Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế chế tạo bộ kit thí nghiệm phục vụ môn học

Đề tài nckh thiết kế chế tạo bộ kit thí nghiệm phục vụ môn học hệ thống điều khiển tự động trên ô tô cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Bùi Nhựt Quang Nam
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Kit Thí Nghiệm Phục Vụ Môn Học Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Trên Ô Tô
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài thiết kế chế tạo bộ kit thí nghiệm

Đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế và chế tạo bộ kit thí nghiệm là một dự án học thuật quan trọng được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Dự án này tập trung vào việc phát triển một bộ kit điều khiển phục vụ cho môn học hệ thống điều khiển tự động ứng dụng trên ô tô hiện đại. Nội dung đề tài NCKH bao gồm thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực tế một hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều bằng bộ điều khiển PID. Mục tiêu chính là giúp sinh viên hiểu rõ hơn về lý thuyết điều khiển và ứng dụng thực tế trong ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Bộ kit này cung cấp một nền tảng học tập hiệu quả, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành.

1.1. Lý do chọn đề tài và ý nghĩa khoa học

Lý do chọn đề tài NCKH thiết kế chế tạo bộ kit thí là do nhu cầu cấp thiết trong giáo dục kỹ thuật hiện đại. Bộ kit thí nghiệm giúp sinh viên tiếp cận thực tế và áp dụng kiến thức hệ thống điều khiển tự động. Đặc biệt, ứng dụng trong lĩnh vực ô tô yêu cầu sự chính xác cao trong điều khiển động cơ và các hệ thống liên quan.

1.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu

Phạm vi đề tài bao gồm mô hình hóa động cơ điện một chiều (DC Motor), thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ và vị trí. Mục tiêu là chế tạo bộ kit hoàn chỉnh, có khả năng điều khiển chính xác thông qua hệ thống phần mềm Simulink và phần cứng Arduino.

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình hóa DC Motor

Phần cơ sở lý thuyết của đề tài NCKH bao gồm các kiến thức nền tảng về hệ thống điều khiển tự động, phép biến đổi Laplace, không gian trạng thái và tính ổn định hệ thống. Mô hình hóa DC Motor là bước quan trọng trong việc thiết kế bộ kit thí nghiệm. Quá trình này bao gồm thiết lập phương trình vi phân mô tả hành động của động cơ, xác định hàm truyền và không gian trạng thái. Sử dụng Matlab Simulink, sinh viên có thể mô phỏng hành động của động cơ điện một chiều trước khi chế tạo thực tế. Quá trình nhận diện hệ thống sử dụng Identification Toolbox giúp xác định các thông số thực tế từ dữ liệu thử nghiệm.

2.1. Cấu tạo và nguyên lí làm việc động cơ DC

Động cơ điện một chiều (DC Motor) được cấu tạo từ các thành phần như rotor, stator, commutator và brush. Nguyên lí hoạt động dựa trên lực Lorentz tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện trong từ trường từ nam châm. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bao gồm thay đổi điện áp đầu vào và điều chỉnh từ thông.

2.2. Thiết lập hàm truyền và không gian trạng thái

Thiết lập hàm truyền cho DC Motor giúp phân tích đáp ứng của hệ thống. Không gian trạng thái mô tả động học hệ thống thông qua các phương trình vi phân cấp một. Hai phương pháp này là nền tảng cho thiết kế bộ điều khiển PID trong bộ kit thí nghiệm.

III. Thiết kế bộ điều khiển PID và ứng dụng thực tế

Thiết kế bộ điều khiển PID là phần trung tâm của đề tài NCKH thiết kế chế tạo bộ kit. Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần: P (tỉ lệ), I (tích phân) và D (vi phân). Mỗi thành phần có vai trò riêng trong việc điều chỉnh đầu ra của hệ thống. Bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển cả tốc độ và vị trí của động cơ điện. Quá trình thiết kế bao gồm xác định các hệ số Kp, Ki, Kd thông qua mô phỏng trong Matlab Simulink. Ứng dụng thực tế được thực hiện trên nền tảng Arduino Mega 2560 kết nối với mạch H-Bridge 700W. Bộ kit thí nghiệm cuối cùng cho phép kiểm tra hiệu suất điều khiển thông qua các kết quả thực nghiệm.

3.1. Thiết kế PID điều khiển tốc độ motor

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ sử dụng PID liên tục và PID rời rạc. Các hệ số Kp, Ki, Kd được xác định sao cho hệ thống có đáp ứng nhanh và ổn định. Bộ kit cung cấp giao diện để điều khiển tốc độ DC Motor từ chậm đến nhanh với độ chính xác cao.

3.2. Thiết kế PID điều khiển vị trí motor

Điều khiển vị trí yêu cầu tuning khác biệt so với điều khiển tốc độ. Sử dụng bộ điều khiển PID, bộ kit có thể định vị rotor tại góc mong muốn. Quá trình này được mô phỏng và kiểm chứng thông qua các tín hiệu đầu vào vuông và sin.

IV. Phần cứng thực nghiệm và kết quả đề tài

Phần cứng của bộ kit thí nghiệm bao gồm các thành phần chính như Arduino Mega 2560, mạch H-Bridge 700W, bộ nguồn NI PS 15 và động cơ DC. Hệ thống được thiết kế modular, cho phép dễ dàng mở rộng và nâng cấp. Giao tiếp Simulink-Arduino được thực hiện thông qua các thư viện hỗ trợ chuyên dụng. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ kit hoạt động hiệu quả cả trong chế độ điều khiển tốc độ và điều khiển vị trí. Các bài kiểm tra với đầu vào xung vuông, xung sin và hằng số đều cho thấy hiệu suất tốt. Đề tài NCKH đã hoàn thành mục tiêu cung cấp công cụ học tập thực tế cho hệ thống điều khiển tự động.

4.1. Mô tả chi tiết phần cứng và phần mềm

Bộ kit sử dụng Arduino Mega 2560 làm bộ vi xử lý, mạch H-Bridge 700W để điều khiển công suất động cơ. Phần mềm Simulink cho phép thiết kế logic điều khiển và tải lên Arduino. Encoder được sử dụng để phản hồi tốc độ và vị trí, tạo nên vòng kín kiểm soát.

4.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu quả

Kết quả thực nghiệm của đề tài NCKH cho thấy bộ kit đạt được độ chính xác cao trong điều khiển tốc độ (sai số < 5%) và điều khiển vị trí (sai số < 3 độ). Phản ứng hệ thống nhanh, ổn định và không có overshoot quá mức. Bộ kit thí nghiệm đã được công nhận là công cụ học tập hiệu quả cho sinh viên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tình hình nghiên cứu trong ngoài nước Trong nước: Có nhiều đề tài nghiên cứu dùng các lý thuyết điều khiển khác nhau: PID, Fuzzy, LQR, Neural Network,… Các đề tài đã nghiên cứu thiết kế thành công về mô phỏng DC motor bằng Simulink các bộ điều khiển PID, Fuzzy,… so sánh được chất lượng các bộ điều khiển. Xây dựng và hoàn thiện phần cứng gồm module mạch điều khiển, mạch công suất đã giải quyết được bài toán điều chỉnh vị trí và tốc độ động cơ với chất lượng khá tốt với giải thuật PID. Thời gian đáp ứng tương đối nhanh, độ vọt lố thấp, sai lệch hầu như rất nhỏ, ngay cả khi có tải hay ở một số tốc độ đặt khác nhau.

Tuy nhiên chưa nhiều đề tài phân tích ưu điểm của bộ điều khiển PID qua các phép thử và đánh giá dữ liệu thu thập được. Do điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên các module có công suất khá nhỏ chưa ứng dụng được nhiều vào thực tế. Ngoài nước: Các đề tài nghiên cứu kết hợp so sánh rất nhiều phương pháp và công cụ khác nhau như: PID, Fuzzy, LQR, Neural Network, … và các ngôn ngữ lập trình như : Labview, Matlab/Simulink, Arduino, C/C++,… Qua đó có sự phân tích và so sánh dữ liệu thu thập được một cách chi tiết. Công trình nghiên cứu mô phỏng DC motor với độ chính xác cao so với thực tế.

Bộ điều khiển chủ yếu thiết kế một module hoàn chỉnh và được tích hợp vào một cơ cấu chấp hành thực tế có tính ứng dụng cao trong sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên để có được công trình nghiên cứu chi tiết với độ tin cậy cao như vậy đồng nghĩa với việc độ phức tạp càng cao dẫn đến cần nhiều thời gian hơn và phần cứng hỗ trợ tốt. Lý do chọn đề tài Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô là môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3 ngành công nghệ kĩ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Tuy nhiên số lượng các mô hình thực tế còn khá hạn chế.

Để giúp sinh viên có cái nhìn trực quan hơn về các hệ thống điều khiển tự động, chúng em quyết định xây dựng một số bộ KIT phục vụ cho việc nghiên cứu và thực hành môn học Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô. 1 Mô hình điều khiển DC motor là mô hình được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển tự động. Trong thực tế, nhiều công trình sử dụng DC motor như: trong chế tạo robot, giàn khoan, các công trình phục vụ quân sự-quốc phòng…. Vì thế, nó là vấn đề đang được quan tâm.

Từ những vấn đề trên, chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu về điều khiển DC motor nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu và sản xuất. Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài là nhận diện, mô phỏng và điều khiển DC motor bằng phần mềm Matlab/Simulink. - Sử dụng bộ công cụ hỗ trợ trong Matlab/ Simulink để nhận diện hệ thống ghi nhận các đặc tính kỹ thuật của DC motor sau đó thiết lập hàm truyền. - Dùng hàm truyền có được mô phỏng các chuyển động cơ bản của motor và xác định các hệ số của thuật toán PID phục vụ cho chương trình điều khiển bộ KIT.

- Tiến hành thiết kế bộ KIT thí nghiệm DC motor gồm : Board mạch điều khiển Mega 2560, Mạch cầu công suất SHB-700, DC motor 24V,… - Thiết kế thuật toán điều khiển mô hình thực nghiệm ( Bộ KIT). - Tiến hành chạy thử và thu thập dữ liệu, điều chỉnh các thông số bộ điều khiển sau cùng đánh giá về các yêu cầu kỹ thuật : như thời gian đáp ứng, độ chính xác, vọt lố, độ ổn định,… 4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu các tài liệu về lý thuyết điều khiển tự động, tham khảo nhiều nguồn tài liệu trên mạng, sách giáo trình liên quan đến đề tài và phần mềm, dựa vào đó chúng em tính toán thiết kế mô phỏng và tiến hành chế tạo mô hình để kiểm nghiệm.

Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã chia qua trình thực hiện đề tài thành 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài. 2  Lập trình về Matlab/Simulink, làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài.  Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ. Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài.

 Phần cứng là kết hợp DC Motor với board mạch thế hệ mới CircleTech Single H-Bridge 700W và Atmega 2560.  Phần mềm là hoàn thành chương trình trên Matlab/Simulink để điều khiển tốc độ và vị trí DC Motor. Giai đoạn 3: Tiến hành điều khiển DC Motor và viết báo cáo.  Viết báo cáo tổng kết bằng Word.

 Viết báo cáo bằng Powerpoint để báo cáo nghiệm thu.  Hoàn tất đề tài. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu gồm điều khiển vị trí và tốc độ DC motor. Từ đó, chúng em đánh giá kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm dựa trên mô phỏng và mô hình thực tế.

Cuối cùng, chúng em đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển cho đề tài.1 Phép biến đổi Laplace Biến đổi hàm số là làm cho hàm số chuyển từ dạng này sang dạng khác. Chẳng hạn tích phân hay đạo hàm là một ví dụ cho biến đổi hàm số. Biến đổi Laplace là một biến đổi tích phân đặc biệt của hàm số. Qua biến đổi Laplace, các phép toán giải tích phức tạp như đạo hàm, tích phân được đơn giản hóa thành các phép tính đại số (giống như cách mà hàm logarit chuyển một phép toán nhân các số thành phép cộng các logarit của chúng).

Vì vậy nó đặc biệt hữu ích trong giải các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng, phương trình tích phân, những phương trình thường xuất hiện trong các bài toán vật lý, trong phân tích mạch điện, xử lý số liệu, dao động điều hòa, các hệ cơ học. Bởi vì qua biến đổi Laplace các phương trình này có thể chuyển thành các phương trình đại số đơn giản hơn. Phép biến đổi Laplace được định nghĩa như sau: ∞ £{f(t)} = ∫0 𝑒 −𝑠𝑡 𝑓(𝑡)𝑑𝑡 Trong đó: - £ là ký hiệu phép biến đổi laplace. - t là biến thời gian.

- s là biến phức, gọi là biến Laplace. Kết quả phép biến đổi này là môt hàm theo s. Chúng ta thường dùng chữ in hoa để ký hiệu hàm theo s của kết quả phép biến đổi Laplace. Ví dụ: F(s) = L {f(t)} Thực hiện tương tự phép tích phân, ta có thể thu được bảng biến đổi Laplace một số hàm cơ bản như sau: Bảng 1.1 Biến đổi Laplace một số hàm cơ bản 𝒇(𝒕) F(s) 𝒇(𝒕) F(s) 1 𝑛! 𝜇(𝑡) s> 0 𝑒 −𝑎𝑡 𝑡 𝑛 s> -a 𝑠 (𝑠 + 𝑎)𝑛+1 𝑠+𝑎 𝛿(𝑡) 1 𝑒 −𝑎𝑡 cos 𝜔𝑡 s> -a (𝑠 + 𝑎)2 + 𝜔 2 4 𝜔 𝛿′(𝑡) s s> 0 𝑒 −𝑎𝑡 sin 𝜔𝑡 s> -a (𝑠 + 𝑎)2 + 𝜔 2 𝑠 2 − 𝜔2 𝛿 (𝑛) (𝑡) 𝑠𝑛 s> 0 t.

Bảng biến đổi Laplace ngược một số hàm cơ bản được cho như sau: Bảng 1.2 Biến đổi laplace ngược một số hàm cơ bản Trong kỹ thuật điều khiển, chúng ta thường biến đổi Laplace phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học và động lực học của một hệ thống. Biểu thức biến đổi Laplace của đạo hàm bậc 1 và bậc 2 được cho như sau: £{f′(t)} = sF(s) – f(0) £{f′′(t)} = s2F(s) – sf(0) − f′(0) Trong biểu thức này, F(s) = £{f(t). f(0) và f’(0) là các điều kiện ban đầu, là giá trị của hàm f(t) và đạo hàm của hàm f(t) tại thời điểm t = 0.2 Hàm truyền Hàm truyền (transfer function) của hệ thống được định nghĩa là tỉ số biến đổi Laplace biến đầu ra và biến đổi Laplace biến đầu vào với tất cả điều kiện ban đầu được giả định bằng không. Cách tìm hàm truyền: Bước 1: Lập phương trình vi phân mô tả quan hệ vào – ra của hệ thống.

 Đối với các hệ thống điện: áp dụng định luật Kirchoff, quan hệ dòng – áp trên điện trở, tụ điện, cuộn cảm…  Đối với hệ thống cơ khí: áp dụng định luật II Newton, quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc, quan hệ giữa lực và biến dạng của lò xo…  Đối với hệ nhiệt: áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, các định luật truyền nhiệt… Bước 2: Biến đổi Laplace 2 vế phương trình vi phân vừa lập được ở bước 1, ta tìm được hàm truyền cần tìm. Để làm rõ hơn về khái niệm này, chúng ta hãy đi thiết lập hàm truyền của hệ gồm vật nặng, lò xo và giảm chấn cho như hình vẽ. Vật chịu tác động của lực F(t) thay đổi theo thời gian, chuyển động theo hướng trục x.1 Hệ thống vật nặng-lò xo-giảm chấn Ta có thể vẽ sơ đồ vật thể tự do như hình bên dưới. Lực lò xo tỉ lệ thuận với khoảng cách dịch chuyển của vật, x và lực giảm chấn tỉ lệ thuận với vận tốc của vật, v= 𝑥̇.

Cả hai lực này trái chiều chuyển động, vì vậy được đặt theo hướng chiều âm của trục x.2 Sơ đồ vật thể tự do Ứng dụng Định luật II Newton, ta có: ∑ 𝐹 = m.𝑥̈ (t) Đây là phương trình chủ đạo (governing equation) của hệ, đặc trưng cho động lực của hệ. Giải phương trình vi phân này sẽ giúp chúng ta phân tích tính chất hoạt động của hệ dưới tác động của lực F(t). Trong phương trình này, F(t) là lực tác động bên ngoài, được xem là đầu vào. x(t) là vận tốc của vật, kết quả của tác động F(t), được xem là đầu ra.

Biến đổi Laplace hai vế của phương trình, ta được: F(s) – kX(s) – b.𝑠 2 + 𝑏𝑠 +𝑘 Đây chính là hàm truyền của hệ gồm vật thể – lò xo – giảm chấn theo định nghĩa.𝑠 2 + 𝑏𝑠 +𝑘 7 Để biểu diễn một hệ thống trong điều khiển, người ta thường dùng sơ đồ khối (block diagram).3 Sơ đồ khối hệ vật lò xo giảm chấn 1.3 Không gian trạng thái [1] Trạng thái: Trạng thái của một hệ thống là tập hợp nhỏ nhất các biến (gọi là biến trạng thái) mà nếu biết giá trị của các biến này tại thời điểm t0, ta hoàn toàn có thể xác định được đáp ứng của hệ thống tại mọi thời điểm t ≥ t0 [4]. Hệ thống bậc n có n biến trạng thái. Các biến trạng thái có thể chọn là biến vật lý hoặc không phải là biến vật lý. Vector trạng thái: n biến trạng thái hợp thành vector cột gọi là vector trạng thái.