Đồ án môn học thiết kế hệ thống điều khiển tự động

Các nhà bác học đã xây dựng các c sở toán học để t nh toán các hàm và các biến chỉ lấy hai giá trị 0 và 1 này, hàm và biến đ được gọi là hàm và biến logic, c sở toán học để t nh toán hàm

LỜI NÓI ĐẦU

Phát triển công nghệ chế tạo máy phải được tiến hành đồng thời với việc phát triển nguồn nhân lực và đầu tư trang bị hiện đại Hiện nay trong các nghành inh tế

n i chung và nghành c h n i ri ng đ i h i sư c h và cán b thu t c h được đào tạo ra phải c iến thức c bản sâu và r ng ,đồng thời phải biết v n dụng những iến thức đ để giải quyết những vấn đề thường gặp trong sản suất.Đ là lý

do mà chúng ta phải trãi qua các đồ án môn học

Công nghệ phát triển, việc chỉ sử dụng các máy công cụ truyền thống để gia công các chi tiết C h đă hông đáp ứng đự c nhu cầu của sản xuất Việc ết hợp giữa công nghệ cổ điển với công nghệ hiện đại s tạo ra được hối lượng hành hoá

và năng suất tăng l n rất nhiều lần so với chỉ sử dụng công nghệ cổ điển Do đ đ i

h i chúng ta phải nghi n cứu, ứng dụng những công nghệ ti n tiến h n

Ngày nay, ngành công nghiệp phát triển mạnh đòi h i quy trình làm việc nhanh và hiệu quả.Hệ thống điều hiển đ t d p tự đ ng mà chúng tôi thực hiện chỉ

là m t phần rất nh trong thời đại công nghiệp h a hiện đại h a ngày nay C nhiều cách để thiết ế m t hệ thống điều hiển d p phôi tự đ ng hác nhau và sử dụng những t n hiệu hác nhau để điều hiển Ở đây chúng tôi thiết ế hệ thống điều hiển d p phôi tự đ ng điều hiển h nén

Sau m t tháng làm việc với những iến thức c được và những iến thức mới học được từ các môn li n quan chúng em đã nghi n cứu để c thể hoàn thành tốt nhất nhiệm vụ

Chúng em đã cố phát huy những gì đã học và nghi n cứu để hoàn thành đề tài thiết ế hệ thống điều hiển tự đ ng Máy Đ t D p Tuy nhiên trong quá trình tính toán và thiết ế hông tránh được sai s t, mong thầy cô và bạn đọc cho ý iến để bài thiết ế được hoàn thiện h n, ứng dụng vào thực tế hiệu quả h n

Xin chân thành cảm n !

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU MÁY ĐỘT DẬP

Hiện nay c nhiều loại Máy Đ t D p từ máy gia công c đến máy CNC,từ máy điều hiển bằng đ ng c điện đến máy điều hiển bằng thuỷ lực sau đây là m t

số máy thông dụng:

1.1)Máy đột dập cơ khí

Sử dụng đ ng c điện làm nguồn phát sinh lực và sử dụng bánh đà để tạo lực

Được sử dụng thông dụng trong các phân xưởng vừa và nh , giá thành vừa phải đáp ứng các nhu cầu về inh tế , ch thướt nh gọn

1.2 máy đột dập liên hoàn :

sử dụng nguồn sinh lực là thủy lực

Sử dụng gia công đ t các lỗ c đ ch nh xác hông cao với ưu điểm vượt tr t gia công li n tục n n nhanh đạt y u cầu

Tuy nhi n gia công loại máy này phải cẩn th n , xem xét ĩ mọi thứ trước hi gia công

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Máy hả năng gia công ch nh xác các tọa đ cao do được điều hiển xilanh thủy lực

1.3 máy đột dập thủy lực

Dùng nguồn sinh lực thủy lực hả năng đ t mạnh nhưng tốc đ ch m

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

1.4 máy đột dập CNC

 sử dụng hệ tọa đ theo hai phư ng x,y dùng gia công đ t lỗ, đ t theo bi n dạng Chiều dày chi tiết gia công c giới hạn n n chỉ gia công chi tiết dạng tấm

 hả năng chuy n môn h a cao , gia công tọa đ ch nh xác

 nhược điểm của máy này là hi gia công li n tục s tạo tiếng ồn lớn , c rất nhiều dao , giá thành dao máy

 gia công các chi tiết như tấm gần đ ng c tr n xe bus, tr n cpu máy t nh , tác dụng làm mát cho máy , đ ng c

Đối với máy đ t này c bàn máy lớn n n c hả năng gia công chi tiết lớn h n

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Tuy với công nghệ hiện đại như v y do đang trong quá trình học n n chúng em chỉ nghi n cứu máy đ t d p với 2 xilanh h nén, điều hiển bằng h nén , điện và PLC d p chi tiết với những đường nh khác nhau Từ 10mm -50 mm và để c

những đường nh theo mong muốn thì phải c những dao tư ng ứng

CHƯƠNG II: TỔNG HỢP LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THỦY

LỰC , KHÍ NÉN LOGIC VÀ PCL 2.1 Lý thuyết chung về điều khiển thủy lực,khí nén

2.1.1 hệ thống điều khiển :

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

2.1.2 các loại tín hiệu điều khiển

2.1.3 điều khiển vòng hở

2.1.4 điều khiển vòng kín (hồi tiếp)

2.1.5 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống khí nén, thủy lực

a) khí nén

 ưu điểm :

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

 nhược điểm :

b) thủy lực

 ưu điểm

 nhược điểm :

2.1.6 phạm vi ứng dụng

a) khí nén :

b) thủy lực :

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

2.1.7 phân loại hệ thống điều khiển

a) Điều khiển tùy chọn

điều hiển tùy thu c là điều hiển thường tác đ ng các tác đ ng được thực hiện bằng tay hay bằng chân Trong điều hiển h nén – thủy lực tùy thu c t n hiệu đầu vào là các van tác đ ng bằng tay chúng ch hoạt các pittong dịch chuyển về ph a

trước hay trở lại vị tr ban đầu theo mong muốn Hình 7.5 mô tả mạch d p đ n giản

điều hiển tùy chọn Gồm c van 4/3 c nhớ 2.6 , m t phần tử OR và 3 van tác

đ ng bằng t n hiệu bằng tay

Tất cả những điều hiển

tùy thu c đòi h i v n

hành của con người

b) điều khiển theo hành trình

trong m t hệ thống điều hiển theo hành trình , hoạt đ ng của các phần tử đưa t n hiệu hởi đ ng các c cấu chuyển hướng hay v n hành các vòng lặp điều hiển hác được thực hiện bởi ch nh các phần tử chấp hành.các t n hiệu hành trình được

ch trực tiếp từ cần pittong ở cuối của mỗi hành trình.tuy nhi n để thực hiện những nhiệm vụ hoặc những y u cầu nào đ , ta c bố tr các t n hiệu hành trình ở những vị tr bất ỳ tr n hoảng của pittong Hình 7.6 mô tả mạch làm việc được lặp đi lặp lại

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

c)điều khiển theo thời gian

d) điều khiển phối hợp

là điều hiển phối hợp các điều hiển tr n

Hình mô tả phối hợp 3 thành phần điều hiển : tùy chọn 2.3 , hành trình 2.2 và thời gian 2.5

e)điều khiển theo chương trình cứng

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

f) điều khiển tuần tự

2.3 Lý thuyết chung về điều khiển logic

2.1.1 Những khái niệm cơ bản

a) khái niệm về điều khiển

Điều hiển : là quá trình của m t hệ thống , trong đ dưới tác dụng của m t hay nhiều đại lượng vào , những đại lượng ra thay đổi theo m t quy định nhất định của

hệ thống đ

Hệ thống điều hiển bao gồm thiết bị điều hiển và t n hiệu điều hiển được thể hiện qua s đồ sau :

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

S đồ hệ thống điều hiển Đối tượng điều hiển : là các thiết bị máy, máy m c trong ĩ thu t

Thiết bị điều hiển (mạch điều hiển ): bao gồm phần tử đưa t n hiệu , phần tử xử

lý và điều hiển , c cấu chấp hành

Trong đ :

Phần tử t n hiệu : là nh n những giá trị của đại lượng v t lý như đại lượng vào , là phần tử đầu ti n của mạch điều hiển

Ví dụ : công tắc , nút bấm , công tắc hành trình , cảm biến…

Phần tử xử lý t n hiệu và điều hiển : xử lý t n hiệu nhân vào theo m t quy tắc logic xác định , làm thay đổi trạng thái của phần tử điều hiển ; điều hiển dòng năng lượng (lưu lượng) theo y u cầu, thay đổi trạng thái của c cấu chấp hành

V dụ : van phân phối, van chắn( van m t chiều , van logic OR, van logic AND), van tiết lưu , van áp suất , r le , phần tử huếch đại, phần tử chuyển đổi t n hiệu

C cấu chấp hành : thay đổi trạng thái của đối tượng điều hiển , là đại lượng ra của mạch điều hiển

V dụ : xilanh thủy lực , xilanh h nén, đ ng c thủy lực,đ ng c h nén , đ ng c điện …

T n hiệu điều hiển : là đại lượng ra Xa của thiết bị điều hiển và đại lượng vào Xecủa đối tượng điều hiển

T n hiệu nhiễm Z :là đại lượng được tác đ ng từ b n ngoài vào hệ thống và gây

ảnh hưởng xấu đến hệ thống điều hiển

b) Khái niệm về logic hai trạng thái

Trong cu c sống các sự v t và hiện tượng thường biểu diễn ở hai trạng thái đối

l p, thông qua hai trạng thái đối l p rõ rệt của n con người nh n thức được sự v t

và hiện tượng m t cách nhanh ch ng bằng cách phân biệt hai trạng thái đ Chẳng hạn như n i nước sạch và bẩn, giá cả đắt và rẻ, nước sôi và hông sôi, học sinh học

gi i và dốt, ết quả tốt và xấu

Trong thu t, đặc biệt là thu t điện và điều hiển, thường c hái niệm về hai trạng thái: đ ng và cắt như đ ng điện và cắt điện, đ ng máy và ngừng máy

Trong toán học, để lượng hoá hai trạng thái đối l p của sự v t và hiện tượng

người ta dùng hai giá trị: 0 và 1 Giá trị 0 hàm ý đặc trưng cho m t trạng thái của

sự v t hoặc hiện tượng, giá trị 1 đặc trưng cho trạng thái đối l p của sự v t và hiện tượng đ Gọi các giá trị 0 hoặc 1 đ là các giá trị logic

Các nhà bác học đã xây dựng các c sở toán học để t nh toán các hàm và các biến chỉ lấy hai giá trị 0 và 1 này, hàm và biến đ được gọi là hàm và biến logic, c sở toán học để t nh toán hàm và biến logic gọi là đại số logic Đại số logic cũng c t n

là đại số Boole vì lấy t n nhà toán học c công đầu trong việc xây dựng n n công

cụ đại số này Đại số logic là công cụ toán học để phân t ch và tổng hợp các hệ

thống thiết bị và mạch số N nghi n cứu các mối quan hệ giữa các biến số trạng

thái logic Kết quả nghi n cứu thể hiện là m t hàm trạng thái cũng chỉ nh n hai giá trị 0 hoặc 1

c)Các hàm logic cơ bản

M t hàm y = f(x1, x2, …xn) với các biến x1, x2, xn chỉ nh n hai giá trị: 0 hoặc

1 và hàm y cũng chỉ nh n hai giá trị: 0 hoặc 1 thì gọi là hàm logic

Hàm logic m t biến: y = f(x)

Với biến x s nh n hai giá trị: 0 hoặc 1, n n hàm y c 4 hả năng hay thường gọi

là 4 hàm yo, y1, y2, y3 các hả năng và các ý hiệu mạch r le và điện tử của hàm

m t biến như trong bảng 2.1

Bảng 2.1

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Trong các hàm tr n hai hàm yo và y3 luôn c giá trị hông đổi n n t được quan tâm, thường chỉ xét hai hàm y1 và y2

Hàm logic hai biến y = f (x1, x2)

Với hai biến logic x1, x2 mỗi biến nh n hai giá trị 0 và 1, như v y c 16 tổ hợp logic tạo thành 16 hàm Các hàm này được thể hiện tr n bảng 2.2

Bảng 2.2

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Hàm logic n biến y = f (x1, x2, …xn )

Với hàm logic n biến, mỗi biến nh n m t trong hai giá trị 0 hoặc 1 n n với hàm logic n biến c 2n tổ hợp biến, mỗi tổ hợp biến lại nh n hai giá trị 0 hoặc 1, do v y

số hàm logic tổng là 22 Do đ , với 1 biến c 4 hả năng tạo hàm, với 2 biến c 16

hả năng tạo hàm, với 3 biến c 256 hả năng tạo hàm Như v y, hi số biến tăng thì số hàm có hả năng tạo thành rất lớn

Trong tất cả các hàm được tạo thành đặc biệt chú ý đến hai loại hàm là hàm tổng chuẩn và hàm t ch chuẩn Hàm tổng chuẩn là hàm chứa tổng các t ch mà mỗi t ch

có đủ tất cả các biến của hàm Hàm t ch chuẩn là hàm chứa t ch các tổng mà mỗi tổng đều c đủ tất cả các biến của hàm

d) Các phép tính cơ bản

Người ta xây dựng ba phép t nh c bản giữa các biến logic đ là:

1 Phép phủ định (đảo): ý hiệu bằng dấu "-" ph a tr n ý hiệu của biến

2 Phép c ng (tuyển): ý hiệu bằng dấu "+" (song song)

3 Phép nhân (h i): ý hiệu bằng dấu "." (nối tiếp)

x1 + x2 + x3 = (x1 + x2 ) + x3 = x1 + (x2 + x3 ) x1.x2.x3 = (x1.x2).x3 = x1.(x2.x3)

+ Lu t phân phối:

(x1 + x2).x3 = x1.x3 + x2.x3 x1 + x2.x3 = (x1+x2) (x1+x3)

C thể minh hoạ để iểm chứng t nh đúng đắn của lu t phân phối bằng cách l p bảng 2.3

Bảng 2.3

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Hình 2.1 : Thể hiện lu t phân phối + Lu t nghịch đảo:

Cũng minh hoạ t nh đúng đắn của lu t nghịch đảo bằng cách thành l p bảng 2.4

Bảng 2.5

2.1.2 Các phương pháp biểu diễn hàm logic

C thể biểu diễn hàm logic theo bốn cách là: biểu diễn bằng bảng trạng thái, biểu diễn bằng phư ng pháp hình học, biểu diễn bằng biểu thức đại số, biểu diễn bằng bảng Karnaugh (bìa Canô)

 Phương pháp biểu diễn bằng bảng trạng thái

Ở phư ng pháp này các giá trị của hàm được trình bày trong m t bảng Nếu hàm

c n biến thì bảng c n + 1 c t (n c t cho biến và 1 c t cho hàm) và 2n

hàng tư ng ứng với 2n

tổ hợp của biến Bảng này thường gọi là bảng trạng thái hay bảng chân

lý

V dụ : m t hàm 3 biến y = f(x1,x2,x3) với các giá trị của hàm đã cho trước được biểu diễn thành bảng 2.6

Bảng 2.6

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

Ưu điểm của phư ng pháp biểu diễn bằng bảng là dễ nhìn, t nhầm lẫn, nhược điểm là cồng ềnh, đặc biệt hi số biến lớn

 Phương pháp biểu diễn hình học

Với phư ng pháp hình học hàm n biến được biểu diễn trong hông gian n chiều,

tổ hợp biến được biểu diễn thành m t điểm trong hông gian, phư ng pháp này rất phức tạp hi số biến lớn n n thường ít dùng

 Phương pháp biểu diễn bằng biểu thức đại số

Người ta chứng minh được rằng, m t hàm logic n biến bất ỳ bao giờ cũng c thể biểu diễn thành các hàm tổng chuẩn đầy đủ và t ch chuẩn đầy đủ

Cách viết hàm dưới dạng tổng chuẩn đầy đủ

- Hàm tổng chuẩn đầy đủ chỉ quan tâm đến tổ hợp biến mà hàm c giá trị bằng 1

Số lần hàm bằng 1 s ch nh là số t ch của các tổ hợp biến

- Trong mỗi t ch, các biến c giá trị bằng 1 được giữ nguy n, còn các biến c giá trị bằng 0 thì được lấy giá trị đảo; nghĩa là nếu xi = 1 thì trong biểu thức t ch s được viết là xi, còn nếu xi =0 thì trong biểu thức t ch được viết là xi Các tích này còn gọi là các mintec và ý hiệu là m

- Hàm tổng chuẩn đầy đủ s là tổng của các t ch đ

V dụ : với hàm 3 biến ở bảng 2.6 tr n , c hàm ở dạng tổng chuẩn đầy đủ là

Cách viết hàm dưới dạng t ch chuẩn đầy đủ :

 Hàm t ch chuẩn đầy đủ chỉ quan tâm đến tổ hợp biến mà hàm c giá trị bằng

0 Số lần hàm bằng 0 ch nh là tổng của các hợp biến

Trong mỗi tổng biến c giá trị bằng 0 được giữ nguy n , còn các biến

c giá trị 1 được lấy đảo; nghĩa là xi = 0 thì trong biểu thức tổng s được viết là xi, còn nếu xi =1 thì trong biểu thức tổng được viết .Các tổng c bản còn được gọi t n là các Maxtec ý hiệu M

 Hàm tổng chuẩn đầy đủ s là tổng của các t ch đ

V dụ: Với hàm ba biến ở bảng 2.6 tr n, c hàm ở dạng t ch chuẩn đầy đủ là:

 Phương pháp biểu diễn bằng bảng Karnaugh (bìa canô)

Nguy n tắc xây dựng bảng Karnaugh là:

- Để biểu diễn hàm logic n biến cần thành l p m t bảng có 2n ô, mỗi ô tư ng ứng với m t tổ hợp biến Đánh số thứ tự các ô trong bảng tư ng ứng với thứ tự các

tổ hợp biến

- Các ô cạnh nhau hoặc đối xứng nhau chỉ cho phép hác nhau về giá trị của 1 biến

- Trong các ô ghi giá trị của hàm tư ng ứng với giá trị tổ hợp biến

V dụ l : Bảng Karnaugh cho hàm ba biến ở bảng 2.6 như bảng 2.7 sau:

V dụ 2: Bảng Karnaugh cho hàm bốn biến như bảng 2.8 sau:

2.1.3 Các phương pháp tối thiểu hoá hàm logic

Trong quá trình phân t ch và tổng hợp mạch logic, phải quan tâm đến vấn đề tối thiểu hoá hàm logic Bởi vì, cùng m t giá trị hàm logic c thể c nhiều hàm hác nhau, nhiều cách biểu diễn hác nhau nhưng chỉ tồn tại m t cách biểu diễn gọn nhất, tối ưu về số biến và số số hạng hay thừa số được gọi là dạng tối thiểu Việc tối thiểu hoá hàm logic là đưa chúng từ m t dạng bất ỳ về dạng tối thiểu Tối thiểu hoá hàm logic mang ý nghĩa inh tế và thu t lớn, đặc biệt hi tổng hợp các mạch

Đồ Án Môn Học Điều Khiển Tự Động 2012

V dụ: Hai s đồ hình 2.3a và hình 2.3b đều c chức năng như nhau, nhưng s đồ a

số tiếp điểm cần là 3, đồng thời cần th m 1 r le trung gian p, trong hi đ s đồ b chỉ cần 2 tiếp điểm, hông cần r le trung gian

Hình 2.3 tối giản hàm logic Thực chất việc tối thiểu hoá hàm logic là tìm dạng biểu diễn đại số đ n giản nhất của hàm và thường c hai nh m phư ng pháp là:

- Phư ng pháp biến đổi đại số

- Phư ng pháp dùng thu t toán

 Phương pháp tối thiểu hoá hàm logic bằng biến đổi đại số

Ở phư ng pháp này cần dựa vào các t nh chất và các hệ thức c bản của đại số Boole để thực hiện tối giản các hàm logic Nhưng do t nh trực quan của phư ng pháp n n nhiều hi ết quả đưa ra vẫn hông hẳng định rõ được là đã tối thiểu hay chưa.Như v y, đây hông phải là phư ng pháp chặt ch cho quá trình tối thiểu hoá

V dụ : cho hàm

 Phương pháp tối thiểu hoá hàm logic dùng thuật toán

 Phương pháp dùng bảng Karnaugh

Đây là phư ng pháp thông dụng và đ n giản nhất, nhưng chỉ tiến hành được với

hệ c số biến n ≤ 6 Ở phư ng pháp này cần quan sát và xử lý trực tiếp tr n bảng Karnaugh

Quy tắc của phư ng pháp là: nếu c 2n ô c giá trị 1 nằm ề nhau hợp thành m t hối vuông hay chữ nh t thì c thể thay 2n ô này bằng m t ô lớn với số lượng biến giảm đi n lần Như v y, bản chất của phư ng pháp là tìm các ô ề nhau chứa giá trị

1 (các ô c giá trị hàm hông xác định cũng gán cho giá trị 1) sao cho l p thành

hình vuông hay chữ nh t càng lớn càng tốt Các biến nằm trong hu vực này bị loại

b là các biến c giá trị biến đổi, các biến được dùng là các biến c giá trị hông biến đổi (chỉ là 0 hoặc l)

Quy lắc này áp dụng theo thứ tự giảm dần đ lớn các ô, sao cho cuối cùng toàn

b các ô chứa giá trị 1 đều được bao phủ Cũng c thể tiến hành tối thiểu theo giá trị 0 của hàm nếu số lượng của n t h n nhiều so với giá trị 1, lúc bấy giờ hàm là hàm phủ định

Kết quả tối thiểu hoá là: f = a+b = z+

 Phương pháp Quine Mc Cluskey

Đây là phư ng pháp c t nh tổng quát, cho phép tối thiểu hoá mọi hàm logic với

số lượng biến lớn

Một số định nghĩa