Bài giảng hệ thống cơ điện tử

Nguyễn Văn ĐịnhHọc phần này trang bị cho người học kiến thức về những thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử; nguyên lý hoạt động của các cảm biến và các cơ cấu chấp hành; kiến trúc c

Trang 1

Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Định

Học phần này trang bị cho người học kiến thức về những

thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử; nguyên lý hoạt

động của các cảm biến và các cơ cấu chấp hành; kiến trúc

chung của bộ điều khiển PLC; nhằm giúp cho người học có

khả năng sử dụng và chẩn đoán mạch điều khiển tự động

trong dây chuyển sản xuất cũng như trên các thiết bị cơ khí

cóđiều khiển tự động

Trang 2

3 Nhiệm vụ của sinh viên

§ Tỉ lệ tham gia học trên lớp ít nhất phải đạt 80%

§ Tham gia thuyết trình và thảo luận chuyên đề

§ Dụng cụ học tập: có đủ tài liệu học và tham khảo

4 Đánh giá kết quả học tập

§Kiểm tra: 50%, trongđó:

- Tham gia học trên lớp: 5%

-Đánh giá quá trình: 15%

- Thảo luận, seminar: 10%

- Kiểm tra cuối kỳ: 20%

§Thi kết thúc học phần (vấn đáp): 50%

GIỚI THIỆU VỀ HỌC PHẦN (tt)

5 Các chủ đề

5.1 Lý thuyết điều khiển tự động (4 tiết)

5.2 Cảm biến trong hệ thống công nghiệp (14 tiết)

5.4 Ứng dụng CĐT trong chế tạo máy (6 tiết)

6 Thông tin giảng viên

ThS Nguyễn Văn Định, Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí

ĐT: 0905 124 566 Email: dinhnv@ntu.edu.vn

GIỚI THIỆU VỀ HỌC PHẦN (tt)

Trang 3

7 Tài liệu học tập

Nguyễn Văn Định (2016), Bài giảng Hệ thống Cơ điện

tử, Lưu hành nội bộ

8 Tài liệu tham khảo

§ Nguyễn Doãn Phước (2007), Tự động hóa với Simatic

Trang 4

1.1 Khái niệm

1.1.1 Các khái niệm về điều khiển tự động

* Tự động học: là ngành khoa học chuyên nghiên cứu những

qui luật chung để hình thành các hệ thống và phần tử tự động

nhằm điều khiển các quá trình mà không có sự tham gia trực

tiếp của con người

* Điều khiển học: là ngành khoa học dựa trên nền tảng của

tự động học, nghiên cứu về các quá trình thu thập, xử lý tín

hiệu và điều khiển Điều khiển học chia ra nhiều lĩnh vực khác

nhau gồm: điều khiển học toán học, sinh học, kỹ thuật, kinh

tế, …

* Điều khiển tự động: 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 mà không cần có sự tham

gia trực tiếp của con người

Trang 5

Ví dụ: Lái xe với mục tiêu giữ tốc độ (v) xe ổn định v=40km/h:

Mục đích định trước.

* Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ:Thu thập thông tin.

* Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v<40km/h, giảm tốc nếu

v>40km/h:Xử lý thông tin.

* Tay giảm ga hoặc tăng ga: Tác động lên hệ thống.

èKết quả của quá trình điều khiển trên: xe chạy với

tốc độ “gần” bằng 40km/h:Đáp ứng của hệ thống.

Như vậy: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý

thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống

“gần” với mục đích định trước

Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác

động của con người

Trang 6

Vì sao phải tiến hành điều khiển tự động? Rõ ràng rằng

quá trìnhđiều khiển cần thiết phải đạt các tiêu chí:

-Đáp ứng của hệ thống cần thỏa mãn yêu cầu

- Mong muốn tăng độ chính xác trong điều khiển

- Yêu cầu tăng năng suất

-Đáp ứng mục tiêu tăng hiệu quả kinh tế

* Hệ thống điều khiển tự động: là tập hợp các thành phần

vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ

huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác

Hệ thống điều khiển tự động ngày nay rất phổ biến:

- Trong cuộc sống văn minh:

+ Hệ thống điều hoà không khí

+ Hệ thống tự động báo cháy

+ Hệ thống điều khiển ô tô thông minh…

Trang 7

- Trong môi trường sản xuất:

+ Các máy tự động

+ Các dây chuyền sản xuất, lắp ráp tự động

+ Các máyđiều khiển theo chương trình, Robot …

Ngày nay, các lĩnh vực như thống kê, lưu trữ, thư viện,

ngân hàng, y tế v.v cũng đều tiếp cận với khái niệm 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 qui luật

cụ thể Tham số này được gọi là tham số cần điều chỉnh

Trang 8

1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tự động

Một hệ thống điều khiển tự động bao gồm các thành phần

cơ bản sau đây:

* Đối tượng điều khiển – O (Object): là đại lượng cần điều

chỉnh và nhiệm vụ của hệ thống cần phải tác động lên đầu

vào một tín hiệu điều khiển sao cho đại lượng cần điều chỉnh

đạt được giá trị mong muốn

* Thiết bị điều khiển - C (Controller): là tập hợp các phần tử

của hệ thống nhằm mục đích tiếp nhận các tín hiệu của quá

trìnhđể xử lý và tạo ra thông số điều khiển thích hợp tác động

lênđối tượng điều khiển

Trang 9

* Thiết bị cảm biến đo lường - M (Measuring Device): là

các thành phần vật lý có nhiệm vụ xác định giá trị đại lượng

cần điều chỉnh để làm cơ sở so sánh với giá trị mong muốn

để cung cấp cho thiết bị điều khiển xử lý

- Mục tiêu điều khiển – x: là giá trị thiết lập đầu vào.

- Kết quả điều khiển – y: là giá trị đầu ra, kết quả của quá

trìnhđiều khiển

1.1.3 Hệ thống điều khiển hở và hệ thống điều khiển kín

* Hệ thống hở (Open Loop): là hệ thống điều khiển tự động

không so sánh giá trị đầu ra với giá trị đầu vào

Trang 10

Hệ thống điều khiển động cơ (hệ hở)

* Hệ thống kín (Closed Loop): còn gọi là hệ thống đóng, có

phản hồi, có sự so sánh giữa giá trị đầu vào và giá trị đầu ra;

sai lệch giữa hai tín hiệu này được dùng làm tín hiệu vào của

thiết bị điều khiển

Trang 11

Hệ thống điều khiển động cơ (hệ kín)

Hệ thống kín có các đặc điểm sau:

-Độ chính xác điều khiển cao

- Giảm tác động và ảnh hưởng của nhiễu

- Tốc độ đáp ứng nhanh

- Tăng được bề rộng dãi tần điều khiển

Trang 12

1.2.4 Theo tính chất của tín hiệu vào

- Hệ thống điều chỉnh (tín hiệu vào ít thay đổi)

- Hệ thống tùy động (tín hiệu vào thay đổi nhiều và liên tục)

1.2.5 Theo qui mô điều khiển

- Hệ thống điều khiển quá trình

- Hệ thống điều khiển máy

1.2 Phân loại

Trang 13

1.3.1 Lý thuyết điều khiển PID

PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ),

Integral (tích phân), Derivative (đạo hàm) và là giải thuật

điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều

khiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), nhanh

(fast response),ổn định (small overshot)

1.3 Thuật toán

Sơ đồ bộ điều khiển PID

1.3.1 Lý thuyết điều khiển PID

Trang 14

1.3.1.1 Khâu tỉ lệ

Giá trị độ lợi tỉ lệ(Kp) càng lớn thìđáp ứng càngnhanh => sai sốcàng lớn Khi Kpquá lớn sẽ dẫn đếnquá trình mất ổnđịnh và dao động

e Kp

F = *

1.3.1.2 Khâu tích phân

Giá trị độ lợi tíchphân (Ki) càng lớnkéo theo sai số ổnđịnh bị khử càngnhanh => độ vọt lốcàng lớn

∫

= Ki t e t dt F

0

* ) (

*

Trang 15

1.3.1.3 Khâu vi phân

Giá trị độ lợi viphân (Kd) càng lớn > càng giảm độ vọt

lố, nhưng lại làmchậm đáp ứng quá

độ và có thể dẫnđến mất ổn định

dt

de Kd

1.3.2 Tóm tắt

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để

tính toán đầu ra của bộ điều khiểnPID.Định nghĩa rằngu(t) là

đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật

PIDlà:

Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều

khiển PID có thể được lượt bớt để trở thành bộ điều khiển P,

) ( )

( )

(

0

t e dt

d K dt t e K t e K t

t I

Trang 16

Cơ điện tử

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

tạo ra các máy móc, thiết bị tự động hóa

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

Trang 17

Trang 18

Các kỹ sư cơ khí không thể làm máy móc thông minh hơn,

trong khi nhữngkỹ sư tin học có thể tạo ra trí thông minh nhân

tạo nhưng họ không biết về cơ khí, nhữngkỹ sư điện tửcó 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 tửđưa 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

Trang 20

Công tắc hành trình được dùng nhiều trong ngành cơ khí,

khai thác mỏ, trong các dây chuyền tự động, thiết bị nâng,

băng tải để kiểm soát chuyển động, hành trình, tốc độ, an

toàn

2.1 Công tắc hành trình

Sơ đồ cấu tạo:

2.1 Công tắc hành trình

Trang 21

Sơ đồ cấu tạo:

Trang 22

2.2 Cảm biến ánh sáng (Quang trở)

Quang trở (LDR) là 1 loại cảm biến ánh sáng đơn

giản, nguyên tắc hoạt động dựa vào hiện tượng quang

điện trong

Hiện tượng quang điện trong: là hiện tượng giải

phóng các electron liên kết của chất bán dẫn để trở thành

các electron quang dẫn do tác dụng của bức xạ thích hợp

Khái niệm

Trang 23

Hình dáng và ký hiệu

Hình dáng

Ký hiệu

Nguyên lý làm việc của quang trở là khi ánh sáng

chiếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS,

Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự

do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của

chất bán dẫn Các đặc tính điện và độ nhạy của quang trở

dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

Nguyên lý hoạt động

Trang 25

Ứng dụng

Trang 27

2.3 Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ

tính, kim loại không từ tính (như Nhôm, đồng ) sử dụng cảm

biến loại điện cảm (Inductivity Proximity Sensor) và phát hiện

vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu điện dung

(Capacitve Proximity Sensor)

Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm

cận”) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến Trong hầu hết các

trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm

Khái niệm

Trang 28

Phân loại

Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát hiện các vật bằng

cách tạo ra trường điện từ Vì vậy, thiết bị chỉ phát hiện được

vật kim loại

Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng

cách tạo ra trường điện dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có

thể phát hiện mọi loại vật

Trang 29

Nguyên lý hoạt động loại cảm ứng từ

Cảm biến tiệm cận

cảm ứng bao gồm một

cuộn dây được cuốn

quanh một lõi từ ở đầu

cảm ứng Sóng cao tần đi

qua lõi dây này sẽ tạo ra

một trường điện từ dao

động quanh nó.

Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát.

Nguyên lý hoạt động loại cảm ứng từ

Khi vật kim loại di chuyển về

phía trường này, sẽ tạo ra dòng

điện (dòng điện xoáy) trong vật

Những dòng điện này gây ra tác

động như máy biến thế, do đó

năng lượng trong cuộn phát hiện

giảm đi và dao động giảm

Trang 30

Nguyên lý hoạt động loại điện dung

Cảm biến tiệm cận

kiểu điện dung phát hiện

sự thay đổi điện dung

giữa cảm biến và đối

tượng cần phát hiện Giá

trị điện dung phụ thuộc

vào kích thước và khoảng

cách của đối tượng

Nguyên lý hoạt động loại điện dung

Một cảm biến tiệm cận điện dung

tương tự như tụ điện với 2 bản điện

cực song song, và điện dung thay đổi

giữa 2 bản cực đó sẽ được phát hiện

Một tấm điện cực là đối tượng cần phát

hiện và một tấm kia là bề mặt của cảm

biến Đối tượng có thể được phát hiện

phụ thuộc vào giá trị điện môi của

chúng

Trang 31

Sơ đồ nối dây

Trang 35

Kiểm tra sai sót

trên dây chuyền

đóng hộp

Trang 36

2 Thiết kế sơ đồ cảm biến tiệm cận kết nối với

đèn 220VAC khi có cửa mở ra.

2.4 Cảm biến siêu âm

Trang 37

Cảm biến siêu âm được sử dụng rất phổ biến để

xácđịnh khoảng cách Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và

có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ

chính xác khá cao

Khái niệm

Cảm biến siêu âm sử dụng 2 thành phần: phát

-nhận siêu âm

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát 1 tín

hiệu siêu âm (tần số ~40Khz) và bắt đầu đếm thời gian

nhận được tín hiệu phản hồi

Khoảng cách đo được tính dựa vào tổng thời gian

phátđi và nhận phản hồi

Trang 40

Distance (mm) = (Measured Echo Time*340)*1000/2

Ứng dụng

Trang 41

Trang 42

- Phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện.

- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của

Trang 43

— Có hai dạng đo:

+ Đo liên tục: khi đo biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo

cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa

+ Đo theo ngưỡng: Cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị

phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng

cóđạt hay không?

2.5 Cảm biến đo mức chất lưu

ØPhương pháp thủy tĩnh: Chỉ số do cảm biến cung cấp là

hàm liên tục phụ thuộc vào chiều cao của bình chứa Nó

không phụ thuộc vào tính chất điện nhưng phụ thuộc vào

khối lượng riêng của chất lưu

ØPhương pháp điện: Đây là phương pháp phải sử dụng cảm

biến đặc thù Các cảm biến này chuyển đổi trực tiếp mức

chất lỏng thành tín hiệu điện

ØPhương pháp bức xạ: Ưu điểm của phương pháp là đo mà

không tiếp xúc trực tiếp với chất lưu

Phương pháp đo

Trang 44

3

1

2 4

5

Phao nổi (1) được nối với

đối trọng (5) thông qua dây mềm

(2) và ròng rọc (3), (4)

Khi mức chất lưu thay đổi,

phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống

làm cho ròng rọc (4) quay Một

cảm biến vị trí gắn với trục quay

của ròng rọc (4) sẽ cho ta tín hiệu

F = P – ρgSh

P: Trọng lượng của phao g: Gia tốc trọng trường h: Chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao

S: Tiết diện mặt cắt ngang của phao ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng Phao

Phương pháp thủy tĩnh

Trang 45

Sử dụng áp suất vi sai dạng màngđặt ở đáy bình chứa Khi đó áp suất tácđộng lên đáy bể chứa được xác định theocông thức:

- P0 sinh ra lực tác dụng lên màng củacảm biến làm nó biến dạng Biến dạngcủa màng tỉ lệ với chiều cao h của chấtlưu trong bình chứa được chuyển đổithành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổiđiện thích hợp

Phương pháp thủy tĩnh

Cảm biến áp suất

vi sai

Trang 46

Cơ cấu đo bao gồm hai điện cực

hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện

Các điện cực nối với nguồn xoay

chiều 10V (tránh hiện tượng phân cực)

Dòng điện chạy qua các điện cực có

biên độ tỷ lệ với chiều dài của phần

điện cực nhúng chìm trong chất lỏng

Sơ đồ cảm biến hai điện cực

Các điện cực nối với nguồn xoay

chiều 10V (tránh hiện tượng phân cực)

Dòng điện chạy qua các điện cực có

biên độ tỷ lệ với chiều dài của phần

điện cực nhúng chìm trong chất lỏng

Sơ đồ cảm biến một điện cực

Phương pháp điện

Trang 47

Cơ cấu đo gồm hai điện cực

ngắn đặt theo phương ngang, điện

cực còn lại nối với thành bình khim

loại, vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với

một mức ngưỡng Khi chất lỏng đạt tới

điện cực, dòng điện trong mạch thay

đổi mạnh về biên độ Sơ đồ cảm biến phát hiện mức

Phương pháp điện

1 : Ngồn phát tia bức xạ

2 : Bộ thu

3 : Chất lưu

Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần

tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo

mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc

môi trường có tính ăn mòn mạnh

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	1,9 MB