Giáo trình Mechatronics: Hệ thống điều khiển điện tử cơ điện - William Bolton

• Tác giả: William Bolton
• Chuyên ngành: Mechatronics
• Đề tài: Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Harlow

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Mechatronics Bolton ấn bản thứ 7

Giáo trình Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering của William Bolton hiện đang ở ấn bản thứ 7, xuất bản năm 2019 bởi Pearson Education Limited. Đây là tài liệu học thuật hàng đầu dành cho sinh viên kỹ thuật cơ điện tử tại các trường đại học trên toàn thế giới. Cuốn sách trải qua quá trình phát triển dài từ lần đầu xuất bản năm 1995 đến nay, phản ánh sự tiến bộ liên tục của ngành cơ điện tử. Nội dung bao gồm các hệ thống điều khiển điện tử ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí và điện. Bolton đã xây dựng một khung kiến thức toàn diện, kết hợp lý thuyết điều khiển tự động với thực tiễn kỹ thuật. Giáo trình phân tích chi tiết hệ thống vòng kín, vòng hở, cảm biến, bộ truyền động và xử lý tín hiệu. Đây là tài liệu không thể thiếu cho bất kỳ chương trình đào tạo kỹ thuật cơ điện tử nào.

1.1. Lịch sử phát triển và các ấn bản của giáo trình Bolton

Giáo trình Mechatronics của Bolton lần đầu xuất bản năm 1995. Từ đó đến nay, tác phẩm đã trải qua 7 lần tái bản và cập nhật. Ấn bản thứ hai ra mắt năm 1999, ấn bản thứ ba năm 2003, thứ tư năm 2008, thứ năm năm 2011, thứ sáu năm 2015 và ấn bản thứ bảy năm 2019. Mỗi lần tái bản, nội dung được cập nhật theo sự phát triển của công nghệ. Ấn bản thứ 7 bổ sung các công nghệ hiện đại như hệ thống nhúng, IoT trong cơ điện tử và điều khiển kỹ thuật số tiên tiến.

1.2. Phạm vi nội dung và đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình hướng đến sinh viên đại học và sau đại học ngành kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện và cơ điện tử. Nội dung bao gồm lý thuyết hệ thống điều khiển, cảm biến và bộ truyền động, xử lý tín hiệu, lập trình vi điều khiển và thiết kế hệ thống tích hợp. Kỹ sư làm việc trong ngành tự động hóa cũng sử dụng tài liệu này như sách tham khảo. Cấu trúc nội dung rõ ràng, từ khái niệm cơ bản đến ứng dụng nâng cao, phù hợp với nhiều trình độ học tập khác nhau.

II. Phân tích các hệ thống điều khiển trong giáo trình Mechatronics Bolton

Giáo trình Bolton tập trung phân tích hai loại hệ thống điều khiển chính: hệ thống vòng hở và hệ thống vòng kín. Hệ thống vòng kín hay còn gọi là hệ thống phản hồi là trọng tâm của toàn bộ nội dung. Trong hệ thống này, tín hiệu đầu ra được đo lường liên tục và so sánh với giá trị tham chiếu để tạo ra tín hiệu sai số. Tín hiệu sai số này điều khiển quá trình hiệu chỉnh. Bolton minh họa rõ ràng qua ví dụ điều khiển mực nước bằng phao cơ học, điều khiển tốc độ trục quay và điều khiển nhiệt độ. Mỗi ví dụ đều xác định đầy đủ các thành phần: biến điều khiển, giá trị tham chiếu, phần tử so sánh, tín hiệu lỗi, bộ điều khiển, bộ hiệu chỉnh, quá trình và thiết bị đo. Phương pháp tiếp cận có hệ thống giúp người học nắm bắt nguyên lý một cách mạch lạc.

2.1. Hệ thống điều khiển vòng kín và các thành phần cơ bản

Hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm các thành phần cốt lõi hoạt động phối hợp với nhau. Biến điều khiển là đại lượng cần duy trì ở giá trị mong muốn. Phần tử so sánh tạo ra tín hiệu sai số bằng cách trừ tín hiệu phản hồi từ giá trị tham chiếu. Bộ điều khiển xử lý tín hiệu sai số và đưa ra lệnh hiệu chỉnh. Bộ truyền động thực hiện hành động vật lý lên quá trình. Thiết bị đo lường chuyển đổi đầu ra thành tín hiệu phản hồi. Bolton trình bày sơ đồ khối tổng quát giúp người học hiểu luồng tín hiệu trong toàn bộ hệ thống một cách trực quan.

2.2. Phân tích vấn đề ổn định và sai số trong hệ thống điều khiển

Ổn định là yêu cầu cơ bản của mọi hệ thống điều khiển vòng kín. Hệ thống không ổn định sẽ dao động không kiểm soát hoặc phân kỳ. Sai số trạng thái ổn định là hiệu giữa giá trị tham chiếu và giá trị đầu ra thực tế khi hệ thống đạt trạng thái ổn định. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định bao gồm độ khuếch đại vòng lặp, trễ thời gian và đặc tính của các phần tử trong hệ thống. Bolton phân tích phương pháp tiêu chuẩn Routh-Hurwitz và biểu đồ Bode để đánh giá ổn định, cung cấp công cụ thực tế cho kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển.

III. Giải pháp kỹ thuật và phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử

Bolton trình bày phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử dựa trên tích hợp đồng thời giữa cơ khí, điện tử và điều khiển. Cảm biến đóng vai trò then chốt trong việc thu thập thông tin từ quá trình vật lý. Giáo trình phân loại chi tiết các loại cảm biến dịch chuyển phổ biến. Cảm biến chiết áp (potentiometer) chuyển đổi dịch chuyển tuyến tính hoặc xoay thành điện áp tương ứng. Nguyên lý hoạt động dựa trên phân áp: điện áp đầu ra tỷ lệ với phần trăm dịch chuyển của con trượt. Bên cạnh cảm biến tiếp xúc, các cảm biến không tiếp xúc sử dụng thay đổi điện dung hoặc điện cảm được phân tích kỹ lưỡng. Bộ truyền động là thành phần thực hiện lệnh của bộ điều khiển lên quá trình vật lý. Động cơ điện một chiều, động cơ bước và van điều khiển thủy lực là các ví dụ điển hình được Bolton phân tích với mô hình toán học và đặc tính hoạt động chi tiết.

3.1. Cảm biến và thiết bị đo lường trong hệ thống cơ điện tử

Cảm biến dịch chuyển chiết áp có cấu tạo đơn giản gồm phần tử điện trở và con trượt di động. Loại tuyến tính đo dịch chuyển thẳng, loại xoay đo góc quay. Điện áp đầu ra Vo bằng tích của điện áp nguồn Vs và tỷ lệ dịch chuyển x. Khi kết nối tải điện trở RL song song, đặc tính tuyến tính bị ảnh hưởng. Bên cạnh chiết áp, LVDT (Linear Variable Differential Transformer) cung cấp độ chính xác cao hơn và không có tiếp xúc cơ học trực tiếp. Encoder quang học cho phép đo dịch chuyển kỹ thuật số với độ phân giải cao, phù hợp cho các ứng dụng CNC và robot công nghiệp hiện đại.

3.2. Phương pháp điều khiển PID và ứng dụng thực tiễn

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là giải pháp điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp. Thành phần tỷ lệ P phản ứng với sai số hiện tại, tạo lực điều chỉnh tức thời. Thành phần tích phân I loại trừ sai số trạng thái ổn định bằng cách tích lũy sai số theo thời gian. Thành phần vi phân D dự đoán xu hướng sai số, giảm dao động và cải thiện đáp ứng động. Bolton hướng dẫn phương pháp chỉnh định Ziegler-Nichols để xác định các hệ số Kp, Ki, Kd tối ưu. Phương pháp này áp dụng trực tiếp trên hệ thống thực mà không cần mô hình toán học chính xác.

IV. Kết luận và ứng dụng giáo trình Mechatronics Bolton trong đào tạo

Giáo trình Mechatronics ấn bản thứ 7 của William Bolton khẳng định vị trí là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho ngành cơ điện tử toàn cầu. Sau 30 năm liên tục cập nhật từ 1995 đến 2019, cuốn sách phản ánh đầy đủ sự tiến hóa của công nghệ điều khiển. Sinh viên tiếp cận giáo trình này sẽ nắm vững nền tảng lý thuyết hệ thống điều khiển, kỹ năng phân tích mạch điện tử và khả năng thiết kế hệ thống tích hợp. Các trường đại học kỹ thuật hàng đầu Việt Nam và thế giới đều đưa tài liệu này vào chương trình giảng dạy chính thức. Ứng dụng thực tiễn của kiến thức từ giáo trình trải rộng từ hệ thống tự động hóa nhà máy, robot công nghiệp đến thiết bị y tế thông minh và phương tiện giao thông tự lái. Nắm vững nội dung Bolton tạo nền tảng vững chắc để tiếp cận các công nghệ Industry 4.0.

4.1. Ứng dụng kiến thức Mechatronics Bolton trong công nghiệp hiện đại

Kiến thức từ giáo trình Bolton ứng dụng trực tiếp trong thiết kế hệ thống tự động hóa công nghiệp. Kỹ sư cơ điện tử sử dụng nguyên lý điều khiển vòng kín để thiết kế dây chuyền sản xuất tự động. Hệ thống robot hàn, lắp ráp và kiểm tra chất lượng đều dựa trên nền tảng lý thuyết được trình bày trong giáo trình. Công nghệ CNC (Computer Numerical Control) kết hợp trực tiếp điều khiển PID với cảm biến vị trí encoder. Hệ thống HVAC thông minh trong tòa nhà áp dụng điều khiển nhiệt độ và độ ẩm theo nguyên lý phản hồi. Xe tự lái tích hợp hàng chục vòng điều khiển phản hồi hoạt động đồng thời, tất cả đều xây dựng trên nền tảng lý thuyết Bolton.

4.2. Hướng dẫn học tập và khai thác tối đa giáo trình Bolton

Để khai thác hiệu quả giáo trình Bolton, người học nên tiếp cận theo trình tự từ lý thuyết cơ bản đến bài tập ứng dụng. Mỗi chương kết thúc bằng bài tập thực hành giúp củng cố kiến thức. Kết hợp đọc giáo trình với thực hành mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink cho hiệu quả học tập cao nhất. Sinh viên nên chú trọng các ví dụ minh họa vì Bolton xây dựng từng ví dụ rất chi tiết và có tính thực tiễn cao. Tài liệu điện tử ấn bản thứ 7 hỗ trợ tra cứu nhanh qua từ khóa, giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu. Nhóm học tập thảo luận bài tập cuối chương là phương pháp được khuyến khích.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MECHATRONICS MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMS IN MECHANICAL ELECTRONIC CONTROL AND ELECTRICAL SYSTEMS IN MECHANICAL ENGINEERING AND ELECTRICAL ENGINEERING WILLIAM BOLTON WILLIAM BOLTON SEVENTH EDITION SEVENTH EDITION M E C H AT RO N I C S F01 Mechatronics 50977 Contents.com At Pearson, we have a simple mission: to help people make more of their lives through learning. We combine innovative learning technology with trusted content and educational expertise to provide engaging and effective learning experiences that serve people wherever and whenever they are learning. From classroom to boardroom, our curriculum materials, digital learning tools and testing programmes help to educate millions of people worldwide – more than any other private enterprise. Every day our work helps learning flourish, and wherever learning flourishes, so do people. To learn more, please visit us at www.com/uk F01 Mechatronics 50977 Contents.com MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMS IN MECHANICAL AND ELECTRICAL ENGINEERING Seventh Edition William Bolton Harlow, England • London • New York • Boston • San Francisco • Toronto • Sydney Dubai • Singapore • Hong Kong • Tokyo • Seoul • Taipei • New Delhi Cape Town • São Paulo • Mexico City • Madrid • Amsterdam • Munich • Paris • Milan F01 Mechatronics 50977 Contents.com Pearson Education Limited KAO Two KAO Park Harlow CM17 9NA United Kingdom Tel: [phone] Web: www.com/uk First published 1995 (print) Second edition published 1999 (print) Third edition published 2003 (print) Fourth edition published 2008 (print) Fifth edition published 2011 (print and electronic) Sixth edition published 2015 (print and electronic) Seventh edition published 2019 (print and electronic) © Pearson Education Limited 2015, 2019 (print and electronic) The right of William Bolton to be identified as author of this work has been asserted by him in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988. The print publication is protected by copyright. Prior to any prohibited reproduction, storage in a retrieval system, distribution or transmission in any form or by any means, electronic, mechanical, recording or otherwise, permission should be obtained from the publisher or, where applicable, a licence permitting restricted copying in the United Kingdom should be obtained from the Copyright Licensing Agency Ltd, Barnard’s Inn, 86 Fetter Lane, London EC4A 1EN. The ePublication is protected by copyright and must not be copied, reproduced, transferred, distributed, leased, licensed or publicly performed or used in any way except as specifically permitted in writing by the publishers, as allowed under the terms and conditions under which it was purchased, or as strictly permitted by applicable copyright law. Any unauthorised distribution or use of this text may be a direct infringement of the author’s and the publisher’s rights and those responsible may be liable in law accordingly. All trademarks used herein are the property of their respective owners. The use of any trademark in this text does not vest in the author or publisher any trademark ownership rights in such trademarks, nor does the use of such trademarks imply any affiliation with or endorsement of this book by such owners. Pearson Education is not responsible for the content of third-party internet sites. ISBN: 978-1-292-25097-7 (print) 978-1-292-25100-4 (PDF) 978-1-292-25099-1 (ePub) British Library Cataloguing-in-Publication Data A catalogue record for the print edition is available from the British Library Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Names: Bolton, W. Title: Mechatronics : electronic control systems in mechanical and electrical engineering / William Bolton. Description: Seventh edition. | Harlow, England ; New York : Pearson Education Limited, 2019. | Includes bibliographical references and index. Identifiers: LCCN 2018029322| ISBN 9781292250977 (print) | ISBN 9781292251004 (pdf) | ISBN 9781292250991 (epub) Subjects: LCSH: Mechatronics. Classification: LCC TJ163.B65 2019 | DDC 621—dc23 LC record available at https://urldefense.com/v2/url?u=https-3A__lccn.gov_2018029322&d=DwIFAg&c=0YLnzTkW OdJlub_y7qAx8Q&r=eK0q0-QqUPIJD1OLTc7YiWdHxmNowNBMcvK9N3XeA-U&m=KkECpIRxvUd6hHO4IgYQ39O8Wnj16yu FhTNaAb0czTk&s=d_M15Lwv7uWaxVKsm14kfkQ5Quu9-ZHwFQvuouRdve8&e= 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 23 22 21 20 19 Print edition typeset in 10/11 pt Ehrhardt MT Pro by Pearson CSC Printed and bound in Malaysia NOTE THAT ANY PAGE CROSS REFERENCES REFER TO THE PRINT EDITION F01 Mechatronics 50977 Contents.indd 4 30/08/2018 07:09 Contents Preface xi 3. Signal conditioning 78 Chapter objectives 78 I.2 The operational amplifier 79 1.5 Wheatstone bridge 92 Chapter objectives 3 3.1 What is mechatronics? 3 3.7 Problems with signals 98 1.2 The design process 5 3.4 Measurement systems 8 Problems 101 1.6 Programmable logic controller 21 1.7 Examples of mechatronic systems 22 4. Digital signals 103 Summary 26 Problems 27 Chapter objectives 103 4.2 Analogue and digital signals 103 II. Sensors and signal conditioning 29 4.3 Digital-to-analogue and analogue-to-digital converters 107 2. Sensors and transducers 31 4.6 Digital signal processing 116 Chapter objectives 31 4.7 Digital signal communications 118 2.1 Sensors and transducers 31 Summary 119 2.2 Performance terminology 32 Problems 120 2.3 Displacement, position and proximity 37 2.4 Velocity and motion 54 2.8 Liquid level 62 Chapter objectives 121 2.11 Selection of sensors 70 5.3 Applications of logic gates 130 2.12 Inputting data by switches 71 5.4 Sequential logic 135 Summary 74 Summary 143 Problems 75 Problems 143 F01 Mechatronics 50977 Contents.com vi CONTENTS 6. Data presentation systems 146 9. Electrical actuation systems 222 Chapter objectives 146 Chapter objectives 222 6.2 Data presentation elements 147 9.3 Solid-state switches 224 6.5 Direct current motors 232 6.6 Data acquisition systems 162 9.6 Alternating current motors 241 6.8 Testing and calibration 169 9.8 Direct current servomotors 250 Summary 171 9.9 Motor selection 251 Problems 172 Summary 255 Problems 255 III. Pneumatic and hydraulic actuation 10. Microprocessors and microcontrollers 259 systems 177 Chapter objectives 259 Chapter objectives 177 10.2 Pneumatic and hydraulic systems 177 10.3 Directional control valves 181 10.4 Pressure control valves 186 10.6 Servo and proportional control valves 192 Problems 300 7.7 Process control valves 193 Summary 198 Problems 198 11. Assembly language 301 Chapter objectives 301 11. Mechanical actuation systems 201 11.2 Assembly language programs 302 11.4 Subroutines 317 Chapter objectives 201 11.5 Look-up tables 321 8.2 Types of motion 202 Summary 327 8.3 Kinematic chains 204 Problems 328 8.6 Ratchet and pawl 214 12.7 Belt and chain drives 214 8.9 Electromechanical linear actuators 218 Chapter objectives 329 Summary 219 12.2 Program structure 329 F01 Mechatronics 50977 Contents.com CONTENTS vii 12.3 Branches and loops 336 15.5 Open Systems Interconnection communication 12.6 Serial communication interfaces 418 12.7 Parallel communication interfaces 427 12.7 Examples of programs 345 15.8 Arduino programs 348 Summary 431 Summary 352 Problems 432 Problems 352 13. Input/output systems 354 16. Fault finding 433 Chapter objectives 354 Chapter objectives 433 13.1 Fault-detection techniques 433 13.2 Input/output addressing 355 16.3 Parity and error coding checks 435 13.4 Peripheral interface adapters 364 16.4 Common hardware faults 437 13.5 Serial communications interface 369 16.6 Examples of interfacing 372 16.6 Evaluation and simulation 441 Summary 380 16.7 PLC systems 442 Problems 380 Summary 445 Problems 445 14. Programmable logic controllers 382 V. System models 447 Chapter objectives 382 14.1 Programmable logic controller 382 14.2 Basic PLC structure 382 17. Basic system models 449 14.3 Input/output processing 386 14.4 Ladder programming 387 Chapter objectives 449 14.6 Latching and internal relays 394 17.2 Mechanical system building blocks 450 14.3 Electrical system building blocks 458 14.8 Timers and counters 397 17.4 Fluid system building blocks 462 14.5 Thermal system building blocks 469 14.10 Master and jump controls 401 Summary 472 14.11 Data handling 402 Problems 473 14.12 Analogue input/output 404 Summary 406 Problems 407 18. Communication systems 409 Chapter objectives 475 18.1 Engineering systems 475 Chapter objectives 409 18.2 Rotational–translational systems 475 15.2 Centralised, hierarchical and distributed 18.5 Hydraulic–mechanical systems 481 15.4 Protocols 414 Problems 484 F01 Mechatronics 50977 Contents.com viii CONTENTS 22. Dynamic responses of systems 485 22.10 Adaptive control 567 Chapter objectives 485 Summary 569 19.1 Modelling dynamic systems 485 Problems 569 19.3 First-order systems 488 19.4 Second-order systems 494 23.5 Performance measures for second-order systems 501 19.6 System identification 504 Summary 505 Chapter objectives 571 Problems 506 23.1 What is meant by artificial intelligence? 571 23.2 Perception and cognition 572 23. System transfer functions 509 Summary 585 Problems 586 Chapter objectives 509 20.1 The transfer function 509 20.2 First-order systems 512 VI.3 Second-order systems 514 20.4 Systems in series 516 24.5 Systems with feedback loops 517 20.6 Effect of pole location on transient response 519 Chapter objectives 589 Summary 522 24.1 Mechatronic designs 589 Problems 522 24.3 Case studies 606 Summary 625 Problems 625 21. Frequency response 524 Research assignments 625 Design assignments 625 Chapter objectives 524 21.3 Frequency response 527 Appendices 627 21.5 Performance specifications 539 A The Laplace transform 629 21.1 The Laplace transform 629 Problems 544 A.2 Unit steps and impulses 630 A.3 Standard Laplace transforms 632 A.4 The inverse transform 636 Problems 638 22. Closed-loop controllers 546 Chapter objectives 546 B Number systems 639 22.2 Two-step or on/off mode 548 22.3 Proportional mode of control 550 B.4 Integral mode of control 552 B.5 Derivative mode of control 555 B.7 Digital control systems 559 Problems 644 F01 Mechatronics 50977 Contents.com CONTENTS ix C.4 Karnaugh maps 649 C Boolean algebra 645 Problems 652 C.1 Laws of Boolean algebra 645 C.2 De Morgan’s laws 646 Answers 654 C.3 Boolean function generation from truth tables 647 Index 669 F01 Mechatronics 50977 Contents.com F01 Mechatronics 50977 Contents.indd 10 30/08/2018 07:09 Preface The term mechatronics was ‘invented’ by a Japanese engineer in 1969, as a combination of ‘mecha’ from mechanisms and ‘tronics’ from electronics. The word now has a wider meaning, being used to describe a philosophy in engi- neering technology in which there is a co-ordinated, and concurrently devel- oped, integration of mechanical engineering with electronics and intelligent computer control in the design and manufacture of products and processes. As a result, many products which used to have mechanical functions have had many replaced with ones involving microprocessors. This has resulted in much greater flexibility, easier redesign and reprogramming, and the ability to carry out automated data collection and reporting. A consequence of this approach is the need for engineers and technicians to adopt an interdisciplinary and integrated approach to engineering. Thus engineers and technicians need skills and knowledge that are not confined to a single subject area. They need to be capable of operating and communicating across a range of engineering disciplines and linking with those having more specialised skills. This book is an attempt to provide a basic background to mechatronics and provide links through to more specialised skills. The first edition was designed to cover the Business and Technology Edu- cation Council (BTEC) Mechatronics units for Higher National Certificate/ Diploma courses for technicians and designed to fit alongside more specialist units such as those for design, manufacture and maintenance determined by the application area of the course. The book was widely used for such courses and has also found use in undergraduate courses in both Britain and the United States. Following feedback from lecturers in both Britain and the United States, the second edition was considerably extended and with its extra depth it was not only still relevant for its original readership, but also suitable for undergraduate courses. The third edition involved refinements of some explanations, more discussion of microcontrollers and programming, increased use of models for mechatronic systems, and the grouping together of key facts in the Appendices. The fourth edition was a complete reconsidera- tion of all aspects of the text, both layout and content, with some regrouping of topics, movement of more material into Appendices to avoid disrupting the flow of the text, new material – in particular an introduction to artificial intel- ligence – more case studies and a refinement of some topics to improve clarity. Also, objectives and key point summaries were included with each chapter. The fifth edition kept the same structure but, after consultation with many users of the book, many aspects had extra detail and refinement added. The sixth edition involved a restructuring of the constituent parts of the book as some users felt that the chapter sequencing did not match the general teaching sequence. Other changes included the inclusion of material on F01 Mechatronics 50977 Contents.com xii PREFACE Arduino and the addition of more topics in the Mechatronic systems chapter.