Thiết kế Cơ điện tử là thiết kế tích hợp và tối ưu một hệ thống cơ học và hệ điều khiển nhúng củanó. Định nghĩa này hàm ý rằng hệ cơ được mở rộng bằng các thành phần điện tử để đạt được hiệu suấttốt hơn, hệ thống mềm dẻo hơn, hoặc giảm giá thành hệ thống. Trong nhiều trường hợp các thành phầnđiện tử có ở dạng một hệ (điều khiển) nhúng dựa trên máy tính. Điều này không có nghĩa rằng mọi hệ cơđược điều khiển đều là hệ cơ điện tử bởi vì trong nhiều trường hợp, phần điều khiển chỉ đơn giản làđược thêm vào hệ cơ như một thủ tục thiết kế tiếp sau. Việc tiếp cận hệ cơ điện tử thực đòi hỏi sự lựachọn tối ưu để thực hiện được các đặc tính thiết kế trong các lĩnh vực khác nhau. Trong kĩ thuật điềukhiển, thiết kế một hệ điều khiển tối ưu đã được nghiên cứu kỹ và đã tồn tại các phương pháp chuẩn chocác hệ tuyến tính. Vấn đề tối ưu được phát biểu như sau: cho một quá trình được điều khiển, và cho mộttiêu chí (ví dụ hàm giá), tìm các tham số điều khiển tối ưu sao cho hàm giá là tối thiểu. Với một bộ điềukhiển phản hồi trạng thái và một hàm giá bậc hai, các lời giải cho bài toán tối ưu có thể được tìm thấybằng phần mềm thiết kế bộ điều khiển chuẩn như Matlab1 (Hình 21.1).
21 Vai trò điều khiển Cơ điện tử Job van Amerongen University of Twente 21.1 Giới thiệu 21-1 21.2 Các phần tử chủ chốt hệ Cơ điện tử có điều khiển 21-3 21.3 Mơ hình hóa tích hợp, thực thiết kế điều khiển21-3 21.4 Các ví dụ hệ Cơ điện tử đại 21-11 21.5 Các yêu cầu khác biệt hệ Cơ điện tử khác với hệ cổ điển thiết kế điều khiển 21-14 21.1 Giới thiệu "Thiết kế Cơ điện tử thiết kế tích hợp tối ưu hệ thống học hệ điều khiển nhúng nó." Định nghĩa hàm ý hệ mở rộng thành phần điện tử để đạt hiệu suất tốt hơn, hệ thống mềm dẻo hơn, giảm giá thành hệ thống Trong nhiều trường hợp thành phần điện tử có dạng hệ (điều khiển) nhúng dựa máy tính Điều khơng có nghĩa hệ điều khiển hệ điện tử nhiều trường hợp, phần điều khiển đơn giản thêm vào hệ thủ tục thiết sau Việc tiếp cận hệ điện tử thực đòi hỏi lựa chọn tối ưu để thực đặc tính thiết kế lĩnh vực khác Trong kĩ thuật điều khiển, thiết kế hệ điều khiển tối ưu nghiên cứu kỹ tồn phương pháp chuẩn cho hệ tuyến tính Vấn đề tối ưu phát biểu sau: cho trình điều khiển, cho tiêu chí (ví dụ hàm giá), tìm tham số điều khiển tối ưu cho hàm giá tối thiểu Với điều khiển phản hồi trạng thái hàm giá bậc hai, lời giải cho tốn tối ưu tìm thấy phần mềm thiết kế điều khiển chuẩn Matlab1 (Hình 21.1) Trái lại, thiết kế điện tử địi hỏi khơng điều khiển tối ưu Nó địi hỏi tối ưu hệ thống Trong trường hợp lý tưởng, tất thành phần hệ thống: đối tượng, điều khiển, cảm biến cấu chấp hành phải đồng thời tối ưu (Hình 21.2) Nói chung điều không khả thi Vấn đề đặt không chỉnh phải tách thành vấn đề nhỏ để tối ưu hóa cách riêng biệt Sau lời giải phần lại kết hợp lại việc thực toàn hệ thống phải đánh giá Việc điều chỉnh lần cuối vài phần hệ thống đưa giải pháp tối ưu thành phần HÌNH 21.1 Tối ưu hóa điều khiển 21-1 Metechvn.com Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 21.2 Tối ưu hóa tất thành phần hệ thống cách đồng Trong giai đoạn thiết kế ý tưởng ban đầu, cần phải định đâu vấn đề phải giải học đâu vấn đề phải giải điện tử Trong bước này, định tính chất học trội phải thực đưa mơ hình đơn giản để thiết kế điều khiển Cả ý tưởng ban đầu cảm biến, truyền động giao diện cần phải có giai đoạn Khi thiết kế phần khác vạch tương đối chi tiết, thông tin thiết kế phải sử dụng để đánh giá hệ thống thảo luận để nhận thiết kế chi tiết thực tế cho phần khác Mặc dù thuật ngữ “cơ điện tử” sản phẩm điện tử có từ lâu Thực tế tất hệ thống học điều khiển điện tử dựa ý tưởng cải tiến sản phẩm cách thêm tính chất thực lĩnh vực khác Các thiết kế điện tử tốt dựa việc tiếp cận hệ thống thực Nhưng phần lớn kỹ sư điện tử phải đối mặt với thiết kế mà tham số cố định dựa đánh giá tĩnh kinh tế Điều cản trở tối ưu tồn hệ thống, chí điều khiển tối ưu áp dụng Trong ngày cuối máy quay đĩa, thiết kế phức tạp sử dụng phản hồi tốc độ kết hợp với giá quay quang điện để đạt tốc độ quay không đổi Nhưng thiết kế thực lại máy chơi đĩa compact Thay phải giữ số vịng quay đĩa khơng đổi giữ tốc độ đầu đọc dọc theo rãnh đĩa khơng đổi Điều có nghĩa đĩa phải quay chậm rãnh có bán kính lớn đọc Các bit đọc từ đĩa CD đặt đệm điện tử để gửi thông tin tới biến đổi DA, điều khiển tinh thể thạch anh Điều cho phép thực tốc độ đọc bit thực không đổi loại tất thay đổi tốc độ nghe Một nhận từ thiết bị học tuý, trang bị hệ thống điều khiển tốt Trong thực tế, vòng điều khiển tốc độ quay đĩa khơng cần có đặc tính q xác Nó cần ngăn chặn tràn tràn đệm Độ xác cao nhận chế độ vòng hở, điều khiển tinh thể thạch anh (Hình 21.3) HÌNH 21.3 Tổ hợp điều khiển kín điều khiển hở máy chơi CD 21-2 Vai trò điều khiển điện tử HÌNH 21.4 Hệ điện tử Tính mềm dẻo nhận kết hợp hệ xác điều khiển điện tử cho phép phát triển máy CD-ROM chạy tốc độ lớn 50 lần so với tốc độ của máy chơi CD âm lúc đầu Một cách nghĩ cần thiết cho giải pháp Mặt khác máy chơi CD vấn đề phức tạp học xác Khơng thiết bị nhớ điện tử dạng cứng cạnh tranh cách kinh tế với khả lưu trữ quang đĩa CD hệ sau DVD Nhưng điều thay đổi nhanh 21.2 Các phần tử chủ chốt hệ Cơ điện tử có điều khiển Một hệ điện tử bao gồm phần thực dịch chuyển định phần điện tử (trong nhiều trường hợp hệ máy tính nhúng) mang lại thông minh cho hệ thống Trong phần hệ thống, lực đóng vai trị quan trọng Trái lại, phần điện tử hệ thống, xử lý thơng tin nhiệm vụ Các cảm biến biến đổi dịch chuyển học thành tín hiệu điện mà có nội dung thơng tin quan trọng chí thành thơng tin theo dạng số (nếu cần qua biến đổi AD) Bộ khuyếch đại công suất biến đổi tín hiệu thành lượng điều chế Trong hầu hết trường hợp, nguồn lượng điện nguồn khác thủy lực, khí nén Một hệ dịch chuyển có điều khiển kiểu bao gồm cấu trúc cơ, nhiều truyền động để tạo dịch chuyển mong muốn, điều khiển để điều khiển thuận dựa cấu chấp hành điều khiển phản hồi dựa cảm biến (Hình 21.4) 21.3 Mơ hình hóa tích hợp, thực thiết kế điều khiển Mơ hình hóa Trong thiết kế hệ điện tử, điều quan trọng thay đổi cấu trúc điều khiển phải đánh giá đồng thời Mặc dù điều khiển thích hợp cho phép xây dựng cấu trúc rẻ hơn, hệ thiết kế khơng hoạt động tốt cách thêm vào điều khiển phức tạp Vì vậy, điều quan trọng giai đoạn đầu thiết kế, lựa chọn thích hợp cần tiến hành tính chất học cần thiết để hệ điều khiển hoạt động tốt Mặt khác, dùng khả điều khiển để bù cho khiếm khuyết mặt học cho phép cấu trúc học xây dựng theo cách rẻ Điều đòi hỏi giai đoạn đầu thiết kế phải có mơ hình đơn giản để phát yếu tố hạn chế hệ thống Ln ln có khoảng cách mơ hình phần mềm mơ để đánh giá cấu trúc phần mềm sử dụng cho việc thiết kế điều khiển Các kỹ sư khí quen với chương trình phần tử hữu hạn để nghiên cứu tính chất động lực cấu trúc Chỉ sau đơn giản xuống mơ hình bậc thấp (phân tích modal), mơ hình sử dụng để thiết kế điều khiển Mặt khác, phần mềm kỹ thuật điều khiển thường dùng chưa hỗ trợ trực tiếp trình thiết kế điện tử; q trình mơ hình hóa, hàm truyền mô tả không gian trạng thái thường dùng thường đánh mối quan 21-3 Sổ tay Cơ điện tử hệ với tham số vật lý cấu trúc Các cơng cụ cần có phép mơ hình hóa hệ thống cho tham số vật lý trội (như khối lượng độ cứng trội) bảo tồn mơ hình đồng thời cung cấp giao diện cho việc thiết kế điều khiển công cụ mô mà kỹ sư điều khiển quen biết (Coelingh [2]; Coelingh, De Vries, Van Amerongen [3]) Mô công cụ quan trọng để đánh giá thiết kế hệ điện tử Hầu hết chương trình Simulink [1] dùng biểu diễn dạng sơ đồ khối khơng hỗ trợ mơ hình vật lý theo cách điều chỉnh trực tiếp tham số vật lý cấu trúc điều khiển mà điều địi hỏi thiết kế hệ điện tử Gần đây, có chương trình cho phép mơ hình hóa kiểu vật lý miền vật lý khác Họ sử dụng phương pháp hướng đối tượng phép mơ hình hóa theo thứ bậc cho phép dùng lại mơ hình Bậc tính tốn bị cố định sau tổ hợp hệ Ví dụ: chương trình 20-sim [4], mơ tả Broenink [5] CAMAS Dymola [6] Trong mục này, mô hình hóa chương trình mơ 20-sim (phát âm Twente Sim) dùng để minh họa việc thiết kế đồng thời cấu trúc điều khiển hệ điện tử 20-sim hỗ trợ việc mơ hình hóa hướng đối tượng Cơng suất cổng tín hiệu vào xác định đối tượng (Weustink, De Vries, and Breedveld [7]) Bên đối tượng có đối tượng khác mức thấp phương trình Các thực (realizations) khác đối tượng chứa mô tả khác hẳn chi tiết miễn giao diện (số lượng kiểu cổng) đồng Mơ hình hóa bắt đầu việc nối cách đơn giản mô hình (rỗng) Sau chúng điền mô tả thực với độ phức tạp khác De Vries [8] gọi mơ hình hóa kiểu đa hình thái (polymorphic modeling) Các mơ hình xây dựng từ mơ hình khác theo cấu trúc thứ bậc Mơ hình vật lý đắn đạt cách kết hợp mơ hình theo phương pháp dòng lượng (flow of energy), khơng phải theo tín hiệu điện áp, dịng điện, lực vận tốc Cách mơ hình hóa thích hợp cho thiết kế hệ thống điện tử Điều minh họa ví dụ Xét việc thiết kế hệ servo đơn giản, dùng nguồn điện áp, động chiều tải học điều khiển qua truyền lực (Hình 21.5) Bộ truyền lực bỏ qua lúc Dây curoa xét cứng hoàn toàn tỉ số truyền nhận cách thay đổi số động Nếu khuyếch đại công suất điều khiển phát tín hiệu nguồn điện áp, vẽ sơ đồ biểu tượng hình 21.6 Ở giai đoạn này, thành phần khác mơ hình rỗng Nhưng tất thành phần có cổng điện tử và/hoặc Với giao diện (là cổng) thích hợp xác định, thành phần nối với HÌNH 21.5 Hệ servo - DC đơn giản HÌNH 21.6 Sơ đồ biểu tượng hệ servo đơn giản 21-4 Vai trò điều khiển điện tử HÌNH 21.7 Biểu tượng động khai triển thành thành phần vật lý lý tưởng Ở bước chi tiết hóa việc mơ tả động DC Một giải pháp đưa hình 21.7 Động mô tả số phần tử vật lý lý tưởng, phần tử miêu tả mối quan hệ vật lý Động có cổng điện (EL) cổng (MECH) Mỗi phần tử hình mô tả phần tử với cổng điện và/hoặc cổng Khái niệm cổng tạo rõ ràng biểu đồ quan hệ [9-12] Với phần tử điện, khác điện áp phần tử dòng qua phần tử Các phần tử cơ, mơ men vận tốc góc Tích biến liên hợp (P=ui or P=Tω) biểu diễn công suất Nếu thêm bước sơ đồ thứ bậc, tới mức phương trình Ví dụ điện trở mơ tả phương trình: p.u R p.i (21.1) biến p.u p.i biến liên liên hợp u i cổng điện p Chú ý phương trình khơng phải lệnh gán Nó viết dạng: p.i l / R p.u (21.2) Tương tự, cuộn cảm mơ tả phương trình: p.u L ddt p.i hc p.i 1/ L int p.u ddt(pi) ký hiệu di/dt int(pu) ký hiệu (21.3) udt Phần tử R thích hợp với hai dạng mơ tả Với phần tử I, dạng tích phân thích hợp mơ Chương trình 20-sim xác định dạng nhân mong muốn dẫn phương trình cách tự động Dịng lượng cơng suất P tích hai tín hiệu liên hợp (two conjugated signals), gọi effort (e) flow (f): P ef (21.4) Các ví dụ biểu thức miền điện P Fv hc P T (21.5) P ui (21.6) F lực, v vận tốc, T mơ men, ω vận tốc góc, u điện áp, i dịng điện HÌNH 21.8 Mơ hình đầy đủ dạng phần tử vật lý lý tưởng 21-5 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 21.9 Mơ hình triển khai với truyền lực Khi khai triển tồn hình 21.6 nhận hình 21.8 Khi mơ hình xử lý, thông báo xuất để quán tính có trạng thái phụ thuộc Hai qn tính mơ hình ln có tốc độ chúng phụ thuộc lẫn Chúng khơng thể có điều kiện đầu độc lập Thơng báo phần tử viết theo dạng đạo hàm: T Jd / dt (21.7) Có vài cách để giải vấn đề Hai inertia tổ hợp thành (chương trình làm điều cách tự động) Một thông báo xuất phụ thuộc hai inertia giải cách tượng trưng Giải đạo hàm nhân thuật tốn tích phân ẩn Bộ truyền lực thêm chút mềm dẻo cho dây curoa Nếu mềm dẻo không đáng kể, lời giải dẫn mơ hình đơn giản Mặt khác, cảnh báo xuất câu hỏi độ mềm dẻo dây curoa bỏ qua hay khơng Nếu khơng, mơ hình phải triển khai với phần tử lò xo Cần ý điều làm khơng lí số trị Nếu truyền lực cứng dẫn đến vấn đề động lực học tần số cao mô chậm không cần thiết Mặt khác độ mềm dẻo lớn hệ cảnh báo làm người thiết kế ý đến vấn đề mơ hình bị đơn giản q Trong hình 21.9 truyền lực bao gồm phần tử lò xo thêm Việc xử lý mơ hình khơng gây cảnh báo Ví dụ minh họa cách phần mềm đại trợ giúp để xây dựng mơ hình có độ phức tạp cần thiết cho vấn đề cụ thể Các mơ hình vật lý dạng sơ đồ biểu tượng dựa việc nối phần tử cổng cơng suất hỗ trợ q trình mơ hình hóa Người dùng chọn cách nhìn thích hợp, sơ đồ quan hệ, sơ đồ biểu tượng với phần tử vật lý lý tưởng cách nhìn sử dụng mơ hình mức cao hình 21.6 Trong mục cách dùng mơ hình để thiết kế điều khiển Các phương pháp luận thiết kế hệ điều khiển Nhiều q trình điều khiển cách hợp lý điều khiển PID Đó q trình mơ tả xác xác mơ hình bậc hai Các quy tắc điều chỉnh quy tắc Ziegler Nichols, cho phép người kinh nghiệm điều chỉnh điều khiển Các mơ hình tương đối đơn giản mô tả nhiều hệ điện tử Một hệ điện tử thường bao gồm truyền động, vài dạng truyền lực tải Một mơ hình bậc bốn mơ tả hệ Hệ số giới hạn thực hệ tần số cộng hưởng Một phối hợp phản hồi vị trí phản tốc độ (về điều khiển PD) dùng tốt Nhưng việc chọn điểm cực cộng hưởng thích hợp tín hiệu để dùng phản hồi cần thiết nên cố gắng tạo (Groenhuis [13]; Coelingh [2]; Coelingh, De Vries, and Van Amerongen [3]) để nhận phương pháp điều chỉnh hệ vậy, ngồi cịn để chọn tín hiệu phản hồi thích hợp Máy tính cung cấp cơng cụ cần thiết cho phép người thiết kế kinh nghiệm sử dụng phương pháp (Van Amerongen, Coelingh, De Vries[14]) Coelingh[2] Coelingh, De Vries, Van Amerongen [3]) mô tả phương pháp thiết kế cấu trúc cho hệ điện tử Phương pháp bắt đầu việc rút gọn thiết kế ý tưởng tới mơ hình bậc bốn biểu diễn tính chất trội hệ thống theo khối lượng tổng cần di chuyển độ cứng trội Mơ hình có tham số vật lý quan trọng Trong mơ hình này, cảm biến thích hợp phát dẫn chọn Trong giai đoạn thiết kế ý tưởng, điều khiển đơn giản phát triển tính chất thay đổi 21-6 Vai trò điều khiển điện tử cần Tiếp theo giai đoạn thiết kế chi tiết mà độ thiếu tin cậy tham số tính đến Thiết kế hệ servo Ở xem xét vài khía cạnh đơn giản thiết kế hệ servo để minh họa lợi việc dùng mơ hình vật lý để minh họa cần thiết phương pháp thiết kế tích hợp Chúng ta xét mơ hình bàn đến trên, Một tải điều khiển động điện qua truyền lực mềm Sơ đồ biểu tượng mơ hình đưa hình 21.9 Trong ví dụ này, khuyếch đại dòng thay khuyếch đại áp cho phép bỏ điện trở điện cảm Trong đáp ứng bước hình 21.10, cộng hưởng truyền lực mềm thấy rõ Từ phương trình dùng để mơ phỏng, 20-sim tự động đưa mơ hình theo dạng thích hợp cho việc thiết kế điều khiển, mô tả không gian-trạng thái, hàm truyền, điểm cực điểm không Một giao diện cung cấp tiện ích Matlab1, ví dụ dùng thuật toán Matlab để tính hệ số khuyếch đại điều khiển tiên tiến điều khiển LQR (phản hồi trạng thái tối ưu) điều khiển LQG (với lọc Kalman để ước tính trạng thái phản hồi trạng thái tối ưu) Sơ đồ trình điều khiển LQG đưa hình 21.11 vài đáp ứng hình 21.12 Một điều khiển P(I)D thiết kế thích hợp thực tương tự, đặc biệt lượng nhiễu nhỏ Thử nghiệm sử dụng để đo góc tải tốc độ tải HÌNH 21.10 Các đáp ứng vịng hở HÌNH 21.11 Thực với lọc Kalman phản hồi trạng thái 21-7 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 21.12 Đáp ứng hệ điều khiển LQG Phép thử bị lỗi phản hồi tốc độ tải làm hệ ổn định thấy từ điểm gốc cho thay đổi khác phản hồi vận tốc Từ đáp ứng hình 21.10, 20-sim dễ dàng xác định hàm truyền dòng động tốc độ tải vẽ điểm gốc (Hình 21.13) Hình 21.14 rõ lượng nhỏ phản hồi vận tốc dẫn đến hệ ổn định Biết rằng, phản hồi tốc độ động giải pháp tốt Việc dùng lại mơ hình hình 21.9 21.10 để xác định hàm truyền từ dòng điện vào tới tốc độ động cho điểm gốc hình 21.15 Bây điểm_không phức với điểm-cực phức chúng gần nên ảnh hưởng chúng lên đáp ứng không đáng kể Nhánh quỹ đạo nghiệm trục thực ứng xử mong muốn: chuyển điểm cực trội sang phía trái mặt phẳng s Tổ hợp phản hồi tốc độ động với phản hồi góc tải cho cấu trúc điều khiển PD hình 21.15 đáp ứng hình 21.16 Ngồi nhiễu ra, khơng có khác nhiều so với đáp ứng hệ có lọc Kalman, hệ điều khiển PD đơn giản Các nhận xét đưa áp dụng cách tổng quát Một hệ với hai điểm cực (phức) cộng hưởng khơng có điểm khơng hình 21.13 khó điều khiển điều khiển đơn giản Nếu điểm không phức với điểm cực cộng hưởng với phần ảo nhỏ phần ảo cực, điều khiển ổn định đễ dàng đạt Trong miền tần số, điều thấy phản cộng hưởng, cộng hưởng (kiểu AR) Ngược lại hệ kiểu RA mà tần số cổng hưởng thấp tần số phản cộng hưởng (phần ảo điểm cực nhỏ phần ảo điểm khơng) khó điều khiển trường hợp có điểm cực cộng hưởng Sự tồn vị trí điểm khơng cộng hưởng xác định hồn tồn (một cách hình học) vị trí cảm biến hệ Sự lựa chọn cẩn thận vị trí cảm biến cần thiết để ứng dụng thành công điều khiển Cần ý việc dùng phát đặt điểm thiết kế thích hợp cản trở cộng hưởng thấy hình 21.10 Bộ phát đặt điểm khơng kích hoạt tần số cộng hưởng, ví dụ việc sử dụng lọc thông thấp với giải thông thấp tần số cộng hưởng Tuy nhiên, phát đặt điểm không giải vấn đề ổn định nêu 21-8 Vai trị điều khiển điện tử HÌNH 21.13 Điểm gốc cho phản hồi vận tốc trục tải Hình 21.14 Điểm gốc cho cho phản hồi vận tốc trục động HÌNH 21.15 Hệ servo với điều khiển PD HÌNH 21.16 Các đáp ứng hệ hình 21.16 21-9 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 21.17 Các biểu đồ Bode hệ kiểu RA kiểu AR Thiết kế robot di động Một ví dụ điển hình thủ tục thiết kế giai đoạn đầu thiết kế ý tưởng robot lắp ráp di động Ngay giai đoạn đầu việc thiết kế, mâu thuẫn phải giải Một robot cần phải có khả thu thập phận xung quanh lắp ráp lúc vận hành Vì độ xác cao yêu cầu đầu kẹp robot bề mặt nơi mà phận đặt, nên điều quan trọng phải cho độ không mặt sàn mod dao động cấu trúc khơng ngăn cản việc lắp ráp xác Mặt khác điều khiển dẫn, phần dựa xác định vị trí robot la bàn (có nghĩa số đo vận tốc hướng bánh), yêu cầu bánh cứng Độ giảm chấn phải thực giảm xóc khác Điều dẫn tới ý tưởng khung khung nối với lị xo (Hình 21.18) HÌNH 21.18 Thiết kế ý tưởng robot di động HÌNH 21.19 Mơ hình đơn giản với phần tử vật lý lý tưởng để tính sai số etip Robot gắn khung có phạm vi làm việc đủ để sai số vị trí (etip=ztip-zupper frame) đầu kẹp robot (ztip) khung (zupper frame) đủ nhỏ Bước đưa mơ hình đơn giản, để có vài tham số cho việc phân bổ trọng lượng độ cứng độ giảm chấn lò xo Trong mơ hình hình 21.22, robot phải đương đầu với va chạm mạnh với tốc độ m/s Dựa tải - chủ yếu trọng lượng pin - khối lượng tổng xe ước tính 500 kg Độ cứng độ giảm chấn bánh xe đưa từ yêu cầu độ xác việc ước tính vị trí Khối lượng phạm vi làm việc tay máy điều khiển biết từ nghiên cứu khác, cho phép xác định độ cứng hiệu dụng độ giảm chấn đầu robot Khi độ cứng độ giảm chấn lò xo khung khung ước tính tham số bị thay đổi phân bổ trọng 21-10 Vai trò điều khiển điện tử lượng khung khung Bằng cách dùng đặc tính tối ưu hóa chương trình 20-sim, việc phân bố trọng lượng tối ưu dễ dàng tìm thấy Để tối thiểu hóa sai số đầu robot khung (Hình 21.19), trọng lượng phải đặt nhiều khung (Hình 21.20) Ví dụ minh họa cách xác định cấu hình học thơng qua u cầu điều khiển dẫn tốt điều khiển xác nhiệm vụ lắp ráp HÌNH 21.20 Các sai số đầu robot trước sau tối ưu hóa phân bố trọng lượng khung khung HÌNH 21.21 Robot di động (MART) sau hoàn thiện Bước tối ưu hóa tính chất hệ thống giảm xóc khung khung Điều cải thiện độ xác Quyết định thực giai đoạn đầu thiết kế để định hướng định thiết kế khác Sau hoàn thành dự án dường tham số khác cấu trúc cuối gần với thông số ước tính trước (hình 21.21) 21.4 Các ví dụ hệ Cơ điện tử đại Một vài ví dụ xem xét mục trước Trong mục đưa hai ví dụ Sự ổn định ổ bánh lái tàu thủy Ngày nay, tàu thủy dùng máy lái tự động để điều khiển đầu tàu Bánh lái cấu chấp hành thông dụng Một vài tàu phà tàu hải quân cần ổn định ổ bánh lái Điều thực cách bị động cách nối thùng đổ đầy nước để tạo lực ổn định ngược pha với lực sóng Để tạo hệ thống phù hợp với tần số khác sóng, dịng nước hai thùng chứa cần phải điều khiển Cho tàu nhanh, thường sử dụng vây ổn định Chúng loại “cánh” điều khiển cách tích cực để tạo mơmen cần thiết chống lại mơmen sóng Các vây khơng ảnh hưởng tới dịch chuyển ổ lái mà ảnh hưởng tới đầu tàu Mặt khác, bánh lái không ảnh hưởng tới đầu tàu mà tác động tới ổ lái Trong kỹ thuật điều khiển, 21-11 Sổ tay Cơ điện tử điều dẫn đến hệ đa biến đòi hỏi thiết kế điều khiển đa biến để thực tối ưu Trong thực tế, hệ đa biến thấy hai hệ điều khiển riêng biệt thường sử dụng Một phương pháp khác dùng truyền động (bánh lái vây) Vì tần số chuyển động quay nằm ngồi dải thơng hệ thống điều khiển hành trình nên điều Bánh lái phù hợp với truyền động Ngoài ra, thuận lợi cho tàu hải quân bỏ vây giảm ồn nước Thiết kế lại điều khiển hành trình để ổn định ổ lái chứng minh tính khả thi phương pháp này, làm sáng tỏ “quá trình” – tàu thủy – cần phải sửa đổi Sự sửa đổi quan trọng cần cho máy lái Tốc độ tối đa máy lái đưa hệ số giới hạn cho hệ (nó phải tăng từ giá trị thường dùng từ 3–7∞/s tới 20–25∞/s) Bằng cách mô động lực, thơng số cho máy lái xác định theo tốc độ cực đại máy lái thời gian cực đại cho phép đạt tốc độ Điều đòi hỏi thiết kế lại máy lái thủy lực Bước xa xét thay đổi hình dạng tàu để tối ưu tham số xác định hiệu hệ thống ổn định ổ bánh lái Để khẳng định giải pháp tốt hay không, cần phải đánh giá máy lái thiết kế lại đắt tiền cấu chấp hành bánh lái vây hay không Các vấn đề phải giải giai đoạn đầu trình thiết kế Sự ổn định ổ bánh lái áp dụng thành công tàu hải quân thương thuyền lớn (Van Amerongen, Van der Klugt, and Van Nauta Lemke [15]) Bù hiệu ứng phi tuyến động tuyến tính Nhiều hệ chất lượng hiệu ứng phi tuyến làm hạn chế độ xác mà đạt Ma sát ăn khớp hai ví dụ Một điều khiển phản hồi giảm ảnh hưởng tính chất phi tuyến, bù hồn tồn khó Với hệ thực dịch chuyển lặp lặp lại, điều khiển tuyến tính lặp giúp cải thiện thực (Arimoto [16]; De Vries, Velthuis, and Van Amerongen [17]) Ý tưởng cabr giải thích hình 21.22 Ý tưởng giải thích hình 21.22 Chỉ có vịng phản hồi với giả thiết khơng có nhiễu loạn, tín hiệu lỗi tín hiệu điều khiển UC giống dịch chuyển lặp lại Hiển nhiên rằng, độ xác cải thiện mà dịch chuyển tiếp theo, tín hiệu điều khiển từ chu kỳ trước dùng tín hiệu cấp, UF Phản hồi tạo tín hiệu bù lỗi cịn lại cách cập nhật tín hiệu cấp UF theo công thức: Uïk 1 Uïk LE k (21.8) HÌNH 21.22 Nguyên tắc điều khiển tự học tương tác HÌNH 21.23 Bộ điều khiển thuận tự học cho dịch chuyển lặp 21-12 Vai trò điều khiển điện tử Trong L hàm truyền lọc tự học Chỉ số k kí hiệu dịch chuyển lặp thứ k Tín hiệu UF cần phải hội tụ tới tín hiệu cấp để bù tất sai số lặp Một ví dụ tình mà lỗi tồn máy chơi CD bù độ lệch tâm đĩa Một phương án ý tưởng chí trực tiếp việc cài đặt điều khiển thuận tự học hình 21.23 Khi tín hiệu cấp hồn hảo tín hiệu điều khiển khơng Điều có nghĩa tín hiệu dùng tín hiệu huấn luyện cho mạng nơ ron Một mạng nội suy trơn thích ứng (B-spline) cho phép học tính chất phi tuyến phức tạp Cả máy hỗ trợ véc tơ dùng để thực việc học cấp (De Kruif and De Vries [18]) Tín hiệu vào mạng B-spline tín hiệu thời gian t Nó đặt lại dịch chuyển bắt đầu Điều gọi điều khiển thuận tự học LFFC có số thời gian Thay cho thời gian, tín hiệu liên quan đạo hàm - nhận từ phát dẫn – dùng số mạng (LFFC có số dẫn) Thuận lợi cấu trúc sau việc huấn luyện thích hợp, LFFC dùng thành công cho dịch chuyển không lặp Velthuis19 đưa phân tích ổn định cho điều khiển LFFC số thời gian LFFC số dẫn Phân tích ổn định tương đối dể cho trường hợp số thời gian Với trường hợp số dẫn, phức tạp vài phương pháp giải vấn đề đánh giá kinh nghiệm đòi hỏi để đảm bảo hệ thống ổn định Vấn đề số B-spline cần phải không lớn Mặt khác, Một phân bố B-spline thích đáng mong muốn cho xấp xỉ xác q trình phi tuyến LFFC áp dụng thành công để bù ăn khớp động tuyến tính cơng nghiệp (Otten et al [20]) bù ma sát (Coulomb) động tuyến tính dùng mơ bay (Velthuis [19]) Nó áp dụng để điều khiển tự chỉnh robot di động mô tả mục Thiết kế robot di động (Starrenburg et al [21]) Ứng dụng để bù ăn khớp động tuyến tính mô tả đoạn nhỏ chi tiết Một động phần tử thường dùng máy lắp ráp Thậm chí với nam châm tốt lắp ráp xác sai số nhỏ 100μ, với điều khiển PID phối hợp với điều khiển thuận không tự học Đích thiết kế để cải thiện độ xác đạt được tối đa từ 100 μ tới nhỏ 10 μ Hình 21.24 ảnh đơng tuyến tính Theo cấu trúc hình 21.23, động tuyến tính điều khiển điều khiển PID, mạng nơ ron B-spline có mặt để học mơ hình động đảo chiều, bao gồm thành phần phi tuyến ăn khớp Ăn khớp xảy động DC với nam châm vĩnh cửu Nó gây lực dạng sin lớn nhỏ phụ thuộc vào vị trí chuyển đổi so với stator Nếu lực thực có dạng sin chúng dễ dàng bù bù cấp Tuy nhiên điều đòi hỏi nam châm có tính chất từ giống hồn tồn khoảng cách nam châm xác Một lựa chọn thiết kế điều khiển để học kiểu nhiễu bù bù cấp tự học Ngoài ra, ưu điểm hệ dùng để bù cho hiệu ứng phi tuyến khác ma sát Điều minh họa phần mô bay (cần điều khiển) lực ma sát làm hỏng cảm giác mô thực, đặc biệt tốc độ gần khơng Hình 21.25 việc học gần hoàn thành sau sáu chu kỳ huấn luyện Điều khiển thuận tự học phương pháp hấp dẫn để bù cho phi tuyến tồn hệ điện tử, ăn khớp ma sát Việc dùng mạng nơ ron B-spline dẫn đến hội tụ nhanh, tính tốn tương đối ít, khả khái qt hóa tốt Bởi gần nhận kết độ ổn định hệ thống vậy, nên hệ điều khiển tốt thiết kế 21-13 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 21.24 Động tuyến tính Các nam châm gây ăn khớp thấy rõ HÌNH 21.25 Tín hiệu vị trí tín hiệu sai số học Trên quan điểm điện tử, vấn đề thiết kế nảy sinh câu hỏi dùng phương pháp để xây dựng động tuyến tính rẻ khơng, độ xác tối đa khơng phải mục tiêu việc thiết kế Đã chứng minh động xây dựng với thành phần đắt tiền đặc tính lắp ráp khắt khe với Bộ điều khiển LFFC cạnh tranh tốt với cấu trúc đắt tiền Độ xác cải thiện thơng thường với hệ số 10 21.5 Các yêu cầu khác biệt hệ Cơ điện tử khác với hệ cổ điển thiết kế điều khiển Sự khác "thiết kế điều khiển thông thường" thiết kế hệ điện tử thiết kế điện tử khối thống Phương pháp xem xét việc tối ưu hóa tất thành phần hệ thống cách đồng bộ, khơng có thuật tốn để làm điều cách tự động Trong thực tế, vấn đề thường tách thành vấn đề nhỏ để tối ưu hóa Sau việc tích hợp tất giải pháp thành phần, hệ tối ưu đạt để tiếp tục tối ưu cách điều chỉnh lại phần khác nhau, đến thiết kế trung gian sẵn có tồn hệ thống Để đạt tối ưu tồn hệ thống, địi hỏi phần mà lực đóng vai trị quan trọng phần xử lý thông tin (bộ điều khiển) phải mô hiệu chỉnh đồng thời Điều đòi hỏi tham số khối lượng thơng số khác dùng mơ hệ điều khiển Các ví dụ đưa mơ hình hóa mơ 20-sim chứng tỏ 20-sim cho phép Những người thiết kế điện tử cần phải nhận thức vấn đề giải pháp tìm thấy lĩnh vực khác Không phải thiếu hiệu phần giải dễ dàng điều khiển Một thiết kế tốt thực dễ dàng rẻ Mặt khác, điều 21-14 Vai trò điều khiển điện tử khiển tốt đạt thực mong muốn rẻ dễ cấu trúc phức tạp Trong số trường hợp, phối hợp đạt thực mà khơng có thiếu thiết kế điện tử Điều xảy cho việc thiết kế cảm biến Mỗi cảm biến lắp lọc để loại nhiễu khỏi phép đo Nhưng vài cảm biến tổ hợp tổ hợp cảm biến theo thuật tốn lọc Kalman có hiệu với liệu thô Việc truyền thông tất người thiết kế liên quan rõ ràng định thiết kế lĩnh vực khác cần thiết cho thành công thiết kế điện tử Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] Matworks (2001) The Mathworks: Developers of Matlab and Simulink, www.mathworks.com Coelingh, H.J., Design Support for Motion Control Systems, Ph.D thesis, University of Twente, 2000, also www.rt.el.utwente.nl/clh/ Coelingh, H.J., de Vries, T.J.A., van Amerongen, J., Design support for motion control systems—application to the Philips fast component mounter, in Mechatronics Forum 7th Int Conf., Mechatronics 2000, Atlanta, Ga, USA Controllab Products, 20-sim, www.20sim.com Broenink, J.F., Computer-Aided Physical-Systems Modeling and Simulation: a Bond-Graph Approach, Ph.D thesis, University of Twente, 1990 Dynasim, Dymola, www.dynasim.se/ Weustink, P.B.T., de Vries, T.J.A., Breedveld, P.C., Object Oriented Modeling and Simulation of Mechatronic Systems with 20-sim 3.0, in Mechatronics 98, J Adolfson and J Karlsén (Eds.), Elsevier Science, 1998 De Vries, T.J.A., Conceptual Design of Controlled Electro-Mechanical Systems, Ph.D thesis, University of Twente, 1994 Breedveld, P.C., Fundamentals of bond graphs, in IMACS Annals of Computing and Applied Mathematics, Vol 3: Modelling and Simulation of Systems, Basel, 1989, pp 7–14 Cellier, F.E., Elmqvist, H., Otter, M., Modeling from physical principles, in The Control Handbook, W.S Levine (Ed.), CRC Press, pp 99–108, 1996 Gawthrop, P., Lorcan Smith, L., Metamodelling: Bond Graphs and Dynamic Systems, Prentice-Hall, NJ, 1996 Van Amerongen, J., Modelling, simulation and controller design for mechatronic systems with 20-sim 3.0, in Proc 1st IFAC Conf on Mechatronic Systems, Darmstadt, Germany, September 2000, pp 831–836 Groenhuis, H., A Design Tool for Electromechanical Servo Systems, Ph.D thesis, University of Twente, 1991 Van Amerongen, J., Coelingh, H.J., de Vries, T.J.A., “Computer support for mechatronic control system design,” Robotics and Autonomous Systems, vol 30, no 3, pp 249–260, PII: SO921-8890 (99)00090-1, 2000 Van Amerongen, J., van der Klugt, P.G.M., van Nauta Lemke, H.R., Rudder roll stabilization for ships, Automatica, vol 26, no 4, pp 679–690 Arimoto, S., A brief history of iterative learning control, in Iterative Learning Control: Analysis, Design, Integration and Applications, Kluwer Academic Publishers, pp 3–7, 1988 De Vries, T.J.A., Velthuis, W.J.R., van Amerongen, J., Learning feed-forward control: a survey and historical note, in 1st IFAC Conf on Mechatronic Systems, Darmstadt, Germany, September 2000, pp 949–954 De Kruif, Bas J., de Vries, T.J.A., On using a support vector machine in learning feed-forward control, in Proc 2001 IEEE/ASME Int Conf on Advanced Intelligent Mechatronics, Como, Italy, 8–12 July, 2001 Velthuis, W.J.R., Learning Feed-Forward Control—Theory, Design and Applications, Ph.D thesis, University of Twente, 2000, also http://www.rt.el.utwente.nl/vts/ Otten, G., de Vries, T.J.A., van Amerongen, J., Rankers, A.M., Gaal, E., Linear motor motion control using a learning feedforward controller, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol 2, no 3, ISSN 1083-4435, pp 179–187, 1997 Starrenburg, J.G., van Luenen, W.T.C., Oelen, W., van Amerongen, J., Learning feed-forward controller for a mobile robot vehicle, Control Engineering Practice, vol 4, no 9, pp 1221–1230, 1996 21-15 ... anh (Hình 21. 3) HÌNH 21. 3 Tổ hợp điều khiển kín điều khiển hở máy chơi CD 21- 2 Vai trò điều khiển điện tử HÌNH 21. 4 Hệ điện tử Tính mềm dẻo nhận kết hợp hệ xác điều khiển điện tử cho phép phát triển... thiết bị nhớ điện tử dạng cứng cạnh tranh cách kinh tế với khả lưu trữ quang đĩa CD hệ sau DVD Nhưng điều thay đổi nhanh 21. 2 Các phần tử chủ chốt hệ Cơ điện tử có điều khiển Một hệ điện tử bao gồm... thuật ngữ ? ?cơ điện tử? ?? sản phẩm điện tử có từ lâu Thực tế tất hệ thống học điều khiển điện tử dựa ý tưởng cải tiến sản phẩm cách thêm tính chất thực lĩnh vực khác Các thiết kế điện tử tốt dựa