Đề cương Cơ sở Tự động hóa

Phân tích dòng lu thông tín hiệu trong hệ đIều khiển số.A/ Nguyên tắc vận hành các máy công cụ đIều khiển số:NC Chơng trình gia công chi tiết bao gồm những thông tin cầnthiết để g/c 1 ch

Câu1: Chức năng và cấu tạo của hệ đIều khiển sô Mô tả và nêu định nghĩa các bộ phận cơ bản Phân tích dòng lu thông tín hiệu trong hệ đIều khiển số.

A/ Nguyên tắc vận hành các máy công cụ đIều khiển số:(NC)

Chơng trình gia công chi tiết bao gồm những thông tin cầnthiết để g/c 1 chi tiết nào đó chơng trình này còn baohàm các thông tin liên quan trực tiếp với máy:

- Lệnh đòng ngắt mạch bơm dung dịch trơn nguội

- Lệnh tạo số vòng quay và số chiều quay cho trụcchính

- Lệnh đổi dao cụ

Chơng trình g/c chi tiết đợc soạn thảo và lu trữ trong vậtmang tin nh băng đục lỗ, băng từ, CD và đa vào hệ điềukhiển số thông qua các nút bẩmtên bảng đIều khiển ,thông qua tay quay, đầu đọc, máy tính

B/ Dòng lu thông dữ liệu trong hệ điều khiển số

*) Lớp 2: Lu trữ các thông tin đầu vào nh:

+ Chơng trình g/c chi tiết

+ Các dữ liệu về dao cụ, hiệu chỉnh dao

+ Giá trị hiệu chỉnh máy

+ Chơng trình cho cụm đIều khiển đợc lu trữ trong ccác

bộ nhớ bán dẫn nh RAM

*) Lớp 3: Lớp lu chuyển Các dữ liệu chơng trình đợc xửlý

+ Tính toán đờng dịch chuyển cần thực hiện trong câulệnh kế tiếp

+ Tìm ra quỹ đạo tơng quan với biên dạng lập trình

+ Thực hiện các thủ pháp kĩ thuật

+ Kiểm nghiệm lại các thông số quan trọng

*) Lớp 4: Lu xử lý: Gồm có bộ nội suy, tìm ra những giá trịcần về vị trí cho mạch đIều chỉnh, vị trí trên từng trụcchạy dao Đa ra các số liệu đIều khiển trục chính và đIềukhiển toàn máy.

*) Lớp 5: ĐIều chỉnh:

+ Vị trí

+ Tốc độ dịch chuyển trên các trục cho phù hợp với tốc độchạy dao ở các vị trí tức thời của mỗi trục

*) Lớp 6: ĐIều khiển toàn máy

Câu2: Các thông tin điều khiển:

1 ĐIều khiển:

- Là các tác động có mục đích đến dòng lu thông năng lợng

và dòng lu thông vật chất thông qua cá thông tin

- Thông tin là những thông báo cho hệ điều khiển đểtạo điều kiện thực hiện các chức năng đã đợc xác định Để

điều khiển máy công cụ hệ đIều khiển số cần các thông tin

nh là:

+ Chuyển động tơng đối giữa dao cụ và chi tiết

+ Các số liệu về công nghệ: tốc độ chạy dao, tốc độ cắt+ Các chu trình gia công

+Các chức năng phụ (Bôi trơn, làm nguội, đổi dao.)

2 Biểu thị thông tin qua tín hiệu :

- Thông tin đợc trình bày bằng nhiều giá trị hoặc những diễnbiến giá trị của tín hiệu

- Hệ tín hiệu chỉ chấp nhận những giá trị số rời rạc và xác

+ Các giá trị con số chỉ cần 2 kí tự 1 và 0 để biểu diễnnên dễ thực hiện.

+ Dạng năng lợng khác không có ý nghĩa gì mà ngời ta chỉquan tâm đến kí tự biểu diễn trạng thái

+ Các tín hiệu nhị phân có tốc độ xử lý cao, có mật độtích chứa lớn trong các phần tử bán dẫn điện tử

*Hệ bát phân:

Cơ số hệ thống là 8 có nghĩa cần 8 kí tự số để biểu thịcác con số:0,1,2, 7

số cần các kí tự chữ cái, dấu biểu trng, dấu phép tính đợctrình bày nhờ các tổ hợp kí tự 1,0 của hệ nhị phân

- Quy luật tổ hợp các kí tự 1 và 0 để biểu thị các ký tự đợc gọi

là CODE (mã số) và đợc tiêu chuẩn hoá quốc tế

- Các mã số ứng dụng trong quá trình cấp và chuyển giaothông tin trong hệ điều khiển số phải thoả mãn cá điềukiện:

+ Phải là mã nhị phân

+ Phải đảm bảo đủ những khả năng tổ hợp các kí tự nhịphân ( các chữ cái, chữ số, kí tự đặc biệt và dấu hiệu cácphép tính đều biểu thị đợc

+ Mã số phải đợc xây dung sao cho các lỗi trong khi truyền

đạt thông tin đợc nhận ra 1 cách tự động (lỗi lập trình,băng từ đĩa bị bẩn,bị xớc, có virus đầu từ của bộ đọc xấu)+ các mã số cần tơng thích đợc với các mã truyền đạt thôngtin trong xử lý số, trong các hệ điều khiển số đợc mã số theotiêu chuẩn DIN 66024 nằm trong tiêu chuẩn Mỹ ASCCII

Câu 3: Các khái niệm và phần tử cơ bản của hệ thống

điều kiển tự động.

1) Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động

Điều khiển tự động: có vai trò quan trọng trong việc pháttriển tiến bộ khoa học kỹ thuật: các lĩnh vực ứng dụng nó

gồm có: Chế biến thực phẩm; Máy công cụ; Robo congnghiệp; các dây chuyền tự động; GTVT; Công nghệ thôngtin

Ngày nay điều khiển tự động đã đạt đợc trình độ kỹthuật cao có nhiều loại hệ thống điều khiển mà đối tợng

điều khiển là: hệ thống quản lý; trang bị kỹ thuật; hệthống quản lý kỹ thuật; Cơ chế sinh vật

Điều khiển học kỹ thuật ngiên cứu các đối tợnglà: Nghiêncứu các đối tợng là các thiết bị kỹ thuật và hệ thống vật lý;vật lý

Trong mỗi hệ thống có một hay nhiều tín hiệu vào hoặcra:

- Thiết bị điều khiển (Contronller)

- Đối tợng điều khiển (Object)

- Thiết bị đo lờng (Measuring device)

Đặc điểm của hệ thống hở:

- Độ chính xác phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh và

độ tin cậy của thiết bị

- Bị ảnh hởng của các điều kiện bên ngoài: Tải trọng ->dao động; to,p ; dao động xung quanh

- Tín hiệu ra đáp ứng chậm khi thay đổi tín hiệu vào b) Hệ thống kín: là hệ thống mà các tín hiệu vào và tínhiệu phụ thuộc vào nhau Tín hiệu vào phụ thuộc tín hiệu

ra thông qua bộ phản hồi -> Hệ thống kín là hệ thống hở cóphản hồi

- HTĐK thích nghi: là hệ thống tự chỉnh có khả năngthích ứng một cách tự động với những thay đổi và tác

động từ bên ngoài ( đk môi trờng, đối tợng điều khiển…)

Hệ có khả năng thay đổi các tham số và cấu tạo một cách

tự động để thích nghi với các thay đổi đk bên ngoài Đợcứng dụng trong các bộ vi sử lý mạnh

Câu 5: Các nguyên tắc điều khiển cơ bản :

Trả lời :

Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:

A.Điều khiển sai lệch :Thực hiện so sánh san bằng các giá trị

đáp ứng ra và giá trị tín hiệu vào Đợc ứng dụng trong mạch

điều khiển có phản hồi

Hình vẽ :

F: nhiễu tác động vào đối tợng điều khiển

B.Điều khiển theo ph ơng pháp bù nhiễu

Sử dụng các thiết bị bù trừ nhiễu để giảm ảnh hởng củanhiễu đến đáp ứng của hệ

Nguyên tắc điều khiển này có thể ứng dụng cho mạch hở

C Điều khiển hỗn hợp :là kết hợp giữa hai điều khiển sailệch và điều khiển bù nhiễu Hệ thống điều khiển theohỗn hợp đợc dùng rộng rãi trong thực tế

Nhiễu f tác động lên đối tợng điều khiển làm tăng tín hiệu

ra Thiết bị bù Kcó tác dụng ngợc dấu f nghĩa là tác dụng bù

về giá trị điều khiển C làm tín hiệu E giảm

D.Điều khiển thích nghi :Tín hiệu đầu vào biến đổi quá

độ Khi thay đổi trạng thái gây ra sự chậm trễ về thời gian

đáp ứng Ta có thể hiểu rằng thời gian này là để nạp yếu tố

dự trữ năng lợng nh trong hệ thống dầu ép khí nén do códung tích nên áp suất không tăng ngay lập tức hoặc khi vật

có khối lợng không thể chuyển động ngay hoặc có quántính của nó hoặc có ma sát quá trình đó gọi là quá trìnhquá độ với thời gian quá độ

t = t1 – t2

Sau thời gian t1 đáp ứng ra mới đạt giá trị điều khiển ổn

định Chế độ này gọi là chế độ xác lập (chế độ ổn định)

Tuy vậy do đặc điểm cấu trúc gây ra quá trình ma sáttổn thất năng lợng mà đáp ứng ra ở chế độ ổn định có sai

số làm việc giảm độ chính xác điều khiển .Để cải thiện

đặc tính của quá trình quá độ nâng cao độ chính xác và

ổn định của hệ để đáp ứng điều đó ta dùng bộ phản hồi

T I D

Câu6 : Nhiệm vụ phân tích và thiết kế hệ thống Các phơng pháp mô tả hệ thống đk.Phơng trình vi phân tuyến tính của hệ vật lý.Phơng trình đặc trng Biến đổi Laplace Hàm truyền của hệ thống.

Bài làm:

1.Nhiệm vụ phân tích và thiết kế hệ thống: Nội dung cơbản của lý thuyết đk tự động là bài toán phân tích vàtổng hợp 1 hệ thống

a.Hệ thống thiết bị đang vận hành mà có sự cố cần điềuchỉnh lại các tham số thì chỉ cần giảI bàI toán phân tích

hệ thống nghĩa là phảI đánh giá lại các chỉ tiêu chất lợng hệthống Để làm đợc việc đó chúng ta phảI xác định đợc môtả toán học của từng phần tử trong hệ thống

Từ mô hình toán học toàn hệ thống ngời ta xét xem hệ làmviệc có ổn định ko, các chỉ tiêu chất lợng # nh:Thời gian

đk nhanh hay chậm, các thông số đk, các đại lợng đợc đk

có nằm trong yêu cầu cho phép hay ko

Chỉ 1 bài toán phân tích hệ thống nhng phải dung nhiềucông cụ toán học # nhau, đối với từng loại hệ thống # nhauthì bàI toán phân tích hệ thống có loại đơn giản và phứctạp.Đơn giản giảI = giảI tích hoặc đại số thông thờng Phứctạp giảI = máy vi tính

b.Thiết kế hệ thống là xác định tham số, cấu trúc dựa vàocác yêu thiết kế nh: độ chính xác đk, độ tác động nhanhcủa hệ thống, năng lợng tiêu hao trong hệ thống đạt cựctiểu.

Thiết kế (tổng hợp) hệ thống thòng đI kèm với bàI toánphân tích hệ thống, có hệ thống thiết kế sơ bộ thì cầncảI thiện chất lợng hệ thống tốt hơn, đa thiết bị mới vào hệthống VD: Bộ đk tỷ lệ tích phân vi phân PID

Độ PID sễ cải thiện và làm thay đổi hẳn đặc tính của hệthống BàI toán tổng hợp hệ thống đk tự động là bàI toánhết sức quan trọng, phức tạp

2.Ph ơng pháp mô tả hệ thống đk

Dùng mô hình toán học dựa vào các qui luật cơ bản vật lýtìm mối quan hệ giữa các đại lợng biến đổi bên trong hệqua các phơng trình biểu diễn (ptr vi phân, ptr Laplace…).Các phơng trình đó là các ptrình toán học của hệ thống.Dùng sơ đồ khối hoặc graphe tín hiệu là các phơng phápmô tả hệ đk tự động = họa đồ biểu diễn các quan hệ giacác phần tử và biểu cho các ptr toán học đặc trng cho cácphần tử đó cũng nh cho cả hệ

Dùng pp biến trạng thái là pp mô tả hệ đk dới dạng ptr viphân bậc 1 tức là = việc đặt các biến trạng tháI đểchuyển các ptr vi phân bậc cao về bậc 1, pp này dùng đểkhảo sát các hệ đk phi tuyến hoặc ptr vi phân bậc cao màcác pp trên ko thể thực hiện đợc Hiện nay trong đk khi các

hệ thống # nhau nhng có cùng 1 dạng mô hình toán thì cóthể dùng 1 mô hình chung để nghiên cứu

3.Ph ơng trình vi phân tuyến tính của hệ vật lý:

Mối quan hệ giữa các lợng biến động trong hệ thống vật lý

sẽ đợc mô tả = các ptr vi phân nếu mọi số hạng trong ptr viphân đều là luỹ thừa bậc 1 đối với các biến phụ thuộc vào

đạo hàm của chúng thì ptr đó là ptr vi phân tuyến tính.VD: Mô hình toán của hệ vật lý tuyến tính (hình vẽ) Ptr viphân mô tả hoạt động của hệ là:

M.d2y/dt2 + f.dy/dt +k.y(t) = r(t)

Nếu ptr vi phân có bất kỳ 1 số hạng nào có bậc luỹ thừa caohơn 1 hoặc tích phân hàm siêu việt đối với các biến phụthuộc vào đạo hàm của chúng thì đó là ptr vi phân phituyến Tuyến tính là tính chất của hệ tổng quát trong đó

có 1 biến độc lập là biến trung gian Trong hệ tuyến tínhchồng chất là tính chất có ý nghĩa nhất.

u1(t) u2(t)… uc(t)… un(t)

y1(t) y2(t)… yc(t)… yn(t) (hình vẽ)

Điều đó có nghĩa là nếu có bộ đầu vào u(t) sẽ tạo nên bộ

đầu ra y(t) (trong đó u(t) và y(t) là tổng các đầu vào và

để giảI ptr vi phân tuyến tính sẽ đơn giản hơn rất nhiều

so với pp #, đặc biệt là các ptr bậc cao hoặc hệ ptr viphân phù hợp cho việc khảo sát các hệ ứng dụng tin học

VD:ta có hệ đk với các thông số biểu diễn bởi ptr vi phân:U(t) = a0(y) + a1dy/dt +….+ andny/dtn

Chuyển sang ptr laplace có dạng:

U(s) = (a0 + a1s +…+ ansn).y(t)

Từ 2 ptr này ta có thể nói rằng đã chuyển ptr chứa đạo hàmtheo thời gian t thành ptr đại số ding 1 đại lợng mới là biếnlaplace s thay cho đạo hàm, tức là chuyển từ lĩnh vực thờigian sang lĩnh vực laplace

Đ/n: biến đổi laplace L[…] hoặc L{…} là kết quả của 1thuật toán chuyển đổi đối với 1 hàm thời gian f(t) để cho 1hàm F(s) của biến phức s trong đó s = σ + jω với σ,ω là các

số thực j2 = -1

F(s)=L[f(t)] = ∫∞

0

e-st.f(t)dtVới f(t) là hàm thực và liên tục trong suốt thời gian khảo sátcòn gọi là hàm gốc

S: biến toán tử laplace ; F(s): là ảnh của hàm gốc

*Công thức biến đổi laplace ngợc: nếu biến ảnh F(s) củahàm gốc f(t) thì ta tính đợc F(s) theo công thức sau:

đổi qua lại: y(t) ↔ y(s) ; dy/dn↔ s.y(s) ;

d2y/dt ↔ s2.y(s) ; dy/dtn ↔s2.y(s) ; ∫ydt ↔y(s)/s ; ∫∫ydt ↔y(s)/s2Hiện nay ngời ta đã tính toán đợc các cặp biến đổi qua lạitức là các cặp biến đổi thời gian sang laplace và ngợc lại.VD: 1/s↔1; 1/s2↔t ; 1/sn ↔(tn-1)/(n-1)!

1↔at ; 1/(s+a) ↔e-at

5.Hàm truyền của hệ thống: hàm truyền của 1 phần tửhoặc của hệ thống đk tuyến tính là tỷ số giữa ảnh laplacetín hiệu ra với ảnh laplace tín hiệu vào với điều kiện ban

đầu triệt tiêu Dạng tổng quát của hàm truyền là:

G(s) =y(s)/u(s) = ∑

=

n i

i

i s a

0

/∑

=

n j

j

j s b

0 = 11 00

b s b s b

a s a s a

m m

n

+ + + + + +

Hoặc y(s) = G(s).u(s) + các số hạng k

G(s): là hàm truyền

U(s): input; y(s): output;

Giả sử ta có phơng trình của 1 hệ điều khiển là:

Câu 7: Sơ đồ khối và đại số sơ đồ khối: k/n,

đ/n,đặc điểm đặc biệt (nh tụ, tán ), công thức và các tổ hợp ghép //, nối tiếp, di chuyển điểm tán, tr- ờng hợp nhiều tín hiệu vào ra.

1 Sơ đồ khối và đại số sơ đồ khối:

Sơ đồ khối là phơng pháp mô tả hệ thống điều khiển tự

động bằng đồ hoạ để biểu diễn các mối quan hệ giữa cácphần tử hoặc biểu diễn cho các phần tử toán học đặc trngcho phần tử đó Trong sơ đồ khối có:

- Các ô vuông biểu thị cho các phẩn tử hệ thống

- Các đờng nối và mũi tên chỉ chiều của dòng tín hiệu và

biểu diễn quan hệ giữa đầu vào và đầu ra Nhiều khối nốitiếp nhau thì tín hiệu ra của khối này là tín hiệu vào củakhối kia Tỉ lệ giữa đầu ra và đầu vào của 1 phần tử (củahệ) gọi là hàm truyền phần tử:

Các kí hiệu của sơ đồ khối:

Điểm tụ (x) có nhiều đầu vào và một đầu ra Điểm tụ thểhiện thuật toán cộng hoặc trừ tại điểm tụ đầu ra là tổng

đại số của các đầu vào

Điểm tán (.) là điểm mà tại đó có một dầu vào và nhiều

đầu ra, có cùng đại lợngGiả sử có 1 hệ điều khiển biểu diễn theo sơ đồ khối sau:

Quan hệ toán học làC1(s)= G11(s).R1(s) + G12(s).R2(s)C2(s)= G21(s).R1(s) + G22(s).R2(s)

Nếu có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra ta có thểsắp xếp theo ma trận sau.

) )

)

) )

)

) )

i

i

j j

i

2 Các phép biến đổi sơ đồ khối

A/ Tổ hợp các khối nối tiếp:

F/Di chuyển điểm tán về bên trái một khối

Có thể choyển sơ đồ khối dạng chính tắc về sơ đồ của

hệ phản hồi đơn vị nh sau:

xs(s)/xe(s) = G(s)/[1+G(s).H(s)] ↔ {G(s).H(s)/[1+G(s).H(s)]}{1/H(s)}

J/ Tr ờng hợp hệ có tín hiệu vào và ra

Đố với hệ cụ thể đk tuyến tinhsex tuân theo quy luật chồngchất cộng đại sô, tín hiệu ra là tổng của các tín hiệu ra khichịu tác động của từng tín hiệu vào.

VD: Tìm tín hiệu ra của hệ tuyến tính khi có 2 tín hiệuvào của sơ đồ:

Tín hiệu ra khi từng tín hiệu vào tác động độc lập là:

Khí cho R2(s)= 0 và C2(s)= 0

C1R1(s)= {R1(s)/[1+ G1(s) G2(s) G3(s) G4(s)]}.G1(s)

Khi cho R1(s)= 0, và C2(s)= 0

C1R2(s)= { G1(s) G3(s) G4(s)/[1+ G1(s) G3(s) G4(s).G2(s)]}.R2(s)

C1(s)= C1R1(s)+ C2R2(s)= [R1(s)+ G1(s) G3(s) G4(s) ]/[1+ G1(s).G3(s) G4(s) G2(s)]

C2(s) cũng đợc tính tơng tự

K/ Nguyên tắc rút gọn sơ đồ khối

Rút gọn các khối nối tiếp

Rút gọn các khối //

Triệt tiêu các mạch phản hồi phụ

Di chuyển các điểm tụ và các điểm tán tới các vị trí cầnthiết

Tiếp tục làm lại các trình tự trên, nếu sơ đồ đI có nhiềuvòng

Câu8 : Graphe tín hiệu, đ/n, kn và các quy tắc biến

đổi graphe tín hiêu

Graphe tín hiệu thể hiện sự truyền tín hiệu trong hệ đk

tự động bằng sơ đồ

Graphe là 1 sơ đồ gồm các nhánh và nút, mỗii nút củagraphe đợc biểu diện bằng một điểmvà ghi tên 1 đại lợngnào đó trong hệ thông đk, nút gốc là đại lợng vào, nút ngọn

là đại lợng ra của 1 khâu nào đó Mỗi nhánh nối nút gốc vànút ngọn có mũi tên trên đó ghi giá trị hàm truyền tơng ứngvơI 1 khâu, hàm truyền của một nhánh → tỉ số giữa giá trịnút ngọn và giá trị nút gốc nếu ta có pt: Xj= Gịj.Xi thìgraphe tín hiệu đợc biểu diễn nh sau:

Tuyến phản hồi là tuyến xuất phát và kết thúc từ 1 nút

Hệ có 2 tín hiệu vào, 2 tín hiệu ra thì graphe tín hiệu đợcbiểu diễn nh sau

Các quy tắc biến đổi graphe tín hiệu:

- Graphe tín hiệu với mô hình hội tụ, phân kì

Mô hình hội tụ

Mô hình phân kì

Mô hình hội tụ: Tổng các giá trị đI vào 1 nút bằng giá trịnút đó