Đồ án 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 Tr−ờng 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: L−u Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 20001137 Họ và tên sinh viên: L−ơng Văn H−ng 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 h−ớng dẫn: ThS. Đào Bá Phong L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng 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 h−ớng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp, ngày.....tháng.....năm........ Ng−ời duyệt L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng CTM4 - K45 2 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Bộ giáo dục và đào tạo Tr−ờng đại học bách khoa hà nội. ---------------------------- Bản nhận xét đồ án tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: L−u Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 20001137 Họ và tên sinh viên: L−ơng Văn H−ng Số hiệu sinh viên: 20001464 Ngành: Công nghệ chế tạo máy Khoá: 45 Cán bộ h−ớng dần: ThS. Đào Bá Phong Cán bộ duyệt: Nhận xét của giáo viên h−ớng dẫn: ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng CTM4 - K45 3 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. .............................................................................................................. Ngày.......tháng.......năm........... Ng−ời h−ớng dẫn L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng CTM4 - K45 4 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN Bộ giáo dục và đào tạo Tr−ờng đại học bách khoa hà nội. ---------------------------- Bản nhận xét đồ án tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: L−u Văn Hiệu Số hiệu sinh viên: 2000 Họ và tên sinh viên: L−ơng Văn H−ng Số hiệu sinh viên: 20001464 Ngành: Công nghệ chế tạo máy Khoá: 45 Cán bộ h−ớng dần: ThS. Đào Bá Phong Cán bộ duyệt: Nhận xét của giáo viên duyệt: ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng CTM4 - K45 5 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn GCVL&DCCN ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. .............................................................................................................. Ngày.......tháng.......năm........... Ng−ời duyệt L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn 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 ch−a. 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 h−ớng ứng dụng tin học. Nhiều n−ớc 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 t−ợng, 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 L−u Văn Hiệu và L−ơng Văn H−ng 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 h−ớng kính và bộ điều khiển quay. Bên trong mỗi bộ điều khiển , có hai bộ điều khiển PID đ−ợc dùng _ bộ điều khiển PID tự hiệu chỉnh cho đúng chuyển động h−ớng 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 đ−ợc bầy tỏ lòng biết ơn sâu xắc đến thầy giáo Đào Bá Phong ng−ời đã tận tình h−ớng dẫn hai chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án. Cũng xin đ−ợc 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: L−u Văn Hiệu L−ơng Văn H−ng L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng 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 L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng 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 h−ớng 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 h−ớng 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 h−ớng 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 h−ớng 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 tr−ờng hợp các bộ điều khiển đồng thời hoạt động .................................................................. 102 2.8. Mô phỏng & đánh giá chất l−ợng 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. h−ớng phát triển ................................................................................... 117 Kết luận .................................................................................................... 118 L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng 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 ch−ơng trình phần mền lớn đ−ợc 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 h−ớng chính của ch−ơng trình là các phép tính vector và ma trận. Phần cốt lõi của ch−ơng trình bao gồm các hàm toán học, các chức năng xuất nhập cũng nh− các khả năng điều khiển ch−ơng 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 d−ới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. SIMULINK cung cấp cho ng−ời sử dụng một th− viện rất phong phú, có sẵn với số l−ợng 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 ng−ời dùng mô hình hoá đ−ợc các chi tiết cơ khí, từ đó xây dựng đ−ợc 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 L−u Văn Hiệu & L−ơng Văn H−ng 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 gồ