ĐỒ ÁN CẦU TRỤC TRỢ LỰC CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦU TRỤC
TRỢ LỰC TRONG CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT

Giáo viên hướng dẫn

:

Sinh viên thực hiện:
Lớp
MSSV

Nguyễn Ngọc Huân
:

:

ThS. Đào Quý Thịnh

ĐK&TĐH5 – K57
20121774


LỜI NÓI ĐẦU
Trong công nghiệp, di chuyển và lắp ráp các sản phẩm nặng đặt ra một

gánh nặng lớn cho công nhân trong dây chuyền lắp ráp.các công nhân nếu
phải làm việc thủ công như vậy thường bị mệt mỏi,đau lưng và liên quan
khuyết tật do các thao tác thủ công nâng hạ trực tiếp các vật nặng. Do đó,
một hệ thống để giảm gánh nặng cho các công nhân trong dây chuyền lắp
ráp và vận chuyển là rất cần thiết.
Không chỉ riêng trong công nghiệp mà trong ngành y tế cũng có yêu cầu cấp
thiết về một hệ thống trợ lực để giúp các y bác sỹ có thể chuyển các bệnh
nhân qua các giường bệnh khác hoặc để người nhà của những bệnh nhân bị
bệnh bại liệt có thể di chuyển họ từ giường bệnh xuống xe lăn hay sang một
vị trí khác một cách dễ dàng.
Chính vì lý do này bọn em đã chọn đề tài đồ án chuyên ngành là “Nghiên
cứu điều khiển hệ thống cầu trục trợ lực trong cơ cấu nâng hạ vật”, Đồ
án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Đào
Quý Thịnh. Nội dung đồ án này gồm những phần cơ bản như
sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cầu trục trợ lực trong cơ
cấu nâng hạ.
Chương 2: Mô hình hóa đối tượng,và các thiết bị của cơ cấu
chấp hành.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển.
Chương 4: Kết quả mô phỏng.
Được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo
ThS.Đào Quý Thịnh sau một thời gian em đã hoàn thành đồ
án này. Tuy nhiên do thời gian và năng lực bản thân còn hạn
chế nên không tránh khỏi được những thiếu sót. Bởi vậy em


rất mong nhận được sự chỉ dạy và những ý kiến đóng góp
của thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Mục Lục


Chương 1:
Tổng quan về hệ thống cầu trục trợ lực
trong cơ cấu nâng hạ
1.1

Các cơ cấu cầu trục trợ lực được ứng dụng trong
thực tế

Trong thực tế các hệ thống trợ lực cũng đã được áp dụng khá phổ biến tại
một số nước phát triển làm cho năng suất lao động trong các nhà máy xí
nghiệp tăng rõ rệt cũng như chất lượng chăm sóc bệnh nhân tại các bệnh
viện được cải thiện rất tốt.

Ứng dụng trong nâng hạ vật


Ứng dụng trong y hoc và chăm sóc sức khỏe
1.2

Giới thiệu về mô hình cầu trục trợ lực trong cơ cấu

nâng hạ
Từ các ứng dụng trong thực tế ta xây dựng lên mô hình thực
nghiệm cho cơ cấu nâng hạ :

Sơ đồ khối của mô hình thực nghiệm :

Giao diện giám sát

Driver servo

Động cơ servo

PLC

Loadcell

Mô hình thực nghiệm gồm:
+ Động cơ AC servo 200W được cố định
+ Driver của động cơ servo có nhiệm vụ điều khiển cho
dộng cơ theo vận

tốc. Các tín hiệu cho phép servo-on,

chạy thuận, chạy nghịch, dừng của servo sẽ do PLC điều
khiển.
+ Một vật nặng có khối lượng m(kg) là đối tượng nâng hạ
được treo vào trục động cơ bằng dây tời, nối cùng với vật là
một loadcell có khối lượng không đáng kể để đo lực từ bên
ngoài tác động chuyển thành tín hiệu điện rồi khuếch đại tín
hiệu đố đưa vào PLC qua truyền thông RS232.
+ PLC có chức năng nhận tín hiệu từ loadcell rồi đưa ra tín
hiệu điều khiển đến driver để điều khiển động cơ servo.

Chương 2:
Các thiết bị của cơ cấu chấp hành và sơ đồ
mô tả quá trình cơ cấu
2.1 Các thiết bị cơ cấu chấp hành
2.1.1 Động cơ servo cấu tạo và nguyên lý
Động cơ secvo về nguyên lý ,cấu tạo phần điện –từ thì
giống như các loại động cơ bình thường ( nghĩa là cũng có
phần cảm,phần ứng ,khe hở từ thông, cách đấu dây v.v)
nhưng có sự khác biệt về cấu trúc cơ học ,đó là động cơ
secvo có hình dáng dài,đường kính trục và rôt nhỏ hơn
động cơ thường cùng công suất và momen.

Điểm nổi bật của một secvo motor là tích hợp sẵn cơ cấu
feedback vào bên trong động cơ .Động cơ secvo là thiết bị
được điều khiển bằng chu trình kín ,từ tín hiệu hồi tiếp vận
tốc/vị trí ,hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển hoạt động
của một động cơ secvo .Với lí do nêu trên nên sensor đo vị


trí hoặc tốc độ (encoder hoăc máy phát tốc) là các bộ phận
cần thiết phải tích hợp cho một động cơ secvo.
Động cơ secvo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều
khiển vị trí và tốc độ .Chính vì thế nó phải được thiết kế sao
cho các đáp ứng là phù hợp với nu cầu điều khiển …...Tuy
nhiên tùy theo nhu cầu điềukhiển mà nó có một số điểm cải
tiến hơn ( dành cho những mục đích đặc biệt ) so với động
cơ thường để phục vụ cho các mục đích điều khiển cụ thể.
Về đặc tính, động cơ secvo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp
vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển .Khi
động cơ quay ,vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này

.Nếu có bất kì lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu
hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch
điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính.

Cấu tạo của hệ thống servo


Sự khác biệt của động cơ servo so với những động cơ sử
dụng cảm ứng từ nói chung là nó có một máy dò (encoder)
đểphát hiện tốc dộ quay và vị trí.

Nguyên tắc hoạt động,động cơ servo được điều khiển từ bộ driver của
động cơ secvo.
Tín hiệu hồi tiếp của động cơ nhờ encoder đưa về driver .Driver xử lí tín
hiệu hồi tiếp để và đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ.
2.1.2 Driver và nguyên lý điều khiển
Driver điều khiển tốc độ và momen theo nguyên tắc nhận tín hiệu
analog dưới dạng điện áp từ bên ngoài, có thể từ ngõ ra của modun analog.
Khi động cơ làm việc, encorder trên động cơ sẽ gửi tín hiệu phản hồi vị trí
vận tốc và momen về bộ điều khiển driver .Driver sẽ thực hiện việc so sánh
tín hiệu nhận từ PLC và tín hiệu phản hồi từ đó đưa ra hướng xử lí.
Tín hiệu điều khiển vận tốc và momen là tín hiệu điện áp analog được đưa
trực tiếp đến các chân V-ref và T-ref .Tùy thuộc vào giá trị nguồn mà cài
đặt thông số độ lợi cho thích hợp.
Phụ thuộc vào việc cài đặt thông số trong Mod điều khiển tốc độ và
momen mà các chân tín hiệu V-ref và T-ref có các ngưỡng điều khiển khác
nhau, từng chế độ điều khiển khác nhau.
Tính toán trong mode điều khiển vận tốc và momen:

Vận tốc được tính toán từ tín hiệu phản hồi của encorder
Vận tốc =
N: số xung đếm được trong thời gian lấy mẫu (xung/ vòng)
N0: độ phân giải của encorder (xung/ vòng)
T0: thời gian lấy mẫu (s).

2.1.3 Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực
hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.
Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi
khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với
sự

biến

dạng

này.

Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh
hay các lực biến thiên chậm.Một số trường hợp loadcell
được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết
kế của Loadcell.
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần
thứ nhất là "Strain gage" và thành phần còn lại là
"Load". Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng
móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và
được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên
“Load” một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
Nguyên lý hoạt động, loadcell hoạt động dựa trên

nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác
dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện
trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.


2.1.4 Khái quát về PLC
PLC là tên gọi của thiết bị điều khiển logic lập trình được xuất phát từ
ba chữ cái đầu của tên gọi tiếng anh Progammable Logic Controller.
Ngoài ra, PLC còn được định nghĩa là thiết bị điều khiển có cấu trúc máy
tính. Như vậy, PLC có đầy đủ các thành phần của máy tính: CPU, ROM,
RAM, BUS, I/O ….
Đầu tiên, PLC được xây dựng để thay thế cho hệ thống điều khiển logic
sử dụng các rơ le điện từ, rơ le thời gian, bộ đếm và các mạch điện tử với
các ic số … được nối dây phức tạp. PLC cũng được chuẩn hoá các đầu
vào, đầu ra, nguồn cấp … thuận tiện cho việc đấu nối, hoạt động ổn định
và thực hiện các logic điều khiển bằng chương trình bên trong PLC. Sau
đấy, vì sự thuận lợi trong ứng dụng và sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ điện tử, bán dẫn, PLC đã phát triển và xuất hiện trong hầu hết các vị
trí của hệ thống điều khiển. Từ thiết bị cấp trường đến các vị trí điều
khiển, giám sát hệ thống, từ các máy sản xuất đơn lẻ tớ toàn bộ hệ thống
trong phân xưởng, nhà máy.
Vị trí của PLC trong hệ điều khiển


Hệ điều khiển truyền thống
Hệ điều khiển truyền thống gồm các khối
+ Khối đầu vào:
Gồm các nút điều khiển Các công tắc
Các công tắc hành trình đặt tại máy
Các cảm biến đo lường đặt tại dây chuyền sản xuất.

+ Khối điều khiển gồm các phần tử:
•

Các loaị Re le

•

Các bô đếm thời gian


•

Các bô đếm

•

Các mạch điện tử

•

Các bô so sánh
+ Khối đầu ra gồm:

•

Các loại đông cơ

•

Các loại van

•

Các thiết bị gia nhiệt

•

Các thiết bị chỉ thị...

Hệ điều khiển dùng PLC

-Khối đầu vào tương tự hệ điều khiển truyền thống
-Khối đầu ra tương tự hệ điều khiển truyền thống.
-Khối điều khiển được thay bằng thiết bị điều khiển PLC kèm theo đó là
một chương trình ứng dụng, được lập trình dưới dạng giản đổ thang.


2.2 Giới thiệu mô hình mô tả quá trình cho cơ cấu cầu
trục trợ lực
Từ mô hình thực nghiệm với yêu cầu công nghệ của cơ
cấu trợ lực ta có sơ đồ mô tả quá trình cho cơ cấu:

Sơ đồ mô tả quá trình
Giới thiệu qua về sơ đồ mô tả quá trình:
Ta có các đại lượng Fh là lực do tay người tác động vào
cơ cấu, Fext là lực do loadcell đo được, Vd là vận tốc đặt liên hệ
với Fext qua hàm Kf, Ud là điện áp đặt vào động cơ, W là tốc độ
quay của động cơ, V là vận tốc chuyển của vật và Fqt là lực
quán tính.
Mô tả nguyên lý: Khi có lực tay người tác động Fh,

loadcell đo được một lực tương ứng là Fext từ lực này qua cơ
cấu trợ lực mô tả bằng hàm Kf ta có được vận tốc Vd mong
muốn của vật, ta điều chỉnh thông qua bộ điều khiển PID để
được tốc thực V của vật. Yêu cầu giá trị đặt phải bám giá trị
thực.


Chương 3:
Thiết kế bộ điều khiển
3.1 Phương trình động học của cơ cấu
Để dễ dàng cho thiết kế bộ điều khiển ta mô tả hệ thống đơn
giản như hình vẽ:


Với hệ thống như hình vẽ ta có khối lượng của đối tượng là
m(kg), độ dịch chuyển của đối tượng là x(m), lực do môi trường
tác động vào vật (lực tay người) là Fh(N), lực tác động của cơ
cấu truyền động (động cơ servo) F(N), lực đo được của loadcell
(N), một lực căng T(N) của dây tời.
Từ đó ta có phương trình động lực học của hệ thống được mô
tả:
Theo định luật II Newton ta có :

(3.1)

Chiếu phương trình (3.1) lên phương thẳng đứng ta có:
F + + mg – T = m
Trong đó lực đo được từ loadcell dược tính bằng công thức:
(3.2)
Với m là lực quán tính của hệ thống và để có phép đo chính

xác lực tác động từ con người thì lực quán tính này cần càng
nhỏ càng tốt (m << Fh), nếu không sẽ gây ảnh hưởng đến đáp
ứng của hệ thống.


Mô hình hệ đơn bậc tự do
3.2 Thiết kế tính toán hàm tính giá trị vận tốc đặt Kf
Để có một chuyển động trợ lực thì ta phải thiết lập được mối
quan hệ giữa lực đầu vào (lực đo được từ loadcell) và vận tốc
đầu ra (vận tốc đặt vào động cơ).
Ta có phương trình vi phân:
=

(3.3)

Trong đó là sai lệch vị trí giữa giá trị đặt và giá trị thực ban đầu
của vật. Các tham số , , là đại diện cho khối lượng mong muốn,
hệ số giảm tốc, và dộ cứng của hệ thống.
Trong hệ thống thực nghiệm do sử dụng dây tời nên ta có .
Ta đặt với thay vào phương trình (3.3) ta có:
=

(3.4)

Với trong đó là vận tốc đặt và là vận tốc thực ban đầu của
vật. Ta chọn thời điểm ban đầu là thời điểm bắt đầu tác dụng
tay người vào vật khi đó

vậy nên vận tốc ban đầu của vật khi

đó phương trình (3.4) được viết lại là:
=

(3.5)


Nhiệm vụ tìm Kf là mô tả hàm truyền để tính toán vận tốc đặt
vào động cơ thông qua lực đo được từ loadcell vậy ta có:

Suy ra có:

(3.6)

Mặt khác từ phương trình (3.5): =

ta laplace 2 vế có:

(3.7)
Từ (3.6) và (3.7) ta suy ra:
Kf = (3.8)
Trong đó (kg) là khối lượng mà hệ thống mong muốn và (NS/m)
là hệ số giảm tốc.

3.3 Mô hình hóa đối tượng điều khiển
3.3.1 Nguyên lý thực hiện
Để nhận dạng hệ thống chúng ta có rất nhiều phương pháp:
-

Dựa trên đáp ứng quá độ
Dựa trên đáp ứng tần số

Phương pháp bình phương tối thiểu

Ngày nay, các phương pháp trực tiếp dựa trên đồ thị đáp ứng
quá độ thường được sử dụng rộng rãi bởi nó thường mang tính
trực quan đơn giản. Tuy nhiên mức độ chính xác của các mô
hình nhận được lại ở mức độ khiêm tốn vì :


-

Mô hình được sử dụng đơn giản (bậc thấp).
Ảnh hưởng của nhiễu quá trình không được giải quyết tốt.

Song với mức độ yêu cầu của một phần không nhỏ các bài
toán điều khiển quá trình thì chúng ta có thể bằng lòng với
phương pháp này.Ở trong đồ án này ta sẽ nhận dạng hàm
truyền đối tượng dựa trên đồ thị ứng quá độ của đối tượng ứng
với một giá trị đầu vào đặt trước. Sau đó dựa vào đặc tính quán
tính ta có thể xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc
bậc hai có trễ. Tuy nhiên mô hình bậc cao thường gây khó khăn
trong việc thiết kế các luật điều khiển đơn giản như PID
(Proportional Integral Derivative). Do vậy, ta chỉ cần quan tâm
tới bài toán xấp xỉ một khâu quán tính bậc nhất:
Mô hình FOPDT có hàm truyền đạt:
G (s) =

Trong đó:

k
1 + Ts

k là hệ số khuếch đại tĩnh của đối tượng
T là hằng số thời gian

Như vậy đối tượng cần nhận dạng có hàm truyền dạng:
G (s) =

Y(s)
k
=
U(s) 1 + Ts

Trong đó: Y(s) là tốc độ quay của động cơ
U(s) là điện áp cấp vào driver điều khiển động cơ
Đối với một đối tượng có dạng khâu quán tính bậc nhất, với
đầu vào dạng step, ta sẽ thu được đồ thị đáp ứng quá độ có
dạng.


Đồ thị đáp ứng quá độ của một đối tượng dạng quán tính bậc nhất.
Trên cơ sở đó ta có thể xác định được 3 tham số: k, T, L như
sau:
-

L: là khoảng thời gian kể từ khi đặt giá trị đầu vào tới

khi có sự thay đổi ở đáp ứng đầu ra.
- T: là khoảng thời gian kể từ khi có sự thay đổi ở đầu
ra đến khi đầu ra đạt 0,632 lần giá trị xác lập.
- K: là hệ số tỉ lệ giữa giá trị xác lập ở đầu ra và giá trị

đặt ở đầu vào.
Qua đó ta sẽ xác định được hàm truyền của đối tượng.

3.3.2 Trình nhận dạng đối tượng
Như đã nêu ở trên để xây dựng đồ thị đáp ứng quá độ cho
đối tượng ta sử

dụng trình nhận dạng đối tượng được

xây dựng đơn giản dựa trên phần mềm lập trình RS Logic
5000 của Allen Breadly có dao diện như sau :


Màn hình khởi động giao diện nhận dạng đối tượng.
Giao diện này được gọi là Trend trên RS Logic 5000 có nhiệm
vụ ghi lại xu hướng của đối tượng người dùng theo dõi theo thời
gian. Ở đây, biến được theo dõi là biến tốc độ được kết nối sẵn
với Driver.
Khi có tín hiệu điện áp cấp trong khoảng ±10VDC vào drive,
tốc độ động cơ sẽ quay tỉ lệ với giá trị điện áp từ đó ta thu được
đồ thị Trend rồi từ đồ thị Trend ta xác định được hàm truyền của
đối tượng.

3.3.3 Đồ thị đáp ứng đối tượng
Để xác định hàm truyền động cơ ta lần lượt đưa ba giá trị
điện áp đặt khác nhau, mỗi giá trị điện áp tương đương với một


vận tốc đặt cho trước. Bao gồm u 1 = 3 VDC, u2=5 VDC, u3= 8
VDC. Ta thu được đồ thị đáp ứng lần lượt như sau:

Với điện áp đặt u1= 3 VDC.
Với điện áp đặt u = 3 VDC đồ thị đáp ứng vận tốc thu được

Đáp ứng động cơ ở điện áp 3 VDC
Từ đồ thị thu được ta xác định được các tham số của mô hình
đối tượng là:
-

(vòng/phút) = 10.023 (rad/s)

Với điện áp đặt u2= 5 VDC.
Với điện áp đặt u = 5 VDC đồ thị đáp ứng vận tốc thu được


Đáp ứng động cơ ở điện áp 5 VDC
Từ đồ thị thu được ta xác định được các tham số của mô hình
đối tượng là
-

(vòng/phút) = 10.006 (rad/s)

Với điện áp đặt u1= 8 VDC.
Với điện áp đặt u = 8 VDC đồ thị đáp ứng vận tốc thu được

Đáp ứng động cơ ở điện áp 8 VDC


Từ đồ thị thu được ta xác định được các tham số của mô hình
đối tượng là
(vòng/phút) = 10.016 (rad/s)

Kết quả.
Ta coi hệ truyền động là khâu quán tính bậc nhất với hàm
-

truyền đạt:
G (s) =

Y(s)
k
=
U(s) 1 + Ts

Với 3 đáp ứng thu được cộng với thông số nhà sản xuất. Ta
thu được kết quả của hàm truyền động cơ là.

(s)
(rad/s)
Từ đó ta thu được hàm truyền:
W(s) =
Với đầu vào là điện áp đặt (VDC) cấp vào driver điều khiển
động cơ bước và đầu ra là tốc độ quay của động cơ (rad/s).
3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID
3.4.1 Các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối
tượng SISO theo nguyên lý phản hồi. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là vì
tính đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa
sai lệch tĩnh e của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu
cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e càng lớn thì thông qua thành phần u p, tín hiệu điều chỉnh
-

u càng lớn.
Nếu sai lệch e chưa bằng 0 thì thành phần u I, PID vẫn tạo tín hiệu điều

-

chỉnh.
Nếu sự thay đổi của sai lệch e càng lớn thì thông qua thành phần u D,
phản ứng thích hợp của u càng nhanh.


Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:
u(t) = Kp [ e(t)+]
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào.
u(t) là tín hiệu ra.
Kp là hệ số khuếch đại.
Ti là hằng số thời gian tích phân.
Td là hằng số thời gian vi phân.
Ta thu được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:
R(s) = Kp(1++Tds)
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K p, Ti, Td. Muốn hệ
thống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi chọn các
tham số phù hợp. Hiện nay có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều
khiển PID nhưng phổ biến nhất là:
- Phương pháp Ziegler-Nichol.
- Phương pháp tối ưu độ lớn.
- Phương pháp tối ưu đối xứng.
- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick.
3.4.2 Tính toán thông số bộ điều khiển

Ở đây ta có đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất nên ta sử
dụng phương pháp tối ưu độ lớn để tính toán thông số bộ điều khiển.
Phương pháp tối ưu độ lớn
Phương pháp tối ưu modul là phương pháp lựa chọn tham số bộ
điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là
hàm nấc có dạng hình chữ S. Xét một hệ thống điều khiển kín