Đồ án tốt nghiệpBộ 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
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 2
Đồ án tốt nghiệpBộ 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
Bé m«n GCVL&DCCN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
...............................................................................................................................
..
.................................................................................................................................
..............................................................................................................
Ngµy.......th¸ng.......n¨m...........
Ng−êi h−íng dÉn
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
...............................................................................................................................
..
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 5
§å ¸n tèt nghiÖpBé m«n GCVL&DCCN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
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
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
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
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
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.
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
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 9
Đồ án tốt nghiệpBộ môn GCVL&DCCNPhần1: 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
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 nghiệpBộ 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
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 12
Đồ án tốt nghiệpBộ 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
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 nghiệpBộ 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
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 nghiệpBộ 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.
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 nghiệpBộ 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
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 nghiệpBộ 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
| = f(t).
Bạn nối khối Distance Driver với một khối Driver Actuator.
Lu Văn Hiệu & Lơng Văn Hng CTM4 - K45 20
Đồ án tốt nghiệpBộ 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
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
. 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.
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
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
Copyright: Tài liệu đại học ©