Bài giảng Nhập môn cơ điện tử: Chương 4 - Điều khiển trong cơ điện tử được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Giới thiệu hệ cơ điện tử; Các thành phần của hệ cơ điện tử; Mô hình hệ thống cơ điện tử; Thiết kế hệ thống cơ điện tử; Vai trò hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
10/27/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nhập môn Cơ điện tử Introduction to Mechatronics Giảng viên: TS Nguyễn Anh Tuấn Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà Nội Email: bktuan2000@gmail.com Content Introduction to Mechatronics Chương Điều khiển Cơ điện tử Giới thiệu Các thành phần hệ CĐT Mơ hình HT CĐT Thiết kế HTCĐT Vai trò HTCĐT 1 10/27/2018 Chapter Control in Mechatronics CHƯƠNG ĐIỀU KHIỀN TRONG CĐT Giới thiệu Sơ đồ tương tác phần tử hệ CĐT Hệ thống truyền động (Action) • • • Mạch điều khiển điện tử (Drive circuits) Phần tử chấp hành (Actuator) Động (Motor) Hệ thống điều khiển (Control) • • Mạch điều khiển hở (Open Loop Control ) Mạch điều khiển kín (Closed Loop Control ) Hệ thống đo (Sensing) • • • Cảm biến (Sensor) Xử lý tín hiệu đo (Sensor Conditioning) Chuyển đổi tương tự/số số/tương tự (A/D or D/A converter) Introdution Sơ đồ hệ thống điều khiển CĐT 10/27/2018 Components of a Mechatronic System Các thành phần hệ điện tử • Phần tử khí (Mechanical) • Phần tử Điện tử (Electronics) • Cảm biến (Sensors) • Phần tử chấp hành (Actuators) • Mạch điều khiển (Control) • Mạch tính tốn (Computer) Components of a Mechatronic System • Một hệ thống điện tử có cốt lõi hệ thống khí điều khiển điều khiển Bộ điều khiển cần thông tin trạng thái hệ thống Thông tin lấy từ cảm biến • Các tín hiệu đo cảm biến cần xử lý chuyển đổi cho phù hợp với chế hoạt động mạch điều khiển hệ thống CĐT Các tín hiệu sau xử lý chuyển đổi sang giá trị số thông qua card A/D gửi tới điều khiển 10/27/2018 Components of a Mechatronic System • Bộ điều khiển “trí tuệ" hệ thống điện tử, xử lý gửi lệnh đk đến cấu chấp hành hệ thống • Thiết bị truyền động thiết bị chuyển đổi lượng điện để tạo thành • Tín hiệu điều khiển thơng qua thiết bị bao gồm: nút lệnh, đồ họa giao diện người dùng (GUI), hình điều khiển, bảng điều khiển Modeling of Mechatronic Systems Mơ hình hệ thống điều khiển 3.1 Phần tử bản: • Hệ thống điều khiển có khối chức sau: u(t) -Thiết bị điều khiển C (Controller device) -Đối tượng điều khiển O (Object device)=A (Actuation) + P (Process) -Thiết bị đo lường M (Measuring device) e(t) O x(t) C A P y(t) z(t) M u(t) tín hiệu vào e(t) Sại lệch điều khiển x(t) Tín hiệu điều khiển y(t) Tín hiệu z(t) Tín hiệu phản hồi 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems Quá trình điều khiển Quá trình bị điều khiển theo yêu cầu đặt Modeling of Mechatronic Systems 3.2 Phân loại hệ thống điều khiển: • Open Loop Control - Tín hiệu vào (input) tín hiệu (output) khơng có quan hệ - Hệ thống nhạy cảm với nhiễu độ bất ổn, cần có chế bù nhiễu… Sơ đồ điều khiển hệ hở 10 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems • Closed Loop Control - Tín hiệu vào (input) tín hiệu (output) có quan hệ thơng qua vịng hồi tiếp (feedback loop) - Tín hiệu vào gửi tới phần tử chấp hành (actuator) có thơng tin phản hồi từ cảm biến (sensor) - Do hệ thống chạy khơng cần q trình hiệu chỉnh giá trị (calibration) Sơ đồ điều khiển hệ kín 11 Modeling of Mechatronic Systems 3.3 Các quy tắc điều khiển • Điều khiển theo phương pháp bù nhiễu - Thiết bị đo nhiễu - Giám sát giá trị thay đổi nhiễu bù giá trị tín hiệu đầu vào y1(t) K u(t) e(t) C x(t) O y(t) Nguyên tắc bù nhiễu sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng nhiễu nguyên nhân trực tiếp làm giảm chất lượng điều khiển hệ thống 14 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems 3.3 Các quy tắc điều khiển • Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch - So sánh giá trị giá trị mong muốn giá trị đo nhằm đưa sai số điều khiển tiến u(t) e(t) x(t) C O y(t) z(t) M Tín hiệu y(t) đưa vào so sánh với tín hiệu vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tượng O 14 Modeling of Mechatronic Systems 3.3 Các quy tắc điều khiển • Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bù nhiễu y1(t) K u(t) e(t) C x(t) O y(t) z(t) M Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp phối hợp hai nguyên tắc trên, vừa có hồi sai lệch vừa dùng thiết bị để bù nhiễu 14 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems • Ví dụ: Hệ thống điều khiển vận tốc xe ô tô Sơ đồ khối hệ thống đk vận tốc ô tô 13 Modeling of Mechatronic Systems • Ví dụ: Hệ thống điều khiển hành trình xe ô tô (cruise control) 13 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems 3.4 Mơ hình tốn học HTĐK Để khảo sát hệ điều khiển tự động (hệ gia công qui luật biến đổi tín hiệu) bắt buộc phải tìm qui luật biến đổi hàm ta phải sử dụng cơng cụ tốn học Muốn ta phải chuyển đổi từ hệ điều khiển thực cho mơ hình (sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp, ) sang mơ hình mơ tả tốn học, gọi mơ tả tốn học cho hệ điều khiển Khi chuyển mơ hình phải thoả mãn u cầu sau: - Phải mô tả hệ hệ điều khiển (hệ gia cơng tín hiệu) - Khá xác dễ áp dụng - Có tính tổng qt: áp dụng cho hệ điều khiển với mục đích khác nguyên lý làm việc khác * Để thỏa mãn yâu cầu trên, điều khiển thường dùng mơ hình tốn: - Phương trình vi phân: khơng gian hàm gốc - Sơ đồ cấu trúc hàm truyền đạt: khơng gian tốn tử Laplace - Đặc tính tần số: khơng gian tốn tử Fourier 18 - Hệ phương trình trạng thái: khơng gian trạng thái Modeling of Mechatronic Systems 3.4 Mơ hình tốn học HTĐK Mỗi hệ thống chia làm nhiều phần thuận tiện phần biễu diễn hàm toán học gọi hàm truyền đạt (transfer function) Đầu vào Hệ thống Đầu (System) Đầu vào Hệ thống Hệ thống Hệ thống (subsystem) (subsystem) (subsystem) Đầu 18 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems 3.4 Mơ hình tốn học HTĐK Sơ đồ hệ thống điều khiển tổng quát X E ± Bộ điều khiển Chấp hành Y1 Đối tượng Y Đo lường Khi tiến hành phân tích hệ thống tốt hay xấu hay thiết kế điều khiển cho hệ thống phải xuất phát từ mơ hình tốn học hệ thống hay nói cách khác ta phải tìm quan hệ đầu vào đầu hệ thống 18 Modeling of Mechatronic Systems 3.4 Mơ hình tốn học HTĐK Các khâu Khâu khuếch đại x y K Tín hiệu đầu khuếch đại tín hiệu đầu vào y = K.x đó: K hệ số khuếch đại Khâu tích phân y (t ) = Ti t ∫ x(t )dt (+ y ) t0 Với Ti thời gian tích phân Khâu vi phân y = TD dx dt TD số thời gian vi phân 18 10 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems 3.4 Mơ hình tốn học HTĐK Các khâu Khâu bậc T dy + y = K x dt đó: K hệ số truyền khâu T số thời gian khâu Phản ứng hệ thống tốt hay xấu phụ thuộc vào hệ số K, nhanh hay chậm phụ thuộc vào T Khâu bậc hai T2 dy dy + 2ζ T + y (t ) = Kx (t ) dt dt Trong đó: K hệ số khuếch đại T số thời gian ξ độ suy giảm tín hiệu Đây mơ hình toán học mạch RLC 18 Modeling of Mechatronic Systems 3.4 Mơ hình tốn học HTĐK Hàm số truyền hệ thống ĐKTĐ Nhằm đơn giản hoá phương pháp phân tích tổng hợp hệ thống tự động người ta thường chuyển phương trình động học hệ dạng phương trình vi phân viết với nguyên hàm x(t), y(t) thành phương trình viết dạng hàm số X(s), Y(s) thơng qua phép biến đổi Laplace Ví dụ xét hàm số x(t) – hàm số biến số t (biến số thực, t thời gian) ta gọi nguyên hàm Ta cho phép biến đổi hàm số x(t) thơng ∞ qua tích phân: − st X ( s ) = ∫ x(t ).e dt đó: s = α+ jβ - biến số phức, biến đổi hàm x(t) thành hàm biến số X(s) gọi là biến đổi Laplace, X(s) gọi hàm ảnh Như hàm ảnh hàm biến số phức s Phép biến đổi Laplace ký hiệu sau: L{x(t)}=X(s) x(t) → X(s) 18 11 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems Hàm truyền đạt mạch điện a) Điện trở R Điện áp rơi tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua điện trở: v(t ) = Ri i (t ) = v (t ) R Z=R Thông qua phép biến đổi Laplace ta có hàm truyền điện trở GR = I = U R b) Điện cảm L v(t ) = L Điện áp rơi điện cảm τ di(t ) ⇒ i (t ) = ∫ v(t )dt dt L0 Thông qua biến đổi Laplace ta tính trở kháng Z hàm truyền điện cảm L Z = Ls GL = I = U L Ls 18 Modeling of Mechatronic Systems Hàm truyền đạt mạch điện c) Tụ điện C Điện áp rơi tụ điện v (t ) = τ dv(t ) i (t ) dt ⇒ i (t ) = C C ∫0 dt Trở kháng hàm truyền đạt tụ điện Z= C GC = I = Cs UC 12 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems Hàm truyền hệ thống khí a) Lị xo : K hệ số đàn hồi lị xo Nếu ta ấn lị xo có chiều dài L, di động lượng x cần lực tác động lên F(t) = Kx(t) Thông qua biên đổi Laplace ta có hàm truyền lị xo sau: Gloxo = F (s) =K X (s) Modeling of Mechatronic Systems Hàm truyền hệ thống khí b) Bộ giảm chấn thủy lực (khơng khí) Để di động pít tơng với vận tốc v, ta cần tác động lên lực f f (t ) = f v v (t ) = f v dx (t ) dt fv hệ số giảm chấn Thực biến đổi Laplace GVD = F (s) = fv s X (s) 13 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems Hàm truyền hệ thống khí c) Khối lượng Theo định luật II Newton ta có ∑f = Ma = M dv(t ) d x(t ) =M dt dt Thực phép biến đổi Laplace ta có hàm truyền khối lượng GM = F ( s) = Ms X ( s) Modeling of Mechatronic Systems Mơ hình tốn học HTĐK Mơ hình sơ đồ khối HTĐK 14 10/27/2018 Modeling of Mechatronic Systems • Open Loop Control System Mơ hình sơ đồ khối HTĐK vịng hở Modeling of Mechatronic Systems • Closed Loop Control System Mơ hình sơ đồ khối HTĐK vịng kín 15 10/27/2018 Mechatronics System Design Quá trình thiết kế Hệ thống Cơ điện tử Sơ đồ tổng quát tích hợp phần cứng phần mềm HT Cơ điện tử • Tích hợp phần cứng từ việc thiết kế hệ thống điện tử hệ thống tổng thể với việc đưa cảm biến, truyền động máy vi tính vào hệ thống khí • Tích hợp phần mềm chủ yếu dựa chức điều khiển tiên tiến từ việc thiết kế luật điều khiển, thu thập, truyền liệu chương trình điều khiển Mechatronics System Design Quá trình thiết kế HTCĐT bao gồm pha chính: Modeling and simulation Prototyping Deployment • Modeling: Mơ hình hóa hệ thống vật lý biểu diễn mối quan hệ vào hệ thống dạng sơ đồ khối (quan hệ đại số) Simulation: Mô sử dụng phương pháp đại số giải quan hệ vào mơ hình (hàm đại số) đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt Q trình tính tốn có hỗ trợ máy tính phần mềm mơ • Prototyping: Tạo mẫu bao gồm q trình phân tích tổng hợp số liệu hệ thống vật lý Trên sở thiết lập quan hệ vào hệ thống cần mơ hình hóa • Deployment: Trên sở mơ hình mẫu tiến hành thiết kế đánh giá chất lượng hệ thống thiết kế theo yêu cầu kỹ thuật đặt 16 10/27/2018 Mechatronics System Design Quá trình thiết kế hệ thống Cơ điện tử 22 Roles of Mechatronics Mục tiêu ứng dụng: 5.1.Mục tiêu: • Sản phẩm điện tử đa dạng, nhiên hai sản phẩm quan trọng rơ bốt cơng nghiệp máy cơng cụ điều khiển số CNC • Các sản phẩm có yêu cầu kỹ thuật cao khí xác, thiết bị điều khiển, cảm biến phần mềm điều khiển nhằm đáp ứng hai vấn đề tự động hóa: nhanh xác • Vấn đề cốt lõi điện tử điều khiển tốc độ điều khiển vị trí • Các sản phẩm điện tử ngày có cơng nghệ tiên tiến đem lại nhiều tiện ích, tăng sức cạnh tranh cho sản xuất công nghiệp cho lĩnh vực khác 17 10/27/2018 Roles of Mechatronics 5.2 Ứng dụng: Cơ điện tử có mặt từ lâu đóng vai trò quan trọng tất lĩnh vực từ trước khái niệm Cơ điện tử đời • Khoa học vũ trụ: Nghiên cứu chế tạo tàu thám hiểm vũ trụ, vệ tinh, rơ bốt thám hiểm, thiết bị bay chí hệ thống phịng thủ vũ trụ • Qn sự: Chế tạo loại vũ khí, khí tài đại, máy bay, tênlửa hệ thống phòng khơng, hệ thống cơng loại vũ khí đại dùng cho binh, pháo binh, tàu chiến,… 26 Roles of Mechatronics 27 18 10/27/2018 Roles of Mechatronics 29 Roles of Mechatronics 30 19 10/27/2018 Roles of Mechatronics 31 Roles of Mechatronics 32 20 10/27/2018 Roles of Mechatronics 33 Roles of Mechatronics 34 21 10/27/2018 Roles of Mechatronics 35 Roles of Mechatronics 36 22 10/27/2018 Roles of Mechatronics 37 Roles of Mechatronics 38 23 ... truyền đạt mạch điện a) Điện trở R Điện áp rơi tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua điện trở: v(t ) = Ri i (t ) = v (t ) R Z=R Thông qua phép biến đổi Laplace ta có hàm truyền điện trở GR... Mechatronic Systems Hàm truyền đạt mạch điện c) Tụ điện C Điện áp rơi tụ điện v (t ) = τ dv(t ) i (t ) dt ⇒ i (t ) = C C ∫0 dt Trở kháng hàm truyền đạt tụ điện Z= C GC = I = Cs UC 12 10/27/2018... System Design Q trình thiết kế Hệ thống Cơ điện tử Sơ đồ tổng quát tích hợp phần cứng phần mềm HT Cơ điện tử • Tích hợp phần cứng từ việc thiết kế hệ thống điện tử hệ thống tổng thể với việc đưa