Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước Ngoài nước: Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn các đề tài nghiên cứu khoa học dùng để điều khiển motor C như: điều khiển vị trí bướm ga, điều khiển tốc độ cầm chừng, cánh tay robot trong công nghiệp và y học, … Theo thời gian, các đề tài ngày được thực hiện với mực độ chính xác càng cao, chuyển động càng êm dịu, thời gian điều khiển tối ưu nhất,… Bên cạnh đó, còn có các đề tài khoa học ứng dụng khác với các công nghệ tiên tiến, phát triển. Ngành công nghệ kỹ thuật ô tô nói riêng và ngành kỹ thuật nói chung, việc áp dụng các công nghệ, nắm bắt cơ hội phát triển và vận dụng vào trong nghiên cứu là điều cần thiết.
Để làm được điều đó chúng ta cần có một nền tảng điều khiển tự động vững chắc để làm cơ sở phát triển lâu dài về sau. Trong nước: Cũng có nhiều đề tài về lập trình nhúng điều khiển các thiết bị tự động. Nhưng nhìn chung đa số các đề tài thực hiện hoàn thành ở mức độ vận dụng và phát triển lên. Ngoài ra để hỗ trợ cho việc học thì chúng ta cần những mô hình dạy và học để xây dựng nền tảng giúp cho chúng ta có cơ sở để thực hiện một đề tài hoặc một hướng phát triển nào đó.
Tính cấp thiết đề tài Ngày nay việc học ngày càng được chú trọng và nâng cao nhờ vậy chất lượng giảng dạy cũng được ưu tiên hàng đầu. Có giảng dạy tốt thì việc vận dụng và phát triển mới vững chắc ổn định lâu dài. Nhận thức điều đó, việc thiết kế một thiết bị hỗ trợ cho việc giảng dạy là điều cần thiết đồng thời tạo nguồn cảm hứng sáng tạo đến các thế hệ trẻ. Đặc biệt với các thiết bị 100% được nhập từ nước ngoài thì tài liệu và các linh kiện cũng như thiết bị bị hạn chế rất nhiều, đồng thời giá thành các phụ kiện đi kèm cũng rất đắc nên cũng khó khăn trong việc nghiên cứu và học tập.
Từ đó, chúng ta phải biết tận dụng những thiết bị nhà trường có sẵn, cụ thể là các sản phẩm từ hãng National Instrusment để tạo ra một mô hình trực quan, đi kèm là các thông tin sản phẩm rõ ràng chính xác để cho việc dạy và học ngày càng trở nên dễ dàng và hiệu quả. Mục tiêu đề tài - Thiết kế và chế tạo thành công được mô hình hỗ trợ giảng dạy LabVIEW sử dụng CompactRIO. - Xây dựng chương trình dùng để kiểm tra và điều khiển các thiết bị của hãng National Instrument. - Hoàn thành bộ điều khiển đáp ứng được các tiêu chí: dễ dàng quản lý các tài nguyên, đa dạng trong việc sử dụng và thích hợp hầu hết với các thiết bị.
Hướng tiếp cận - Tìm hiểu về CATIA, LabVIEW. - Tham khảo các mô hình dạy học đảm bảo các yếu tố: vận hành chính xác, thiết kế gọn dễ mang đi, chi phí phải chăng, thích hợp làm việc trong mọi điều kiện. - Thiết kế mô hình trên CATIA và tiến hành thi công. - Tìm kiếm thư viện hỗ trợ từng thiết bị và cách dùng từ hãng National Instruments.
- Tìm hiểu về thuật toán điều khiển PID. - Viết chương trình điều khiển, thu thập dữ liệu bằng phần mềm LabVIEW. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu Phương pháp giải quyết vấn đề: - Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về CATIA, LabVIEW, và các thuật toán điều khiển tự động. - Ứng dụng CATIA để phác thảo, thiết kế và mô phỏng sản phẩm.
- Tìm hiểu vật liệu, gia công mô hình. - Ứng dụng thư viện LabVIEW và giải thuật PI để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu từ các cảm biến. Phạm vi nghiên cứu: - Thu thập dữ liệu các cảm biến (chiết áp), theo dõi và quản lý hệ thống điều khiển. - Điều khiển tốc độ động cơ.
- Điều khiển vị trí động cơ. - Sử dụng tín hiệu cảm biến thay đổi giá trị điểm đặt để điều khiển động cơ. - Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài. Giới thiệu phần mềm LabVIEW Sự phát triển của tự động hóa nói riêng và kỹ thuật công nghệ nói chung ngày nay càng ngày càng gắn liền với những thành tựu của công nghệ phần mềm.
Nếu như trước kia, việc thực thi, mô phỏng những hệ thống được thực hiện khó khăn và phức tạp thông qua lập trình bằng ngôn ngữ đơn giản, thì ngày nay, xuất hiện ngày càng nhiều những công cụ cho phép người kỹ sư có thể nhanh chóng xây dựng trong thời gian ngày càng ngắn, công sức và độ phức tạp ngày càng ít, để xây dựng mô hình hệ thống và thực thi những bài toán điều khiển phức tạp. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một trong những môi trường phát triển và nền tảng của ngôn ngữ lập trình trực quan (Visual Programming Language) do National Instruments xây dựng. Ngôn ngữ lập trình đồ họa cho phép người lập trình có thể xây dựng những chương trình một cách trực quan bằng các biểu đồ, sơ đồ thay vì gõ mã lệnh. Sự phát triển của dạng ngôn ngữ này có lẽ gắn liền với sự thâm nhập ngày càng sâu của công nghệ thông tin vào các ngành kỹ thuật và ứng dụng, trong đó người sử dụng không cần tốn quá nhiều công sức cho việc lập trình để có thể xây dựng hệ thống, thay vào đó có thể tập trung vào ứng dụng của chương trình.
Một trong những ngôn ngữ đó là Graphical Programming Leaguage, viết tắt là G, được xây dựng đầu tiên bởi Apple Macintos, và được National Instruments (NI) sử dụng để xây dựng nên bộ công cụ phần mềm LabVIEW nổi tiếng. Ngôn ngữ G – xương sống của bộ công cụ LabVIEW. Có thể nói, ngôn ngữ G là linh hồn và xương sống của LabVIEW. Trong suốt quá trình phát triển của bộ công cụ này, trải qua rất nhiều phiên bản LabVIEW, gần như không thay đổi về phương thức lập trình của mình, chỉ thêm vào những công cụ, thư viện mới, module và các nền tảng phần cứng mới.
Phiên bản mới nhất của LabVIEW hiện nay là 2019. LabVIEW chủ yếu được sử dụng trong những bài toán thu thập, xử lý dữ liệu, điều khiển thiết bị, và tự động hóa thiết bị điều khiển. Nó có thể chạy trên nhiều hệ điều hành, từ Mac, Windows, Linux và cả một số hệ điều hành nhúng khác, có thể thực thi trên Windows mobile, các thiết bị có Windows CE, và PocketPC. 4 Như đã nói chức năng đầu tiên và mạnh nhất của LabVIEW là thu thập dữ liệu (Data Acquision hay DAQ).
NI hỗ trợ hàng loạt các phần cứng DAQ phong phú về mặt chất lượng, kích thước, và giá thành cho một số lượng lớn ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp. Và nếu không muốn bỏ tiền mua những thiết bị đó thì bạn vẫn có thể xây dựng những phần cứng và giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB, LPT, COM, PCI, Bluetooth, Ethernet, Wireless, … LabVIEW có một bộ thư viện cho phép chúng ta giao tiếp tốt với những cổng đó. Bên cạnh việc hỗ trợ thu thập dữ liệu, LabVIEW cung cấp một thư viện hết sức phong phú hỗ trợ xử lý tín hiệu và ngôn ngữ lập trình G có cơ chế cho phép người thiết kế quản lý thời gian thực thi các vòng lặp, quản lý các câu lệnh một cách tương đối chặt chẽ, đồng thời quản lý tài nguyên, thực thi các vòng lặp song song, xử lý đa luồng, bởi thế những chương trình LabVIEW có thể đáp ứng rất tốt các yêu cầu về thời gian, thậm chí yêu cầu thời gian thực. Một ứng dụng nổi bật khác của LabVIEW là điều khiển thiết bị, và tự động hóa thiết bị công nghiệp.
Bởi khả năng xử lý đa luồng và quản lý thời gian thực thi chặt chẽ đó, LabVIEW trở thành công cụ tuyệt vời cho những ứng dụng điều khiển sử dụng máy tính. NI cung cấp rất nhiều module thu thập, xử lý và điều khiển cho phép xây dựng cả một hệ điều khiển gắn với máy tính, vừa thực thi thao tác điều khiển hiệu quả, vừa tận dụng khả năng xử lý tuyệt vời của máy tính cá nhân. Những thiết bị phần cứng (Hardware target) do NI cung cấp có thể kể đến như: NI Motion (card điều khiển chuyển động), các card PCI công nghiệp, PXI, các bộ điều khiển khả trình PAC, fieldpoint, compactRIO, … có thể nối National Instruments đã xây dựng nên cả một đế chế thiết bị từ một ngôn ngữ lập trình đơn giãn đến tuyệt vời. Ngày nay bên cạnh những hướng đi truyền thống, có vẻ NI đang muốn tập trung vào lĩnh vực FPGA.
Với hướng phát triển này, LabVIEW sẽ thực sự nổi trội với khả năng xử lý song song, đa luồng vốn đã rất nổi tiếng của mình. Với sự ra đời hàng loạt thiết bị ra/vào khả trình (Reconfigurable Input/ Output) người thiết kế có thể tùy ghi thay đổi, cấu hình, và thực thi các nhân xử lý, các vòng lặp song song, để thực hiện những bài toán xử lý, điều khiển phức tạp và đòi hỏi yêu cầu khắt khe nhất về thời gian. 5 Riêng đối với mô hình điều khiển động cơ, đọc tín hiệu từ các cảm biến sử dụng CompactRIO mà nhóm đang thực hiện. LabVIEW cung cấp một bộ xử lý thời gian thực giúp cho người đánh giá được hiệu quả một cách tối ưu nhất.
Ngoài ra, LabVIEW còn cung cấp một kho nguồn mở các tài liệu, thuật toán điều khiển để người dùng có thể tham khảo, cùng với đó là ngôn ngữ G giúp cho người dùng có được cách nhìn trực quan dễ hiểu hơn về thuật toán điều khiển. Xây dựng được giao diện người dùng cũng chính là một trong những thế mạnh của LabVIEW, cái mà những ngôn ngữ lập trình khác hiện nay chưa hỗ trợ (nếu có thì cách thực hiện cũng phức tạp hơn rất nhiều) giúp cho người sử dụng có thể được một cái nhìn trực quan và dễ dàng điều khiển thiết bị. Giới thiệu phần mềm CATIA Ngày nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho công việc thiết kế sản phẩm, điều này giúp cho công việc của người thiết kế trở nên dễ dàng và tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Một trong những phần mềm được dùng phổ biến trong kỹ thuật là CATIA.
CATIA là một gói phần mềm toàn diện hỗ trợ CA /CAM/CAE hoàn chỉnh được nghiên cứu và phát triển bởi hãng Dassault Systemes (của Pháp), đây là một trong những phần mềm mà nhiều tập đoàn lớn trên thế giới trong các lĩnh vực công nghiệp nặng như ô tô, hàng không, cơ khí hạng nặng đang sử dụng.