Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử): Phần 1 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

Chia sẻ: Ca Phe Sua | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Nhập môn cơ điện tử cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản cơ điện tử; Khái niệm điều khiển và điều chỉnh; Cơ cấu chấp hành; Kỹ thuật đo lường, cảm biến; Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử; Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình.

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): Phần 1 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Cơ điện tử ở trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp, giáo trình Nhập môn cơ điện tử là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun Nhập môn cơ điện tử. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, lôgíc. 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. Giáo trình nội bộ này do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm nhiều năm làm công tác trong ngành đào tạo chuyên nghiệp. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn 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 ngành. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
3 MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 2 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3 BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ ...................................................... 7 Nội dung chính: ............................................................................................................. 7 1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử............................................................................... 7 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử ............................................................ 7 3. Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử ............................................. 10 4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử ................................................................................ 12 BÀI 2: KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU HÀNH ............................................... 14 Nội dung chính: ........................................................................................................... 15 1. Kỹ thuật điều khiển ................................................................................................ 15 2. Giới thiệu mạch điều chỉnh .................................................................................... 17 BÀI 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH ................................................................................... 20 Nội dung chính: ........................................................................................................... 20 1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành ....................................... 20 2. Cơ cấu chấp hành điện từ ....................................................................................... 23 3. Cơ cấu chấp hành thủy khí ..................................................................................... 27 4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt ........................................................................ 28 BÀI 4: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN ........................................................... 45 Nội dung chính: ........................................................................................................... 45 1. Kỹ thuật đo lường................................................................................................... 45 2. Các thông số đặc trưng cảm biến. .......................................................................... 46 3. Giới thiệu các loại cảm biến ................................................................................... 49 BÀI 5: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ..... 66 Nội dung chính: ........................................................................................................... 66 1. Một số hệ đếm điển hình ........................................................................................ 66 2. Chuyển đổi cơ số .................................................................................................... 70 3. Mã số ...................................................................................................................... 72 4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu ...................................................................................... 75
4 5. Bài tập ứng dụng .................................................................................................... 83 BÀI 6: CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH HỆ THỐNG CƠ DIỆN TỬ ................................... 85 Nội dung chính: ........................................................................................................... 85 1. Mô hình nồi cơm điện tự động. .............................................................................. 85 2. Mô hình máy ép nhựa............................................................................................. 88 3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC. .......................................................... 90 4. Mô hình phân loại sản phẩm tự động ..................................................................... 92 5. Mô hình rôbốt công nghiệp. ................................................................................... 96 6. Học sinh tự tìm tòi mô hình và phân tích tổng quan chức năng ............................ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 99
5 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN Tên mô đun: Nhập môn cơ điện tử Mã mô đun: MĐ CĐT 18 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/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 tích hợp lý thuyết với thực hành. - Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: - Mục tiêu của môn học/mô đun: - Về kiến thức: + 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. - Về kỹ năng: + Nhận biết các loại hình thông tin trong hệ thống cơ điện tử. + Bước đầu làm quen được với các mô hình cơ điện tử. + Phân biệt các dạng sản phẩm cơ điện tử trong công nghiệp. - Về thái độ: + Rèn luyện thái độ làm việc chuyên nghiệp; tinh thần tích cực học tập, chủ động trau dồi kiến thức, tu dưỡng đạo đức nghề nghiệp. Nội dung của mô đun: Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra bài tập 1 Bài 1: Các khái niệm cơ bản cơ điện tử 3 3 1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử 3. Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử 4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử
6 2 Bài 2: Khái niệm điều khiển và điều 4 2 2 chỉnh. 1. Kỹ thuật điều khiển 2. Giới thiệu mạch điều chỉnh 3 Bài 3: Cơ cấu chấp hành. 4 1 3 1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành 2. Cơ cấu chấp hành điện từ 3. Cơ cấu chấp hành thủy khí 4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt 4 Bài 4: Kỹ thuật đo lường, cảm biến. 5 1 4 1. Kỹ thuật đo lường 2. Các thông số đặc trưng cảm biến. 3. Giới thiệu các loại cảm biến 5 Bài 5: Khái niệm xử lý thông tin trong 5 1,5 3,5 hệ thống cơ điện tử 1. Một số hệ đếm điển hình 2. Chuyển đổi cơ số 3. Mã số 4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu 5. Bài tập ứng dụng 6 Bài 6: Các ví dụ điển hình hệ thống cơ 6 0,5 4,5 1 điện tử. 1. Mô hình nồi cơm điện tự động. 2. Mô hình máy ép nhựa. 3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC. 4. Mô hình phân loại sản phẩm tự động 5. Mô hình rôbốt công nghiệp. 6. Học sinh tự tìm tòi mô hình và phân tích tổng quan chức năng Thi kết thúc mô đun 3 3 Cộng 30 9 17 4
7 BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ Mã bài: Giới thiệu: Cơ điện tử không chỉ là một cấu trúc thuận tiện cho nghiên cứu khảo sát của các nhà khoa học mà còn là một phương thức hoạt động thực tiễn kỹ thuật hiện đại.Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp Mục tiêu: - Khái quát và định hình được thế nào là một hệ thống cơ điện tử. - Phân loại được các loại hệ thống cơ điện tử. Nội dung chính: 1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử  Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”  “Cơ điện tử là sự áp dụng tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của các hệ vật lý”  “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”  “Một hệ Cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp các hệ cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển, nó là sự tích hợp đầy đủ của tất cả các hệ trên”. Một định nghĩa còn chưa có sự thống nhất rộng rãi cho thấy đây là một lĩnh vực bản thân nó chưa hoàn toàn định hình, mà đang tiếp tục định hình. Cơ điện tử không chỉ là một cấu trúc thuận tiện cho nghiên cứu khảo sát của các nhà khoa học mà còn là một phương thức hoạt động thực tiễn kỹ thuật hiện đại. 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử Lược đồ sau đây mô tả tương đối dễ hiểu các thành phần chính của Cơ điện tử (xem hình 1.1), năm thành phần cơ bản trong sơ đồ này là đối tượng nghiên cứu của tất cả các giáo trình cơ điện tử, việc trình bày theo cấu trúc này làm cho
8 người đọc có tư duy thống nhất, tiện cho việc theo dõi các lĩnh vực liên quan đến từng vấn đề. Trong quỹ thời gian có hạn các vấn đề sẽ được trình bày với trọng số khác nhau trên cơ sở phù hợp với nền tảng kiến thức của sinh viên ngành cơ khí. Hình 1.1: Các thành phần chính của cơ điện tử Có ba loại hệ cơ điện tử như sau nếu dựa trên quan điểm các lý thuyết cơ sở được áp dụng: - Hệ cơ điện điện tử truyền thống; - Hệ cơ điện tử kích thước micro; - Hệ cơ điện tử kích thước nano. Hình 1.2: Phân loại và các lý thuyết cơ sở được áp dụng trong hệ thống CĐT Sản phẩm cơ điện tử hiện đang được chia làm bốn lớp như sau: - Lớp I: các sản phẩm cơ khí là chính có sự kết hợp của điện tử để nâng cao tính năng, ví dụ các máy công cụ điều khiển số CNC;
9 - Lớp II: các hệ cơ khí truyền thống với sự hiện đại hóa đáng kể các thiết bị bên trong bằng việc kết hợp với các thiết bị điện tử, giao diện người dùng bên ngoài không đổi, ví dụ như máy khâu hiện đại. - Lớp III: các hệ thống giữ lại chức năng của hệ cơ khí truyền thống nhưng máy móc bên trong được thay thế bằng các thiết bị điện tử, vd đồng hồ số. - Lớp IV: các sản phẩm được thiết kế bởi các công nghệ cơ khí và điện tử tích hợp hỗ trợ nhau, Ví dụ máy photocopy, nồi cơm điện. Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử có thể khái quát trong lược đồ sau: Hình 1.3: Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử Các thuộc tính cuả thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử. Bảng 1.1 : Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử Thiết kế truyền thống Thiết kế cơ điện tử
10 Các thành phần phải thêm vào Tích hợp các thành phần (phần 1. To lớn cứng) 2. Kết cấu phức tạp 1. Nhỏ gọn 3. Vấn đề dây dẫn 2. Kết cấu đơn giản 4. Các thành phần kết nối 3. Truyền thông không dây hoặc bus Điều khiển đơn giản 4. Các thiết bị tự trị 5. Cấu trúc cứng nhắc Tích hợp bởi xử lý thông tin 6. Điều khiển truyền thẳng, tuyến tính (phần mềm) 5. Cấu trúc mềm dẻo với phản hồi 7. Độ chính xác nhờ dung sai hẹp điện tử 6. Điều khiển số phản hồi khả lập trình (phi tuyến) 8. Các 3. Thiết lậpđại môlượng hìnhkhông đo năng và chức được hệ thống cơ điện tử thay 7. Độ chính xác nhờ đo lường và Sựđổi tùychia phân tiện chức năng giữa cơ khí và điện tử: điều khiển phản hồi. Trong 9. Theothiết dõikế hệ cơ điện tử sự tác động qua lại của các phần cơ khí và điện đơn Điều trọng. tử nhằm thực hiện các chức năng là điều rất8. quan khiển các đại lượng So với không việc thực hiện các giản 10.Khả chức năng cơ khí đơn thuần sử dụng các bộ đo khuếch được mà đạiước vàlượng cơ cấuđược. chấp hành với năng cố định năng lượng điện phụ trợ đã mang đến sự đơn giản hóa đáng kể cho các thiết bị 9. Giám sát với chẩn đoán lỗi. như đồng hồ đeo tay, camera. Một sự đơn giản hóa trong cơ khí bắt nguồn từ việc mang máy tính kết nối với các thiết bị điện 10. Khả phân tán.năng tự học 1.1 Các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử 1.1.1 Đầu vào bộ chuyển đổi cảm biến Tất cả các đầu vào của hệ cơ điện tử đều bắt nguồn từ một vài dạng cảm biến hoặc từ các hệ thống khác. Cảm biến có thể được phân loại ra thành hai nhóm, cảm biến chủ động và cảm biến thụ động. Cảm biến chủ động phát ra tín hiệu để ước tính thuộc tính của môi trường và thiết bị được đo còn cảm biến thụ động thì không. Đầu vào của bộ cảm biến thường là một tín hiệu tương tự, dạng đơn giản nhất của tín hiệu tương tự là mức điện áp có mối liên hệ trực tiếp với điều kiện đầu vào. Dạng thứ hai là thiết bị điều chế độ rộng xung. Dạng thứ ba là sóng điều biên hoặc điều tần, trong một số trường hợp kết hợp cả điều biên và điều tần. Những thay đổi này phản ánh sự biến đổi của trạng thái được theo dõi. 1.1.2 Bộ biến đổi tương tự số (A/D) Các bộ biến đổi này có thể được phân loại theo hai thông số, dải tín hiệu đầu vào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số. Chẳng hạn biến đổi mức điện áp trong khoảng 0 – 12 V thành một byte đơn 8 bit. Chẳng hạn các van servo nhận tín hiệu analogue từ thiết bị chỉ huy dưới dạng dòng điện hoặc điện áp, nếu là van hiệu suất cao có sử dụng cảm biến vị trí, nó sẽ chuyển tín hiệu về thiết bị điều khiển dưới dạng analogue. Nếu thiết bị điều khiển kiểu vi xử lý khi tiếp nhận tín hiệu này sẽ cần chuyển đổi A/D để tiếp tục xử lý. 1.2 Các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử
11 1.2.1 Bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển là một giá trị nhị phân dưới dạng bit, byte 8 bit hoặc 16 bit. Tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ chuyển đổi D/A. Chẳng hạn biến đổi một giá trị 8 bit thành điện áp trong khoảng 0 – 12 V. Chẳng hạn tín hiệu số từ vi xử lí cần chuyển thành tín hiệu tương tự khi chuyển xuống điều khiển van servo. Tín hiệu thích hợp có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hoặc hiệu điện thế. 1.2.2 Đầu ra của cơ cấu chấp hành Có ba cơ cấu chấp hành thường sử dụng trong các hệ cơ điện tử là chuyển mạch, solenoit và động cơ. Chuyển mạch là thiết bị trạng thái đơn giản để điều khiển một hoạt nào đó như bật tắt lò sưởi, các chuyển mạch bao gồm rơle, và các thiết bị liền khối như điôt, thyristor, tranzitor lưỡng cực, tranzitor trường. chuyển mạch có thể được kết hợp với cảm biến giúp bật tắt một phần hoặc toàn bộ các chức năng của cảm biến. Solenoid là thiết bị bao gồm lõi sắt chuyển động được, lõi sắt này được kích hoạt bởi một dòng điện. Sự chuyển động của nó giúp điều khiển dòng thủy lực hoặc khí nén, thiết bị này được ứng dụng nhiều trong các hệ thống phanh và trong công nghiệp chất lỏng. Cơ cấu chấp hành kiểu động cơ có ba loại chính gồm: - Động cơ điện một chiều DC; - Động cơ điện xoay chiều AC; - Động cơ bước. Trong đó động cơ điện một chiều DC có thể điều khiển bởi điện áp DC cố định hoặc thiết bị điều chế độ rộng xung. Nhìn chung động cơ AC rẻ hơn động cơ DC nhưng đòi hỏi điều khiển tần số để điều khiển tốc độ quay, trong khi động cơ bước sẽ quay đi một góc ứng với mỗi xung đầu vào. 1.3 Xử lý tín hiệu Xử lý tín hiệu là việc thay đổi một tín hiệu để nó có ích hơn đối với một hệ thống. Hai dạng xử lý tín hiệu quan trọng là chuyển đổi giữa tín hiệu D/A và A/D. Ngoài ra lọc cũng là một dạng xử lý tín hiệu quan trọng. Lọc là làm suy giảm bớt tần số nào đó của tín hiệu, quá trình này có thể loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu và giúp xử lý đường truyền để chuyển tải dữ liệu tốt hơn. Bộ lọc có thể được chia thành bộ lọc tương tự và bộ lọc số. Trong đó bộ lọc tương tự lại chia thành bộ lọc chủ động và lọc bị động. Các bộ lọc cũng có thể phân biệt trên các loại tần số bị ảnh hưởng: - Bộ lọc thông thấp cho phép các tần số thấp hơn đi qua, còn các tần số cao sẽ bị làm suy giảm; - Ngược lại với bộ lọc thông thấp là bộ lọc thông cao, cho phép các tần số cao đi qua và lọc các tần số thấp.
12 4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử Cũng gióng như cơ điện tử, có khá nhiều khái niệm khác nhau ve hệ thong cơ đ i ệ n t ử . Chúng ta hãy kháo sát một số quan điểm sau của Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty. Sau thành công của các ngành công nghiệp trong sán xuất và bán hàng trên thị trường thế giới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp cúa Điện – Điện tử và công nghệ thông tin hoc vào trong các sán phẩm cơ khí và các phương thức sản xuấtt cơ khí. Ðặc tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại-xe ô tô, máy giặt, robot, máy công cụ… cũng như việc sản xuất chúng phụ thuộc rất nhiều khả năng cúa ngành công nghiệp về ứng dụng những ky thuật mới vào trong 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 hoat hơn so vói các hệ thống trưóc đây. Ranh giới giua điện và điện tử , máy tính và cơ khí đã dần dần thay thế bởi sự kết hợp giua chúng. Sự kết hợp này đang tiến tới một hệ thống mới đó là : 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 v ớ i các phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực hiện. Sự kết hợp này được trình bày ở hình sau, bao gồm các phần riêng biệt Ðiện – điện tử, cơ khí và máy tính liên kết chúng lại trong các lĩnh vực giáo dục và đào tạo, công việc thực tế , các ngành công nghiệp sản xuất thị trường. Cơ khí Điện-điện tử Máy tính GD & ÐT CV thực tế CN sản xuất Thị trường Hình 1.5: Sự liên kết của các thành phần trong Hệ Thống Cơ Điện Tử theo Bradley  Quan điểm của Okyay Kaynak: Theo quan điểm của Okyay Kaynak, giáo sư thổ nhĩ kỳ định nghĩa về Hệ Thống Cơ Điện Tử như sau:
13  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 má 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 Ngõ vào Ngõ ra Ðộng cơ Nguồn điện Động cơ quay Cấu trúc Hệ Thống Cơ điện tử theo Bolton Bài tập: 1. Cơ điện tử là gì? 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử. 3. Phân tích các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử. 4. Phân tích các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử. 5. Nêu một số ví dụ về hệ cơ điện tử.
14 BÀI 2: KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU HÀNH Mã bài: Giới thiệu: Một hệ thống cơ điện tử là quá trình thu thập dữ liệu đầu vào và xử lý tín hiệu đầu vào để điều chỉnh và điều khiển các tín hiệu đầu ra. Vì vậy quá trình điều khiển và điều chỉnh là phần không thể thiếu trong hệ thống cơ điện tử.
15 Mục tiêu: - Nắm được các khái niệm về điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. - Thiết kế và phân tích một số quá trình điều khiển và điều chỉnh cơ bản. Nội dung chính: 1. Kỹ thuật điều khiển Nhằm đơn giản hoá các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống tự động người ta thường chuyển phương trình động học của hệ ở dạng phương trình vi phân viết với các nguyên hàm x(t), y(t) thành phương trình viết dưới dạng các hàm số X(s), Y(s) thông qua phép biến đổi Laplace. Ví dụ xét hàm số x(t) – hàm số của biến số t (biến số thực, ở đây t là thời gian) ta gọi là nguyên hàm. Ta cho phép biến đổi hàm số x(t) thông qua tích phân:  X (s)   x(t ).e st .dt (2.15) 0 trong đó: s = + j - biến số phức, biến đổi (2.15) hàm x(t) thành hàm biến số X(s) được gọi là là biến Laplace, và X(s) được gọi hàm ảnh. Như vậy hàm ảnh là một hàm biến số phức s. Phép biến đổi Laplace được ký hiệu sau: L{x(t)}=X(s) hoặc x(t)  X(s) Giả sử nguyên hàm x(t) có các điều kiện ban đầu không, tức là với t=0 giá trị của hàm x(t) và các bậc đạo hàm dix(t) / dti với i = 1, 2, 3, …, (n-1) đều bằng 0, tính theo tính chất của phép biến đổi Laplace (định lý về ảnh đạo hàm của nguyên hàm) chúng ta có:  d i x(t )  Lai i   ai .s i . X (s)  dt  (2.16) i  1, 2, 3,, n Nhân hai vế của phương trình (2.6) với e-st , sau đó lấy tích phân theo t từ 0 đến , tức là lấy biến đổi Laplace của hai vế phương trình, với giả thiết rằng các hàm x(t), y(t) có các điều kiện ban đầu bằng 0, dựa theo tính chất tuyến tính của phép biến đổi Laplace , phương trình (2.6) sẽ có dạng: a0 s nY (s)  a1 s n1Y (s)    an1 sY (s)  anY (s)  (2.17)  b0 s n X (s)  b1 s m1 X (s)    bm1 X (s)  bm X (s) Ở đây, Y(s), X(s) – là các biến đổi Laplace của hàm lượng ra và hàm lượng vào của hệ. Phương trình (2.17) được gọi là phương trình động học mô tả quan hệ vào ra của hệ viết dưới dạng toán tử Laplace.Đây là phương trình đại số, vói
16 n và m là các số mũ của biến số s giải phương trình (2.17) ứng với lượng ra Y(s). b0 s m  b1 s m1    bm1 s  bm Y ( s)  X ( s) (2.18) a0 s n  a1 s n1    an1 s  an Chúng ta ký hiệu: b0 s m  b1 s m1    bm1 s  bm W ( s)  (2.19) a0 s n  a1 s n1    an1 s  an và gọi biểu thức đại số này là hàm số truyền (hoặc hàm truyền đạt) của hệ thống tự động (hay của một phần tử của nó). Khi đó Y(s) = W(s)X(s) (2.20) Hoặc W(s) = Y(s) / X(s) (2.21) Vậy hàm số truyền (H S T) của hệ thống (hay của một phần tử ) tự động là tỷ số hàm ảnh của lượng ra với hàm ảnh của lượng vào của nó (qua phép biến đổi Laplace) với giả thiết tất cả các điều kiện đều bằng không. Biểu thức (2.19) cho chúng ta thấy, HST là một hàm phân số hữu tỷ của biến s, có bậc các đa thức thoả mãn m  n. Giả thiết điều kiện ban đầu của các hàm lượng vào và lượng ra đều bằng không là phù hợp với điều kiện thường gặp trong các hệ thống ĐKTĐ. Phương trình (2.20) cho phép xác định hàm ảnh của lượng ra nếu biết hàm ảnh của lượng vào và biểu thức HST của hệ. Như vậy HST hoàn toàn xác định các tính chất động học của hệ thống. Để xác định nguyên hàm của lượng ra, tức là xác định y(t) khi biết x(t) có thể biến đổi ngược Laplace, theo đó:   j y(t )  L1 Y (s)  1 Y (s).e 2 j   j st ds (2.22) Đó là phương pháp toán tử để giải phương trình vi phân. Nếu Y(s) là hàm đơn giản,chúng ta có thể sử dụng bảng biến đổi Laplace của các hàm đơn giản điển hình, có trong phụ lục các sách nói về biến đổi Laplace, để tra cứu nguyên hàm y(t). Nếu hàm ảnh Y(s) là hàm phức tạp, cần phân tích chúng thành tổ hợp tuyến tính các hàm đơn giản, mà chúng ta đẵ biết nguyên hàm của nó. Nguyên hàm y(t) chính là tổ hợp tuyến tính của các nguyên hàm thành phần.
17 2. Giới thiệu mạch điều chỉnh Trong mạch điện có các phần tử cơ bản là điện trở (R), điện cảm (L) và tụ điện (C). a) Điện trở R Hình 2.5: Điện trở Điện áp rơi tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua điện trở: 1 1. v(t )  Ri i(t )  v(t ) ZR R Thông qua phép biến đổi Laplace ta có được hàm truyền của điện trở là I 1 2. G R   (2.23) U R b) Điện cảm L Hình 2.6 : Điện cảm L Điện áp rơi trên điện cảm là di(t ) 1 v(t )  L  i(t )   v(t )dt (2.24) dt L0 Thông qua biến đổi Laplace ta tính được trở kháng Z và hàm truyền của điện cảm L
18 I 1 3. Z  Ls GL   (2.25) U L Ls c) Tụ điện C Hình 2.7 : Tụ điện C Điện áp rơi trên điện dung là 1 dv(t ) v(t )   i(t )dt  i(t )  C (2.26) C0 dt Trở kháng và hàm truyền đạt của tụ điện 1 I Z GC   Cs (2.27) C UC d) Các phần tử R, L và C mắc nối tiếp Hình 2.8 : Sơ đồ các phần tử mạch điện RLC mắc nối tiếp di UV  Ri  L  Ur dt 1 dU r di d 2U r U r   idt  i  C  C (2.28) C0 dt dt dt 2 d 2U r dU r  LC 2  RC  U r  UV dt dt Thực hiện phép biến đổi Laplace ta có (LCs2 + RCs + 1) Ur = Uv (2.29) Rút ra được hàm truyền là:
19 Ur 1 LC G( s )   (2.30) UV R 1 s2  s  L LC e) Các phần tử mắc song song I U R L C Ur V Hình 2.9: Sơ đồ các phần tử mạch điện RLC mắc song song Dòng điện của mạch điện là U I (2.31) Z Tổng trở của mạch song song được tính là 1 1 1 1 RLCs 2  Ls  R     (2.32) Z R Ls 1 / Cs RLs Hàm truyền của hệ thống là 1 1 s2  s I 1 RC LC G( s)    (2.33) U Z 1 s C Bài tập: 1. Điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử là như thế nào? 2. Nêu các kỹ thuật điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. 3. Nêu các mạch hay sử dụng trong kỹ thuật điều chỉnh. 4. Thiết kế một quá trình điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. 5. Phân tích quá trình điều khiển và điều chỉnh đó.
20 BÀI 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH Mã bài: Giới thiệu: Kết quả của một hệ thống cơ điện tử là các hoạt động của cơ cấu chấp hành. Yêu cầu công nghệ hay độ chính xác của cơ cấu chấp hành là không thể thiếu trong hệ thống cơ điện tử. Phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số cơ cấu chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cơ điện tử Mục tiêu: - Nắm được nguyên lý điều khiển của một số cơ cấu chấp hành của hệ thống cơ điện tử. - Cân chỉnh các cơ cấu chấp hành để hệ thống hoạt động chính xác, độ tin cậy cao. - Bảo trì, bảo đưỡng, sửa chửa được cơ cấu chấp hành đơn giản. Nội dung chính: 1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành Các cơ cấu dẫn động (hay cơ cấu chấp hành) được bố trí giữa các thiết bị điều chỉnh hoặc điều khiển của hệ thống và được hệ thống điều khiển. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động trong một hệ thống cơ điện tử minh họa trên hình 3.1 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động Các giao diện kết nối giữa các phần tử có nhiều kiểu khác nhau như cơ khí, điện, thủy khí hoặc các cơ cấu dẫn động kiểu mới dự trên nguyên lý áp điện. Việc điều khiển các cơ cấu dẫn động thường diễn ra nhờ các tín hiệu đặt được truyền dẫn thông qua các giao diện chuẩn của một bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý này đảm nhiệm việc biên dịch các lệnh điều chỉnh và điều khiển. Các đại lượng đầu ra của