+ Đáp ứng nhu cầu của người vận hành một cách kịp thời và chính xác + Có thể được lắp đặt vào các cơ sở hiện có mà không cần sửa đổi ít hoặc không thay đổi cấu trúc của môi trường hoạt
TỔNG QUAN
Tổng quan
Theo số liệu thống kê, lượng rác thải mỗi ngày tại Việt Nam là vào khoảng 50.000 tấn Trong đó, các đô thị có lượng rác thải là vào khoảng 35.000 tấn/ngày chiếm 70%, còn lại là ở các vùng nông thôn Các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh đang hằng ngày thải ra lượng rác từ 7.000 đến 8.000 tấn
Hiện nay, tốc độ đô thị hóa ở Việt Nam đang rất nhanh với tỷ lệ vào khoảng hơn 30% và có khoảng 858 đô thị trên toàn quốc Tổng lượng chất thải hàng năm vào khoảng hơn 15 triệu tấn, trong đó rác thải sinh hoạt tại các đô thị là 11,8 triệu tấn/năm Mỗi năm lượng rác thải lại gia tăng nhanh chóng với tốc độ hơn 10% Đây là những số liệu thống kê lượng rác thải ở Việt Nam rất đáng báo động gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng nhất là tại các đô thị lớn
Với một nước phát triển công nghệ như Nhật Bản thì họ đã chế tạo ra được loại Robot thu gom rác ở bãi biển Robot bốn bánh được phát triển bởi BC-Robop, dài 1,4 mét và nặng khoảng 200 kg, đi theo các tình nguyện viên khi họ đi làm sạch rác trên bãi biển Họ thu gom rác vào trong một giỏ được Robot kéo, có thể mang tới 15 kg chất thải cùng một lúc Lần này nó vận chuyển khoảng 180 kg rác trong 90 phút Robot có thể nhận ra con người và tự động đi theo họ khi họ di chuyển xung quanh để tìm kiếm rác Các nhà nghiên cứu có kế hoạch trang bị cho nó một cánh tay cơ khí để nó có thể tự nhặt rác
Hình 1 1 Robot thu gom rác ở bãi biển Nhật Bản
Xã hội càng phát triển hiện đại, khoa học kỹ thuật tiên tiến, chủng loại chất thải càng nhiều, phong phú và đa dạng về số lượng, vấn đề xử lý và thu gom chúng không gây ô nhiễm môi trường là vấn đề cần làm đối với đô thị lớn Do đó phải có một loại Robot thông minh dùng để thu gom và dọn dẹp rác ở những nơi công cộng
Hình 1 2 Hình ảnh biếm họa sự ô nhiễm của Trái Đất
Đặt vấn đề
Trong thời đại ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học công nghệ nói riêng và tất cả các ngành, các lĩnh vực nói chung Song song với sự phát triển đó thì vẫn đề ô nhiễm môi trường vẫn đang là một điểm nhấn nguy hiểm cho môi trường sống của con người trên toàn thế giới Sự ô nhiễm cho đến thời điểm hiện tại thì không chỉ dừng lại cụ thể ở môi trường sống nào mà có thể nói là tất cả Chính vì vậy, việc bảo vệ và cải thiện môi trường sống không chỉ đơn thuần là mọi người tự ý thức về cách sống, về suy nghĩ mà cụ thể là những giải pháp, những gì mà thực tiễn để bắt tay vào làm sạch sự ô nhiễm đó Để đối phó với khối lượng rác khổng lồ được thải ra hàng ngày, thì cần số lượng nhân công rất lớn để thu gom hết, có khi người ta không thể thu gom sạch hết được lượng rác này làm cho rác còn tồn động khá nhiều và nguy cơ gây ra ô nhiễm là rất lớn
Hình 1 3 Hình ảnh rác trong những ngày lễ, tết
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cách mạng công nghệ 4.0, sự tham gia của máy móc vào các hoạt động thường ngày đã đóng vai trò rất quan trọng, hỗ trợ cuộc sống của con người dễ dàng hơn, tiện lợi hơn Các loại Robot thay thế sức lao động của con người trong rất nhiều các hoạt động sản xuất, lao động, Đặc biệt trong cộng đồng cũng đã có sự xuất hiện của rất nhiều các loại thiết bị công nghệ hiện đại để giải phóng sức lao động của các nhân lực, hỗ trợ người công nhân để có thể đạt được năng suất tốt hơn mỗi ngày
Vì vậy đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Robot Dọn Rác Ứng Dụng Bánh Đa
Hướng Swerve Wheel”của nhóm thực hiện là những sinh viên trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Tp.HCM ngoài việc ý tưởng và mong muốn góp phần cải thiện môi trường sống, một phần nào đó giúp cho môi trường cộng đồng xanh, sạch, đẹp hơn và đó còn là sự vận dụng trải nghiệm những gì đã học được vào đề tài nhằm đạt được mục đích đề ra sao cho hiệu quả nhất.
Nghiên cứu tổng quan trong nước và ngoài nước
Trên thế giới, Robot tự hành đã được nghiên cứu phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng do tích hợp các công nghệ mới nhất, điển hình là Axter Automation Robot tự hành của Axter Automation có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng để vận chuyển nhiều loại vật liệu khác nhau bao gồm pallet, cuộn, giá đỡ, xe đẩy và thùng chứa
➢ Lợi ích của Robot AGV trong Axter Automation:
+ Tăng hiệu quả và giảm chi phí bằng cách giúp tự động hóa cơ sở sản xuất hoặc nhà kho
+ Đáp ứng nhu cầu của người vận hành một cách kịp thời và chính xác
+ Có thể được lắp đặt vào các cơ sở hiện có mà không cần sửa đổi ít hoặc không thay đổi cấu trúc của môi trường hoạt động không giống như các giải pháp tự động hóa thông thường thường yêu cầu sửa đổi tốn kém
+ Có thể được triển khai nhanh chóng trong bất kỳ cơ sở nào và các phương tiện có thể dễ dàng tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu của tải trọng được vận chuyển
+ Hoạt động gần như suốt ngày đêm mà không cần thời gian nghỉ ngơi và nghỉ dưỡng
+ Có tuổi thọ lâu dài (trên 10 năm)
Hình 1 4 Robot AGV trong Axter Automation
➢ Dưới đây là một số ứng dụng của Robot tự hành AGV trong Axter
+ Xử lý nguyên liệu thô: AGV thường được sử dụng để vận chuyển các nguyên liệu thô như giấy, thép, cao su, kim loại và nhựa Điều này bao gồm việc vận chuyển nguyên vật liệu từ nơi nhận đến kho và đưa nguyên vật liệu trực tiếp đến dây chuyền sản xuất
+ Chuyển động đang tiến hành: chuyển động trong quá trình làm việc là một ứng dụng AGV rất phổ biến và bao gồm chuyển động lặp đi lặp lại của vật liệu trong suốt quá trình sản xuất
+ Xử lý pallet: xử lý pallet là một ứng dụng cực kỳ phổ biến cho các AGV vì chuyển động lặp đi lặp lại của các pallet là rất phổ biến trong các cơ sở sản xuất và phân phối
+ Xử lý thành phẩm: di chuyển thành phẩm từ nơi sản xuất đến kho chứa hoặc vận chuyển là quá trình di chuyển cuối cùng của nguyên vật liệu trước khi chúng được giao cho khách hàng Những chuyển động này thường yêu cầu xử lý vật liệu nhẹ nhàng nhất vì sản phẩm đã hoàn thiện và có thể bị hư hỏng do xử lý thô
+ Xử lý vật liệu nguy hiểm: một số xử lý vật liệu tốt hơn nên để một AGV Vật liệu hoặc sản phẩm được mang theo có thể nguy hiểm hoặc môi trường hoạt động thực tế mà AGV đang vận hành có thể gây hại (ví dụ như phóng xạ, hóa chất, v.v.) đối với người vận hành
Hình 1 5 Ứng dụng của Robot tự hành AGV trong Axter Automation
Trong thời đại công nghệ 4.0, bệnh viện đang trở thành giống như các nhà máy, do đó, các hệ thống AGV sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng để đảm bảo tính khả dụng và hiệu suất hậu cần tối ưu
➢ Một số lý do lại áp dụng Robot tự hành trong khuôn viên bệnh viện?
− Tăng lương cho nhân viên
− Những cải tiến trong công nghệ cảm biến để bản địa hóa và điều hướng, để nhận biết môi trường và tránh va chạm, để quản lý đội xe và theo dõi vật chất, cũng như chẩn đoán chi tiết hơn về các phương tiện cá nhân
− Cần hạn chế tối đa các trường hợp nhiễm trùng theo yêu cầu của Bệnh viện nên các trường hợp nhiễm trùng do người dân di chuyển trong Bệnh viện
− Đặc biệt là thế giới đang trong giai đoạn chống dịch COVID đang diễn ra một cách mất kiểm soát ở nhiều nơi trên thế giới thì xe tự hành giúp giảm thiểu khoảng cách giữa người với người hơn
➢ Hiệu quả của việc sử dụng xe AGV trong bệnh viện?
+ Robot AGV cho bệnh viện đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động hàng ngày và giúp nhân viên tập trung vào chuyên môn chăm sóc chính của họ để cung cấp dịch vụ chăm sóc bệnh nhân tốt hơn
+ Giúp cải thiện dịch vụ bệnh nhân, chất lượng chăm sóc bệnh nhân, hiệu quả của việc hoạt động, kết quả kinh doanh
+ Hạn chế sự tiếp xúc giữa người với người để tránh sự lây lan bệnh tật
➢ Ứng dụng của xe AGV trong bệnh viện?
Chúng ta đã thấy nó ở nhiều nơi, việc di chuyển thứ gì đó từ điểm A đến điểm B là một hoạt động phi giá trị gia tăng có thể được thực hiện bởi một Robot di động Đặc biệt, nhiệm vụ chính của AGV tại các bệnh viện là vận chuyển:
− Bữa ăn từ bếp đến buồng bệnh và việc trả lại các khay trống cho bếp
− Thùng rác và xe đẩy Quản lý đầy đủ và trống
− Vận chuyển các loại khăn vải (sạch và bẩn)
− Thuốc và các vật tư khác trong bệnh viện (nhà thuốc, phòng thí nghiệm, v.v.)
− Hơn nữa, nhiều người di chuyển xe đẩy giữa các khoa khác nhau của bệnh viện và có nhiều khả năng lây nhiễm và lây truyền bệnh hơn
− Trở thành bắt buộc để giảm thiểu sự lây lan của virus và vi khuẩn Robot di động không bị ốm, không ho và không chạm vào mọi thứ chúng tìm thấy trên đường đi của chúng
Giới hạn đề tài
Do ý tưởng thiết kế và thực hiện đề tài là Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Robot Dọn Rác Ứng Dụng Đế Đa Hướng còn khá mới mẻ và thời gian thực hiện đề tài tương đối ngắn, cùng với việc thi công chế tạo mô hình Robot, cũng như trình độ chuyên môn của nhóm thực hiện đề tài có hạn và nhiều yếu tố khách quan khác Chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành bản thuyết mình cũng như mô hình đồ án này, nhưng chỉ giải quyết được một số vấn đề chính đặt ra:
- Thiết kế, tính toán những phần quan trọng của Robot dọn rác
- Bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp của mô hình Robot
- Thiết kế thi công Board mạch cũng như hệ thống điều khiển Robot
- Lập trình điều khiển truyền động của Robot bằng bộ xử lý ARM
- Sử dụng công nghệ xử lý ảnh với Raspberry Pi 3
- Sử dụng đế đa hướng Swerve Wheel để truyền động
- Thi công chế tạo mô hình Robot dọn rác
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết về cơ khí
2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí
2.2.1 Lựa chọn cơ cấu lái
• Cơ cấu lái vi sai (differential drive)
Cơ cấu này điều khiển với hai bánh dẫn động phía sau để đạt được vận tốc và góc xoay mong muốn Xe cần có bánh tự lựa để giữ cân bằng
− Đơn giản về cơ khí và dễ dàng áp dụng
− Không cần cơ cấu bẻ lái
− Bán kính quay xe bằng không
− Điều khiển đồng thời vận tốc và hướng của xe bằng hai động cơ
− Khó điều khiển chạy thẳng do hai động cơ độc lập
− Dễ lật đối với xe chỉ có một bánh tự lựa trên địa hình gồ ghề
• Cơ cấu lái xe ba bánh (tricycle)
Cơ cấu này sử dụng một động cơ dẫn động cho hai bánh sau (có bộ vi sai) và một động cơ lái bánh trước hoặc bánh trước vừa dẫn động vừa lái
− Điều khiển dẫn động và bẻ lái độc lập
− Cơ cấu lái đơn giản (nếu bánh dẫn động phía sau)
− Di chuyển qua đoạn đường cong ổn định
− Dẫn động bánh sau cần có bộ vi sai (nếu không có sẽ bị trượt bánh lái)
− Dễ lật trên địa hình gồ ghề
• Cơ cấu lái đồng bộ (Synchronous drive, swerve drive)
Tất cả các bánh xe đều gắn động cơ dẫn động và bẻ lái Robot đa hướng có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào và có toàn quyền kiểm soát hướng của chúng khi chúng di chuyển Những Robot này thường được gọi là holonomic, bởi vì mọi mức độ tự do có thể có mà Robot có thể di chuyển trên mặt đất đều có thể được điều khiển ngay lập tức Đây là một lợi thế khác biệt so với các hệ thống truyền động truyền thống, vốn thiếu tính cơ động và thường yêu cầu điều khiển quỹ đạo phức tạp để đi đến các điểm tham chiếu nhất định
Hình 2 3 Nasa's Robotic car can drive sideways
Có nhiều loại hệ thống truyền động đa hướng khác nhau hiện đang được sử dụng trong Robot di động Phương pháp đầu tiên được thảo luận ở đây được gọi là cụm truyền động ba bánh Hệ thống này là duy nhất vì nó sử dụng bánh xe đặc biệt, được gọi là "bánh xe Omni", có một loạt các con lăn vuông góc xung quanh chu vi của bánh xe
Hình 2 4 Thiết kế bánh xe OMNI
Hình 2.4, trên đây, cho thấy sự liên kết của các con lăn với bánh dẫn động chính Sự căn chỉnh này cho phép bánh xe lăn về phía trước và phía sau (vuông góc với trục quay chính) với toàn bộ lực nhưng vẫn cho phép bánh xe lăn tự do theo phương ngang (song song với trục chính) Do đó, các bánh xe này có thể tạo ra lực truyền động theo một hướng trong khi cho phép các lực khác tác động lên Robot theo bất kỳ hướng nào khác
Bộ truyền động này được sử dụng bằng cách đặt ba bánh xe Omni trên một khối cơ sở hình tam giác và kết hợp các vectơ lực đẩy của chúng để tạo ra chuyển động theo một hướng mong muốn
Hình 2 5 Bố trí hệ thống bánh xe 3 bánh
Mỗi bánh xe trong bộ truyền động tạo ra một lực truyền động và ba vectơ lực tổng hợp lại với nhau để tạo ra một lực truyền động thực theo hướng mong muốn Điều quan trọng cần lưu ý là mỗi bánh xe có bộ truyền động riêng để điều khiển độc lập vận tốc góc của mỗi bánh xe Làm như vậy cho phép tạo ra một vectơ lực đẩy theo bất kỳ hướng nào với độ lớn thay đổi Ngoài ra, do các bánh xe được bố trí với trục truyền động của chúng hướng ra ngoài, nên có thể kiểm soát hướng của Robot trên mặt đất
13 Ý tưởng này có thể được thực hiện với nhiều hơn ba bánh xe Hệ thống truyền động bốn bánh sử dụng cùng một kỹ thuật vectơ lực để tạo ra lực truyền động theo bất kỳ hướng nào, nhưng kết hợp thêm một bánh xe để có chiều dài và diện tích lớn hơn và tăng sức mạnh truyền động Ví dụ về kiểu cấu hình này được thể hiện trong hình bên dưới
Hình 2 6 Bố trí hệ thống bánh xe 4 bánh
Một loại nền tảng bánh xe đa hướng khác phổ biến trong Robot ngày nay kết hợp một bánh xe được gọi là bánh xe Mecanum Tương tự như bánh xe Omni, bánh xe Mecanum có một tập hợp các con lăn dọc theo chu vi của bánh xe, nhưng thay vì thẳng hàng vuông góc với trục truyền động chính thì chúng được căn chỉnh một góc 45 độ
Hình 2 7 Thiết kế bánh xe MECANUM (a) và Cấu hình (b)
Hình 2.7a cho thấy một thiết kế bánh xe Mecanum điển hình và mối quan hệ giữa bánh xe truyền động và các con lăn theo chu vi Hình 2.7b cho thấy các bánh xe này thường được lắp ráp như thế nào trên khung Robot Các con lăn có góc làm cho vectơ lực tạo ra bởi mỗi bánh xe lệch 45 độ so với trục truyền động, điều này giới hạn độ lớn của lực mà mỗi bánh xe có thể tạo ra nhưng cho phép mỗi bánh xe đóng góp một lực truyền động theo mọi hướng chính Điều này rất hữu ích cho nhiều ứng dụng Robot di động nơi tính di động trong không gian hẹp là rất quan trọng Điều quan trọng cần lưu ý là có một vài nhược điểm lớn đối với các thiết kế con lăn như bánh xe Omni và bánh xe Mecanum Bằng cách kết hợp các con lăn vào bề mặt tiếp xúc của bánh xe, vốn dĩ có hiện tượng trượt giữa bánh xe và mặt đất Đặc biệt là đối với các thiết kế bánh xe Omni, đã có rất nhiều nỗ lực trong việc phát triển các mô hình động lực học có thể giải thích cho sự trượt này, nhưng sẽ rất khó để hoàn hảo Ngoài ra, thiết kế bánh xe Omni và bánh xe Mecanum bị giảm hiệu quả do định hướng của bánh xe; mỗi thiết kế này yêu cầu các vectơ lực đẩy được tạo ra bởi mỗi bánh xe phải được định hướng theo các hướng khác nhau
Loại hệ thống truyền động thứ ba, được gọi là cụm chuyển đổi, có thể giúp giảm thiểu những tổn thất này Bộ truyền động Swerve sử dụng một bộ bánh xe được điều khiển độc lập để điều khiển khung xe Mỗi bánh xe này yêu cầu hai bộ truyền động: một bộ để cung cấp mô-men xoắn cho bánh dẫn động và một bộ phận thứ hai để quay cụm bánh lái và hướng vectơ lực đẩy của nó để di chuyển đến nơi mong muốn
Hình 2 8 Module Truyền động bánh xe Swerve Drive
Bộ truyền động Swerve thường được chế tạo bằng cách sử dụng module bánh xe, như trong Hình 2.8, chứa cả hai bộ truyền động cần thiết trong một module nhỏ Sau đó, các module này được sắp xếp như mong muốn trên khung của Robot theo hệ thống truyền động ba hoặc bốn bánh, giống như thiết kế bánh xe Omni đã thảo luận ở trên
Kiểm soát độc lập vận tốc góc và hướng của mỗi bánh xe cho phép kiểm soát chuyển động và định hướng của Robot Không có tổn thất công suất đáng kể nào trong hệ thống truyền động do các bánh xe tác động vào nhau và việc thiếu các con lăn duy trì sự truyền lực hoàn toàn từ bánh xe xuống mặt đất Bằng cách này, cụm truyền động chuyển đổi hiệu quả hơn các hệ thống đa hướng khác Tuy nhiên, việc có nhiều hơn hai bánh xe buộc hệ thống bị dư thừa, do đó gây ra một số vấn đề với việc theo dõi quỹ đạo Bởi vì mỗi động cơ được điều khiển độc lập, luôn có sự khác biệt nhỏ giữa các cụm của chúng Trên thực tế, các cụm truyền động xoay không thực sự đa hướng, bởi vì chúng phải chịu các ràng buộc phi ba chiều (tức là mô-đun bánh xe phải quay đúng vị trí để thay đổi hướng và theo một quỹ đạo không liên tục).
− Bán kính quay xe bằng không
− Di chuyển tốt trên địa hình gồ ghề (đối với xe bốn bánh trở lên)
− Di chuyển về mọi hướng mà không cần quay xe
− Hệ thống cơ khí phức tạp vì mỗi bánh phải có động cơ dẫn động và bẻ lái
− Điều khiển phức tạp do có nhiều động cơ
Bộ truyền đai gồm bánh dẫn lắp trên trục động cơ, bánh bị dẫn lắp trên tải Momen truyền đi nhờ vào lực ma sát sinh ra giữa dây đai và các bánh đai
− Không gây ồn ào, làm việc êm
− Khi động cơ bị quá tải sẽ không gây thiệt hại do sự trượt của đai
− Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau
− Tỷ số truyển khi làm việc thay đổi do đai bị trượt
− Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh
Bộ truyền đai răng có cơ cấu tương tự bộ truyền đai nhưng momen truyền đi nhờ ăn khớp giữa dây đai và các bánh đai
Hình 2 10 Bộ truyền đai răng
− Kích thước bánh đai nhỏ
− Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai
− Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh
Bộ truyền xích bao gồm xích và các đĩa xích dẫn, bị dẫn Xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn động sang trục bị dẫn nhờ vào sự ăn khớp giữa các mắt xích với răng của đĩa xích
Hình 2 11 Bộ truyền xích
Cơ sở lý thuyết về điện điện tử
− Không có hiện tượng trượt
− Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn bộ truyền đai
− Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau
− Kích thước bộ truyền lớn, cồng kềnh, tốc độ chậm
− Gây ra tiếng ồn, không thích hợp khi làm việc ở vận tốc cao
− Dễ bị ăn mòn, biến dạng xích, phải thường xuyên thay thế
Bộ truyền bánh răng truyền chuyển động và momen nhờ sự ăn khớp giữa các bánh răng Trục dẫn động và bị dẫn của bộ truyền có thể song song, giao nhau, chéo nhau hoặc biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Hình 2 12 Bộ truyền bánh răng (bánh răng côn)
− Kích thước bộ truyền nhỏ, khả năng tải lớn
− Tỷ số truyền không đổi, hiệu suất cao
− Vận tốc làm việc và tỉ số truyền lớn nhờ lắp nhiều bánh răng ăn khớp
− Tuổi thọ và độ bền cao
− Chế tạo tương đối phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao
− Khi làm việc ở vận tốc lớn gây ra tiếng ồn
2.3 Cơ sở lý thuyết về điện điện tử
2.3.1 Khái quát chung về điều khiển a Các khái niệm cơ bản
Trong mọi hoạt động của con người ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trí nào đều liên quan đến hai từ điều khiển Trong khoa học tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ gọi là điều khiển học
18 Điều khiển học là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lí tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường thiên nhiên Điều khiển học chia ra nhiều lĩnh vực khác nhau gồm điều khiển học toán học, điều khiển học sinh học, điều khiển học kĩ thuật, điều khiển học kinh tế, … Điều khiển học kĩ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lí tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kĩ thuật Cơ sở lý thuyết của điều khiển học kĩ thuật là lí thuyết điều khiển tự động Cơ sở lí thuyết điều khiển tự động là phần lí thuyết cơ bản của lí thuyết điều khiển tự động
Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển gọi là điều khiển tự động Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều khiển Điều chỉnh là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số nào đó của quá trình ổn định hay thay đổi theo một quy luật nào đó Tham số này được gọi là tham số điều chỉnh Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động chỉ nghiên cưu các quá trình trong hệ thống điều chỉnh tự động
Một hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm hai thành phần cơ bản là đối tượng điều chỉnh ĐTĐC và thiết bị điều chỉnh TBĐC DDTDDC là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh là phải tác động lên đầu vào của ĐTĐC sao cho đại lượng cần điều chỉnh đạt được giá trị mong muốn TBĐC là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh Đại lượng cần điều chỉnh còn được gọi là đại lượng ra của hệ thống điều chỉnh tự động Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống được gọi là tác động nhiễu
Phương pháp để TBĐC tạo ra tín hiệu điều chỉnh gọi là phương thức điều chỉnh (điều khiển) Có ba phương thức để điều chỉnh là: phương thức điều chỉnh theo chương trình, phương thức bù nhiễu và phương thức điều chỉnh theo sai lệch
Trong phương thức điều chỉnh theo chương trình, tín hiệu điều chỉnh được phát ra do một chương trình định sẵn trong TBĐC Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều chỉnh được hình thành khi xuất hiện nhiễu loạn tác động lên hệ thống Tín hiệu điều chỉnh được hình thành khi xuất hiện nhiễu loạn tác động lên hệ thống Tín hiệu điều chỉnh phát ra nhằm bù lại sự tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều chỉnh không đổi Vì vậy hệ thống bù nhiễu còn được gọi là hệ thống điều khiển bất biến
Trong ki thuật thường sử dụng phương thức điều khiển theo sai lệch Tín hiệu điều khiển ở đây được hình thành do có sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần điều chỉnh Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động tác động theo phương thức sai lệch được mô tả như hình dưới
Hình 2 13 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động
TBCĐ – Thiết bị đặt giá trị chủ đạo x, là giá trị mong muốn của đại lượng cần điều chỉnh
TBSS – Thiết bị so sánh giá trị chủ đạo x và giá trị đo được y của đại lượng cần điều chỉnh để xác định giá trị sai lệch e = x - y Giá trị x còn được gọi là giá trị nhiễu đặt trước
KCN – Khối chức năng nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh U theo giá trị sai lệch e: U = f(e)
CCCH – Cơ cấu chấp hành thực hiện tác động điều chỉnh U lên ĐTĐC
TBCN – Thiết bị công nghệ có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh z- Tác động nhiễu phụ tải là những tác động từ ngoài lên hệ thống mà chúng ta không mong muốn
Hệ thống điều chỉnh tự động có thể mô tả bằng hai thành phần chính là ĐTĐC và TBĐC Khi khảo sát hệ thống chúng ta chỉ khảo sát cho một nhiễu cụ thể còn nhiễu khác tính bằng không Hình 2.14 mô tả hệ thống điều chỉnh tự động cho những tác động nhiễu khác nhau Hình 2.14a mô tả hệ thống điều chỉnh tự động chịu tác động của nhiễu đặt trước x còn hình 2.14b mô tả nhiễu phụ tải z
Hình 2 14 Mô tả hệ thống điều chỉnh tự động với các tác động nhiễu khác nhau a – Nhiễu đặt trước; b – Nhiễu phụ tải
Hệ thống điều chỉnh tự động luôn luôn tồn tại ở một trong hai trạng thái: trạng thái xác lập (trạng thái tĩnh) và trạng thái quá độ (trạng thái động) Trạng thái xác lập là trạng thái mà tất cả các đại lượng của hệ thống đều đạt được giá trị không đổi Trạng thái quá độ là trạng thái kể từ thời điểm có tác động nhiễu cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới Lí thuyết điều khiển tự động tập trung cơ bản mô tả và phân tích trạng thái quá độ của hệ thống Trạng thái xác lập đánh giá độ chính xác của quá trình điều chỉnh Nếu ở trạng thái xác lập vẫn còn tồn tại sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đô được thì giá trị sai lệch này được gọi là sai lệch dư (hay còn gọi là sai lệch tỉnh), còn hệ thống được gọi là hệ thống có sai lệch dư b Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động
Có rất nhiều cách phân loại hệ thống điều chỉnh tự động Mục đích của phần này không phải là đi sâu các cách phân loại các hệ thống điều chỉnh tự động mà chỉ đi sâu một cách phân loại nhằm giúp bạn đọc thấy được vị trí giới hạn phần lí thuyết mà mình nghiên cứu Với mục đích đó là hệ thống điều chỉnh tự động được phân làm hai loại chính phụ thuốc vào tính chất của các phần tử của hệ thống: hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến tính
Nếu tất cả phần tử của hệ thống đều là tuyến tính thì hệ thống được gọi là hệ tuyến tính Chỉ cần một phần tử trong hệ thống mang tính phi tuyến tính thì hệ thống được gọi là hệ phi tuyến tính Phần cơ bản nhất của lí thuyết điều khiển tự động là đi sâu nghiên cứu hệ tuyến tính Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là chịu tác động của nguyên lí xếp chồng Nghĩa là khi có một tổ hợp tương ứng của các tín hiệu ra thành phần Hệ thống phi tuyến tính không chịu tác động của nguyên lí này
Theo tính chất truyền tín hiệu hệ thống tuyến tính lại đươc phân làm hai loại: hệ thống liên tục và hệ thống gián đoạn Nếu thông tin được truyền đi trong hệ thống liên tục ở tất cả các mắt xích thì hệ thống được gọi là hệ thống tuyến tính liên tục Nếu tại
21 một mắt xịch nào đó thông tin bị gián đoạn thì hệ thống được gọi là hệ thống tuyến tính gián đoạn
Hình 2.15 chỉ ra sự phân loại của hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính liên tục (HTTTLT)
Hình 2 15 Sơ đồ phân loại hệ thống điều chỉnh tự động tuyến tính liên tục