hÖ ®iÒu khiÓn H×nh 2.8.1.1a: Dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng H×nh 2.8.1.1b: Dao ®éng gãc kh«ng gian Tõ kÕt qu¶ nµy ta cã thÓ thÊy lµ c¸c gãc dao ®éng cña vËt n©ng kh«ng cã xu h−íng gi¶m, ®iÒu nµy lµ hîp lÝ v× c¬ hÖ ta x©y dùng trªn gi¶ thiÕt kh«ng cã ma s¸t, vµ c¸c gãc nµy rÊt lín. MÆc dï c¬ hÖ thùc tÕ cã ma s¸t th× víi chuyÓn ®éng kh«ng cã ®iÒu khiÓn nh− trªn th× còng ph¶i rÊt l©u th× c¸c gãc dao ®éng míi cã thÓ nhá tíi møc an toµn. 2.8.1.2. KÕt qu¶ m« pháng khi cã hÖ ®iÒu khiÓn Tr−êng hîp 1: C¸c dÞch chuyÓn ®−îc thùc hiÖn trong vßng 8s. X©y dùng khèi tÝn hiÖu ®Æt b»ng khèi “Signal Builder” víi th«ng sè vËn tèc vµ gia tèc nh− h×nh d−íi: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 103 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN H×nh 2.8.1.2a1: TÝn hiÖu ®Æt cho chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn H×nh 2.8.1.2b1: TÝn hiÖu ®Æt cho chuyÓn ®éng quay Sau khi ®· x©y dùng ®−îc tÝn hiÖu ®Æt ta cho ch¹y m« pháng: Th«ng qua c¸c khèi hiÓn thÞ ”Scope” ta cã ®−îc c¸c kÕt qu¶: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 104 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN * C¸c gãc dao ®éng cña vËt n©ng: H×nh 2.8.1.2c1: Dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng Hinh 2.8.1.2d1: Dao ®éng gãc kh«ng gian cu¶ vËt n©ng L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 105 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN * C¸c ®¸p øng cña hÖ thèng: H×nh 2.8.1.2e1: §¸p øng gãc quay H×nh 2.8.1.2f1: §¸p øng tÞnh tiÕn Tõ c¸c khèi hiÓn thÞ ta cã ®−îc kÕt qu¶ §¸p øng tÞnh tiÕn cã ®é qu¸<18%, thêi gian ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh( sai lÖch < ±3%) = 32s. Dao ®éng cña vËt n©ng trong mÆt ph¼ng < 0.80 t¹i thêi gian t=60s; d©y cã chiÒu dµi lµ 20m vËy dao ®éng cña vËt n©ng quanh vÞ trÝ mong muèn lµ = 20* sin(0.8) = 0.25m. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 106 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN §¸p øng gãc quay cã ®é qu¸<8%, thêi gian ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh( sai lÖch < ±3%) = 34s. Dao ®éng cña vËt n©ng ngoµi mÆt ph¼ng < 2.10 t¹i thêi gian t=60s; d©y cã chiÒu dµi lµ 20m vËy dao ®éng cña vËt n©ng quanh vÞ trÝ mong muèn lµ = 20* sin(2.1) = 0.75m. Tr−êng hîp 2: C¸c dÞch chuyÓn ®−îc thùc hiÖn trong vßng 14s. X©y dùng khèi tÝn hiÖu ®Æt b»ng khèi “Signal Builder” víi th«ng sè vËn tèc vµ gia tèc nh− h×nh d−íi: H×nh 2.8.1.2a2: TÝn hiÖu ®Æt cho chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn H×nh 2.8.1.2b2: TÝn hiÖu ®Æt cho chuyÓn ®éng quay Sau khi ®· x©y dùng ®−îc tÝn hiÖu ®Æt ta cho ch¹y m« pháng: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 107 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Th«ng qua c¸c khèi hiÓn thÞ ”Scope” ta cã ®−îc c¸c kÕt qu¶: * C¸c gãc dao ®éng cña vËt n©ng: H×nh 2.8.1.2c2: Dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng Hinh 2.8.1.2d2: Dao ®éng gãc kh«ng gian cu¶ vËt n©ng L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 108 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN * C¸c ®¸p øng cña hÖ thèng: H×nh 2.8.1.2e2: §¸p øng gãc quay H×nh 2.8.1.2f2: §¸p øng tÞnh tiÕn Tõ c¸c khèi hiÓn thÞ ta cã ®−îc kÕt qu¶ §¸p øng tÞnh tiÕn cã ®é qu¸<6%, thêi gian ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh( sai lÖch < ±3%) = 21s. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 109 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Dao ®éng cña vËt n©ng trong mÆt ph¼ng < 0.30 t¹i thêi gian t=60s; d©y cã chiÒu dµi lµ 20m vËy dao ®éng cña vËt n©ng quanh vÞ trÝ mong muèn lµ = 20* sin(0.3) = 0.1m. §¸p øng gãc quay cã ®é qu¸<4.5%, thêi gian ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh( sai lÖch < ±3%) = 27s. Dao ®éng cña vËt n©ng ngoµi mÆt ph¼ng < 1.50 t¹i thêi gian t=60s; d©y cã chiÒu dµi lµ 20m vËy dao ®éng cña vËt n©ng quanh vÞ trÝ mong muèn lµ = 20* sin(1.5) = 0.5m. Tr−êng hîp 3: C¸c dÞch chuyÓn ®−îc thùc hiÖn trong vßng 20s. X©y dùng khèi tÝn hiÖu ®Æt b»ng khèi “Signal Builder” víi th«ng sè vËn tèc vµ gia tèc nh− h×nh d−íi: H×nh 2.8.1.2a3: TÝn hiÖu ®Æt cho chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 110 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN H×nh 2.8.1.2b3: TÝn hiÖu ®Æt cho chuyÓn ®éng quay Sau khi ®· x©y dùng ®−îc tÝn hiÖu ®Æt ta cho ch¹y m« pháng: Th«ng qua c¸c khèi hiÓn thÞ ”Scope” ta cã ®−îc c¸c kÕt qu¶: * C¸c gãc dao ®éng cña vËt n©ng: H×nh 2.8.1.2c3: Dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 111 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Hinh 2.8.1.2d3: Dao ®éng gãc kh«ng gian cña vËt n©ng * C¸c ®¸p øng cña hÖ thèng: H×nh 2.8.1.2e3: §¸p øng gãc quay L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 112 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN H×nh 2.8.1.2f3: §¸p øng tÞnh tiÕn Tõ c¸c khèi hiÓn thÞ ta cã ®−îc kÕt qu¶ §¸p øng tÞnh tiÕn cã ®é qu¸<3.8%, thêi gian ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh( sai lÖch < ±3%) = 23s. Dao ®éng cña vËt n©ng trong mÆt ph¼ng < 0.330 t¹i thêi gian t=60s; d©y cã chiÒu dµi lµ 20m vËy dao ®éng cña vËt n©ng quanh vÞ trÝ mong muèn lµ = 20* sin(0.33) = 0.117m. §¸p øng gãc quay cã ®é qu¸<2.3%, thêi gian ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh( sai lÖch < ±3%) = 20s. Dao ®éng cña vËt n©ng ngoµi mÆt ph¼ng < 1.050 t¹i thêi gian t=60s; d©y cã chiÒu dµi lµ 20m vËy dao ®éng cña vËt n©ng quanh vÞ trÝ mong muèn lµ = 20* sin(1.05) = 0.35m. + Víi kÕt qu¶ thu ®−îc ta thÊy r»ng nÕu kh«ng cã hÖ ®iÒu khiÓn th× dao ®éng cña vËt nÆng lµ rÊt lín. + HÖ ®iÒu khiÓn ta x©y dùng lµ ho¹t ®éng kh¸ tèt. §Ó chän ®−îc tÝn hiÖu ®Æt tèi −u trong trêng hîp nµy ta x©y dùng vµ m« pháng thªm c¸c tr−êng hîp c¸c chuyÓn ®éng ®−îc thùc hiÖn trong 10s, 17s, 25s. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 113 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Sau ®©y lµ b¶ng kÕt qu¶ cña c¸c tr−êng hîp m« pháng: A B C D E F G H I 8 18 8 32 34 2.5 0.8 5.5 2.1 11 10 6 25 32 1.8 0.4 4.5 2 14 6 4.5 21 27 1 0.3 3.2 1.5 18 4 2.5 22 18 1.1 0.32 2.2 1 20 3.8 2.3 23 20 1.1 0.33 2.5 1.05 25 2.5 2 25 25 1.2 0.33 2.5 1.05 Víi: + A: Thêi gian c¸c chuyÓn ®éng ®−îc thùc hiÖn (s). + B: §é qu¸ cña ®¸p øng cña chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn (%). + C: §é qu¸ cña ®¸p øng chuyÓn ®éng quay (%). + D: Thêi gian æn ®Þnh cña chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn (s). + E: Thêi gian æn ®Þnh cña chuyÓn ®éng quay (s). + F: Gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng t¹i t=40s (®é). + G: Gãc dao ®éng trong mÆt ph¼ng t¹i t=60s (®é). + H: Gãc dao ®éng ngßai mÆt ph¼ng t¹i t=40s (®é). + I: Gãc dao ®éng ngoµi mÆt ph¼ng t¹i t=60s (®é). T−¬ng øng víi c¸c ®å thÞ: L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 114 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN 8 11 14 17 20 25 §é qu¸ cña ®¸p øng §é qu¸(%) tÝn hiÖu ®Æt(s) ChuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ChuyÓn ®éng quay 18 10 8 6 4.5 2 Thêi gian æn ®Þnh 118 201714 25 34 32 27 25 22 20 18 Thêi gian æn ®Þnh(s) tÝn hiÖu ®Æt(s) ChuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ChuyÓn ®éng quay L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 115 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Dao ®éng gãc trong mÆt ph¼ng tÝn hiÖu ®Æt(s) 258 171411 20 T¹i t= 60s T¹i t= 40s 2.5 1.8 1.1 0.4 0.8 Biªn ®é dao ®éng(®é) L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 116 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Dao ®éng gãc trong kh«ng gian 5.5 4.5 3.2 2.5 2.1 1.5 1.05 tÝn hiÖu ®Æt(s) 20118 14 17 25 T¹i t= 60s T¹i t= 40s Biªn ®é dao ®éng(®é) Víi kÕt qu¶ nhËn ®−îc tõ ®å thÞ ta thÊy øng víi ®Çu vµo cña qu¸ tr×nh m« pháng th× øng víi thêi gian thùc hiÖn c¸c chuyÓn ®éng b»ng 17s lµ tèt nhÊt. V× khi ®ã ®é qu¸ cña ®¸p øng kh«ng lín, æn ®Þnh nhanh, c¸c gãc dao ®éng kh«ng lín. 2.9. h−íng ph¸t triÓn Víi kÕt qu¶ thu ®−îc b−íc ®Çu nh− trªn th× cã mét sè h−íng ph¸t triÓn trong t−¬ng lai nh− sau: + X©y dùng m« h×nh cã xÐt ®Õn ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè t¸c ®éng bªn ngoµi: søc giã, ®é gi·n d©y,... + X©y dùng hÖ ®iÒu khiÓn cho c¶ ba chuyÓn ®éng quay, tÞnh tiÕn, n©ng vËt cïng mét lóc. + X©y dùng m« h×nh gÇn víi c¬ hÖ thËt h¬n: cã ma s¸t t¹i c¸c kh©u khíp, sù co gi·n cña d©y, ¶nh h−ëng cña søc giã... L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 117 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN KÕt luËn Sau thêi gian bèn th¸ng nç lùc lµm viÖc nghiªm tóc vµ khÈn tr−¬ng d−íi sù h−íng dÉn tËn t×nh cña thÇy §µo B¸ Phong vµ c¸c thÇy c« trong bé m«n cïng c¸c b¹n ®ång m«n, ®å ¸n cña chóng t«i ®· ®−îc hoµn thµnh ®óng thêi gian qui ®Þnh. §©y lµ ®Ò tµi lÇn ®Çu ®−îc nghiªn cøu v× vËy chóng t«i buéc ph¶i b¾t ®Çu ®i tõ nh÷ng tr−êng hîp ®¬n gi¶n h¬n mµ ch−a thÓ nghiªn cøu ngay vµo tr−êng hîp ph−íc t¹p cña nã. Chóng t«i ®· lµm bµi to¸n trong tr−êng hîp bá ®i mét sè yÕu tè ch¼ng h¹n nh− ch−a xÐt ®Õn ¶nh h−ëng cña giã, ¶nh h−ëng tõ nh÷ng rung ®éng cña khung cÇn cÇn trôc, ma s¸t t¹i c¸c kh©u khíp. Trong tr−êng hîp nµy chóng t«i tiÕn hµnh thiÕt kÕ hai bé ®iÒu khiÓn, mét bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ mét bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng quay. Bªn trong mçi bé ®iÒu khiÓn cã hai bé ®iÒu khiÓn PID cã nhiÖm cô lµ ®iÒu khiÓn theo quü ®¹o vµ dËp dao ®éng. KÕt qu¶ ch¹y m« pháng cho thÊy ®èi t−îng m« pháng gÇn s¸t víi thùc tÕ, bé ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng tèt ®¹t ®é chÝnh x¸c vÞ trÝ cao, gi¶m dao ®éng ®¸ng kÓ, thêi gian di chuyÓn ®−îc rót ng¾n nhiÒu. Hy väng kÕt qu¶ cña nghiªn cøu nµy sÏ lµm c¬ së, lµm tµi liÖu ®Ó thiÕt kÕ hÖ ®iÒu khiÓn thùc cho cÇn trôc. Nã gãp phÇn lµm gi¶m thêi gian, tiÒn cña, c«ng søc trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ vµ ®ång thêi gióp cho kü s− thiÕt kÕ tiÕn ®Õn kÕt qu¶ nhanh h¬n. Ngoµi ra nghiªn cøu cho thÊy cã mét h−íng míi cho viÖc m« pháng c¸c ®èi t−îng c¬ khÝ lµm nÒn, lµm ®Þnh h−íng cho c¸c nghiªn cøu kh¸c trong lÜnh vùc m« h×nh ho¸ vµ m« pháng. Tuy nhiªn víi kh¶ n¨ng vµ tr×nh ®é cßn h¹n chÕ còng nh− thêi gian cã h¹n nªn ®å ¸n nµy cña chóng t«i h¼n cßn cã nhiÒu thiÕu sãt, chóng t«i rÊt mong sÏ nhËn ®−îc nh÷ng ý kiÕn phª b×nh, gãp ý vµ bæ xung cña c¸c thÇy c« gi¸o trong bé m«n, c¸c b¹n ®ång nghiÖp ®Ó chóng t«i cã thÓ nghiªn cøu , hoµn thiÖn vµ bæ xung thªm phÇn kiÕn thøc cßn thiÕu sãt, tõ ®ã khai th¸c mét c¸ch cã hiÖu qu¶ cao h¬n vÒ c«ng nghÖ m« pháng, vÒ viÖc thiÕt kÕ hÖ ®iÒu khiÓn. Mét lÇn n÷a chóng t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù h−íng dÉn nhiÖt t×nh cña thÇy gi¸o ThS. §µo B¸ Phong cïng toµn thÓ c¸c thÇy trong khoa trong tr−êng nhiÖt t×nh gióp ®ì chóng t«i trong thêi gian ®µo t¹o, thùc tËp vµ hoµn thµnh ®å ¸n tèt nghiÖp nµy. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 118 §å ¸n tèt nghiÖp Bé m«n GCVL&DCCN Tµi liÖu tham kh¶o 1. Banh T. Long, Dao B. Phong, Design PID controller for the rotary cranes to improve accuracy and stability, In Proceedings of 8th International Conference on Mechatronics Technology, pages 417-424, Ha Noi, Viet Nam, November 2004. 2. NguyÔn Phïng Quang, Matlab vµ Simulink dµnh cho kü s− ®iÒu khiÓn tù ®éng, Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi, 2004 3. NguyÔn Do·n Ph−íc, Lý thuyÕt ®iÒu khiÓn tuyÕn tÝnh, Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi, 2002. 4. MathWorks Inc, Matlab R13 and Simulink V5.0, 2002. 5. MathWorks Inc, SimMechanics Toolbox V1.0, 2002. L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 119