Phân tích, Thiết kế và Triển khai Hệ thống Cơ điện tử - El-Kébir Boukas, Fouad M. AL-Sunni

• Tác giả: El-Kébir Boukas
• Trường học: Trường Bách Khoa Montréal
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Phân tích, Thiết kế và Triển khai Hệ thống Cơ điện tử
• Loại tài liệu: Sách học thuật
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Berlin

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cơ điện tử trong kỹ thuật hiện đại

Hệ thống cơ điện tử là lĩnh vực kỹ thuật liên ngành kết hợp ba trụ cột chính: kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật phần mềm. Định nghĩa này do các chuyên gia từ Đại học Bách khoa Montreal và Đại học Khoa học & Dầu khí Quốc vương Fahd xây dựng. Mục đích cốt lõi là kiểm soát các hệ thống phức tạp thông qua giải pháp phần cứng và phần mềm tích hợp. Trong hệ thống cơ điện tử, trí tuệ được triển khai trên vi điều khiển. Kỹ sư làm việc trong lĩnh vực này phải nắm vững kiến thức về điện tử, điều khiển và lập trình. Các ví dụ tiêu biểu xuất hiện trong nhiều ngành công nghiệp, từ hàng không vũ trụ đến sản xuất ô tô. Quá trình thiết kế đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các bộ phận cơ khí, mạch điện tử và thuật toán điều khiển. Công nghệ MEMS đã cách mạng hóa việc tích hợp cảm biến vào hệ thống nhỏ gọn. Vi điều khiển dsPIC30F4011 là một trong những nền tảng được sử dụng rộng rãi cho triển khai thời gian thực. Hệ thống sử dụng bộ chuyển đổi ADC và DAC để xử lý tín hiệu analog và kỹ thuật số.

1.1. Định nghĩa và bản chất liên ngành của cơ điện tử

Cơ điện tử được định nghĩa là sự kết hợp hiệp đồng giữa kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật phần mềm. Bản chất liên ngành này tạo ra một lĩnh vực kỹ thuật mới vượt trội hơn tổng các thành phần riêng lẻ. Kỹ sư cơ điện tử phải hiểu biết toàn diện về cả ba lĩnh vực để thiết kế hệ thống hoạt động hiệu quả. Phương pháp tiếp cận liên ngành cho phép tối ưu hóa thiết kế từ giai đoạn khái niệm đến triển khai thực tế. Sự tích hợp này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và thời gian phản hồi nhanh.

1.2. Các thành phần cấu trúc chính của hệ thống cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử bao gồm ba thành phần cấu trúc chính. Phần cơ khí gồm vỏ bọc, kết cấu chịu lực và cơ cấu chấp hành. Phần điện tử bao gồm vi điều khiển, cảm biến, mạch điều khiển motor và các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện. Phần phần mềm bao gồm thuật toán điều khiển được lập trình trên vi điều khiển, thực thi trong vòng lặp ngắt. Các cảm biến MEMS như gia tốc kế và con quay hồi chuyển cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống. Bộ chuyển đổi tín hiệu ADC và DAC đóng vai trò cầu nối giữa thế giới analog và kỹ thuật số.

II. Phân tích thách thức trong thiết kế hệ thống cơ điện tử

Quá trình phân tích hệ thống cơ điện tử đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Thách thức đầu tiên là tích hợp hài hòa giữa các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm. Kỹ sư phải tuân thủ quy trình nghiêm ngặt khi thiết kế phần cơ khí, lựa chọn cảm biến và cơ cấu chấp hành phù hợp. Việc bố trí vị trí tích hợp mạch điện tử cần được tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu. Xử lý tín hiệu là một thách thức lớn, đòi hỏi chuyển đổi chính xác giữa tín hiệu analog và kỹ thuật số. Cấu trúc điều khiển sử dụng tham chiếu kỹ thuật số có ưu điểm loại bỏ nhiễu tốt hơn so với cấu trúc analog truyền thống. Độ chính xác của vi điều khiển và ADC ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển. Lựa chọn 16 bit cho vi điều khiển và 10 bit cho ADC là các tiêu chuẩn phổ biến. Thiết kế mạch điện tử xung quanh vi điều khiển yêu cầu kiến thức chuyên sâu về linh kiện điện tử. Quá trình kiểm tra và xác minh hệ thống cần được thực hiện kỹ lưỡng trước khi triển khai.

2.1. Thách thức trong tích hợp phần cứng và phần mềm

Tích hợp phần cứng và phần mềm là thách thức trung tâm trong thiết kế cơ điện tử. Phần điện tử phải được thiết kế xung quanh vi điều khiển, bao gồm các linh kiện như điện trở, tụ điện, mạch tích hợp và cảm biến. Lỗi tính toán và lỗi lượng tử hóa có thể xảy ra nếu lựa chọn số bit không phù hợp cho vi điều khiển hoặc ADC. Kỹ sư phải cân bằng giữa độ chính xác yêu cầu và chi phí phần cứng. Việc đồng bộ hóa thời gian giữa các phần cứng cảm biến, xử lý và chấp hành đòi hỏi thiết kế cẩn thận.

2.2. Vấn đề xử lý tín hiệu và chống nhiễu

Xử lý tín hiệu trong hệ thống cơ điện tử đối mặt với nhiều vấn đề về nhiễu và độ chính xác. Cấu trúc điều khiển sử dụng tham chiếu kỹ thuật số thay vì analog giúp loại bỏ nhiễu hiệu quả hơn. Bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến sang dạng kỹ thuật số để vi điều khiển xử lý. Ngược lại, DAC chuyển đổi lệnh điều khiển kỹ thuật số thành tín hiệu analog cho cơ cấu chấp hành. Việc lựa chọn độ phân giải phù hợp cho ADC và DAC ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển và độ ổn định hệ thống.

III. Phương pháp thiết kế và triển khai hệ thống cơ điện tử

Phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử tuân theo quy trình có cấu trúc rõ ràng. Giai đoạn đầu tiên là thiết kế phần cơ khí, xây dựng kết cấu và lựa chọn cảm biến, cơ cấu chấp hành phù hợp. Tiếp theo, kỹ sư thiết kế mạch điện tử xung quanh vi điều khiển, tích hợp các linh kiện điện tử cần thiết. Vi điều khiển dsPIC30F4011 là lựa chọn phổ biến cho triển khai thời gian thực. Mạch điều khiển motor sử dụng driver L293D kết hợp với tụ điện lọc nguồn. Thuật toán điều khiển được lập trình chạy trong vòng lặp ngắt vô hạn. Tại mỗi lần ngắt, vi điều khiển đọc giá trị đầu ra qua cảm biến và ADC, tính toán lệnh điều khiển, sau đó gửi đến hệ thống qua DAC. Cấu trúc này sử dụng tham chiếu kỹ thuật số để tối ưu hóa khả năng chống nhiễu. Việc lựa chọn số bit cho vi điều khiển và ADC là yếu tố quyết định độ chính xác. Quá trình kiểm tra và hiệu chỉnh được thực hiện liên tục để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.1. Thiết kế mạch điện tử và lựa chọn vi điều khiển

Thiết kế mạch điện tử bắt đầu bằng việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp với yêu cầu ứng dụng. Vi điều khiển dsPIC30F4011 được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng xử lý tín hiệu số mạnh mẽ. Mạch điện tử bao gồm các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện phân cực và tụ gốm. Driver motor L293D điều khiển động cơ DC thông qua tín hiệu từ vi điều khiển. Tụ điện với các giá trị từ 0.1μF đến 100μF/16V được sử dụng để lọc nguồn và ổn định điện áp. Bố trí mạch cần đảm bảo khoảng cách cách ly và giảm thiểu nhiễu điện từ.

3.2. Triển khai thuật toán điều khiển thời gian thực

Triển khai thuật toán điều khiển thời gian thực yêu cầu vi điều khiển chạy trong vòng lặp ngắt vô hạn. Tại mỗi lần ngắt, hệ thống thực hiện chuỗi thao tác: đọc giá trị cảm biến qua ADC, tính toán lệnh điều khiển bằng thuật toán, gửi lệnh qua DAC đến cơ cấu chấp hành. Tất cả các bước này được thực hiện bên trong routine ngắt để đảm bảo thời gian phản hồi nhanh. Lựa chọn 16 bit cho vi điều khiển và 10 bit cho ADC là tiêu chuẩn cân bằng giữa hiệu suất và chi phí. Kết quả đạt được tuy không hoàn hảo nhưng đủ chấp nhận được cho nhiều ứng dụng thực tế.

IV. Ứng dụng thực tế và triển vọng hệ thống cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Trong ngành ô tô, gia tốc kế MEMS được sử dụng để phát hiện va chạm và kích hoạt túi khí kịp thời, bảo vệ tính mạng hành khách. Công nghệ MEMS cho phép tạo cảm biến kích thước nhỏ gọn, phát hiện gia tốc trên tối đa 3 trục. Dữ liệu từ gia tốc kế được truyền trực tiếp đến vi điều khiển để xử lý và đưa ra hành động phù hợp. Con quay hồi chuyển MEMS duy trì hướng tuyệt đối trong không gian, được ứng dụng trong máy bay, vệ tinh và robot. Cảm biến hình ảnh CMOS và CCD ghi nhận cường độ ánh sáng, phục vụ xử lý hình ảnh cho kiểm tra chất lượng và giám sát. Công nghệ MEMS đã mở rộng khả năng ứng dụng cơ điện tử vào các hệ thống nhỏ gọn và di động. Camera kỹ thuật số sử dụng gia tốc kế để đảm bảo ổn định hình ảnh. Triển vọng phát triển bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo và kết nối IoT vào hệ thống cơ điện tử. Nghiên cứu tập trung vào cải thiện độ chính xác, giảm chi phí và tăng tính tự động hóa.

4.1. Cảm biến MEMS và vai trò trong hệ thống hiện đại

Cảm biến MEMS đóng vai trò then chốt trong hệ thống cơ điện tử hiện đại. Gia tốc kế MEMS phát hiện gia tốc trên tối đa 3 trục, được ứng dụng trong túi khí ô tô và ổn định hình ảnh camera. Con quay hồi chuyển MEMS duy trì hướng tuyệt đối trong không gian bất kể chuyển động của vật mang. Dữ liệu từ cảm biến MEMS được truyền trực tiếp đến vi điều khiển để xử lý thời gian thực. Kích thước nhỏ gọn của cảm biến MEMS cho phép tích hợp vào hệ thống di động và thiết bị tiêu dùng.

4.2. Xu hướng phát triển và ứng dụng tương lai

Hệ thống cơ điện tử đang phát triển theo hướng tích hợp trí tuệ nhân tạo và kết nối IoT. Công nghệ MEMS tiếp tục thu nhỏ kích thước đồng thời nâng cao độ chính xác và giảm chi phí. Ứng dụng trong robot tự hành, xe tự lái và thiết bị y tế đang mở rộng nhanh chóng. Xử lý hình ảnh với cảm biến CMOS/CCD phục vụ kiểm tra chất lượng công nghiệp và giám sát an ninh. Triển vọng tương lai bao gồm hệ thống cơ điện tử thông minh, có khả năng tự học hỏi và thích ứng với môi trường thay đổi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mechatronic Systems www.org El-Kébir Boukas and Fouad M. AL-Sunni Mechatronic Systems Analysis, Design and Implementation ABC www.org Authors Prof. El-Kébir Boukas Prof. AL-Sunni Mechanical Engineering Department Department of Systems Engineering Ecole Polytechnique de Montreal King Fahd University of Petroleum P. Box 6079, Station “centre-ville" and Minerals Montreal, Quebec, H3C 3A7 Dhahran, 31261 Canada Saudi Arabia Email: el-kebir.ca E-mail: [e-mail] ISBN 978-3-642-22323-5 e-ISBN 978-3-642-22324-2 DOI 10.1007/978-3-642-22324-2 Library of Congress Control Number: 2011931791  c 2011 Springer-Verlag Berlin Heidelberg This work is subject to copyright. All rights are reserved, whether the whole or part of the mate- rial is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilm or in any other way, and storage in data banks. Dupli- cation of this publication or parts thereof is permitted only under the provisions of the German Copyright Law of September 9, 1965, in its current version, and permission for use must always be obtained from Springer. Violations are liable to prosecution under the German Copyright Law. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. Typeset & Cover Design: Scientific Publishing Services Pvt. Printed on acid-free paper 987654321 springer.org Preface Nowadays most of the systems are computer controlled among them we quote mechatronic systems where the intelligence is implemented in microcontrollers. The discipline that deals with such systems is mechatronics that we define as the syner- gistic combination of mechanical engineering, electronic engineering, and software engineering. The purpose of this interdisciplinary engineering field is to control complex systems by providing hardware and software solutions. The engineers working in this field must master concepts in electronics, control and programming. Examples of such systems can be found in different industrial areas ranging from aerospace to automobile industries. In the mechanical part, the engineer must follow a rigorous procedure to design the mechatronic system. He must build the mechanical part of the system and choose the appropriate sensors and actuators that have to be used in the functioning of the mechatronic system. At this phase we must think about the place where the electronic circuit will be integrated. In the electronics part, the engineer must design the electronic circuit around mi- crocontrollers that will assure the functioning of the mechatronics systems. It covers the integration of the required electronics components such as resistors, capacitors, integrated circuits, sensors and the chosen microcontrollers. The required regulated voltage for the different components is also part of this step. In the control part, the engineer must analyze the system under study and design the appropriate controller to get the desired performances. In the analysis part, we should start by establishing an acceptable model that gives the relationship between the inputs and the outputs. Once the dynamics is mastered a sampling period is chosen and the model is converted to a discrete-time form and an appropriate con- troller can be chosen among the classical proportional integral and derivative (PID) www.org VI controller or the state feedback controller or any other controller that can give the desired performances. In the programming part, the engineer must develop the code of the appropriate algorithms and then upload it in the memory of the chosen microcontroller. Many languages can be used for this purpose. In the rest of this volume, the C language is used to implement the developed algorithms. The field of mechatronics is blooming and due to its interdisciplinarity many uni- versities around the world have introduced complete programs on mechatronics in their curriculum. Also the number of students that are attracted by this field is also blooming and many research directions related to this have emerged recently. Huge efforts have been done to structure research in this discipline and we have seen re- cently many international conferences totally dedicated to this. Also some journals have been created to report interesting results on the subject. Unfortunately the num- ber of book dealing with such discipline is limited and sometimes inappropriate for some courses in the different programs around the world. This book provides some tools that engineers working on the mechatronics disci- pline can use. It can be considered as a reference for a second course in mechatronics curriculum where the students are supposed to have a prerequisite course in which the structure and the different components on mechatronics systems have been presented. It focuses only on the analysis, design and implementation of continuous- time systems controlled by microcontrollers using advanced algorithms to get the desired performances. The hardware design of the mechatronic systems represents the hearth of the mechatronics field. It consists of designing the different parts of the mechatronic systems. Mainly beside the electronic circuit, we should select the appropriate sen- sors and actuators that we can use for our mechatronic system. The choice of the microcontroller is also important for the success of the desired system. In the modeling part a model to describe the behavior of the system is developed either using the transfer function or the state space representation. In the transfer function approach part, the model of the continuous-time systems is converted to a discrete-time system and different techniques for analysis and synthesis of con- trollers to guarantee some desired performances are developed. In the state space approach part, the model of the continuous-time systems is converted to a discrete- time state space representation and different techniques for analysis and synthesis of controllers to assure some desired performances are developed. The part on implementation will focus on how we can implement the control algorithm we developed either using the transfer function tools or the ones based on state space. Both the hardware and software parts will be covered to give an idea for the reader on how to deal with such problems. Mainly the selection of the sensors and the actuators that may be used in the mechatronic system will be covered. In the advance control part, a flavor of how to design controllers that handle un- certainties and external disturbances in the dynamics is presented. This will give an idea to the reader on robust control technique and get familiar with implementation of these techniques. Stability and stabilization problems and their robustness are covered. Different controllers (state feedback, static output feedback and dynamic www.org VII output feedback) are used and linear matrix inequality (LMI) condition is developed to design such controllers. In the case studies part, a certain number of practical examples are presented to show how the concepts we presented earlier are implemented to obtain a functional mechatronics systems. More detail is given to help the reader to design his own mechatronic system in the future. The rest of this book is organized in seven parts and divided in eleven chap- ters and one appendix. In the introduction, a general overview of the mechatronics fields is given and the main concepts are recalled to make the book self-contained. In Chapter 2, the structure of mechatronic systems are detailed and some examples are given. Chapter 3 which is a part of the modeling part, deals with the model- ing problem of the class of linear continuous-time systems. Both the physical laws and identification approaches are covered. The concepts of transfer function and state space representations are presented. Chapter 4 treats the Z -transform and its properties and how the transfer function is obtained from a model that is given in a set of differential equations. Other techniques for analysis of such systems are also covered. In Chapter 5, some design approaches based on transfer function are developed. Chapter 6 deals with the state space approach for analyzing linear discrete-time systems. The concepts of stability, controllability and observability are covered. In Chapter 7, the state feedback, static output and dynamic output sta- bilization techniques are tackled. Chapter 8 deals with the implementation problem of the control algorithm we may develop for controlling a given continuous-time system. The focus will be made on all the steps. Mainly the hardware and software parts are covered in detail to help the reader to develop his own expertise. Chap- ter 9 presents some ideas on robust control. Stability and stabilization problems for systems with uncertainties and external disturbances are tackled. Chapter 10 covers the guaranteed cost control problem. Different types of controllers are used for this purpose. In Chapter 11 some selected systems are considered and all the concepts we developed in this book are applied to give the whole picture for the reader. An appendix that contains some relevant tools is also provided to try to make the book self-contained. El-Kébir Boukas Fouad M. AL-Sunni www.org In Memory of Prof. El-Kébir Boukas Missing a very dear friend Born in Morocco in 1954, Prof. Boukas obtained his BS Electrical Engineering degree from Ecole Mohammadia des Ingenieurs with excellent standing and with an early focus on control and application on large scale systems. Since then, he was fascinated by the area of control and its application. To fulfil his design of knowing more about it, he moved to Canada to pursue his higher studies. A decision which proved rewarding, he finished his MS and PhD in Electrical Engineering from Ecole Polytechnique of Montreal, and established himself as an authority in his area of specialization of control and automation with specialization in the use of control tools in manufacturing , maintenance and inventory control. In his mid- fifties, he left us while still active in his research and very productive. In fact, the manuscript of this book was with him while in hospital during the last few weeks of his life. He left behind an excellent profile of accomplishments in the form of 167 High caliper International Journals, more than 8 books and many educa- tional software and materials, and very visible presence in international conferences with more than 125 papers and presentations in conferences and involvements in organizations, and international technical committee of several of conferences over the years. After fighting for his life, he passed away peacefully and he left behind his loyal wife , two daughters (A dentist, and an MD) and one son (soon to-be physical therapist). I have known him since 1996, and since his visit to us in King Fahd University of Petroleum and Minerals, I have known him to be a kind, nice, helpful, and dear friend to all. He has been one of my best friends that I will always remember. He left me with the job of completing this manuscripts and then to translate it to Arabic to be the first textbook on the subject. The English version is now out, and the Arabic version is being scheduled at a later time. AL-Sunni www.org Contents 1 Introduction 1 1.1 Mechanical Part Design .2 Electronic Circuit Design .3 Real-Time Implementation .4 Organization of the Book . 19 I Mechatronic Systems 21 2 Mechatronic Systems 23 2.6 Real-Time Implementation .7 Examples of Mechatronic Systems .1 Dc Motor Control .2 Two Wheels Robot .org XII Contents II Modeling 43 3 Mathematical Modeling 47 3.1 Mathematical Modeling Based on Physics Laws .1 Concept of Transfer Function .2 State Space Description .1 Transfer Function Approach .2 State Space Description Approach. 66 III Transfer Function Approaches 69 4 Analysis Based on Transfer Function 73 4.3 Transfer Function Concept .4 Time Response and Its Computation .5 Stability and Steady-State Error .6 Root Locus Technique .7 Bode Plot Technique . 124 5 Design Based on Transfer Function 129 5.2 Formulation of the Control Design Problem .3 Design Based on Empirical Methods .4 Design Based on Root Locus .5 Design Based on Bode Plot .2 Proportional and Integral Controller .3 Proportional and Derivative Controller .4 Proportional Integral and Derivative Controller .5 Phase Lead Controller .6 Phase Lag Controller .7 Phase Lead-Lag Controller .org Contents XIII IV State Space Approaches 215 6 Analysis Based on State Space 217 6.2 State Space Concept .