báo cáo giữa kỳ thiết kế hệ thống cơ điện tử quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử

Nó kết hợp giữa cơ học và điện tử để thiết kế và xây dựng các hệ thống, máy móc hoặc thiết bị có tính chất tự động và thông minh.. Từ những dây chuyền sản xuất tự động đầu tiên đến các h

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

******

BÁO CÁO GIỮA KỲ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội, 2024

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Lê Giang Nam Học viên thực hiện : VUN LIEM

Mã học viên : 20222162M Mã lớp : ME5511

Trang 2

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam

LỜI NÓI ĐẦU

Để đất nước ngày càng phát triển thì con đường phát triển khoa học kỹ thuật là mấu chốt hàng đầu Đất nước phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, với xu hướng giảm thiểu sức lao động của con người nhưng đồng thời tăng năng suất, chất lượng sản phẩm, đòi hỏi phải có những trang thiết bị hiện đại, các dây chuyền sản xuất, Robot thay thế con người

Đáp ứng nhu cầu của thực tế, các thiết bị tự động đang được nghiên cứu và phát triển ở nước ta Trong đó, Cơ điện tử là một lĩnh vực quan trọng, được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng trong sản xuất

Em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Lê Giang Nam và các thầy cô trong Trường Cơ khí đã cung cấp những kiến thức cần thiết để em hoàn thành bài tập lớn này

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện, song bài tập lớn của em vẫn có thể còn nhiều sai sót em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn

em xin trân thành cảm ơn!

Trang 3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ 5

1.1 Cơ điện tử là gì ? 5

1.1 Lịch sử phát triển của cơ điện tử 5

1.3 Các vấn đề cơ sở, lĩnh vực áp dụng và lĩnh vực nghiên cứu mới của Cơ điện tử 7

2.2 Quy trình thiết kế hệ thống Cơ điện tử 11

2.3 Công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử 12

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THÔNG CƠ ĐIỆN TỬ 13

3.1 Định nghĩa mô hình hóa hệ cơ 13

3.1.1 Chuyển động tịnh tiến 13

3.1.2 Chuyển động quay 13

3.1.3 Các vấn đề định luật năng lượng 14

3.2 Mô hình hóa hệ thống điện 16

3.2.1 Các biến và phần tử cơ bản trong hệ thống điện 16

3.2.2 Các phương pháp cân bằng hệ thống điện 17

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 19

4.1 Các loại bộ điều khiển 19

4.2 Bộ điều khiển PID 19

Trang 4

4.2.1 Vai trò các khâu tỷ lệ, tích phân, vi phân 19

4.2.2 Thiết kế PID controller theo phương pháp thực nghiệm (phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất) 22

4.3 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống dẫn động máy phay CNC 23

4.3.1 Quy trình mô hình hóa và chọn bộ điều khiển cho hệ thống 23

4.3.2 Thiết kế cơ khí hệ dẫn động máy phay CNC 23

4.3.3 Thiết kế điều khiển máy phay CNC 24

4.3.4 Chọn bộ điều khiển 27

4.4 Mô Phỏng theo quỹ đạo đường thẳng cho bàn máy X, Y 28

4.4.1 Thiết kế quỹ đạo chuyển động với di chuyển là đa thức bậc 3 theo thời gian 28

4.4.2 Tiến hành mô phỏng trên Matlab Simulink 30

4.4.3 Mô phỏng theo quỹ đạo đường tròn 31

KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

Trang 5

MỤC LỤC ẢNH

Hình 1: Các thành phần của cơ điện tử 5

Hình 2: Lịch sử phát triển của cơ điện tử 6

Hình 3: Lịch sử phát triển CĐT cùng với cuộc Cách Mạng 4.0 6

Hình 4: Ứng dụng Cơ điện tử 8

Hình 5: Sơ đồ nguyên tắc thiết kế tuần tự 9

Hình 6: Sơ đồ thiết kế chữ V 10

Hình 7: Công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử 12

Hình 8: Kết quả mô phỏng hệ dao động trong Matlab 16

Hình 9: Kết quả mô phỏng mạch RLC trên Matlab 18

Hình 10: Sơ đồ điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID 19

Hình 11: Vai trò của khâu tỷ lệ 20

Hình 12: Vai trò của khâu tích phân 21

Hình 14: Vai trò của khâu vi phân 22

Hình 4.4: Đồ thi Nyquist bàn X 27

Hình 15: Mô hình mô phỏng đường thẳng bằng hàm truyền trên Matlab 30

Hình 16: Kết quản mô phỏng đường thẳng 31

Hình 17: Mô hình mô phỏng đường tròn bằng hàm truyền trên Matlab 33

Hình 18: Kết quả mô phỏng quỹ đạo đường tròn trên Matlab Simulink 33

Trang 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ 1.1 Cơ điện tử là gì ?

Cơ điện tử (CĐT) là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật và công nghệ hiện đại Nó kết hợp giữa cơ học và điện tử để thiết kế và xây dựng các hệ thống, máy móc hoặc thiết bị có tính chất tự động và thông minh

Thuật ngữ Cơ điện tử xuất hiện lần đầu ở Nhật Bản vào năm 1960

Lúc mới ra đời, CĐT được hiểu là một công nghệ mới được hình thành từ nhiều ngành công nghệ hiện có như Cơ khí, Điện tử, Điều khiển, Công nghệ thông tin

Về mặt khoa học: Trong hội nghị toàn quốc lần thứ hai về Giảng dạy CĐT, tổ chức ở ĐHBKHN năm 2009, B Heimann-giáo sư của Trường ĐH Hannover (Đức) nêu định nghĩa: CĐT là tích hợp của cơ học, điện tử và thông tin

Về mặt công nghệ: cũng tại hội nghị trên, H.Loose - giáo sư Tường ĐH ứng dụng

Brandenburg (Đức) đưa ra: CĐT là tích hợp của kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện, điều khiển bằng máy tính và công nghệ thông tin

Hình 1: Các thành phần của cơ điện tử

1.1 Lịch sử phát triển của cơ điện tử

Cơ điện tử xuất phát từ thế kỷ 20, khi công nghệ điện tử phát triển mạnh mẽ Từ những dây chuyền sản xuất tự động đầu tiên đến các hệ thống điều khiển tự động trong ngành công nghiệp, cơ điện tử đã đóng góp quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp hiện đại hóa Hiện tại, cơ

Trang 7

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam điện tử đang chứa đựng nhiều tiềm năng, từ máy tính lượng tử đến công nghệ pico và nano, cũng như hệ thống cơ-điện-sinh học

Hình 2: Lịch sử phát triển của cơ điện tử

Hình 3: Lịch sử phát triển CĐT cùng với cuộc Cách Mạng 4.0

Trang 8

1.3 Các vấn đề cơ sở, lĩnh vực áp dụng và lĩnh vực nghiên cứu mới của Cơ điện tử 1.3.1 Các vấn đề cơ sở của CĐT

- Modelling: Mô hình hóa các hệ CĐT - Control: Điều khiển các hệ CĐT

- Actuators: HT dẫn động CĐT(CK, Điện, thủy lực-khí nén) - Sensors: Các cảm biến và các bộ chuyển đổi tín hiệu - Imformatics: Vi xử lý, ngôn ngữ lập trình, trí tuệ nhân tạo

- Áp dụng trong kỹ thuật xây dựng, giao thông vận tải

1.3.3 Các lĩnh vực nghiên cứu mới của CĐT

- Các hệ CĐT thông minh - Vi cơ điện tử

- Nano cơ điện tử - Quanh - cơ điện tử - Sinh học - cơ điện tử

1.4 Ứng dụng Cơ điện tử

▪ An ninh: Các hệ thống bảo mật, các hệ thống giám sát, hệ thóng đảm bảo an ninh mạng, hệ thống bảo vệ khu vực trọng yếu,

Trang 9

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam ▪ Giao thông vận tải: Các hệ thống lái tự động, thiết bị không người lái, hệ thống giám sát, điều hành tự động, các thiết bị tự động dung cho máy bay, tàu chiến, tàu thủy, tàu hỏa, ô tô, xe tự hành,

▪ Công nghiệp: Các máy công cụ điều khiển số CNC, các robot công nghiệp, AGV, các băng tải và thiết bị tự động khác,

▪ Y sinh: Robot phẫu thuật, thiết bị y sinh kỹ thuật cao, thiết bị phân tích hóa nghiệm tự động và chính xác cao

Hình 4: Ứng dụng Cơ điện tử

Trang 10

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 2.1 Các phương pháp thiết kế

2.1.1 Nguyên tắc tuần tự:

Nguyên tắc thiết kế tuần tự trong hệ thống cơ điện tử là một phương pháp thiết kế hệ thống dựa trên các bước tuần tự, từ phân tích yêu cầu, xác định các thành phần cơ bản, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống, đến thực hiện và kiểm tra hệ thống

Hình 5: Sơ đồ nguyên tắc thiết kế tuần tự

• Ưu điểm:

- Dễ sử dụng, dễ tiếp cận

- Các giai đoạn và hoạt động được xác định rõ ràng

- Xác nhận ở từng giai đoạn, đảm bảo phát hiện sớm các lỗi

- Nhược điểm:

• Rất khó để quay lại giai đoạn nào khi nó đã kết thúc

• Ít tính linh hoạt và phạm vi điều chỉnh của nó khá là khó khăn, tốn kém

2.1.2 Nguyên tắc thiết kế phân cấp:

là một phương pháp thiết kế dựa trên việc chia nhỏ hệ thống thành các mô-đun hoặc các

tầng có chức năng riêng biệt và giao tiếp với nhau theo một cấu trúc phân cấp

• Ưu điểm

Nguyên tắc này là giảm thiểu độ phức tạp của hệ thống, tăng khả năng tái sử dụng, linh hoạt và mở rộng của các mô-đun Nguyên tắc thiết kế phân cấp có thể được áp dụng cho các hệ thống cơ điện tử có kích thước lớn, đa nhiệm và đa chức năng

• Các bước trong quy trình thiết kế phân cấp:

- Xác định yêu cầu và mục tiêu của hệ thống - Phân tích và mô hình hóa hệ thống

Trang 11

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam - Chia nhỏ hệ thống thành các mô-đun hoặc các tầng có chức năng riêng biệt - Thiết kế, lựa chọn và tích hợp các thành phần cho từng mô-đun

- Kiểm tra, đánh giá và cải tiến hệ thống

- Không phù hợp nếu các yêu cầu thường xuyên thay đổi

- Không có điều khoản cho việc phân tích rủi ro nên có sự không chắc chắn và có tính rủi ro

Hình 6: Sơ đồ thiết kế chữ V

Trang 12

2.2 Quy trình thiết kế hệ thống Cơ điện tử

Quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử bao gồm 3 pha chính:

• Mô hình hóa và mô phỏng:

- Mô hình hóa: thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình thay thế nhằm thu nhập các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành thực nghiệm trên mô hình

- Mô phỏng: biểu diễn lại quan hệ vào ra của mô hình thông qua các hàm quan hệ toán học, dưới sự đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra

• Tạo mẫu: là bước chuyển hóa thiết kế từ dạng lý thuyết sang dạng vật lý, bằng cách sử

dụng các phương pháp và công nghệ gia công, lắp ráp, hàn, dán, v.v • Có thể tạo mẫu toàn bộ hệ thống hoặc từng phần riêng lẻ

• Mục đích của bước này là để kiểm tra tính khả thi, tính chính xác và tính hoàn thiện của thiết kế, cũng như để thu thập dữ liệu về hệ thống

Trang 13

• Thử nghiệm: là bước kiểm tra và đánh giá hệ thống dưới các điều kiện hoạt động khác

nhau, bằng cách sử dụng các thiết bị đo lường, phân tích và kiểm tra - Có thể thử nghiệm toàn bộ hệ thống hoặc từng phần riêng lẻ

- Mục đích của bước này là để xác định các thông số, chỉ tiêu và tiêu chuẩn của hệ thống, cũng như để phát hiện và khắc phục các lỗi, sự cố và hạn chế của hệ thống

2.3 Công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử

• Công cụ thiết kế cơ khí: AutoCAD, Solidworks, Catia, Inventor, • Công cụ thiết kế điện: Proteus, NI multisim, engle, orcad,

• Công cụ mô phỏng: Matlab, pro-e, Sim-mechanics,

Hình 7: Công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử

Trang 14

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THÔNG CƠ ĐIỆN TỬ 3.1 Định nghĩa mô hình hóa hệ cơ

▪ Mô hình hóa hệ thống cơ là việc biểu diễn các đặc tính, quan hệ và hành vi của hệ thống cơ bằng các phương trình toán học, biểu đồ, sơ đồ

▪ Mục đích của việc mô hình hóa là để phân tích, thiết kế, điều khiển, tối ưu hóa và mô phỏng hệ thống cơ một cách hiệu quả và chính xác Việc mô hình hóa hệ thống cơ cần dựa trên các nguyên lý vật lý, kỹ thuật và khoa học máy tính

𝑑𝑡 [m/s] ▪ Các Phần tử cơ bản:

m: khối lượng f: lực

x: dịch chuyển(lượng) 𝑓 = 𝑚𝑑𝑣

Trang 15

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam trên các quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và có tâm nằm trên trục quay

▪ Các biến: - Góc quay: 𝜃

3.1.3 Các vấn đề định luật năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng là một trong những định luật quan trọng trong Vật Lý ▪ Khái niệm về năng lượng:

Năng lượng là đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật Nó liên quan đến sự chuyển động của các hạt và từ trường

Năng lượng có sự liên hệ với khối lượng của vật dựa trên thuyết tương đối ▪ Định luật bảo toàn năng lượng:

Định luật này cho biết năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi của ai Các sinh vật trên Trái Đất đều cần năng lượng để sống, ví dụ như con người cần năng lượng thông qua thức ăn

▪ Phát biểu định luật bảo toàn năng lượng:

Trong Hóa học và Vật lý, định luật này được hiểu: “Tổng năng lượng của một hệ cô lập luôn không đổi và có nghĩa là nó sẽ được bảo toàn theo thời gian.” Định luật bảo toàn năng lượng giúp chúng ta hiểu rằng năng lượng không thể biến mất hoặc xuất hiện một cách tự nhiên, mà nó luôn được duy trì và chuyển đổi trong các quá trình tự nhiên

▪ Động năng:

- Tịnh tiến: TE= 𝑚𝑣2

2 - Quay: TR = 𝐼𝜔2

- Vừa tịnh tiến vừa quay(song phẳng): 𝑇 = 𝑇𝐸 + 𝑇𝑅▪ Thế năng: 𝜋 = 𝑚𝑔ℎ

Trang 16

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam Định luật bảo toàn năng lượng: 𝑇 + 𝜋 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 {T: Động năng của cơ hệ

𝜋: Thế năng của cơ hệ Thiết lập phương trình vi phân chuyển động (Phương trình Lagrange loại 2)

Ví dụ: Thiết lập hàm truyền và mô phỏng đáp ứng của hệ thống

Trang 17

Hình 8: Kết quả mô phỏng hệ dao động trong Matlab

3.2 Mô hình hóa hệ thống điện

Mô hình hóa hệ thống điện là ta sử dụng các phần tử được lý tưởng hóa, đó là điện trở, điện cảm, tụ điện và điện dung cũng như các nguồn áp hoặc nguồn dòng

3.2.1 Các biến và phần tử cơ bản trong hệ thống điện

▪ Các biến cơ bản trong hệ thống điện

- Điện lượng: q [C] - Điện thế: u [V]

- Cường độ dòng điện: 𝑖 =𝑑𝑞

𝑑𝑡 [A]

Trang 18

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam ▪ Các phần tử cơ bản:

Trang 19

Hình 9: Kết quả mô phỏng mạch RLC trên Matlab

Trang 20

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 4.1 Các loại bộ điều khiển

▪ PI ( Proportinal and Integral Controller) gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân ▪ PD (Proportional and Derivative (PD) Controller ) gọi là bộ điều khiển đạo hàm

▪ PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) là bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân)

4.2 Bộ điều khiển PID

- Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID: đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0

- Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào và đầu ra: 𝑢(𝑡) = 𝑘𝑝[𝑒(𝑡) + 1

𝑇𝐼∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡

+ 𝑇𝐷𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡 ] - Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

𝑅(𝑠) = 𝑘𝑝(1 + 1

𝑇𝐼𝑠+ 𝑇𝐷𝑠) - Sơ đồ khối mô tả hệ thống:

W(s) e u Y(s) (-)

Hình 10: Sơ đồ điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID

4.2.1 Vai trò các khâu tỷ lệ, tích phân, vi phân

tượng

Trang 21

▪ Khâu tỷ lệ:

Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù khâu tỷ lệ càng lớn Nếu độlớn của khâu tỷ lệ càng cao, hệ thống sẽ không ổn định.Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

→ Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.

Hình 11: Vai trò của khâu tỷ lệ

▪ Khâu tích phân:

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki

Trang 22

Thiết kế hệ thống CĐT PGS.TS Lê Giang Nam → Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.

Hình 12: Vai trò của khâu tích phân

▪ Khâu vi phân:

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn