thiết bị & hệ thống điều khiển tự động

T T H H I I Ế Ế T T Đ Đ I I Ề Ề U U K K Đ Đ Ạ Ạ I I H H K K H H BIÊN SO T T À À I I L L I I Ệ Ệ U U M M Ô Ô N N T T B B Ị Ị & & H H Ệ Ệ T T H H Ố Ố K K H H I I Ể Ể N N T T Ự Ự Đ Đ Ộ Ộ L L Ư Ư U U H H À À N N H H N N Ộ Ộ I I B B Ộ Ộ 2 2 0 0 1 1 2 2 H H Ọ Ọ C C C C Ô Ô N N G G N N G G H H I I Ệ Ệ P P T T P P . . H H C C H H O O A A C C Ô Ô N N G G N N G G H H Ệ Ệ Đ Đ I I Ệ Ệ N N T T Ử Ử - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - BIÊN SO ẠN: TRẦN VĂN H ÙNG Ố Ố N N G G Ộ Ộ N N G G C C M M ÙNG MỤC LỤC Chương 1 – CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Khái niệm và phân loại hệ thống ñiều khiển tự ñộng 1 1.2 Các thành phần của hệ thống ñiều khiển tự ñộng 2 1.3 Các ví dụ về hệ thống ñiều khiển tự ñộng 12 Chương 2 – CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ðỔI 2.1 Giới thiệu 21 2.2 ðường cong chuẩn của cảm biến 22 2.3 Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến 24 2.4 Nguyên lý chế tạo cảm biến 28 2.5 Phân loại cảm biến 33 2.6 Mạch ño cảm biến 37 2.7 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 41 2.8 Cảm biến vị trí và khoảng cách (Sensors for distance and displacement) 120 2.9 Cảm biến lực và áp suất (Sensors for force and pressure) 167 2.10 Cảm biến nhiệt ñộ (Temperature Sensors) 198 Chương 3 – THIẾT BỊ CÔNG SUẤT VÀ CHẤP HÀNH 3.1 Giới thiệu 239 3.2 Thiết bị ñiện tử 239 3.3 Thiết bị ñiện từ 247 3.4 ðộng cơ ñiện 264 3.5 Thiết bị khí nén 302 Chương 4 – BỘ ðIỀU KHIỂN 4.1 Giới thiệu 313 4.2 Bộ ñiều khiển bằng tiếp ñiểm 318 4.3 Bộ ñiều khiển dùng Vi xử lí 320 4.4 Bộ ñiều khiển dùng PLC - Máy tính 322 4.5 Bộ ñiều khiển dùng biến tần 326 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương 1: Các khái niệm chung Trang 1 Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Khái niệm và phân loại hệ thống ñiều khiển tự ñộng 1.1.1 Khái niệm về ñiều khiển a. ðiều khiển tự ñộng ðịnh nghĩa: ðiều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác ñộng lên hệ thống ñể ñáp ứng của hệ thống “gần” với mục ñích ñịnh trước. ðiều khiển tự ñộng là quá trình ñiều khiển không có sự tác ñộng của con người. o Các ví dụ: − ðiều khiển tốc ñộ ñộng cơ − ðiều khiển nhiệt ñộ − ðiều khiển vị trí bàn máy − ðiều khiển các hệ thống ứng dụng trong sinh hoạt: cửa tự ñộng, bãi ñậu xe, thang máy. − ðiều khiển các quá trình công nghiệp nói chung. b. Tại sao cần phải ñiều khiển tự ñộng − ðáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu. − Tăng ñộ chính xác. − Tăng năng suất. − Tăng hiệu quả kinh tế. 1.1.2 Phân loại hệ thống ñiều khiển a. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống: − Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục ñược mô tả bằng phương trình vi phân. − Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc ñược mô tả bằng phương trình sai phân. Chương 1: Các khái niệm chung Trang 2 − Hệ thống tuyến tính: hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai phân tuyến tính. − Hệ thống phi tuyến: Hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai phân phi tuyến. − Hệ thống bất biến theo thời gian: Hệ số của phương trình vi phân/ sai phân mô tả hệ thống không ñổi. − Hệ thống biến ñổi theo thời gian: Hệ số của phương trình vi phân/ sai phân mô tả hệ thống thay ñổi theo thời gian. b. Phân loại dựa vào số ngõ vào – ra của hệ thống: − Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (hệ SISO): (Single Input – Single Output) − Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (hệ MIMO): (Multi Input – Multi Output) ða số các hệ thống trong thực tế ñều là hệ phi tuyến biến ñổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra. Cho dù hệ thống ñiều khiển thuộc loại nào ñi nữa thì trên một hệ thống cũng phải có các thiết bị ñể thực hiện cho việc ñiều khiển hệ thống ñó. Trong môn học này phân ra các thiết bị theo các thành phần cơ bản của một hệ thống ñể khảo sát. 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển tự ñộng Hệ thống ñiều khiển có ba thành phần cơ bản: ðối tượng, bộ ñiều khiển và cảm biến Hình 1.1 Hệ thống ñiều khiển cơ bản. a. ðối tượng ñi ều khiển ðối tư ợng ñiều khiển c ñể ñạt ñược các y êu c quát chung, c ần phân biệt r th ống” mang tính bao h o ðối tư ợng ñiều khiển th − ðộng cơ DC : là lo có ñ ặc tính ngẫu lực lớn, dễ ñiều khiển − ðộng cơ AC : lo dụng với lo ại thường ñư ợc ñiều khiển d Hình 1.3 − ðộng cơ bư ớc: cho t ừng cực, loại ñộng c r ất nhiều trong ñiều khiển tự ñộng nhất l Chương 1: Các khái ni Trang 3 ều khiển (plant, process): ợng ñiều khiển c hính là mục tiêu thiết yếu mà chúng ta c êu c ầu mong muốn. Trên ñây từ “ñối tư ợng” mang tính khái ần phân biệt r õ “ñối tượng” và “hệ thống”. ống” mang tính bao h àm, có ngh ĩa có thể bao gồm nhiều ñối t ợng ñiều khiển th ường là các ñộng cơ: : là lo ại ñộng cơ s ử dụng nguồn ñiện DC, với loại ñộng c ặc tính ngẫu lực lớn, dễ ñiều khiển … Hình 1.2 ðộng cơ DC. : lo ại ñộng cơ s ử dụng nguồn ñiện AC loại n ại ñộng cơ không ñồng bộ một pha v à ba pha, ợc ñiều khiển d ùng biến tần Hình 1.3 ðộng cơ không ñồng bộ một v à ba pha ớc: là loại ñộng cơ s ử dụng nguồn DC với dạng xung ñiều khiển ừng cực, loại ñộng c ơ này làm vi ệc có ñộ chính xác cao ñ ất nhiều trong ñiều khiển tự ñộng nhất l à trong các máy công c Chương 1: Các khái ni ệm chung chúng ta c ần tác ñộng ợng” mang tính khái Thông thường “hệ ĩa có thể bao gồm nhiều ñối t ượng. ử dụng nguồn ñiện DC, với loại ñộng c ơ này ử dụng nguồn ñiện AC loại n ày hiện rất thông à ba pha, hai loại này à ba pha . ử dụng nguồn DC với dạng xung ñiều khiển ệc có ñộ chính xác cao ñ ược ứng dụng à trong các máy công c ụ. Chương 1: Các khái niệm chung Trang 4 Hình 1.4 ðộng cơ bước. − ðộng cơ servo: là loại ñộng cơ AC hay DC có mạch ñiều khiển hồi tiếp về khi làm việc (ñiều khiển vòng kín) loại ñộng cơ này có công suất tương ñối lớn và ñộ chính xác trong ñiều khiển khá cao. Hình 1.5 ðộng cơ servo. o Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ AC ba pha: Một hệ thống ñiều khiển ñộng cơ ba pha hoàn chỉnh tương ñối hiện ñại. Hệ thống bao gồm: − Bộ ñiều khiển: là card ñiều khiển trung tâm ñiều khiển giao tiếp máy tính, ñiều khiển biến tần, và giao tiếp vào ra trên bộ hiển thị số. − ðối tượng ñiều khiển: là ñộng cơ AC ba pha. − Hồi tiếp: là cảm biến từ Hall. Hình 1.6 Mô hình o Mô hình ñi ều khiển ñộng c − ðối tư ợng ñiều khiển l − Hồi tiếp: là encoder l khiển. − Bộ ñi ều khiển: l khi ển tốc ñộ, ñiều khiển giao tiếp hiển thị tr ph ần hồi tiếp ñể hiệu chỉnh sử Chương 1: Các khái ni Trang 5 Hình 1.6 Mô hình ñiều khiển ñộng c ơ AC ba pha. ều khiển ñộng c ơ bao gồm: ợng ñiều khiển l à ñộng cơ DC. encoder l ấy tín hiệu tốc ñộ từ trục ñộng c ều khiển: l à một mạch ñiều khiển ñư ợc tích hợp từ nhiều mạch ñiều ển tốc ñộ, ñiều khiển giao tiếp hiển thị tr ên máy tính và giao ti ần hồi tiếp ñể hiệu chỉnh sử a sai. Hình 1.7 Mô hình ñiều khiển ñộng c ơ DC Chương 1: Các khái ni ệm chung ơ AC ba pha. ấy tín hiệu tốc ñộ từ trục ñộng c ơ quay về bộ ñiều ợc tích hợp từ nhiều mạch ñiều ên máy tính và giao ti ếp thành ơ DC . o Mô hình ñi ều khiển bồn n − ðối tư ợng ñiều khiển: l − Cảm biến: l à c − B ộ ñiều khiển: l mực nư ớc trong bồn theo y Hình 1.8 Mô hình o Mô hình ñi ều khiển máy ñóng gói: Hình 1.9 Mô hình o Mô hình ñi ều Chương 1: Các khái ni Trang 6 ều khiển bồn n ước: ợng ñiều khiển: l à mực nước trong bồn. à c ảm biến ñiện dung kiểm tra mực nư ớc trong bồn ộ ñiều khiển: l à mạch dùng chip vi ñi ều khiển lập tr ớc trong bồn theo y êu cầu. Hình 1.8 Mô hình ñiều khiển bồn nước ñ ơn. ều khiển máy ñóng gói: Hình 1.9 Mô hình ñi ều khiển máy ñóng gói. ều khiển quá trình phân loại và ñóng h ộp sả u(t) Motor Chương 1: Các khái ni ệm chung ớc trong bồn ều khiển lập tr ình ñiều khiển cho ơn. ều khiển máy ñóng gói. ộp sả n phẩm: q in q out h(t) Chương 1: Các khái niệm chung Trang 7 Hình 1.10 Mô hình ñiều khiển quá trình phân loại và ñóng hộp sản phẩm. o Mô hình ñiều khiển quá trình nung và vận chuyển sản phẩm: Hình 1.11 Mô hình ñiều khiển quá trình nung và vận chuyển sản phẩm. b. Bộ ñiều khiển ( Controller ): Bộ ñiều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết ñịnh khả năng hoạt ñộng và ñộ chính xác của hệ thống. Bộ phận này thông thường ñược tích hợp dưới dạng các board mạch ñiều khiển, có thể có các loại sau: − IC ñiều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card ñiều khiển phân theo modul (ñối với hệ thống qui mô lớn). − Các bộ ñiều khiển khả trình PLC (Programable Logic Controller), vi xử lý (hệ thống nhúng)… − Máy tính thông qua các card giao tiếp ñiều khiển (PCI…) − Sử dụng các bộ ñiều khiển PMAC (Programable Multi-Axies Controller) trong các máy gia công cơ khí CNC. Chương 1: Các khái niệm chung Trang 8 − Sử dụng các bộ ñiều khiển thông qua biến tần. − Sử dụng ñiều khiển qua hệ thống van khí nén… o Card ñiều khiển DSP và PCI: Hỗ trợ thông qua kết nối giao tiếp với máy tính và các thiết bị hiển thị khác… Hình 1.12 Card ñiều khiển DSP và PCI o Các bộ logic khả trình: Sử dụng các bộ lập trình dưới dạng hàm có các loại theo ứng dụng lớn nhỏ khác nhau như: − Bộ ñiều khiển lập trình PLC dùng cho các ứng dụng lớn Hình 1.13 Bộ lập trình PLC. − Bộ ñiều khiển Logo! dùng trong các ứng dụng cở vừa và nhỏ Hình 1.14 Bộ lập trình Logo!. [...]... hi m, quân s , v tinh o Robot chuy n ñ ng b n chân (Ngu n: AIBO, SONY, Nh t B n) và Mobile Robot tác v (Ngu n: SDR-4X, SONY, Nh t B n) Hình 1.40 Robot chuy n ñ ng b n chân Trang 20 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i Chương 2 C M BI N VÀ CHUY N ð I 2.1 Gi i thi u C m bi n là thi t b dùng ñ c m nh n bi n ñ i các ñ i lư ng v t lý và các ñ i lư ng không có tính ch t ñi n c n ño thành các ñ i lư ng ñi n có... c m bi n, (m) là ñ i lư ng ñ u vào hay g i là kích thích Thông qua ño ñ c (s) cho phép nh n bi t giá tr c a (m) Ví d hình nh các c m bi n thông d ng ñư c mô t như hình 2.1 Trang 21 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i Hình 2.1 Các lo i c m bi n thông d ng hi n nay Các b c m bi n ñư c s d ng nhi u trong các lĩnh v c kinh t và k thu t Các b c m bi n ñ c bi t và r t nh y c m ñư c s d ng trong các thí nghi... n tuy n tính hóa D a vào ñư ng cong chu n c a c m bi n, ta có th xác ñ nh giá tr mi chưa bi t c a m thông qua giá tr ño ñư c si c a s ð d s d ng, ngư i ta thư ng ch t o c m Trang 22 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i bi n có s ph thu c tuy n tính gi a ñ i lư ng ñ u ra và ñ i lư ng ñ u vào, phương trình s= F(m) ñư c bi n ñ i dư i d ng: s = am +b (2.2) v i a, b là các h s , khi ñó ñư ng cong chu n là ñư... ta áp d ng phương pháp chu n nhi u l n và ti n hành như sau: o ð t l i ñi m 0 c a c m bi n: ð i lư ng c n ño và ñ i lư ng ñ u ra có giá tr tương ng v i ñi m g c, m=0 và s=0 Trang 23 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i o ðo giá tr ñ u ra theo m t lo t giá tr tăng d n ñ n giá tr c c ñ i c a ñ i lư ng ño ñ u vào o L p l i quá trình ño v i các giá tr gi m d n t giá tr c c ñ i Khi chu n nhi u l n cho phép xác... khác (không ph i là ñ i lư ng ño) c a môi trư ng xung quanh Thông thư ng nhà s n xu t cung c p giá tr c a ñ nh y S tương ng v i nh ng ñi u ki n làm vi c nh t ñ nh c a c m bi n Trang 24 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i 2.3.2 ð tuy n tính c a c m bi n a Khái ni m M t c m bi n ñư c g i là tuy n tính trong m t d i ño xác ñ nh n u trong d i ch ñ ñó có ñ nh y không ph thu c vào ñ i lư ng ño N u c m bi n không... ni m ñ l ch tuy n tính, xác ñ nh b i ñ l ch c c ñ i gi a ñư ng cong chu n và ñư ng th ng t t nh t, tính b ng % trong d i ño 2.3.3 Sai s và ñ chính xác c a c m bi n a Sai s Trang 25 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i Các b c m bi n cũng như các d ng c ño lư ng khác, ngoài ñ i lư ng c n ño (c m nh n) còn ch u tác ñ ng c a nhi u ñ i lư ng v t lý khác gây nên sai s gi a giá tr ño ñư c và giá tr th c c a ñ... cho phép ñánh giá kh năng theo k p v th i gian c a ñ i lư ng ñ u ra khi ñ i lư ng ñ u vào bi n thiên Th i gian ñáp ng là ñ i lư ng ñư c s d ng ñ xác ñ nh giá tr s c a ñ nhanh Trang 26 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i ð nhanh tr: Là kho ng th i gian t khi ñ i lư ng ño thay ñ i ñ t ng t ñ n khi bi n thiên c a ñ i lư ng ñ u ra ch còn khác giá tr cu i cùng m t lư ng gi i h n ε tính b ng % b Th i gian ñáp ng... tdc: Th i gian tr khi gi m tdc là th i gian c n thi t ñ ñ i lư ng ñ u ra gi m t 90% ñ n 10% bi n thiên t ng c ng c a nó Hình 2.3 Các kho ng th i gian ñ c trưng cho ch ñ quá ñ Trang 27 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i 2.3.5 Gi i h n s d ng c a c m bi n Trong quá trình s d ng, các c m bi n luôn ch u tác ñ ng c a ng l c cơ h c, tác ñ ng nhi t Khi các tác ñ ng này vư t quá ngư ng cho phép, chúng s làm thay... d ng ñư c, nhưng ph i ti n hành chu n l i c m bi n 2.4 Nguyên lý ch t o c a c m bi n Các c m bi n ñư c ch t o d a trên cơ s các hi n tư ng v t lý và ñư c phân làm hai lo i: Trang 28 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i o C m bi n tích c c: Là các c m bi n ho t ñ ng như m t máy phát, ñáp ng (s) là ñi n tích, ñi n áp hay dòng o C m bi n th ñ ng: Là các c m bi n ho t ñ ng như m t tr kháng trong ñó ñáp ng (s)... c ph thu c vào nhi t ñ , làm xu t hi n trên các m t ñ i di n c a chúng nh ng ñi n tích trái d u ð l n c a ñi n áp gi a hai m t ph thu c vào ñ phân c c c a tinh th h a nhi t Trang 29 Chương 2: C m Bi n & Chuy n Đ i Hình 2.5 Hi u ng h a nhi t Hi u ng h a nhi t ñư c ng d ng ñ ño thông lư ng c a b c x ánh sáng ðo ñi n áp V ta có th xác ñ nh ñư c thông lư ng ánh sáng Φ 2.4.3 Hi u ng áp ñi n M t s v t li . ñiều khiển hệ thống ñó. Trong môn học này phân ra các thiết bị theo các thành phần cơ bản của một hệ thống ñể khảo sát. 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển tự ñộng Hệ thống. CHUNG 1.1 Khái niệm và phân loại hệ thống ñiều khiển tự ñộng 1 1.2 Các thành phần của hệ thống ñiều khiển tự ñộng 2 1.3 Các ví dụ về hệ thống ñiều khiển tự ñộng 12 Chương 2 – CẢM BIẾN. Hệ thống tuyến tính: hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai phân tuyến tính. − Hệ thống phi tuyến: Hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai phân phi tuyến. − Hệ