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

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 như 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 như thế nào đã đúng như mong đợi chưa. 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 hướng ứng dụng tin học. Nhiều nước 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 như thật. Một trong những phần mềm đó là
phần mềm Matlab, một công cụ mạnh cho phép mô phỏng và khảo sát đối tượng,
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 Lưu Văn
Hiệu và Lương Văn Hưng 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
hướng kính và bộ điều khiển quay. Bên trong mỗi bộ điều khiển , có hai bộ điều
khiển PID được dùng _ bộ điều khiển PID tự hiệu chỉnh cho đúng chuyển động
hướng 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 được bầy tỏ lòng biết ơn sâu xắc đến thầy giáo
Đào Bá Phong người đã tận tình hướng dẫn hai chúng tôi trong suốt quá trình
làm đồ án. Cũng xin được 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 như 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!


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. Thư viện bodies . 10
1.2.1.1. Khối Body 10
1.2.1.2. Khối Ground 17
1.2.2. Thư 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. Thư 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. Thư 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. Thư viện Utilities 76
1.2.5.1. Khối Connection ports . 76
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 hướng 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 hướng 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 hướng 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 hướng 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 trường hợp các bộ
điều khiển đồng thời hoạt động 102
2.8. Mô phỏng & đánh giá chất lượng 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. hướng phát triển . 117
Kết luận . . 118