Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chia sẻ: Hoatudang09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Nhập môn cơ điện tử với mục tiêu giúp người học có thể giải thích được Cơ điện tử là gì; Giải thích được các yếu tố thành phần trong hệ thống và sản phẩm cơ điện tử; Nhận biết các loại hình thông tin trong hệ thống cơ điện tử; Phân biệt các dạng sản phẩm cơ điện tử trong công nghiệp; Chủ động và sáng tạo trong học tập. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯƠNG VĂN HỢI (Chủ biên) BÙI VĂN CÔNG – LƯU HUY HẠNH GIÁO TRÌNH NHẬP MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019
LỜI NÓI ĐẦU Trong chương trình đào tạo cao đẳng nghề... thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế. Nội dung của giáo trình “Nhập môn cơ điện tử ” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngàn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Chủ biên: Trương Văn Hợi 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................... 1 MỤC LỤC .......................................................................................................... 2 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN NHẬP MÔN CƠ ĐIỆN TỬ .............................. 4 Chương 1 ........................................................................................................ 7 Khái niệm cơ bản về cơ điện tử.................................................................... 7 1.1. Khái niệm về cơ điện tử ....................................................................... 7 1.2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử ......................................... 8 1.3. Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử........................... 9 Chương 2: Khái niệm điều khiển và điều chỉnh....................................... 11 2.1. Kỹ thuật điều khiển ............................................................................ 11 2.2. Giới thiệu mạch điều chỉnh ................................................................ 19 Chương 3: Cơ cấu chấp hành .................................................................... 22 3.1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành ................... 22 3.2. Cơ cấu chấp hành điện từ ................................................................... 22 3.3. Cơ cấu chấp hành thủy khí ................................................................. 29 3.4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt .................................................... 31 Chương 4: kỹ thuật đo lường, cảm biến ................................................... 34 4.1. Kỹ thuật đo lường .............................................................................. 34 4.2. Các thông số đặc trưng cảm biến ....................................................... 37 4.3. Giới thiệu các loại cảm biến............................................................... 41 Chương 5 ...................................................................................................... 47 Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử .............................. 47 5.1. Một số hệ đếm điển hình .................................................................... 47 5.2. Chuyển đổi cơ số ................................................................................ 48 5.3. Mã số .................................................................................................. 49 5.4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu .................................................................. 50 5.5. Bài tập ứng dụng ................................................................................ 51 5.6. Kiểm tra .............................................................................................. 53 2
Chương 6 ...................................................................................................... 54 Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử ................................................... 54 6.1. Mô hình nồi cơm điện tự động ........................................................... 54 6.2. Mô hình máy ép nhựa ........................................................................ 55 6.3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC ....................................... 56 6.4. Mô hình phân loại sản phẩm tự động ................................................. 59 6.5. Mô hình rôbốt công nghiệp ................................................................ 61 6.6. Bài tập phân tích tổng quan chức năng và dòng thông tin trong mô hình 63 6.7. Kiểm tra .............................................................................................. 63 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 64 3
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN NHẬP MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Tên mô đun: Nhập môn cơ điện tử Mã số mô đun: MĐ 21 Thời gian mô đun: 30 giờ (LT:12 giờ; TH/TT/TN/BT/TL: 18 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN - Vị trí: Trước khi bắt đầu học mô đun này sinh viên phải học các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở. - Tính chất: Là mô đun bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử. II. MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN - Giải thích được Cơ điện tử là gì - Giải thích được các yếu tố thành phần trong hệ thống và sản phẩm cơ điện tử. - Nhận biết các loại hình thông tin trong hệ thống cơ điện tử. - Phân biệt các dạng sản phẩm cơ điện tử trong công nghiệp. - Chủ động và sáng tạo trong học tập. III. NỘI DUNG MÔ ĐUN 1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian Thời gian Thực hành/thực Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý tập/thí TT Kiểm tra số thuyết nghiệm/bài tập/thảo luận 1 Các khái niệm cơ bản cơ 3 3 điện tử 1.1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử 1.2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử 1.3. Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử 4
1.4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử Kiểm tra 2 Khái niệm điều khiển và 6 2 4 điều chỉnh. 2.1. Kỹ thuật điều khiển: 2.2. Giới thiệu mạch điều chỉnh 3 Cơ cấu chấp hành. 5 1 4 3.1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành. 3.2. Cơ cấu chấp hành điện từ 3.3. Cơ cấu chấp hành thủy khí. 3.4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt Kiểm tra 4 Kỹ thuật đo lường, cảm 4 1 3 biến. 4.1. Kỹ thuật đo lường 4.2. Các thông số đặc trưng cảm biến 4.3. Giới thiệu các loại cảm biến Kiểm tra 5 Khái niệm xử lý thông tin 6 3 2 1 trong hệ thống cơ điện tử 5.1. Một số hệ đếm điển hình 5.2. Chuyển đổi cơ số 5.3. Mã số 5.4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu 5
5.5. Bài tập ứng dụng Kiểm tra 6 Các ví dụ điển hình hệ 6 2 3 1 thống cơ điện tử. 6.1. Mô hình nồi cơm điện tự động. 6.2. Mô hình máy ép nhựa. 6.3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC. 6.4. Mô hình phân loại sản phẩm tự động. 6.5. Mô hình rôbốt công nghiệp. Kiểm tra Cộng 30 12 16 2 6
Chương 1 Khái niệm cơ bản về cơ điện tử Mục tiêu: - Nhận biết rõ khái niệm cơ điện tử là gì. - Chức năng, cấu trúc của hệ thống cơ điện tử; - Chủ động và sáng tạo trong học tập. 1.1. Khái niệm về cơ điện tử Cơ điện tử ( Mechatronics) ra đời như là kết quả tất yếu của sự phát triển công nghệ hiện đại. Cơ điện tử hình thành trên một nền công nghệ cao, thông minh, linh hoạt. Những xu hướng mới đang tạo ra ra cơ hội và thách thức cho cơ điện tử như hệ cơ sinh học tích hợp, máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano, và những công nghệ khác đang triển khai. Tương lai của cơ điện tử đầy tiềm năng . Cơ điện tử được hiểu là một công nghệ mới đang phát triển và mở rộng với tốc độ nhanh, nên khó có thể có ngay được một định nghĩa chính xác.Một định nghĩa quá cứng bây giờ có thể gây nhiều hạn chế, thiếu chính xác trong tương lai. Ta đã thấy điều này qua ba thập kỷ phát triển của Cơ điện tử. Tuy vậy một nét chung nhất được thừa nhận và cũng là bản chất của Cơ điện tử là sự “liên kết cộng năng của nhiều lĩnh vực để tạo ra những sản phẩm mới có những tính năng vượt trội”. Sự liên kết cộng năng này mang lại nhiều cơ hội và không ít thách thức cho sự phát triển của chính cơ điện tử. Hay có thể hiểu một cách giản đơn: Cơ điện tử về cơ bản là sự kết hợp phức hợp của các ngành cơ khí, điện tử, và tin học. Sản phẩm cơ điện tử có những đặc trưng riêng và ưu thế so với các hệ thống công nghệ độc lập khác. Sản phẩm Cơ điện tử là các sản phẩm cho người sử dụng cuối cùng như các đồ dùng, thiết bị gia dụng được chế tạo hàng loạt, hoặc các sản phẩm chất 7
lượng cao như điện thoại thông minh, ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thiết bị y tế, các bộ phận cơ thể nhân tạo thay thế cho con người vv… Các sản phẩm này được thiết kế và chế tạo một cách tiện ích nhất, phù hợp với các yêu cầu riêng cho người sử dụng và người sử dụng không quan tâm đến các công nghệ được dùng trong nó mà họ mua và dùng các sản phẩm này vì nó tốt hơn, kinh tế hơn, tiện dụng hơn phù hợp với những yêu cầu riêng của mình. Cho đến bây giờ còn nhiều bàn cãi về định nghĩa và nhiều quan điểm khác nhau về cơ điện tử có phải là một công nghệ mới không hay đơn thuần là sự kết hợp thông thường của các công nghệ đã biết. Có quan điểm cho cơ điện tử không phải là một ngành khoa học mà chỉ đơn thuần là một công nghệ không có nền tảng khoa học cơ bản như cơ học, điều khiển học vv.. Trước tiên theo suy nghĩ của tác giả đến thời điểm này thì cơ điện tử có thể được định nghĩa như sau: “Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học và công nghệ được hình thành từ sự cộng năng của nhiều ngành khoa học công nghệ nhằm hoàn thiện, thông minh hoá tạo nên linh hồn và cảm xúc cho các sản phẩm và công cụ phục vụ cho con người”. 1.2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử Mỗi ngành như cơ khí, điện tử, tin học đều có nền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng. Tuy nhiên, yêu cầu của thời đại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc, yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn và thông minh hơn. Các kỹ sư cơ khí không thể làm máy móc thông minh hơn, trong khi những kỹ sư tin học có thể tạo ra trí thông minh nhân tạo nhưng họ không biết về cơ khí, những kỹ sư điện tử có thể kết nối và điều khiển tín hiệu, nhưng họ không thể kết nối giữa trí thông minh nhân tạo để điều khiển thiết bị cơ khí. Chính yêu cầu này đã hình thành nên ngành Cơ điện tử để tạo ra sản phẩm mới đáp ứng các yêu cầu đặt ra trên cơ sở phối hợp nền tảng sẵn có của các ngành với nhau. Với khả năng am hiểu về cơ khí, điện tử, tin học, và các công nghệ hiện đại... người kỹ sư cơ điện tử đưa vào các sản phẩm cơ khí hệ thống điều khiển linh hoạt bằng điện tử, và thông qua hệ thống điện tử, kết nối với hệ thống xử lý thông tin - trí thông minh nhân tạo để tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh. Sự thành công của các ngành công nghiệp trong sản xuất và bán hàng trên thị trường thế giới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp của Điện – Điện Tử và công nghệ tin học vào trong các sản phẩm cơ khí và các phương thức sản xuất cơ khí. Đặc tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại như xe ô tô, máy giặc, robot, máy công cụ ... cũng như việc sản xuất chúng phụ thuộc rất nhiều khả năng của ngành công nghiệp về ứng dụng những kỹ thuật mới vào trong 8
việc sản xuất sản phẩm và các qui trình sản xuất. Kết quả đã tạo ra một hệ thống rẻ hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy hơn và linh hoạt hơn so với các hệ thống trước đây. Ranh giới giữa điện và điện tử, máy tính và cơ khí đã dần dần bị thay thế bởi sự kết hợp giữa chúng. Sự kết hợp này đang tiến tới một hệ thống mới đó là : Hệ thống cơ điện tử. 1.3. Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử Trên thực tế hệ thống cơ điện tử không có một định nghĩa rõ ràng. Nó được tách biệt hoàn toàn ở các phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực hiện. Sự kết hợp này được hình thành theo quan điểm của Bradley, bao gồm các phần riêng biệt điện – điện tử, cơ khí và máy tính kết hợp chúng lại trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo, công việc thực tế, các ngành công nghiệp sản xuất thị trường. Hình 1.1: Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử theo Bradley Quan điểm của Bolton : Theo Bolton thì cơ điện tử là một thuật ngữ của hệ thống. Một hệ thống có thể được xem như một cái hộp đen mà chúng có một đầu vào và một đầu ra. Nó là một cái hộp đen vì chúng gồm những phần tử chứa đựng bên trong hộp, để thực hiện chức năng liên hệ giữa đầu vào và đầu ra. Ví dụ như : Cái môtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay của một trục động cơ. Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Bolton Quan điểm của giáo sư Thổ Nhĩ Kỳ Okyay Kaynak định nghĩa về hệ thống cơ điện tử như sau: 9
Hình1.3 : Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Okyay Kaynak Hình1.4: Phác thảo hệ thống cơ điện tử Mô hình phương pháp thiết kế truyền thống Mô hình phương pháp thiết kế cơ điện tử 10
Chương 2: Khái niệm điều khiển và điều chỉnh Mục tiêu: - Nhận biết rõ khái niệm chức năng xử lý thông tin: phương thức điều khiển, điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. - Chủ động và sáng tạo trong học tập. 2.1. Kỹ thuật điều khiển 2.1.1. Đại số Boolle Các phép toán ở đại số boole Bởi vì các đại lượng chỉ có hai trạng thái nên đại số Boole rất khác đại số thường và dễ tính toán hơn. Ở đại số Boole không có phân số, số thập phân, số ảo, số phức, căn số… mà chỉ thực hiện chủ yếu 3 phép tính toán cơ bản sau: Phép OR Phép AND Phép phủ định NOT Các phép tính trên khi áp dụng cho logic 0 và 1: Thiết lập biểu thức logic Lập hàm logic cho từng cổng ta đã biết cho bất cứ kết nối nào của các cổng. Từ biểu thức biết được ta có thể tính logic ra tương ứng với mỗt tổ hợp logic vào, và lập bảng sự thật của các ngõ vào (biến số) và ngõ ra (hàm). Để tính logic ra tương ứng với một tổ hợp logic và ta thường là tính thẳng trên mạch. Ví dụ: Hình 2.1: Biểu thức logic của mạch 11
Ví dụ với mạch trên với 4 ngõ vào nên ta có tổng cộng 16 tổ hợp vào nên ta phải tính 16 trạng thái ra khác nhau mới lập được bảng sự thật (Truth Table). Thực hiện mạch từ biểu thức logic Ngược lại với viết biểu thức từ mạch là thực hiện mạch từ biểu thức logic. Ví dụ cho biểu thức logic cho là: nhìn vào biểu thức ta thấy ngõ ra là OR của 3 số hạng nên ta thực hiện mỗi số hạng Y trước. Với số hạng đầu ta dùng AND, số hạng thứ 2 ta ĐẢO C sau đó AND với B, số hạng thứ 3 ta cũng thực hiện tương tự , sau cùng ta OR 3 ba số hạng lại. Hình2.2 : Xây dựng mạch logic từ biểu thức ví dụ CÁC ĐỊNH LÝ ĐẠI SỐ BOOLE Một biến số Giao hoán Phối hợp 12
Phân phối Một số đẳng thức hữu dụng Định lý De Morgan Các định lý của đại số Boole được chứng minh hay kiểm chứng bằng nhiều cách. Các cách chứng minh hay kiểm chứng này tương đối đơn giản, người đọc có thể tự chứng minh hay kiểm chứng. Ví dụ 1: Thiết kế mạch dùng hai cổng logic thỏa bảng sự thật sau đây Hình 2.3: Mạch số Giải: Vì ngõ ra bằng 0 chỉ một trường hợp nên ta viết hệ thức logic ở trường hợp này. Y= 0 khi A= 0 VÀ B = 1 nên . Để có Y ta đảo , nên . Mạch thực hiện cổng NOT để tạo ra A đảo, tiếp theo là cổng NAND của và B (hình 1.30a) 13
Mặt khác ta có thể dựa vào bảng sự thật dể viết hàm logic cho Y và kết quả là: sử dụng các định lý của đại số Boole ta biến đổi và được kết quả cuối cùng là (hình 1.30b). Ví dụ 2: Chứng tỏ . Giải: Vận dụng các công thức ta dể dang biến đổi được: Một cách chứng minh khác là ta có thể dùng bảng sự thật để chứng minh biểu thức trên. 2.1.2. Điều khiển mạch tổ hợp - Hệ tổ hợp là hệ mà tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào tại thời điểm hiện tại. - Hệ tổ hợp còn được gọi là hệ không có nhớ. - Hệ tổ hợp chỉ cần thực hiện bằng những phần tử logic cơ bản. Ví dụ về mô hình hệ tổ hợp Ví dụ : MẠCH MÃ HÓA - Mã hóa là việc sử dụng ký hiệu để biểu diễn đặc trưng cho một đối tượng nào đó. - Ký hiệu tương ứng với một đối tượng được gọi là từ mã. 14
Ví dụ về mô hình Bộ mã hóa Ví dụ: Đối tượng Thập phân Nhị phân A 0 00 B 1 01 C 2 10 D 3 11 Mạch mã hóa 8 đường sang 3 đường - Chuyển 8 ngõ vào thành 3 ngõ ra dạng số nhị phân 3 bit. - Tại mỗi thời điểm chỉ có 1 ngõ vào ở mức tích cực tương ứng với chỉ một tổ hợp mã số 3 bit ở ngõ ra; tức là mỗi 1 ngõ vào sẽ cho ra 1 mã số 3 bit khác nhau. - Với 8 ngõ vào (I0 đến I7) thì sẽ có 8 tổ hợp ngõ ra nên chỉ cần 3 ngõ ra (Y2, Y1, Y0). Sơ đồ 8 ngõ vào 3 ngõ đầu ra Bảng chân lý: 15
2.1.3. Điều khiển mạch trình tự Hệ thống số được gọi là mạch logic tuần tự (hay còn gọi là mạch dãy - Sequential Circuit). Hoạt động của hệ này có tính chất kế tiếp nhau, tức là trạng thái hoạt động của mạch điện không những phụ thuộc trực tiếp đầu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái bên trong trước đó của chính nó. Nói cách khác các hệ thống này làm việc theo nguyên tắc có nhớ. Mạch tuần tự là mạch bao gồm mạch logic tổ hợp và mạch nhớ. Mạch nhớ là các trigơ. Đối với mạch tuần tự, đáp ứng ra của hệ thống mạch điện không chỉ phụ thuộc trực tiếp vào tín hiệu vào (X) mà còn phụ thuộc vào trạng thái nội (Q) của nó. Có thể mô tả sơ đồ khối tổng quát của mạch tuần tự. Ở đây: X - tập tín hiệu vào. Q - tập trạng thái trong trước đó của mạch. W - hàm kích. Z - các hàm ra Hoạt động của mạch tuần tự được mô tả bằng mối quan hệ toán học sau: Z = f(Q, X) Sơ đồ khối mạch tuần tự 16
Trong phương trình toán học của mạch tuần tự có hai thông tin. Đó là thông tin về trạng thái tiếp theo của mạch tuần tự và thông tin về tín hiệu ra của mạch. Hai thông tin này cùng phụ thuộc đồng thời vào trạng thái bên trong trước đó của mạch (Q) và tín hiệu tác động vào (X) của nó. Có thể viết lại biểu thức trên như sau: Z = f [Q(n), X] ; Q (n +1) = f [Q(n), X] Trong đó: Q(n +1): là trạng thái kế tiếp của mạch. Q(n): là trạng thái bên trong trước đó. Để hiểu rõ hơn về mạch tuần tự, xét các phần tử có trong mạch. Mạch logic tổ hợp đã được xét ở chương 2 còn phần tử nhớ chính là các trigơ. 2.1.4. Vấn đề mô hình hóa hệ thống điều khiển số Khái niệm "Digital Control" nhằm chỉ vào lĩnh vực lý luận - thực hành các hệ thống ĐK gián đoạn theo thời gian (timeđtcaiscrete), xử lý các tín hiệu đã được lượng tử hóa về mức (level - discrete). Đây là lĩnh vực tương phản với các hệ thống ĐK liên tục theo thời gian (time - continuous) với các tín hiệu tương tự (tín hiệu analog). Các hệ thống đó được gọi là hệ thống ĐK digital (hình 1), được thực hiện trên cơ sở kỹ thuật vi tính - vi xử lý. Còn các hệ thống ĐK analog khi xưa được thiết kế trên cơ sở sử dụng các bộ khuếch đại lắp từ linh kiện rời rạc, hay từ vi mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier). Kỹ thuật ĐK Digital đã cho phép loại bỏ được rất nhiều các nhược điểm cố hữu của ĐK analog như: Hiện tượng trôi dạt điểm công tác do nhiệt độ, do nguồn nuôi, hay thậm chí do lão hóa, dẫn đến giảm chi phí hiệu chỉnh - chuẩn hóa thiết bị, đồng thời bảo đảm khả năng lặp lại của chế độ vận hành. Hơn thế nữa - sau này bạn đọc sẽ thấy - kỹ thuật ĐK digital còn cho phép thực hiện các thuật toán ĐK mới, tạo nên các đặc tính mới cho hệ thống mà ĐK analog không thể làm được. Hình2.4 : Hệ thống điều khiển số 17
Hình trên minh họa khái quát cấu trúc của hệ thống ĐK số ta thường hay gặp, trong đó thiết bị ĐK số (sử dụng μC) nhận các tín hiệu ra y(t) của đối tượng do khâu đo (sử dụng khâu biến đổi tương tự - số, khâu ADC) đưa tới dưới dạng chuỗi số y(k), sau khi chế biến hay xử lý chuỗi số theo một thuật toán nhất định (cài đặt dưới dạng phần mềm), μC sẽ thông qua thiết bị ĐK (sử dụng khâu biến đổi số - tương tự, khâu DAC) tạo nên tín hiệu vào u(t) nhằm áp đặt các quyết định ứng xử của mình lên đối tượng ĐK. 2.1.5. Mô tả hệ thống điều khiển số Phương pháp chế biến hay xử lý chuỗi số cài đặt dưới dạng phần mềm trên phần cứng μC thực chất là các thuật toán ĐK, thu được từ các ý tưởng thiết kế khác nhau. Điều này cho thấy khả năng linh hoạt to lớn mà ĐK số mở ra cho kỹ sư thiết kế, khác hẳn với những hạn chế của các hệ ĐK cổ điển sử dụng kỹ thuật tương tự. Dù được ĐK bởi hệ thống ĐK số, đối tượng ĐK vẫn giữ nguyên bản chất - thường là liên tục - của nó. Điểm khác cơ bản so với hệ ĐK tương tự là: Tín hiệu đầu vào u(t) (còn gọi là biến hay đại lượng ĐK) không còn dạng trơn quen thuộc mà có dạng bậc thang. Đây là đặc điểm quan trọng, có ý nghĩa quyết định khi đi tìm một mô hình thích hợp để mô tả đối tượng trong quá trình thiết kế hệ thống. Mặc dù khâu đo được biểu diễn tượng trưng bởi khâu ADC, không phải khâu đo nào trong thực tế cũng phải sử dụng vi mạch ADC cụ thể. Thiết bị đo tốc độ quay hay tốc độ chuyển động thẳng bằng đĩa hay thước khắc vạch xung quang học là ví dụ điển hình. Vậy ta phải hiểu khâu ADC theo nghĩa rộng, đó là: Khâu đo giá trị thực mang chức năng ADC. Tương tự khâu ADC, khâu DAC cũng phải được hiểu theo nghĩa rộng: Là thiết bị ĐK mang chức năng DAC. Sẽ rất hiếm khi ta sử dụng một vi mạch DAC để ĐK đối tượng. Có thể qua ví dụ thiết bị biến tần ĐK động cơ xoay chiều ba pha để thấy rõ điều này. Để dễ hiểu, ta hãy bố trí lại hình 1 dưới dạng sơ đồ cấu trúc ĐK quen biết như hình 2 dưới đây: Hình2.5 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển số 18
Trong hình 2, các khâu ADC (thiết bị đo giá trị thực) và DAC (thiết bị ĐK) đã được biểu diễn ghép với đối tượng ĐK, điều này sẽ nhắc nhở ta: Khi thiết kế khâu điều chỉnh số (ĐC số), tức là khi tổng hợp các thuật toán ĐK, ta phải sử dụng mô hình đầy đủ của đối tượng ĐK, bao gồm mô hình nguyên thủy của đối tượng, được bổ sung thêm các khâu động học mô tả đặc điểm của ADC và DAC với các tín hiệu đặc thù truyền thông giữa chúng. 2.2. Giới thiệu mạch điều chỉnh Lý thuyết điều chỉnh tự động là môn khoa học nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động về những quy luật của các quá trình xảy ra trong hệ thống. Nhiệm vụ chính của ngành khoa học này là xây dựng những hệ tự động tối ưu và gần tối ưu bằng những biệt pháp kỹ thuật, đồng thời nghiên cứu các vấn đề thuộc về tĩnh học và động học của hệ thống đó. Những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều chỉnh tự động giúp chúng ta chọn được cấu trúc hợp lý của hệ thống, xác định trị số tối ưu của thông số, đánh giá tính ổn định và những chỉ tiêu chất lượng của quá trình điều chỉnh. Tiền thân của môn khoa học kỹ thuật điều chỉnh tự động ngày nay là kỹ thuật và lý thuyết điều chỉnh máy hơi nước bắt đầu vào thời kỳ Cách mạng công nghiệp của Chủ nghĩa Tư Bản. Năm 1765 xuất hiện một cơ cấu điều chỉnh công nghiệp đầu tiên đó là bộ điều chỉnh tự động mức nước trong nồi hơi của Nhà cơ học Nga U - U - (Pôlzunốp ). Hệ thống điều chỉnh mức nước này được thể hiện sơ lược trên hình vẽ sau: Hình 2.6: Bộ điều chỉnh mức nước trong nồi hơi Gần 20 năm sau, năm 1784 Jame Watt nhà cơ học người Anh đã nhận bằng sáng chế về bộ điều tốc máy hơi nước kiểu con quay ly tâm. Về nguyên lý điều chỉnh thì bộ điều tốc của Jame Watt không khác so với bộ điều chỉnh mức nước của Polzunốp, nhưng khác hoàn toàn về cấu tạo và mục đích ứng dụng. 19