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

Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
..........................................

cộng hoà x hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập Tự do Hạnh phúc
..........................................



Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

Họ và tên sinh viên: Lu Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 20001137
Họ và tên sinh viên: Lơng Văn Hng Số hiệu sinh viên: 20001464
Khoá: 45 Khoa: Cơ khí Ngành: Công nghệ chế tạo máy

1. Đề tài:
ứng dụng công cụ Simmechanics mô phỏng hệ điều khiển cần trục

2. Các tài liệu:
- Các tài liệu về phần mền matlab, công cụ Simulink, công cụ
Simmechanics
- Các tài liệu về lý thuyết điều khiển

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
- Giới thiệu chung về Matlab, Simulink & Simmechanics

- Giới thiệu chung về cần trục
- Giới thiệu về bộ điều khiển PID
- Mô phỏng cơ cấu động học của cần trục trên Matlab
- Thiết kế & mô phỏng hệ điều khiển cần trục trên Matlab
- Kết quả của đồ án

4. Họ và tên cán bộ hớng dẫn:
ThS. Đào Bá Phong

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 1
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:........................................................................
7. Ngày hoàn thành đồ án:............................................................................

Ngày ..... tháng ..... năm ..........
Chủ nhiệm Bộ môn Cán bộ hớng dẫn


Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp, ngày.....tháng.....năm........

Ngời duyệt

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 2
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội.
----------------------------

Bản nhận xét đồ án tốt nghiệp

Họ và tên sinh viên: Lu Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 20001137
Họ và tên sinh viên: Lơng Văn Hng Số hiệu sinh viên: 20001464
Ngành: Công nghệ chế tạo máy Khoá: 45

Cán bộ hớng dần: ThS. Đào Bá Phong
Cán bộ duyệt:

Nhận xét của giáo viên hớng dẫn:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
...............................................................................................................................
..
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 3
§å ¸n tèt nghiÖp

Bé m«n GCVL&DCCN

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
...............................................................................................................................
..
.................................................................................................................................
..............................................................................................................

Ngµy.......th¸ng.......n¨m...........
Ng−êi h−íng dÉn

L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 4
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội.
----------------------------

Bản nhận xét đồ án tốt nghiệp

Họ và tên sinh viên: Lu Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 2000
Họ và tên sinh viên: Lơng Văn Hng Số hiệu sinh viên: 20001464
Ngành: Công nghệ chế tạo máy Khoá: 45
Cán bộ hớng dần: ThS. Đào Bá Phong
Cán bộ duyệt:

Nhận xét của giáo viên duyệt:
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
...............................................................................................................................
..
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 5
§å ¸n tèt nghiÖp


Bé m«n GCVL&DCCN

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
...............................................................................................................................
..
.................................................................................................................................
..............................................................................................................

Ngµy.......th¸ng.......n¨m...........
Ng−êi duyÖt
L−u V¨n HiÖu & L−¬ng V¨n H−ng CTM4 - K45 6
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN


Lời nói đầu

Công nghệ mô phỏng đang dần chiếm một vị trí quan trọng trong quá trình
sản xuất. Bởi vì sau quá trình tính toán thiết kế chúng ta rất mong đợi một cách
nào đó xem hệ thống hoạt động có đúng nh mong đợi không, tránh việc đi vào

sản xuất luôn mà chẳng may gặp nỗi thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí lớn
cả về vật chất lẫn thời gian. Vì vậy cùng với quá trình tính toán thiết kế kết hợp
với công cụ mô phỏng chúng ta có thể mô phỏng luôn hệ thống để khảo sát hệ
thống, xem hệ thống hoạt động nh thế nào đã đúng nh mong đợi cha. Qua
đó có thể rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu phát triển sản phẩm
một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống
thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế cao.
Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử và tin học Công nghệ mô phỏng
đang phát triển rất nhanh với hớng ứng dụng tin học. Nhiều nớc tiên tiến trên
thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời những phần mềm mô phỏng mạnh với dao
diện đồ hoạ và khả năng hoạt động nh thật. Một trong những phần mềm đó là
phần mềm Matlab, một công cụ mạnh cho phép mô phỏng và khảo sát đối tợng,
hệ thống hay quá trình kỹ thuật vật lý vv.
Bằng công cụ Simulink và SimMechanics trong phần mềm Matlab, với sự
giúp đỡ tận tình của thầy giáo Đào Bá Phong chúng tôi, hai sinh viên Lu Văn
Hiệu và Lơng Văn Hng đã tiến hành thiết kế mô phỏng một hệ thống điều
khiển cần trục, một công cụ thiết yếu dùng trong xây dựng và công nghiệp để di
chuyển vật nặng, hàng hoá và vật liệu. Trên cơ sở mô hình toán của cần trục
quay, chúng tôi thiết kế hai bộ điều khiển riêng bao gồm bộ điều khiển tịnh tiến
hớng kính và bộ điều khiển quay. Bên trong mỗi bộ điều khiển , có hai bộ điều
khiển PID đợc dùng _ bộ điều khiển PID tự hiệu chỉnh cho đúng chuyển động
hớng kính và chuyển động quay của cần trục, bộ điều khiển PID làm giảm dần
sự dao động của vật nặng đến mức nhỏ nhất có thể. Những kết quả mô phỏng
cho thấy rằng hoạt động của bộ điều khiển là tốt.
Qua đây hai chúng tôi xin đợc bầy tỏ lòng biết ơn sâu xắc đến thầy giáo
Đào Bá Phong ngời đã tận tình hớng dẫn hai chúng tôi trong suốt quá trình
làm đồ án. Cũng xin đợc cảm ơn thầy Hoàng Vĩnh Sinh đã cho chúng tôi
nhiều ý kiến quý báu giúp chúng tôi hoàn thành đồ án này.
Do thời gian có hạn cũng nh sự hạn chế về kiến thức của chúng tôi, hẳn
chúng tôi còn những thiếu sót rất mong những góp ý, những lời nhận xét bổ sung

của các thầy và các bạn sinh viên.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2005
Hai sinh viên:
Lu Văn Hiệu
Lơng Văn Hng


Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 7
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN


Mục lục

Phần1:

Phần mền matlab, công cụ simulink và khối
simmechanics
..............................................................................................10

1.1.

Phần mền matlab, công cụ simulink...................................................... 10

1.2.

công cụ simmechanics........................................................................... 10

1.2.1.

Th viện bodies............................................................................... 10

1.2.1.1.

Khối Body................................................................................ 10

1.2.1.2.

Khối Ground ............................................................................ 17

1.2.2.

Th viện Constraints & Drivers...................................................... 18

1.2.2.1.

Khối Angle driver .................................................................... 18

1.2.2.2.

Khối Distance driver................................................................ 20

1.2.2.3.

Khối Linear driver ................................................................... 21

1.2.2.4.

Khối Velocity driver ................................................................ 22

1.2.2.5.

Khối Point- curve driver .......................................................... 24

1.2.2.6.

Khối Parallel constraint ........................................................... 26

1.2.2.7.

Khối Gear constraint................................................................ 27

1.2.3.

Th viện Joints:............................................................................... 29

1.2.3.1.

Khối Primastic ......................................................................... 29

1.2.3.2.

Khối Revolute.......................................................................... 33

1.2.3.3.

Khối Spherical.......................................................................... 34

1.2.3.4.

Khối Planar .............................................................................. 36

1.2.3.5.

Khối Univeral........................................................................... 37

1.2.3.6.

Khối Cylindrical ...................................................................... 39

1.2.3.7.

Khối Gimbal ............................................................................ 40

1.2.3.8.

Khối Custom joint.................................................................... 41

1.2.3.9.

Khối Weld................................................................................ 43

1.2.3.10.

Khối Telescoping..................................................................... 44

1.2.3.11.

Khối In-Plane........................................................................... 45

1.2.3.12.

Khối Bushing........................................................................... 47

1.2.3.13.

Khối Bearing............................................................................ 48

1.2.3.14.

Khối Sĩx-DoF........................................................................... 49

1.2.3.15.

Khối Screw .............................................................................. 50

1.2.4.

Th viện Sensor & Actuators.......................................................... 52

1.2.4.1.

Khối Body actuator .................................................................. 52

1.2.4.2.

Khối Joint actuator................................................................... 54

1.2.4.3.

Khối Driver Actuator ............................................................... 58

1.2.4.4.

Khối Body sensor.....................................................................61

1.2.4.5.

Khối Joint sensor ..................................................................... 64

1.2.4.6.

Khối Constraint & driver sensor.............................................. 69

1.2.4.7.

Khối Joint Initial Condition Actuator ...................................... 72

1.2.4.8.

Khối Joint Stiction Actuator .................................................... 74

1.2.5.

Th viện Utilities ............................................................................ 76

1.2.5.1.

Khối Connection ports ............................................................. 76

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 8
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Phần2:

ứNg dụng công cụ simmechanics mô phỏng hệ
điều khiển cần trục
.................................................................................78

2.1.

Giới thiệu về Cần trục............................................................................ 78

2.2.

Đặt vấn đề.............................................................................................. 79

2.3.

Mô phỏng hệ thống cơ động học của cần trục quay với công cụ
SimMechanics
.................................................................................................. 80

2.3.1.

Các giả thiết khi mô phỏng............................................................. 80

2.3.2.

Mô phỏng hệ thống cơ động học .................................................... 81

2.4.

Sơ đồ hệ thống điều khiển ..................................................................... 88

2.4.1.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ...................................................... 88

2.4.2.

Chọn bộ điều khiển PID.................................................................. 89

2.4.2.1.

Lý do chọn bộ điều khiển PID................................................. 89

2.4.2.2.

Giới thiệu về bộ điều khiển PID .............................................. 90

2.4.3.

Sơ đồ các bộ điều khiển .................................................................. 92

2.4.3.1.

Sơ đồ khối bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính........................ 92

2.4.3.2.

Sơ đồ khối bộ điều khiển quay................................................. 93

2.5.

Mô phỏng hệ thống điều khiển với công cụ Simulink........................... 94

2.5.1.

Mô phỏng bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính ............................... 95

2.5.2.

Mô phỏng bộ điều khiển quay ........................................................ 96

2.6.

Ghép nối hệ thống điều khiển với hệ thống cơ động học ...................... 97

2.6.1.

Khối tính toán thông số ghép nối ................................................... 97

2.6.2.

Ghép nối hệ điều khiển với hệ thống cơ động học ......................... 99

2.7.

Tính toán bộ điều khiển PID.................................................................. 99

2.7.1.

Định hớng tính toán các thông số bộ điều khiển PID................... 99

2.7.2.

Tính toán các thông số PID cho bộ điều khiển tịnh tiến hớng kính
100

2.7.3.

Tính toán các thông số PID cho bộ điều khiển quay....................101

2.7.4.

Kiểm tra và hiệu chỉnh các thông số PID trong trờng hợp các bộ
điều khiển đồng thời hoạt động
.................................................................. 102

2.8.

Mô phỏng & đánh giá chất lợng mô phỏng....................................... 102

2.8.1.

Tiến hành mô phỏng ..................................................................... 102

2.8.1.1.

Kết quả mô phỏng khi không có hệ điều khiển..................... 103

2.8.1.2.

Kết quả mô phỏng khi có hệ điều khiển ................................ 103

2.9.

hớng phát triển................................................................................... 117

Kết luận.................................................................................................... 118

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 9
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN


Phần1: Phần mền matlab, công cụ simulink và
khối simmechanics
1.1. Phần mền matlab, công cụ simulink
MATLAB là một bộ chơng trình phần mền lớn đợc viết cho máy tính PC
nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học kĩ thuật với các phần tử cơ bản là các ma
trận. Thuật ngữ Matlab là chữ viết tắt từ hai từ MATrix và LABoratory, thể hiện
định hớng chính của chơng trình là các phép tính vector và ma trận. Phần cốt
lõi của chơng trình bao gồm các hàm toán học, các chức năng xuất nhập cũng
nh các khả năng điều khiển chơng trình.
MATLAB cung cấp các toolbox với phạm vi chức năng chuyên dụng khác
nhau. Ví dụ nh : một số toolbox liên quan tới điều khiển( control system
toolbox, Optimzation toolbox...) ; các toolbox liên quan tới lĩnh vực điện, cơ
khí...
SIMULINK là một công cụ của MATLAB nhằm mục đích mô hình hoá, mô
phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Giao diện đồ hoạ trên màn hình của
SIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối
chức năng quen thuộc. SIMULINK cung cấp cho ngời sử dụng một th viện rất
phong phú, có sẵn với số lợng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi
tuyến và gián đoạn.

1.2. công cụ simmechanics
SIMMECHANICS là một công cụ của Matlab cho phép ngời dùng mô hình
hoá đợc các chi tiết cơ khí, từ đó xây dựng đợc mô hình các bộ phận máy, các

máy cơ khí.
SIMMECHANICS gồm có các th viện và các khối sau:

1.2.1.
Th viện bodies
1.2.1.1.
Khối Body
Mục đích:
Biểu diễn một vật thể cứng tuỳ ý


Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 10
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Mô tả:

Khối Body biểu diễn một vật thể cứng mà thuộc tính của nó là tuỳ ý bạn. Sự
miêu tả, bạn cần ấn định bao gồm:
Khối lợng của vật thể và tensor mômen quán tính
Toạ độ trọng tâm của vật thể (CG)
Một số hệ toạ độ Body tuỳ ý (CSs)
Một vật thể cứng đợc xác định trong không gian bởi vị trí trọng tâm và
hớng của nó trong một hệ toạ độ nào đó. Việc đặt những điều kiện ban đầu
(Setting Body Initial Conditions) : Vị trí và hớng ban đầu của vật thể đợc cài
đặt bởi những mục nhập trong hộp thoại Body của nó. Những điều kiện ban đầu
đó giữ nguyên không thay đổi; trừ phi, bạn nối nó với một khối tạo điều kiện ban
đầu cho khớp( Joint Initial Condition Actuator), bạn thay đổi điều kiện ban đầu

của khớp đã đợc nối với Body trớc khi bắt đầu mô phỏng, hoặc bạn kích động
Body với một khối Body Actuator.
Trong SimMechanics, bạn nhập vào thuộc tính của Body qua hai lớp, thuộc
tính hình học và thuộc tính khối lợng:
Thuộc tính hình học đợc xác định bởi hệ toạ độ Body của vật.
Hệ toạ độ Body cần đến ở mức tối thiểu là hệ toạ độ với gốc của nó
ở tại trọng tâm. Điểm trọng tâm xác định cả vị trí ban đầu của toàn Body và là
gốc của hệ toạ độ trọng tâm. Bạn cũng phải đặt hớng cho những trục hệ toạ độ
trọng tâm.
Bạn có thể đặt thêm một số hệ toạ độ Body trên Body. Bạn phải định
nghĩa mỗi hệ toạ độ Body bởi vị trí gốc của nó và hớng những trục toạ độ của
nó.
Mỗi sự kết nối của một khối Joint, Constraint/ Driver, Actuator,
hoặc Sensor với một Body cần đến một điểm mấu trên Body. Điểm mấu này là
một trong số những gốc hệ toạ độ Body.
Hệ toạ độ Body trên khối sẵn sàng dùng cho việc nối kết hiện lên
bởi cổng hệ toạ độ Body
trên các bên của khối. Bạn có thể cho hiện hay ân
mỗi hệ toạ độ Body trên các phía của khối.
Tập hợp những gốc hệ toạ độ Body xác định vỏ lồi của Body, một
trong số những hình biểu tợng xuất hiện biểu diễn một Body trong không gian.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 11
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Thuộc tính khối lợng đợc định nghĩa bởi khối lợng của Body và tensor
quán tính.
Khối lợng là quán tính của Body ứng với gia tốc dịch chuyển của

trọng tâm bằng 1 trong sự phản ứng với một lực tác dụng bằng 1 đơn vị.
Tensor quán tính thể hiện sự phân bố mật độ khối lợng trong Body
và điều khiển gia tốc quay của Body xung quanh trọng tâm bằng sự phản ứng với
một mômen tác dụng.
Những thành phần của tensor quán tính điều khiển hớng ban đầu
của Body và luôn luôn đợc thể hiện nh trong những trục hệ toạ độ trọng tâm.
Hớng những trục hệ toạ độ trọng tâm đối với hệ toạ độ khác bên ngoài Body
(World CS, một CS trên một Ground, hoặc một CS trên một Body khác) sau đó
xác định hớng của Body đối với những Body khác hay đối với World.
Tensor quán tính của Body định nghĩa trục chính của nó, mômen và
ellipsoid tơng đơng của nó, một trong số những hình biểu tợng xuất hiện cho
sự biểu diễn một Body trong không gian.
Ngầm định trạng thái ban đầu của một Body (Default Initial State of a Body)
Hai bộ thuộc tính đó xác định vị trí và hớng ban đầu của Body:
Vị trí ban đầu của Body đợc đặt bởi vị trí trọng tâm của nó.
Hớng ban đầu đợc đặt bởi những thành phần tensor quán tính của nó
(trong hệ toạ độ trọng tâm) và hớng của những trục toạ độ trọng tâm đối với hệ
toạ độ khác trong máy.
Điều kiện ban đầu của một máy có thể đợc thay đổi với khối Joint Initial
Condition Actuator trớc khi bắt đầu quá trình mô phỏng. Nếu bạn không thay
đổi trạng thái ban đầu của một Body trớc khi mô phỏng, SimMechanics đặt vị
trí/ hớng ban đầu tới những mục hộp thoại Body của nó. SimMechanics cũng
đặt những vận tốc dài/ góc ban đầu của Body là 0 trong trờng hợp này.

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 12
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters)



Hình 1.2.1.1a: Bảng thông số định nghĩa body

Hộp thoại có hai vùng hoạt động, Mass Properties và Body Cooordinate
Systems.
Mass Properties
Mass
Nhập vào khối lợng của Body trong vùng đầu tiên và chọn đơn vị trong
danh mục kéo xuống phía bên phải, số thực hoặc biểu thức tơng đơng trong
MATLAB. Giá trị ngầm định là 1 và kg.
Inertia tensor
Nhập vào tensor quán tính (đối với những trục của hệ toạ độ trọng tâm
Body) trong vùng đầu tiên và chọn đơn vị trong danh mục kéo xuống ở phía bên
phải. Tensor phải là ma trận số thực 3x3. Tensor ngầm định là ma trận đơn vị
3x3. Một tensor 0 zeros (3,3) định nghĩa khối lợng điểm. Đơn vị ngầm định là
kg-m2.
Body Coordinate Systems (Những hệ toạ độ Body)
Configuring a Body Coordinate System (định cấu hình hệ toạ độ
Body)
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 13

Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Bạn cài đặt hệ toạ độ Body trong vùng Body coordinate systems:
+ Ngầm định việc định cấu hình gồm có ba hệ toạ độ Body: Cần đến hệ
toạ độ trọng tâm gắn với trọng tâm của Body và hai hệ toạ độ Body tuỳ ý khác,
đợc gọi là CS1 và CS2, để kết nối Joint, Constraint, hoặc Driver.
+ Bạn có thể định cấu hình hệ toạ độ trọng tâm nhng không thể xoá nó.
Bạn cũng không thể thêm hệ toạ độ trọng tâm, mặc dù bạn có thể sao lại hệ toạ
độ trọng tâm với tên khác.
+ Những hệ toạ độ khác có thể đợc hình thành hoặc xoá nh ý muốn.
+ Định hình hệ toạ độ Body cần đến hai nhóm bớc:
- Vị trí gốc hệ toạ độ Body trong bảng Position
- Định hớng các trục hệ toạ độ Body trong bảng Orientation.
+ Định nghĩa hệ toạ độ Body cần quy vào một số cái khác, hệ toạ độ tồn
tại trớc. Trong một khối Body, bạn có thể quy vào hệ toạ độ Body và Grounded
theo ba cách. Hệ toạ độ liên quan phải là:
- World
- Hệ toạ độ Body khác trên cùng một Body
- Adjoining CS, hệ toạ độ trên Body hàng xóm hoặc Ground trực tiếp
nối với hệ toạ độ Body đợc chọn bởi một Joint, Constraint, hoặc Driver.

Hình 1.2.1.1b: Hệ toạ độ của body liên quan

+ Lựa chọn giữa bảng Position hoặc Orientation với những thông số trong
mỗi bảng.
Mỗi hệ toạ độ Body đợc gắn với một tên, ví nh CG cho hệ toạ độ trọng tâm,
và CS1, CS2, , cho những hệ toạ độ thêm vào.

Định cấu hình cho bảng Position
Vùng Position cho mỗi hệ toạ độ Body xác định vị trí gốc của hệ toạ độ nh
một vector tịnh tiến.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 14
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Những thành phần bằng số của vector mang theo đơn vị.
Gốc đợc dời đi từ gốc của một cái khác, hệ toạ độ tồn tại trớc
trong máy móc của bạn bởi vector tịnh tiến này.
Những thành phần của vector tịnh tiến đợc định hớng đối với bộ
trục toạ độ khác.


Hình 1.2.1.1c: Thông số xác định các hệ toạ độ body

* Vector vị trí của gốc toạ độ [x y z]( Origin posittion vector [x y z])
Nhập vào vector tịnh tiến xác định vị trí gốc hệ toạ độ Body mà ta đang
định nghĩa.
* Units
Lựa chọn đơn vị dài cho vector tịnh tiến. Ngầm định là m.
* Xác định gốc hệ toạ độ liên quan tới hệ toạ độ ta đang định nghĩa thông qua
vector tịnh tiến ta đã nhập( Translated from the origin of)
Trong danh mục kéo xuống, có các sự lựa chọn khác, hệ toạ độ tồn tại
trớc trong máy móc của bạn mà xác định điểm bắt đầu cho vector tịnh tiến. Sự
lựa chọn là World, Adjoining, và hệ toạ độ Body khác trên Body này. điểm cuối
của vector tịnh tiến là gốc của hệ toạ độ body này.
* Xác định hớng các trục của hệ toạ độ ta đang định nghĩa thông qua vector

tịnh tiến đã nhập( Components in the axes of)
Trong danh mục kéo xuống, chọn hệ toạ độ mà những trục của nó xác
định những thành phần vector tịnh tiến. Sự lựa chọn là WORLD, ADJOINING,
và hệ toạ độ Body khác trên Body này. Những thành phần vector tịnh tiến đợc
chiếu lên các trục của toạ độ đợc chọn trong cột này.

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 15
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Định cấu hình cho vùng Orientation
Vùng Orientation cho mỗi hệ toạ độ Body xác định hớng của bộ ba trục hệ
toạ độ đó nh một nh một vector quay:
Vector hớng xác định vector quay có ba thành phần
Thành phần bằng số của vector mang theo đơn vị của nó.
Sự quay đợc định hớng đối với bộ những trục toạ độ của hệ toạ độ
tồn tại trớc trong môhình máy của bạn.
Những thành phần vector hớng đợc thể hiện trong sự qui ớc miêu
tả chuyển động quay.


Hình 1.2.1.1d: Bảng thông số xác định hớng của body

* Orientation vector (Vector hớng)
Nhập vào những thành phần của vector quay mà xác định hớng những
trục hệ toạ độ Body. ý nghĩa hình học của những thành phần đó đợc xác định
bởi cột Specified using convention. Những mục nhập đặc biệt đối với hệ toạ độ
trọng tâm định hớng các trục hệ toạ độ trọng tâm. Cùng với mục nhập Inertia

tensor trong Mass properties, những trục hệ toạ độ trọng tâm định hớng toàn bộ
Body về hệ toạ độ khác trong máy móc của bạn.
* Units
Lựa chọn đơn vị góc cho sự quay, độ hoặc rad. Ngầm định là độ.
Relative to coordinate system
Trong danh mục kéo xuống, lựa chọn hệ toạ độ tồn tại trớc trong mô
hình máy của bạn mà định nghĩa hớng ban đầu cho chuyển động quay. Sự lựa
chọn là WORLD, ADJOINING, và những hệ toạ độ khác trên Body này.

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 16
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

* Specified using convention
Trong danh mục kéo xuống, lựa chọn kiểu biểu diễn cho chuyển động quay:
Rotation Conventions (Những qui ớc quay)
Có ba qui ớc chung miêu tả chuyển động quay:
Euler
Qui ớc góc Euler ấn định chuyển động quay những trục hệ toạ độ Body bởi
sự quay xung quanh ba trục theo thứ tự. Những thành phần của vector cột 1x3 là
lần lợt là góc quay xung quanh trục X, Y, Z băng đơn vị độ hoặc rad.
Ví dụ nh, Euler X-Y-Z có nghĩa là quay xung quanh trục X đầu tiên, tiếp
theo là xung quanh trục Y, kế tiếp là xung quanh trục Z.
3-by-3 Transform (Biến đổi ma trận 3x3)
Qui ớc transform xác định sự quay nh một ma trận quay trực giao không
thứ nguyên. Sự nghịch đảo ma trận trực giao R là bằng ma trận chuyển vị: R-
1=RT. Cột của R là những vector đơn vị (x,y,z) theo những trục hệ toạ độ Body.
Danh mục những đơn vị là không hoạt động.

Quaternion
Qui luật Quaternion xác định sự quay dới hình thức góc trục nh một vector
cột không thứ nguyên 1x4
[n
x
*sin( /2) n
y
*sin( /2) n
z
*sin( /2) cos( /2)]

n=(nx, ny, nz) là một vector ba thành phần với chiều dài đơn vị:
n*n
=
n
x2 +
n
y2 +
n
z2 = 1
Vector đơn vị n xác định trục quay. Góc quay xung quanh trục đó là và tuân
theo quy tắc bàn tay phải.

1.2.1.2.
Khối Ground
Mục đích
Biểu diễn một điểm cố định trên nền/giá đỡ, nơi đặt gốc của hệ toạ độ World.
Mô tả

Một khối Ground biểu diễn một điểm cố định trong hệ toạ độ tuyệt đối

World. Gắn khối này vào một bên của khớp để ngăn chặn sự chuyển động của
bên đó của khớp. Nh vậy thì khối này tơng ứng với một ngàm.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 17
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Ground nằm trong th viện Bodies và nó chính là một body đặc biệt. Nhng
chúng ta chỉ có thể nối một đầu của nó với một khớp. Các khối ground tự động
lấy hệ toạ độ có các trục song song với hệ tọa động World( gắn tại một trong các
ground trớc đó) và gốc tại ground point.
Bất kì một mô hình Simmechanics nào cũng cần có ít nhất một ground
Bạn không thể nối các khối cảm biến cũng nh kích động vào ground bởi vì
chúng đâu có chuyển động.
Bảng thông số

Hình 1.2.1.2: Bảng thông số xác định Ground

Thông số của ground chỉ có toạ độ gốc của ground trong hệ toạ độ World, đó
là một véctơ có ba thành phần và đơn vị của nó. Khi bạn nhập thông số cho
ground là [0 0 0] thì ground đó chính là tại gốc toạ độ Wrold.

1.2.2.
Th viện Constraints & Drivers
1.2.2.1.
Khối Angle driver
Mục đích
Định rõ góc giữa hai vector trục của Body nh một hàm theo thời gian
Mô tả

Khối Angle Driver truyền dẫn động các vector trục đã đợc định nghĩa trên hai
Body. Bạn định rõ các vector trục của follower body và base body cố định a
B
, a
F

Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 18
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

trong hệ toạ độ Body trên mỗi Body ở các bên của Angle Driver, sau đó truyền dẫn
động góc giữa những vector trục body nh một hàm của thời gian.
Khối Angle Driver định rõ góc đợc định nghĩa bởi công thức
cos
= |a
B
.a
F
|/(|a
B
|.|a
F
|)
nh một hàm của thời gian:
= f(t) . Bạn liên kết khối Angle Driver với một khối
Driver Actuator.
Tín hiệu vào Simulink trong Driver Actuator xác định hàm truyền phụ thuộc thời

gian f(t) và hai đạo hàm đầu của nó cũng nh những đơn vị của nó. Nếu bạn không
kích động Angle Driver, khối này hoạt động nh một sự cỡng bức thời gian độc lập
mà làm cố định góc giữa hai trục Body ở tại giá trị ban đầu của nó trong suốt quá
trình mô phỏng.
Các Driver hạn chế bậc tự do tơng đối giữa một cặp Body nh hàm thời gian
định ra. Một cách cục bộ trong máy, ngời ta thay thế một khớp nh là sự diễn đạt
bậc tự do. Một cách toàn diện, khối Driver phải xuất hiện trong những vòng đóng.
Nh những Body đợc kết nối với khớp, hai Body đợc kết nối với Driver theo thứ tự
nh base và follower, ấn định hớng chuyển động tơng đối.
Bạn cũng có thể nối một khối Driver với một Constraint&Driver Sensor, mà đo
những phản lực/mômen giữa những Body truyền động.
Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters)



Hình 1.2.2.1: Bảng thông số của khối Angle Driver



Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 19
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Các thông số của khối Angle Driver
Fixed axis: cho Base Body và Follower Body, theo thứ tự, nhập vào những
vector trục body. Ngầm định là [1 0 0].
Reference csys (hệ toạ độ quy chiếu): Sử dụng danh mục kéo xuống, chọn
hệ toạ độ (World, base Body CS, hoặc follower Body CS) mà những trục toạ độ của

chúng và những vector trục follower Body và base Body là cùng hớng với nhau. Hệ
toạ độ này cũng xác định phản lực/mômen mang ý nghĩa tuyệt đối. Ngầm định là
WORLD.

1.2.2.2.
Khối Distance driver
Mục đích
Định rõ khoảng cách giữa hai gốc hệ toạ độ Body nh một hàm theo thời gian
Mô tả

Khối Distance Driver truyền dẫn động khoảng cách giữa hai gốc của hai hệ
toạ độ Body nh một hàm thời gian mà bạn định rõ. Hàm này phải luôn luôn
đợc giữ không âm trong khi mô phỏng.
Cho r
1
, r
2
là những vector vị trí gốc của CS1 trên một Body và của CS2 trên
một Body khác. Distance Driver định ra khoảng cách vô hớng |
r
1
- r
2
| giữa
những điểm đó nh một hàm thời gian:
|
r
1
- r
2

| = f(t).
Bạn nối khối Distance Driver với một khối Driver Actuator.









Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 20
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters)



Hình 1.2.2.2: Bảng thông số của khối Distance Driver
Hộp thoại có một vùng hoạt động, Connection parameters. Vùng này hoạt
động một cách tự động.

1.2.2.3.
Khối Linear driver
Mục đích
Định rõ một thành phần vector nối hai gốc hệ toạ độ Body nh một hàm theo thời
gian

Mô tả

Khối Linear Driver định rõ một thành phần của vector nối hai gốc hệ toạ độ nh
một hàm của thời gian.
Cho r
1
, r
2
là vector vị trí gốc của CS1 trên một Body, CS2 trên một Body khác, và
R=r
1
-r
2
. Khối Linear Driver ấn định một thành phần của vector R=(X,Y,Z) đợc
chiếu trên những trục hệ toạ độ World, nh một hàm thời gian:

X, Y, or Z = f(t).
Bạn nối một khối Driver Actuator với Linear Driver



Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 21
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters)

Hình 1.2.2.3: Bảng thông số của khối Linear Driver

Các thông số của khối Linear Driver
World axis: Trong danh mục kéo xuống, lựa chọn một thành phần của vector R
giữa những gốc hệ toạ độ Body mà bạn muốn truyền động nh một hàm thời gian.
Những thành phần đợc đo đối với những trục hệ toạ độ World. Sự lựa chọn là X, Y,
hoặc Z. Ngầm định là X.

1.2.2.4.
Khối Velocity driver
Mục đích
Định rõ một sự kết hợp tuyến tính giữa vận tốc dài và vận tốc góc của hai Body
nh một hàm của thời gian
Mô tả

Khối Velocity Driver truyền dẫn sự kết hợp tuyến tính của vận tốc góc và vận tốc
dài đã đợc chiếu của hai Body. Những vận tốc đợc chiếu bởi các tích số bên trong
trên những vector không đổi mà bạn ấn định.
Cho v
B
, v
F
là hai vector vận tốc dài Body và
B
,
F
là hai vector vận tốc góc Body.
Cho c
B

, c
F
, d
B
, d
F
là những vector cố định. Các chỉ số B và F ám chỉ base body và
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 22
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

follower body. Khối Velocity Driver ấn định sự kết hợp tuyến tính này bởi:

c
B
v
B
+ d
B B
- c
F
v
F
- d
F F
= f(t)
nh một hàm thời gian f(t). Bạn định rõ vector c
B

, c
F
, d
B
, d
F
. Bạn cũng nối một
khối Driver Actuator với Velocity Driver.
Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters)


Hình 1.2.2.4: Bảng thông số của khối Velocity Driver

Các thông số của khối Velocity Driver
Angular velocity units
Từ danh mục kéo xuống, lựa chọn những đơn vị chung cho tất cả những vector
vận tốc góc. Ngầm định là deg/s
Những vector d
B
và d
F
hoàn toàn mang những đơn vị chuyển đổi của chiều
dài/góc. Hàm truyền f(t) có những đơn vị vận tốc dài mà bạn cài đặt trong khối
Driver Actuator bạn nối với Velocity Driver. Nếu đơn vị f(t) là khác so với những đơn
vị đợc đặt trong Linear velocity units trong hộp thoại này, những vector d
B
và d
F

hoàn toàn mang thêm nhng đơn vị chuyển đổi.

Linear velocity units
Từ danh mục kéo xuống, chọn đơn vị chung cho tất cả những vận tốc dài. Ngầm
định là m/s.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 23
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Hàm truyền f(t) có đơn vị đo vận tốc dài đợc cài đặt trong khối Driver Actuator
mà bạn liên kết với Velocity Driver. Nếu đơn vị hàm số f(t) khác đơn vị vận tốc dài
trong hộp thoại, vector c
B
và c
F
sẽ mang đơn vị thay thế.
Velocity coefficients for base
Phía dới [x y z], nhập vào các vector hệ số vận tốc dài và vận tốc góc cho base
Body. Có các thành phần của d
B
và c
B
, theo thứ tự. Ngầm định là [1 0 0].
Trong danh mục kéo xuống, lựa chọn các hệ toạ độ (World hoặc Base) mà các
vector d
B
và c
B
là cùng hớng với các trục toạ độ của nó. Ngầm định là WORLD.
Những vector d

B
và c
B
mang hoàn toàn các đơn vị chuyển đổi để biến đổi tất cả
các vận tốc sang đơn vị vận tốc dài chung của f(t) mà bạn đã cài đặt trong khối Driver
Actuator đợc nối.
Velocity coefficients for follower
Phía dới [x y z], nhập vào các vector hệ số vận tốc dài và vận tốc góc cho
follower Body. Có những thành phần của d
F
và c
F
, theo tuần tự. Ngầm định là [1 0 0].
Trong danh mục kéo xuống, lựa chọn các hệ toạ độ (World hoặc Follower) mà
các vector d
F
và c
F
là cùng hớng với những trục của nó. Ngầm định là WORLD.
Những vector d
B
và c
B
mang hoàn toàn những đơn vị chuyển đổi để biến đổi tất cả
những vận tốc sang đơn vị vận tốc dài chung của f(t) mà bạn đã cài đặt trong khối
Driver Actuator đợc nối.

1.2.2.5.
Khối Point- curve driver
Mục đích

Cỡng bức chuyển động của một điểm trên một Body di chuyển dọc theo một
đờng cong trên một Body khác
Mô tả

Hai Body đợc nối bởi Point-Curve Constraint chỉ có thể di chuyển tơng đối với
Body kia nếu một điểm trên một Body di chuyển dọc theo một đờng cong trên một
Body khác. Điểm trên một Body là gốc của hệ toạ độ Body mà một bên của Point-
Curve Constraint nối. Tơng ứng với điểm bắt đầu của đờng cong trên Body thứ hai
là gốc của hệ toạ độ Body mà bên thứ hai của Point-Curve Constraint đợc nối.
Specifying the curve: Bạn xác định hàm đờng cong trên Body thứ hai nh một
đờng spline với những điểm rời và điều kiện kết thúc.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 24
Đồ án tốt nghiệp


Bộ môn GCVL&DCCN

Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters)



Hình 1.2.2.5: Bảng thông số của khối Point Curve Contraint

Hộp thoại có hai vùng hoạt động, Connection parameters và Spline specification.
Nó lu giữ thông tin xác định của một đờng đơn spline cho sự cỡng ép.
Specifying the Spline
Hộp thoại Point-Curve Constraint cho bạn hai cách để xác định đờng cong
spline. Cách thứ nhất là vào hộp thoại này những toạ độ điểm gẫy và điểm kết thúc
trên follower và là thích hợp cho việc xác định đờng cong ba chiều. Cách thứ hai là
hiển thị đồ thị và sửa chỉnh đờng spline trong Edit spline editor (xem sau), chỉ thích

hợp cho đờng cong hai chiều trên follower.
* Break point
Danh sách ở đây những thành phần theo trục x, y, z theo thứ tự, của những
điểm gẫy và điểm kết thúc mà định nghĩa cho spline:
X: vào (x
0
, x
1
, ..., x
N+1
) nh một vector.
Y: vào (y
0
, y
1
, ..., y
N+1
) nh một vector.
Z: vào (z
0
, z
1
, ..., z
N+1
) nh một vector.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 25