Đề cương ôn tập cơ điện tử

Photo ngân sơn
Đề cương cơ điện tử
Câu 1: Quá trình hình thành cơ điện tử, ưu điểm của các hệ cơ điện tử so
với các hệ cơ khí truyền thống? hãy lấy 1 vd và phân tích hệ cơ điện tử điển
hình?
Quá trình hình thành
- Gốc của cơ điện tử là ngành cơ khí, qua giai đoạn cơ khí hóa tích hợp kỹ
thuật điện để trở thành lĩnh vực cơ điện, cuối cùng tích hợp với kĩ thuật
phần mềm để trở thành cơ điện tử.
- Ngành cơ khí tất yếu sẽ phát triển theo hướng của ngành cơ điện tử
nhưng không phải bằng cách ghép nối cơ học giữa các phần điện như
trước đây, mà có sự biến đổi về chất đòi hỏi sự liên kết hữu cơ giữa các
lĩnh vực kĩ thuật: cơ khí điện tử, điều khiển, phần mềm, để tạo ra máy
móc có hàm lượng trí tuệ cao.
Tóm lại quá trình hình thành cơ điện tử là quá trình nâng cấp dần hệ thống
nhờ những thành tựu mới của kĩ thuật cơ khí, điện, điều khiển tự động, điện
tử số máy tính… nhắm tối ưu hóa hệ thống.
Ưu điểm của hệ cơ điện tử: Có sự phát triển mới về chất mà ngành cơ khí truyền
thống không có.
+ Nhờ tích hợp các phần tử cảm biến, chấp hành và điều khiển điện, điện tử với
phần mềm mà các sản phẩm cơ điện tử có những tính năng ưu việt thân thiện
với người dùng, làm việc chính xác hiệu quả, rẻ tiền, nhỏ gọn, tiêu hao ít năng
lượng, an toàn, dễ thay đổi mẫu mã.
Ví dụ về hệ thống cơ điện tử: Hệ thống chống khóa phanh trên ô tô (Antuklock
Braking System-ABS). Theo tài liệu của hãng Bosh(Đức), các phiên bản đầu
tiên sử dụng động cơ thủy lực, tỉ trọng phần mềm nhỏ nên có khối lượng lớn,
cồng kềnh, kém hiệu quả. Sau đó nhờ tích hợp bộ đk điện tử và phần mềm, thiết
bị trở nên gọn nhẹ và có tính năng ưu việt hơn, làm việc hiệu quả hơn.
Câu 2: Cấu trúc cơ bản của hệ cơ điện tử? Tại sao nói hệ thống có điện tử
là hệ thống tích hợp?
Cơ điện tử là 1 ngành kĩ thuật liên ngành, sinh ra do sự kết hợp hữu cơ giữa kĩ

thuật cơ khí, điện tử, khoa học máy tính và công nghệ thông tin, dùng để thiết
kế các sản phẩm thông minh.
1


Nhiễu
Bộ kích truyền động

PhotoHệngân
thống cơ khí sơn

Tín hiệu ra

Hệ thống đo

Khuếch đại
Bộ điều chỉnh
Đầu vào

Tín hiệu ra chính là đại lượng mà hệ thống cơ khí phải thực hiện, tín hiệu ra đáp
ứng các thay đổi của tín hiệu vào thông qua cách xử lí của hệ điều khiển.
Cấu trúc cơ bản của hệ cơ điện tử
HT Thông tin

Cơ điện tử

=

Mô hình hóa
và mô phỏng

+ tự
Điều khiển
động

+

Hệ thống
cơ khí

Hệ thống
chấp hành

Cảm biến
Tối ưu hóa

Hệ
thống
điện

D/A
Máy
tính
A/D

Hệ thống thông tin
Bao gồm các mô đun liên quan đến quá trình truyền, xử lí, phân tích và điều
khiển.
- Mô hình hóa: Là sự nô tả đối tượng thực thông qua 1 ngôn ngữ thích hợp.
Tùy ngôn ngữ mà có mô hình dạng vật lí, dạng toán học, dạng đồ thị hay

sơ đồ khối.
- Mô phỏng: là quá trình khảo sát mô hình để đánh giá, dự đoán phản ứng
của đối tượng thực trước tác dộng từ bên ngoài. Có thể coi đây là 1
phương pháp phân tích.
- Điều khiển: Là sự tác động lên đối tượng nhằm đạt được đầu ra mong
muốn.
- Tối ưu hóa: là giải quyết ván để phân phối sử dụng nguồn tài nguyên có
hạn để đạt được mục tiêu đặt ra dưới mức độ tốt nhất có thể.

2


Photo ngân sơn

-

-

-

Hệ thống vật lí: là hệ thực gồm các phần tử vật lí được cấu tạo từ vật
chất nghĩa là con người có thể cảm nhận bằng các giác quan. Trong hệ
vật lí có các hệ thống cơ khí, điện, chấp hành, cảm biến, chuyển đồi A/D
và D/A, máy tính và giao diện thời gian thực.
Hệ thống cơ khí:
+ Các hệ rắn biến dạng hoặc ko biến dạng.
+ Các hệ lỏng gồm chất lỏng nén được hoặc ko nén được.
Hệ thống điện:
+ Các đại lượng cơ bản của điện là điện lượng, điện áp, dòng điện.
+ Tùy vào đối tượng được truyền mà người ta phân biệt hệ thống thông

tin( truyền và xử lí thông tin) và hệ thống công suất( truyền năng lượng
với công suất lớn).
Hệ máy tính: bao gồm các modul phần cứng đặc trưng như mạch logic,
flipflop,đếm, định thời, trigger, các bộ vi xử lí và phần mềm.
Hệ thống cảm biến và chấp hành:
+ Cảm biến biến đổi các đại lượng vật lí thành tín hiệu điện để so sánh và
xử lí.
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra các chức năng hành động cho thiết bị.
Giao diện thời gian thực: Là các cách thức đảm bảo máy tính có thể giao
tiếp được với các thiết bị theo thời gian thực.
+ Sử dụng các thiết bị trung gian nhằm đảm bảo tín hiệu của máy tính
phù hợp với mức tín hiệu của các thiết bị.

Hệ cơ điện tử là 1 hệ tích hợp bởi đặc trưng của hệ thống cơ điện tử là sự
tích hợp: Tích hợp này bao gồm tích hợp không gian và tích hợp chức năng,
phụ thuộc vào cấu trúc tích hợp qua giải pháp ghép nối mà hệ đơn giản hay
phức tạp hơn. Các ghép nối này thường được kết hợp từ 3 cấu trúc cơ sở là liên
tiếp, song song hoặc phản hồi.
Tích hợp không gian: là tích hợp các thành phần/modul của hệ thống qua các
giao diện kết nối thành phần. Sự kết hợp ở đây có thể xảy ra giữa quá trình và
cảm biến, giữa quá trình và hệ kích động trong khi máy tính có thể kết hợp với
hệ kích truyền động , quá trình hoặc cảm biến theo nhiệm vụ điều khiển của nó.
Micrôcmputer

Kích truyền động Quá trình(hệ cơ
khí)

cảm biến

Vị trí khả năng tích hợp

3


Photo ngân sơn
Tích hợp chức năng: là tích hợp qua sự gia công xử lí thông tin, trên cơ sở
các đại lượng đo được xử lí, lưu chuyển và thực hiện dưới dạng: điều chỉnh,
giám sát tối ưu hóa…. Sự tích hợp chức năng yêu cầu có những phần cứng
thích hợp cùng với sự phát triển lắp đặt phần mềm.
Câu 3 Hãy nêu phương pháp thiết kế cơ điện tử? So sánh với thiết kế
truyền thống, thiết kế cơ điện tử có ưu điểm gì hơn?
Phương pháp thiết kế
- Đặc điểm cơ bản của hệ cơ điện tử là hệ con thuộc các lĩnh vực khác nhau
phải được kết nối với nhau. Đối với các hệ thông thường thì việc thiết kế
lẫn thực thi các hệ cơ và điện tử được tiến hành độc lập với nhau còn với
hệ cơ điện tử thì bắt đầu bằng 1 kế hoạch để đạt được 1 hệ tổng thể được
tích hợp cả về không gian và chức năng.
- Việc thiết kế hệ cơ điện tử thường được hoàn thành ngay khi nghiên cứu
hệ thống. Điều này cần thiết để có được các cách lựa chọn, các giải pháp
này được đánh giá và so sánh với nhau. Khi lựa chọn và thực hiện 1 kế
hoạch, các ý tưởng mà mô hình định hướng theo chức năng và theo hình
dạng đều đóng vai trò quan trọng.
Thiết kế thông thường

Cơ điện tử

4


Photo ngân sơn

- Cồng kềnh
- Cơ cấu phức tạp
- Truyền đạt qua cáp
- Khối thành phần kết nối điều
khiển đơn giản.
- Kết cấu cứng.
- Điều khiển 1 chiều, điều khiển
tuyến tính bởi analog

- Gọn
- Cơ cấu đơn giản
- Truyền đạt qua bus hoắc
không dây
- Các khối đơn vị tự trị, tích hợp
bằng xử lí thông tin.
- Kết cấu đàn hồi vói giảm chấn
và phản hồi điện tử.
- Điều khiển không tuyến tính
và phản hồi khả trình(digital)

- Chính xác nhờ dung sai nhỏ

- Chính xác nhờ đo lường và đk
phản hồi

- Các đại lượng không đo được
thay đổi tùy tiện
- Kiểm tra đơn giản
- Khả năng cố định

- Điều khiển các đại lượng
không đo được
- Giám sát với chẩn đoán lỗi
- Khả năng tự học

Câu 4: Phương pháp toán học xây dựng mô hình cơ điện tử? Lấy ví dụ
phương pháp toán học phân tích mô hình ?
Việc xây dựng mô hình dựa trên 2 phương pháp:
- Xây dựng mô hình lí thuyết.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm.
Trong việc xây dựng mô hình lí thuyết đòi hỏi phải có kiến thức về hệ thống,
tối thiểu là kiến thức về các giả thuyết khoa học. Chúng được sử dụng thuận
tiện đối với hệ mà trong đó có thể sử dụng các định luật vật lí, các định luật
về kinh tế và các định luật khác. VD:
- Định lí biến thiên động lượng, ĐL biến thiên mômen động lượng, ĐL
động năng hay các nguyên lí biến phân khác nhau.
- Kĩ thuật điện: các phương trình cơ bản của trường điện từ( ĐL Ampe,
ĐL cảm ứng), đối với mạch điện(ĐL ôm, kiechop).
Việc xây dựng mô hình thực nghiệm dựa trên việc quan sát, tức là dựa trên
các phép đo. Nhiệm vụ này thường được gọi là bài toán nhận dạng, trên cơ
sơ các thực nghiệm ta cần xác định các giá trị đặc trưng mô tả hệ(vd các
5


Photo ngân sơn
tham số) hay các hàm đặc trưng(vd hàm truyền). Bài toán được đơn giản hóa
khi ta có hệ vào/ra khi đó ta có 1 bài toán nhận dạng tham số. Trong nhiều
trường hợp thì sự kết hợp giữa xây dựng mô hình lí thuyết và thực nghiệm là
chìa khóa thành công.
Câu 5 Tính chất hệ tuyến tính? Nêu phương pháp tuyến tính hóa hệ phi

tuyến? Lấy ví dụ áp dụng.
Hệ tuyến tính có 2 tính chất quan trọng đó là:
-

Tuân theo nguyên lí xếp chồng tín hiệu(principle of superposition). Nếu tín
hiệu vào

cho tín hiệu ra

thì tín hiệu tổng

-

+

; tín hiệu vào
sẽ cho tín hiệu ra

cho tín hiệu ra
+

. Tính chất xếp

chồng có ứng dụng quan trọng là cho phép khảo sát đáp ứng chung của hệ
bằng cách khảo sát riêng đáp ứng tự do và đáp ứng cưỡng bức.
Có tính thuần nhất(Homogenity): Nếu tín hiệu vào x(t) cho tín hiệu ra y(t) thì
tín hiệu vào

sẽ cho tín hiệu ra là

trong đó

là hằng số.

• Chú ý: hệ bậc nhất không nhất thiết phải là hệ tuyến tính nếu không đảm
bảo được tính xếp chồng và tính thuần nhất.
Phương pháp tuyến tính hóa hệ phi tuyến :
Trong mô hình phi tuyến thường thì quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào
là dạng đường cong. Trong 1 đoạn cong nhỏ khi lượng thay đổi tín hiệu vào
nhỏ thì có thể xấp xỉ đường cong thành đoạn thẳng. Có 1 công cụ tương
đối vạn năng đó là khai triển hàm nhờ chuỗi Taylor.
Giả sử có hàm y(t) = g(x(t)) dạng khai triển chuỗi Taylor của nó như sau:

Trong đa số trường hợp, lấy đến đạo hàm cấp 1 là đủ chính xác, khi đó công
thức xấp xỉ trở thành:

Trong đó
6


Photo ngân sơn
là đạo hàm bậc nhất (độ dốc của đường cong tại x=x0
Có thể viết lại pt dưới dạng tuyến tính:
(y-y0) = m(x-x0) hay
Ví dụ : Khối lượng M dược đặt trên lò xo phi tuyến
Trong đại đa số các trường hợp ,lò xo trụ với đặc trưng tuyến tính(lực kéo hoặc
nén tỉ lệ với chuyển vị nghĩa là f=ky 0được dùng trong kết cấu, trong ví dụ này
ta giả thiết lực kéo của lò xo tit lệ với bình phương của chuyển vị :
Vị trí cân bằng của hệ là điểm cân bằng giữa trọng lực Mg với lực lò xo :

Xấp xỉ tuyến tính của hệ khi chuyển vị nhỏ có dạng :

Tại lân cận điểm

, quan hệ giữa lực và chuyển vị của lò xo được coi gần

đúng là có dạng tuyến tính :
Câu7 : Hãy nêu các thành phần đặc trưng của các phần tử có khí
chuyển động tịnh tiến ? Nêu ý nghĩa về mặt năng lượng của các phần
tử ?
Các thành phần đặc trưng của các phần tử cơ khí chuyển động tịnh tiến gồm
3 thành phần : khối lượng, giảm chấn, lò xo.
Ý nghĩa về mặt năng lượng :
Khi nghiên cứu động lực học của các cơ hệ chuyển động tịnh tiến, ta thương
sử dụng ĐL 2 Newton :
Vectơ tổng của tất cả các lực tác động lên vật có cường độ (F) bằng tích giữa
khối lượng (m) của vật với gia tốc chuyển động (a) của nó : F=ma

7


Photo ngân sơn
Lực tác dụng lên giảm chấn tỉ lệ thuận với vận tốc chuyển động, còn lực tác
dụng lên lò xo tỉ lệ với chuyển vị.
Câu 8 Hãy nêu các thành phần đặc trưng của các phần tử có khí chuyển
động quay ? Nêu ý nghĩa về mặt năng lượng của các phần tử ?
Hai thành phần cơ bản của chuyển động quay là giảm chấn xoắn và lò xoắn.
Ý nghĩa về mặt năng lượng :
Việc phân tích chuyển động quay cũng tuân theo định luật Newton, nhưng
có thay đổi với chuyển động quay :

Véctơ tổng của tất cả các mômen tác dụng lên vật bằng tích giữa vectơ gia
tốc góc của vật với quán tính của nó : T = J
Trong đó T – Momen tổng(Nm) ; J – quán tính của vật(kgm2) ;

gia tốc góc

(rad/s2)
Momen trên giảm chấn xoắn tỉ lệ với vân tốc góc
moment trên lò xo xoắn tỉ lệ với góc quay

Câu 9 hãy nêu các thành phần đặc trưng của các phần tử điện ? ý nghĩa
về mặt năng lượng của các phần tử ?
Các thành phần cơ bản của phần tử điện là : điện trở, điện dung, điện cảm,
nguồn áp, nguồn dòng và biến áp.
Ý nghĩa về mặt năng lượng :
Việc phân tích các phần tử điện dựa trên các định luật sau :
- Dịnh luật kiechop – dòng điện (trong mạnh điện tổng đại số các dòng
điện tại một nút bằng không )
8


Photo ngân sơn
- Dịnh luật kiechop – điện áp ( trong mạnh điện, đi theo một vòng kín theo
chiều tùy y, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử bằng không )
- Dịnh luật om ..

i

Câu 10 hãy nêu các thành phần đặc trưng của các phần tử thủy khí ? ý
nghĩa về mặt năng lượng của các phần tử ?

Hầu hết các hệ thống thủy lực có bể chứa , ống dẫn, tiết lưu.
Cau11 so sánh sự tương quan giữa các phần tử đặc trưng cơ khí, điện, thủy lực
khí nén.

9


Photo ngân sơn

10


Photo ngân sơn

11