Bài giảng Hệ thống cơ điện tử: Chương 1 - TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Giới Thiệu Chung Về Hệ Thống
Cơ Điện Tử
GV: TS Ngô Hà Quang Thịnh
Khoa: Cơ-Điện


MỤC TIÊU MƠN HỌC
Mơn học giới thiệu các thành phần cơ bản hình thành nên hệ thống Cơ
điện tử, phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử đối tượng cụ thể,
những ứng dụng cụ thể của các hệ thống và sản phẩm cơ điện tử.
Các hiểu biết, kỹ năng cần đạt được sau khi học môn học
-Kiến thức: Nắm vững các thuật ngữ, khái niệm, nguyên lý, các yếu tố
hình thành hệ thống Cơ điện tử. Tiệm cận một phương pháp thiết kế
“phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử”
-Kỹ năng nhận thức: Nhận biết được mối liên kết giữa các thành phần
trong hệ thống cơ điện tử
-Kỹ năng chun mơn: kỹ năng phân tích, thiết kế sản phẩm cơ điện
tử
-Kỹ năng chuyển tiếp: áp dụng kiến thức được trang bị ở môn này để
tiếp cận các hệ thống tự động trong các lĩnh vực khác nhau


ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC
→ Tham gia thảo luận, chuyên cần: 10%
→ Kiểm tra giữa kỳ: 20%
→ Kiểm tra cuối kỳ: 70%
-Hình thức thi: tự luận
-Thời lượng thi: 60 phút
-Sinh viên không được tham khảo tài liệu
Tài liệu học tập
[1] Devdas Shetty – Mechatronics system design, 1997

[2] Robert H. Bishop – The Mechatronics Handbook
[3] W. Bolton – Mechatronics – Electronic control systems in
mechanical engineering, 1995
[4] D. A. Bradley – Mechatronics – Electronic in product and
processes – Chapman & Hall, 1993.


NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Giới Thiệu Chung Hệ Thống Cơ Điện Tử

Chương 2: Thành Phần Đầu Vào Của Cơ Điện Tử
Chương 3: Cơ Cấu Chấp Hành
Chương 4: Các Bộ Phận Điều Khiển Trong Cơ Điện Tử

Chương 5: Thiết Kế Và Công Cụ Thiết Kế Sản Phẩm Của Cơ
Điện Tử


KHÁI NIỆM & THÀNH PHẦN CHÍNH


KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
Cơ điện từ là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giao
nhau giữa cơ khí và kỹ thuật điện-điện tư, điều khiển hệ thống
và công nghệ thông tin.


KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
►Cơ điện tử là sự kết hợp của kỹ thuật cơ khí,điều khiển điện tử
và kỹ thuật hệ thống trong thiết kế sản phẩm và quá trình(theo

Nanyang Politecchnic Singapore)
►Cơ điện từ là sự kết hợp đồng thời của kỹ thuật cơ khí,điều
khiển điện tử và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và các
quá trình sản xuất (theo Ủy ban tư vấn Phát triển và nghiên cứu
công nghiệp châu âu viết tắt IRDAC)
►Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng
thời(concurrent engineering) vào thiết kế và tích hợp các hệ
thống cơ –điện tử (theo trường Đại học Atlanta U.S.A)
►Các định nghĩa cịn chưa có sự thống nhất rộng rãi cho thấy
đây là một lĩnh vực bản thân nó chưa hồn tồn định hình, mà
đang tiếp tục định hình


KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Cơ Khí
Điện-Điện Tử

Giáo Dục & Đào
Tạo

Cơng Việc Thực Tế

Máy Tính

Cơng Nghiệp Sản
Xuất

Thị Trường

Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử (Bradley)

Quan điểm của Bradley: Sự thành công của các ngành công
nghiệp trong sản xuất và bán hàng trên thị trường thế giới phụ
thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp của điện-điện tử và công
nghệ tin học vào trong các sản phẩm cơ khí và các phương
thức sản xuất cơ khí …


KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Quan điểm của Okyay Kaynak (Professor, Turkey):
Mechatronics System

Cognition
Controlling System

Process Monitoring
Visualiration

Perception

Execution

Sensors

Actuators
Controller System

Mechanical Process
Cấu trúc hệ thống cơ điện tử (Okyay Kaynak)

KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Quan điểm của Shetty:

“Phương pháp thiết kế cơ điện tử được đặc
trên kỹ thuật đồng thời thay cho kỹ thuật
trình tự”


KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Phương pháp thiết kế truyền thống:
Thiết kế cơ khí
Kỹ sư cơ khí
Chế tạo cơ khí

Lắp ráp điện động lực

Kỹ sư cơ điện

Lắp ráp điện điều khiển
Kỹ sư điện tử điều khiển
Viết phần mềm điều khiển

Kiểm tra hiệu chỉnh

Kỹ sư cơ khí

Nhược điểm:
- Thời gian thiết kế kéo dài
- Khó đưa ra giải pháp tổng thể

tối ưu
- Tốn kém chắp vá và thiếu hiệu
quả


KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Phương pháp thiết kế cơ điện tử:
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG

CHẾ TẠO MẪU

Tiếp nhận nhu cầu
Mô phỏng thời
gian thực

TRIỂN KHAI

Triển khai phần cơ khí,
chấp hành, truyền động
Triển khai phần
cứng điều khiển

Phác thảo ý
tưởng
Tối ưu hóa thiết kế
TK sơ bộ

Triển khai phần
mềm điều khiển

Chọn sensor,
chấp hành

Tối ưu hóa vịng
đời của sản phẩm

Lập mơ hình chi tiết

Thiết kế hệ điều
khiển

Tối ưu hóa thiết kế

Ưu điểm:
- Tối ưu về thời gian, kinh
phí.
- Đưa ra giải pháp tổng thể
thống nhất.
- Tin cậy chi phí thấp


KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Những ưu điểm của hệ cơ điện tử so với hệ cơ khí truyền
thống:
► Chính xác, hiệu quả, rẻ tiền, thân thiện với người dùng
► Nhỏ gọn, tin cậy, tiêu hao ít năng lượng, an tồn và dễ thay
đổi mẫu mã
► Khơng có các cơ cấu truyền động cơ khí vì vậy làm việc
khơng có lực tác dụng nên khơng hao mịn cơ học

KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Ví dụ về sự phát triển của ô-tô:


LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN


THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CƠ ĐIỆN TỬ


PHÂN LOẠI HỆ CƠ ĐIỆN TỬ


CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Giao diện thời gian thực

Hệ thống thơng tin
Mơ hình hóa và mơ
phỏng hóa
Cơ điện tử

=

+
Điều khiển tự động

Tối ưu hóa

Hệ
thống
cơ khí

Hệ thống chấp
hành

Cảm biến

D/A
Hệ
thống
điện

Máy
tính
A/D


CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Mơ hình hóa:
- Là sự mơ tả đối tượng (thiết bị, q trình) thực thơng qua một
ngơn ngữ thích hợp.
- Sử dụng các ngôn dạng đồ họa, đồ thị, sơ đồ khối, dạng tốn học
( Phương trình đại số, phương trình vi phân).
Mơ hình:
- Là kết quả mơ tả được gọi là mơ hình.
- Mơ hình có thể là dạng đồ họa, đồ thị, sơ đồ khối, dạng tốn học
- Mơ hình có cấu trúc nhân quả.
- Mơ hình khơng phải là đối tượng thực.

CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Mô phỏng:
- Khảo sát mơ hình để đánh giá, dự đốn phản ứng của đối tượng
trước các tác động bên ngồi.
- Mơ phỏng là một phương pháp phân tích sử dụng các phần mềm
trực quan hơn ( Matlab-Simulink ), ( Labview),
(CAD/CAM/CAE).


CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ


CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ


CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ


CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Điều khiển:
- Tác động lên đối tượng nhằm đạt được kết quả mong muốn.
- Điều khiển đưa hoạt động của đối tượng về trạng thái hoạt động
mong muốn
- Điều khiển để duy trì trạng thái mong muốn trước các biến cố của
yếu tố bên ngồi
( Phân tích hệ thống điều khiển phản hồi hở và điều khiển phản hồi
kín)

CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Tối ưu hóa:
- Giải quyết vấn đề phân phối, sử dụng nguồn tài nguyên có hạn để
đạt mục tiêu đề ra với mức độ tốt nhất có thể
- Mục tiêu biểu diễn bằng các hàm mục tiêu, cịn các nguồn tài
ngun có giới hạn thì biểu diễn bằng các hệ phương trình, bất
phương trình ràng buộc.