2

Cách tiếp cận
thiết kế cơ điện tử
2.1
2.2
Rolf Isermann
Darmstadt University of 2.3
Technology
2.4

Lịch sử phát triển và định nghĩa hệ cơ điện tử2-1
Chức năng của các hệ cơ điện tử ................ 2-3
Các phương pháp tích hợp ......................... 2-4
Các hệ thống xử lý thông tin (Kiến trúc cơ bản và các thỏa
hiệp phần cứng/phần mềm) ........................ 2-6
2.5 Quy trình thiết kế đồng thời cho các hệ cơ điện tử
2-9

2.1

Lịch sử phát triển và định nghĩa hệ cơ điện tử

Trong một số lĩnh vực kỹ thuật, người ta đã thực hiện việc kết hợp các sản phẩm hoặc các quy trình
sản xuất với điện tử. Đặc biệt với các hệ cơ khí được phát triển từ năm 1980. Những hệ thống này đã
chuyển từ hệ cơ-điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơ-điện tích hợp với các bộ cảm
biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch vi điện tử số. Những hệ thống tích hợp này, như thấy trên bảng
2.1, được gọi là các hệ cơ điện tử (mechatronics systems), với sự kết hợp giữa từ CƠ (MECHAnics) và
từ ĐIỆN TỬ (elecTRONICS).
Thuật ngữ “cơ điện tử” lần đầu tiên được đưa ra bởi một kỹ sư người Nhật vào năm 1969 [1], với
những định nghĩa ban đầu do [2] và [3] đưa ra. Trong [4], người ta đã đưa ra một định nghĩa tổng quát

như sau: “Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển thơng minh
bằng máy tính trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm và quy trình cơng nghiệp”[5].
Tất cả những định nghĩa này đều có điểm chung là coi cơ điện tử như một lĩnh vực liên ngành trong
đó những ngành dưới đây đóng vai trị như nhau (xem hình 2.1):
 Cơ khí (các thành phần cơ khí, máy móc, cơ khí chính xác);
 Điện tử (vi điện tử, điện tử công suất, công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành);
 Công nghệ thơng tin (lý thuyết hệ thống, tự động hóa, cơng nghệ phần mềm, trí tuệ nhân tạo).
Một số bài báo đã mô tả sự phát triển của cơ điện tử; xem [5-8]. Nội dung chi tiết về những vấn đề
chung nhất được đưa ra trong các tạp chí [4,9,10]; các tuyển tập của hội thảo đầu tiên [11-15] và các
ấn phẩm [16-19].
Hình 2.2 biểu thị sơ đồ tổng quát về một q trình cơ khí hiện đại giống như máy phát năng lượng.
Dòng năng lượng sơ cấp đi vào trong máy, sau đó hoặc được dùng trực tiếp cho bộ phận tiêu thụ năng
lượng như trường hợp của bộ biến đổi năng lượng hoặc được chuyển thành dạng năng lượng khác như
trường hợp của máy chuyển đổi năng lượng. Dạng năng lượng có thể là điện năng, cơ năng (thế năng
hoặc động năng, thuỷ lực, khí nén), hóa năng hay nhiệt năng. Các máy

BẢNG 2.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống cơ học, điện và điện tử

2-1
Metechvn.com


Sổ tay Cơ điện tử

hầu hết được đặc trưng bởi dịng năng lượng liên tục hoặc tuần hồn (lặp lại). Đối với các q trình cơ
khí khác, như các thành phần cơ khí hoặc các thiết bị cơ khí chính xác, dịng năng lượng khơng liên
tục là điển hình.
Nhìn chung dòng năng lượng là sản phẩm của dòng suy rộng và thế (khả năng). Thông tin về trạng
thái của quá trình cơ khí có thể nhận được bằng các dịng suy rộng đo được (dịng tốc độ, khối lượng,
thể tích) hoặc dòng điện hay thế (lực, áp suất, nhiệt độ, điện áp). Cùng với những biến tham chiếu, các

biến đo là các đầu vào của dịng thơng tin thơng qua các điện tử số tạo ra các biến điều khiển cho cơ
cấu chấp hành hoặc các biến giám sát trên màn hình.

HÌNH 2.1 Cơ điện tử: sự tích hợp của nhiều chuyên ngành khác nhau

2-2


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

Hình 2.2 Quá trình cơ khí và việc xử lý thơng tin phát triển hướng tới các hệ Cơ điện tử
Việc thêm và tích hợp dịng thơng tin phản hồi với dịng năng lượng cấp thẳng trong hệ cơ khí ban
đầu là một đặc trưng của nhiều hệ cơ điện tử. Sự phát triển này đã tác động ngay đến quá trình thiết kế
các hệ cơ khí. Các hệ cơ điện tử có thể được chia nhỏ thành:
 Các hệ cơ điện tử
 Các thiết bị cơ điện tử
 Các phương tiện cơ điện tử
 Cơ điện tử chính xác
 Vi cơ điện tử
Điều này cho thấy sự tích hợp với điện tử diễn ra trong nhiều dạng hệ kỹ thuật. Trong một vài
trường hợp, thành phần cơ khí của q trình được ghép đơi với một phần điện, nhiệt, nhiệt động, hố
hay xử lý thông tin. Điều này đặc biệt đúng với các bộ biến đổi năng lượng mà ở đó, ngồi dạng năng
lượng cơ khí, cịn có các dạng năng lượng khác. Như vậy, các hệ cơ điện tử theo nghĩa rộng bao gồm
cả q trình cơ khí và phi cơ khí. Tuy nhiên, các thành phần cơ khí thơng thường nắm vai trò chủ đạo
trong hệ thống.
Do một dòng năng lượng phụ được dùng để thay đổi các đặc tính cố định của các hệ thống cơ khí
thụ động trước kia thông qua điều khiển phản hồi và điều khiển cấp thẳng, nên những hệ thống này đơi
khi cịn được gọi là hệ thống cơ khí chủ động.
2.2


Chức năng của các hệ cơ điện tử

Hệ cơ điện tử cho phép nâng cấp nhiều chức năng cũ và tạo ra các chức năng mới. Vấn đề này sẽ
được bàn tới bằng việc xem xét một số ví dụ.
Sự phân chia chức năng giữa cơ khí và điện tử
Trong thiết kế hệ thống cơ điện tử, sự tác động qua lại của các phần cơ khí và điện tử nhằm thực
hiện các chức năng là điều rất quan trọng. So với việc thực hiện các chức năng cơ khí đơn thuần, việc
sử dụng các bộ khuyếch đại và cơ cấu chấp hành với dòng năng lượng điện phụ đã mang đến sự đơn
giản hóa đáng kể cho các thiết bị như đồng hồ đeo tay, máy chữ và camera. Một sự đơn giản hóa đáng
kể khác trong hệ thống cơ khí bắt nguồn từ việc đưa máy vi tính kết nối với các động cơ điện phân
quyền, như có thể thấy từ máy chữ điện tử, máy khâu, hệ thống điều khiển đa trục và bộ số tự động.
Việc thiết kế các cấu trúc gọn nhẹ dẫn đến hệ thống đàn hồi có độ tắt dần yếu do vật liệu. Thiết bị
giảm chấn điện tử nhờ các cảm biến vị trí, tốc độ, hoặc dao động và phản hồi điện tử có thể được thực
hiện với lợi thế mở rộng của một thiết bị giảm chấn có khả năng điều khiển thơng qua các thuật tốn.
Ví dụ như bộ xích truyền động đàn hồi của ơ tơ với các thuật tốn giảm chấn trong động cơ điện tử,
robot đàn hồi, hệ thống thuỷ lực, cần cẩu, và cấu trúc khơng gian (ví dụ với bánh đà).
2-3


Sổ tay Cơ điện tử

Việc thêm vào điều khiển vị trí, tốc độ, hoặc lực theo vịng kín khơng chỉ dẫn đến sự theo dõi chính
xác các biến tham chiếu mà còn dẫn đến một ứng xử xấp xỉ tuyến tính, thậm chí ngay cả khi hệ thống
cơ khí có các ứng xử tác động phi tuyến. Bằng việc loại bỏ ràng buộc của sự tuyến tính hố về mặt cơ
khí, việc xây dựng và sản xuất có thể được giảm nhẹ. Ví dụ như các cơ cấu chấp hành cơ điện và khí
nén cơ học đơn giản cùng các van lưu lượng với điều khiển điện tử.
Với việc tạo ra các biến tham chiếu khả trình mềm dẻo, khả năng thích nghi của hệ thống cơ khí phi
tuyến có thể được cải thiện. Điều này đã được dùng cho việc điều khiển các đặc tính bàn đạp trong
phần điện tử của động cơ ô tô, điều khiển từ xa của ô tô và máy bay trong việc phát triển máy xúc chấp
hành thuỷ lực và việc điều khiển công suất điện.

Với sự gia tăng về số lượng của các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành, khoá chuyển mạch và các thiết
bị điều khiển, các kết nối dây và điện sẽ tăng. Điều đó ảnh hưởng đến độ tin cậy, chi phí, trọng lượng
và kích thước. Vì vậy, sự phát triển các hệ thống bus, hệ thống giắc cắm hợp lý, hệ thống điện tử tái
cấu hình và dự phòng là những thách thức đặt ra cho các nhà thiết kế.
Cải thiện các thuộc tính hoạt động của hệ thống
Bằng việc ứng dụng điều khiển phản hồi chủ động, độ chính xác đạt được khơng chỉ thơng qua độ
chính xác cơ khí cao của một thành phần cơ khí được điều khiển cấp thẳng một cách thụ động mà cịn
thơng qua việc so sánh một biến tham chiếu được lập trình với một biến điều khiển đo được. Vì vậy,
độ chính xác cơ khí trong thiết kế và sản xuất có thể giảm một phần và người ta có thể sử dụng các kết
cấu đơn giản hơn cho ổ trục hoặc khe trượt. Một khía cạnh quan trọng là việc bù ma sát biến thiên theo
thời gian và ma sát lớn hơn gọi là bù ma sát thích nghi [13, 20]. Ngoài ra, một ma sát lớn hơn của khe
hở có thể được chấp nhận vì thường bù ma sát dễ hơn bù khe hở.
Điều khiển dựa trên mô hình và thích nghi cho phép mở rộng phạm vi hoạt động hơn so với điều
khiển cố định với những thực hiện không mong muốn (nguy hiểm do không ổn định hoặc ứng xử
không nhanh nhạy). Sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và bền vững cho phép mở rộng phạm vi
hoạt động cho điều khiển dòng, lực, tốc độ và cho các quá trình như động cơ, phương tiện, máy bay.
Khả năng điều khiển tốt hơn cho phép các biến tham chiếu tiến gần hơn tới những ràng buộc (ví dụ
như nhiệt độ và áp suất cao hơn để đốt cháy động cơ và tua bin, máy nén với những giới hạn dừng, áp
suất và tốc độ cao hơn đối với máy sản xuất giấy và xưởng luyện thép) làm tăng hiệu suất làm việc và
tăng lợi nhuận.
Bổ sung những chức năng mới
Hệ thống cơ điện tử cho phép thực hiện những chức năng mà khó có thể thực hiện được nếu khơng
có điện tử số. Trước hết, những đại lượng khơng thể đo được có thể được tính trên cơ sở các tín hiệu
đo được và bị chi phối bởi điều khiển cấp thẳng và điều khiển phản hồi. Chẳng hạn như các biến phụ
thuộc vào thời gian như độ trượt của lốp, áp suất bên trong, nhiệt độ, góc trượt và tốc độ cho điều
khiển dẫn hướng của phương tiện hoặc các thông số như hệ số tắt dần, độ cứng và lực cản. Việc phỏng
theo các thông số như hệ số tắt dần và độ cứng của hệ thống dao động (dựa trên các phép đo dịch
chuyển hoặc gia tốc) lại là một ví dụ khác. Việc giám sát và chẩn đoán lỗi trở nên quan trọng hơn với
việc gia tăng các tính năng tự động hoá, gia tăng độ phức tạp, và nhu cầu ngày càng cao về độ ổn định
và an toàn. Khi đó việc khởi động các bộ phận dự phịng, sự tái cấu hình hệ thống, bảo dưỡng theo yêu

cầu và bất kỳ một loại dịch vụ từ xa nào đã làm cho hệ thống trở nên “thông minh” hơn. Bảng 2.2 tóm
tắt một số đặc tính của hệ thống cơ điện tử so với hệ thống cơ điện truyền thống.
2.3

Các phương pháp tích hợp

Hình 2.3 chỉ ra sơ đồ tổng quát của một hệ cơ khí-điện tử truyền thống. Những hệ này ra đời dựa
trên việc thêm các cảm biến, cơ cấu chấp hành và các bộ điều khiển tương tự hoặc số sẵn có vào các
thành phần cơ khí. Hạn chế của cách tiếp cận này là thiếu các cảm biến và cơ cấu chấp hành thích hợp,
tuổi thọ không như mong muốn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt (gia tốc, nhiệt độ, ô nhiễm), yêu
cầu không gian lớn, yêu cầu dây nối, xử lý dữ liệu tương đối chậm. Nhờ những cải tiến liên tục trong
2-4


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

việc thu nhỏ kích thước, tăng độ cứng và khả năng tính tốn của các thành phần vi điện tử, người ta có
thể chú trọng hơn đến điện tử trong thiết kế hệ cơ điện tử. Người ta có thể hình dung ra nhiều hệ thống
tự vận hành như các thiết bị được bọc kín với việc truyền tín hiệu khơng tiếp xúc hoặc kết nối bus, và
vi điện tử bền vững.
Việc tích hợp hệ cơ điện tử có thể được tiến hành thơng qua việc tích hợp các thành phần và tích
hợp xử lý thơng tin.
Bảng 2.2 Các thuộc tính của các hệ thống thiết kế cổ điển và cơ điện tử

HÌNH 2.3 Sơ đồ tổng quát của (lớp) hệ cơ - điện tử
Tích hợp các thành phần (Phần cứng)
Việc tích hợp các thành phần (tích hợp phần cứng) bắt nguồn từ việc thiết kế hệ thống cơ điện tử
như một hệ tổng thể và gắn các cảm biến, cơ cấu chấp hành, và vi máy tính vào q trình cơ khí, như
thấy ở hình 2.4. Việc tích hợp về mặt khơng gian này có thể sẽ giới hạn ở sự tích hợp q trình cơ khí
với bộ cảm biến hoặc q trình cơ khí với cơ cấu chấp hành. Vi máy tính có thể được tích hợp với cơ

cấu chấp hành, q trình cơ khí hoặc bộ cảm biến hay có thể được sắp xếp ở một vài vị trí khác nhau.
Việc tích hợp bộ cảm biến với máy vi tính sẽ tạo nên bộ cảm biến thơng minh, và tích hợp cơ cấu
chấp hành với máy vi tính cũng sẽ tạo nên cơ cấu chấp hành thông minh. Đối với những hệ thống lớn
hơn, kết nối bus sẽ thay thế dây. Do vậy, có một số khả năng xây dựng hệ thống tích hợp tổng thể bằng
việc tích hợp các phần cứng một cách hợp lý.
Tích hợp xử lý thơng tin (Phần mềm)
Việc tích hợp xử lý thơng tin (tích hợp phần mềm) phần lớn dựa trên các chức năng điều khiển hiện
đại. Bên cạnh điều khiển cấp thẳng và điều khiển phản hồi cơ bản, một tác động nữa có thể có thơng
qua sự hiểu biết về q trình và việc xử lý thông tin trực tuyến tương ứng, như thấy ở hình 2.4. Điều
này đồng nghĩa với việc xử lý các tín hiệu hiện có ở các mức độ cao hơn, bao gồm giải pháp của các
nhiệm vụ như giám sát có chẩn đốn lỗi, tối ưu và quản lý tổng thể quá trình. Các giải pháp tương ứng
sẽ cho kết quả là các thuật toán thời gian thực phù hợp với các thuộc tính gia cơng cơ khí được thể
hiện bằng các mơ hình tốn học dưới dạng đặc tuyến tĩnh hoặc các phương trình vi phân. Vì vậy địi
hỏi một cơ sở kiến thức về các phương pháp thiết kế, thu thập thông tin, các mô hình quá trình và các
tiêu chuẩn thực hiện. Theo cách này, các phần cơ khí được vận hành theo nhiều cách khác nhau thông
qua việc xử lý thông tin ở cấp cao hơn với các thuộc tính thơng minh có thể bao gồm cả việc học, vì
vậy hình thành việc tích hợp bằng phần mềm thích ứng với q trình.
2-5


Sổ tay Cơ điện tử

2.4

Các hệ thống xử lý thông tin (Kiến trúc cơ bản và các thỏa hiệp phần cứng/phần mềm)

Việc điều khiển các hệ cơ khí thường được thực hiện thông qua cơ cấu chấp hành nhằm thay đổi vị
trí, tốc độ, dịng, lực, mơmen và điện áp. Các đại lượng đầu ra có thể đo được trực tiếp thường là vị trí,
tốc độ, gia tốc, lực và dịng điện.
Kiến trúc điều khiển đa tầng

Việc xử lý thơng tin của các tín hiệu đầu vào, đầu ra đo được trực tiếp có thể được tổ chức ở một
vài mức như hình 2.5
Mức 1: Điều khiển ở mức độ thấp cấp thẳng, phản hồi hệ số tắt dần, ổn định và tuyến tính hóa)
Mức 2: Điều khiển ở mức cao (các chiến lược điều khiển phản hồi cao cấp)
Mức 3: Giám sát bao gồm cả chẩn đoán lỗi
Mức 4: Tối ưu hố, phối hợp (các q trình)
Mức 5: Quản lý tổng thể quá trình
Những phương pháp xây dựng hệ cơ điện tử gần đây sử dụng việc xử lý tín hiệu ở mức thấp ví dụ
như phản hồi hệ số tắt dần, điều khiển chuyển động hoặc giám sát ở mức giản đơn. Tuy nhiên, xử lý
thông tin số cho phép giải quyết nhiều nhiệm vụ như điều khiển thích nghi, điều khiển học, giám sát
với chẩn đốn lỗi, quyết định về vấn đề bảo dưỡng hoặc thậm chí về các hoạt động dự phịng, tối ưu
hố về mặt kinh tế và phối hợp các nhiệm vụ. Các nhiệm vụ ở cấp cao hơn đôi khi được gọi ngắn gọn
là “quản lý q trình”.

HÌNH 2.4 Các cách tích hợp trong hệ cơ điện tử
Xử lý tín hiệu riêng biệt
Các phương pháp đã được mơ tả có thể áp dụng một phần cho các đại lượng không thể đo được
được khơi phục từ các mơ hình tốn học của q trình. Theo cách này, có thể điều khiển hệ số tắt dần,
ứng suất nhiệt và vật liệu và sự trượt hoặc để giám sát các đại lượng như điện trở, điện dung, nhiệt độ
của các thành phần hay các tham số hao mịn và ơ nhiễm. Việc xử lý tín hiệu có thể địi hỏi các bộ lọc
riêng biệt để xác định biên độ và tần số dao động, để xác định các đại lượng được tích phân hay đạo
hàm, hoặc các bộ quan sát biến trạng thái.
Các hệ điều khiển thích nghi và dựa trên mơ hình
Ít nhất ở các mức thấp hơn, việc xử lý thông tin được thực hiện thơng qua các thuật tốn hoặc các
mơ-đun phần mềm đơn giản trong các trạng thái thời gian thực. Những thuật toán này bao gồm các
2-6


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử


thơng số có khả năng điều chỉnh tự do, chúng phải được thích ứng với ứng xử tĩnh và động của quá
trình. Đối lập với việc điều chỉnh bằng tay thông qua phương pháp thử và sai, việc sử dụng các mơ
hình tốn học cho phép khả năng thích nghi tự động nhanh và chính xác.

HÌNH 2.5 Hệ thống tự động thơng minh tiên tiến với nhiều cấp điều khiển, cơ sở hiểu biết,
cơ chế suy luận và các giao diện
Các mơ hình tốn học có thể nhận được bằng việc nhận dạng và đánh giá tham số dùng các tín hiệu
đầu vào, đầu ra được đo và lấy mẫu. Những phương pháp này khơng chỉ giới hạn cho các mơ hình
tuyến tính, mà còn cho phép áp dụng đối với một số lớp của hệ phi tuyến. Nếu các phương pháp đánh
giá thông số được kết hợp với các phương pháp thiết kế theo thuật tốn điều khiển thích hợp thì sẽ có
các hệ điều khiển thích nghi. Chúng có thể được dùng cho việc điều chỉnh bộ điều khiển chính xác cố
định hoặc chỉ cho các mục đích đặc biệt [20].
Giám sát và phát hiện lỗi
Với việc tăng số lượng các chức năng tự động, bao gồm các thành phần điện tử, các cảm biến và cơ
cấu chấp hành, tăng độ phức tạp, và tăng các yêu cầu về độ tin cậy và an tồn, một bộ giám sát được
tích hợp với chẩn đoán lỗi càng trở nên quan trọng hơn. Đây là một đặc tính tự nhiên quan trọng của hệ
thống cơ điện tử thơng minh. Hình 2.6 cho thấy một quá trình bị tác động bởi lỗi. Các lỗi này chỉ ra độ
lệch không cho phép từ các trạng thái thơng thường và có thể được sinh ra từ bên ngồi hoặc bên
trong. Các lỗi bên ngồi có thể do nguồn cung cấp năng lượng, sự ô nhiễm hoặc va chạm trong khi các
lỗi bên trong có thể do sự hao mịn, thiếu sự bơi trơn, hoặc các lỗi cơ cấu chấp hành hoặc cảm biến.
Phương pháp phát hiện lỗi truyền thống là kiểm tra giá trị giới hạn của một vài biến có thể đo được.
Tuy nhiên, các lỗi sơ khai và không liên tục thường không thể phát hiện ra và việc chẩn đốn lỗi bên
trong khơng thể thực hiện được bằng phương pháp đơn giản này. Các phương pháp phát hiện và chẩn
đoán lỗi dựa trên mơ hình được phát triển trong những năm gần đây cho phép sớm phát hiện ra những
lỗi nhỏ thông qua các tín hiệu đo được thơng thường [21]. Dựa trên các tín hiệu đầu vào đo được, U(t),
2-7


Sổ tay Cơ điện tử


các tín hiệu đầu ra Y(t) và mơ hình q trình, các đặc tính được xác định bằng việc đánh giá các thông
số, các quan sát của trạng thái và đầu ra, cũng như các phương trình cân bằng, như thấy ở hình 2.6.

HÌNH 2.6 Sơ đồ phát hiện lỗi dựa trên mơ hình
Sau đó, những số dư này được đem so sánh với những số dư của ứng xử thông thường và với các
phương pháp phát hiện thay đổi sẽ nhận được các dấu hiệu giải tích. Khi đó, việc chẩn đốn lỗi sẽ
được thực hiện bằng các phương pháp phân loại và lập luận. Chi tiết hơn xem trong [22,23].
Một ưu điểm đáng kể ở đây là cùng một mơ hình xử lý có thể được sử dụng cho cả việc thiết kế bộ
điều khiển (thích nghi) và phát hiện lỗi. Nói chung, các mơ hình thời gian liên tục được ưa dùng hơn
nếu việc phát hiện lỗi dựa trên việc đánh giá các thơng số hoặc các phương trình cân bằng. Để phát
hiện lỗi bằng việc đánh giá trạng thái hoặc phương trình cân bằng, có thể sử dụng mơ hình thời gian
rời rạc.
Giám sát và chẩn đoán lỗi hiện đại là một cơ sở để cải thiện độ tin cậy và an toàn, việc bảo dưỡng
theo trạng thái, khởi động các dự phịng, và việc tái cấu hình.
Các hệ thống thơng minh (các nhiệm vụ cơ bản)
Xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử có thể đi từ các chức năng điều khiển đơn giản đến điều
khiển thông minh. Đã có rất nhiều định nghĩa khác nhau về hệ thống điều khiển thông minh, xem [2430]. Một hệ thống điều khiển thơng minh có thể được tổ chức giống như hệ chuyên gia trực tuyến, xem
hình 2.5, và bao gồm:
 Các chức năng đa điều khiển (các chức năng quản lý)
 Cơ sở kiến thức
 Cơ chế suy luận, và
 Giao diện truyền thông
Các chức năng điều khiển trực tuyến thường được tổ chức ở dạng đa cấp, như đã mô tả ở trên. Cơ
sở kiến thức bao gồm kiến thức để định tính và định lượng. Phần định tính hoạt động với các mơ hình
giải tích (tốn học) của quá trình, các phương pháp đánh giá trạng thái và tham số, phương pháp thiết
kế bằng giải tích (ví dụ đối với điều khiển và phát hiện lỗi) và các phương pháp tối ưu hố một cách
định tính. Các mơ đun tương tự chứa kiến thức để định lượng (ví dụ, các qui tắc cho tính tốn mềm và
mờ). Kiến thức nữa là các sự kiện quá khứ trong bộ nhớ và khả năng đoán trước ứng xử. Cuối cùng là
có thể bao gồm cả các nhiệm vụ hoặc kế hoạch.
Cơ chế suy luận đưa ra kết luận hoặc bằng lập luận định lượng (ví dụ như các phương pháp

Boolean) hoặc bằng lập luận định tính (ví dụ như các phương pháp dự đoán) và đưa ra các quyết định
cho các chức năng quản lý.
Truyền thông giữa các mođun khác nhau, một cơ sở dữ liệu quản trị thông tin, và sự tương tác
người-máy cần được thiết lập.
2-8


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

Dựa trên những chức năng này của hệ chuyên gia trực tuyến, một hệ thơng minh có thể được xây
dựng với khả năng “lập mơ hình, lập luận và học q trình cũng như các chức năng tự động hố của nó
trong một khuôn khổ định sẵn và khả năng tự điều khiển để hướng tới mục tiêu nhất định”. Vì vậy, hệ
cơ điện tử thơng minh có thể được xây dựng từ “những hệ thông minh bậc thấp” [13] như cơ cấu chấp
hành thông minh đến “những hệ tương đối thông minh” như phương tiện lái tự động.
Một hệ cơ điện tử thông minh sẽ sửa bộ điều khiển cho hợp với ứng xử gần như phi tuyến (thích
nghi), và lưu giữ các thơng số điều khiển của nó theo vị trí và tải trọng (học), giám sát tất cả các thành
phần liên quan và chẩn đoán lỗi (giám sát) để bảo dưỡng theo yêu cầu hoặc nếu có sự cố xảy ra thì u
cầu một hoạt động an tồn (các quyết định dựa trên các hoạt động). Trong trường hợp đa thành phần,
việc giám sát có thể giúp loại bỏ những thành phần bị lỗi và thực hiện tái cấu hình quá trình được điều
khiển.
2.5

Quy trình thiết kế đồng thời cho các hệ cơ điện tử

Việc thiết kế các hệ cơ điện tử địi hỏi một sự phát triển mang tính hệ thống và việc sử dụng các
công cụ thiết kế hiện đại.
Các bước thiết kế
Bảng 2.3 chỉ ra 5 bước phát triển quan trọng đối với các hệ cơ điện tử, bắt đầu từ một hệ cơ khí
thuần tuý đến một hệ cơ điện tử tích hợp hồn chỉnh. Phụ thuộc vào loại hình hệ thống cơ khí, mức độ
của các bước phát triển đơn lẻ là khác nhau. Với các thiết bị cơ khí chính xác, người ta có thể

BẢNG 2.3 Các bước thiết kế hệ Cơ điện tử

cho ra đời một hệ cơ điện tử tương đối tích hợp. Ảnh hưởng của điện tử đến các bộ phận cơ khí có thể
được như mong muốn, như bộ giảm chấn thích nghi, hệ thống phanh chống bó, và các hộp số tự động.
Tuy nhiên, để hoàn chỉnh các máy và phương tiện, trước hết phải chỉ ra các thiết kế cơ điện tử của các
2-9


Sổ tay Cơ điện tử

bộ phận cấu thành và sau đó từ từ tái thiết kế các phần trong cấu trúc tổng thể như có thể thấy khi phát
triển các máy công cụ, robot, và các phần của phương tiện.
Các công cụ CAD/CAE cần thiết
Việc phát triển các hệ cơ điện tử có sự trợ giúp của máy tính bao gồm:
1. Mô tả cấu trúc trong giai đoạn phát triển kỹ thuật bằng cách dùng các công cụ CAD và CAE
2. Xây dựng mơ hình nhằm nhận được các mơ hình tĩnh và động của quá trình
3. Chuyển thành mã máy tính để mơ phỏng hệ thống
4. Lập trình và thực thi phần mềm cơ điện tử cuối cùng.
Một số công cụ phần mềm được mô tả trong phần [31]. Có một loạt các cơng cụ CAD/CAE dùng
cho thiết kế cơ khí 2D và 3D, như Auto CAD với kết nối trực tiếp tới CAM (computer-aided
manufacturing), và PADS, dùng cho thiết kế bo mạch in, đa lớp. Tuy nhiên, việc mơ hình hóa có trợ
giúp của máy tính là chưa hồn hảo. Các ngơn ngữ hướng đối tượng như DYMOLA và MOBILE dùng
cho việc mơ hình hóa các hệ thống phức tạp được mô tả trong [31-33]. Những ngôn ngữ này dựa trên
các phương trình vi phân thường, các phương trình đại số và các hàm rời rạc đã được chỉ ra. Một mô tả
gần đây về việc thiết kế hệ điều khiển với sự trợ giúp của máy tính có thể tìm thấy trong [34]. Để mơ
phỏng hệ thống (và thiết kế bộ điều khiển), có nhiều chương trình khác nhau như ACSL, SIMPACK,
MATLAB/SIMULINK, và MATRIX-X. Các kỹ thuật mơ phỏng này là các cơng cụ hữu ích cho thiết
kế, chúng cho phép nhà thiết kế nghiên cứu tương tác của các thành phần với sự thay đổi của các thông
số thiết kế trước khi đưa vào sản xuất. Nói chung, chúng khơng thích hợp cho mơ phỏng thời gian
thực.

Qui trình mơ hình hóa
Các mơ hình tốn học của quá trình cho ứng xử tĩnh và động được yêu cầu cho các bước khác nhau
khi thiết kế hệ cơ điện tử như mô phỏng, thiết kế điều khiển, và khôi phục các biến. Hai cách để thu
được các mô hình này là mơ hình hóa theo lý thuyết dựa trên những ngun tắc (vật lý) cơ bản và mơ
hình hóa theo thực nghiệm (nhận dạng) với các biến số đầu vào và đầu ra đo được. Một vấn đề cơ bản
trong mơ hình lý thuyết của các hệ cơ điện tử là các thành phần bắt nguồn từ nhiều lĩnh vực khác nhau.
Ở đó tồn tại một kiến thức riêng biệt cho việc mơ hình hóa các mạch điện, các cơ hệ nhiều vật, hoặc
các hệ thuỷ lực, và các phần mềm tương ứng. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có được một phương pháp
luận với sự trợ giúp của máy tính chung cho việc mơ hình hóa và mơ phỏng các thành phần của các
lĩnh vực khác nhau [35].
Các ngun tắc cơ bản của việc mơ hình hóa theo lý thuyết cho hệ thống có dịng năng lượng đã
được biết đến và có thể được thống nhất cho các thành phần của nhiều lĩnh vực khác nhau như điện, cơ
khí, và nhiệt (xem [36-41]). Phương pháp luận của việc mơ hình hóa trở nên phức tạp hơn đối với
dịng chất lỏng, các quá trình nhiệt động lực học và hố học.
Một qui trình chung cho việc mơ hình hóa theo lý thuyết của các quá trình với tham số tập trung có
thể được tóm tắt như sau:
1. Xác định các dòng
 Dòng năng lượng (độ dẫn điện, cơ, nhiệt)
 Dòng năng lượng và dòng vật chất (lỏng, truyền nhiệt, nhiệt động lực, hoá học)
2. Xác định các yếu tố quá trình: các biểu đồ tiến trình
 Nguồn, phần tử tiêu thụ (tiêu hao)
 Các yếu tố tích lũy, các bộ truyền và các bộ biến đổi
3. Biểu diễn mô hình quá trình dưới dạng biểu đồ
 Sơ đồ đa cổng (các đầu cuối, dòng, thế, hay các biến chéo và biến xuyên qua (across
and through variables))
 Sơ đồ khối cho dịng tín hiệu
2-10


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử


 Biểu đồ liên kết cho dòng năng lượng
4. Thiết lập các phương trình cho tất cả các yếu tố quá trình
i. Các phương trình cân bằng cho yếu tố tích lũy (khối lượng, năng lượng, động lượng)
ii. Các phương trình cơ bản cho các yếu tố quá trình (nguồn, bộ chuyển đổi, bộ biến đổi)
iii. Các định luật của các hiện tượng trong các q trình khơng thuận nghịch (các hệ tiêu
hao: tiêu thụ)
5. Các phương trình liên kết cho các yếu tố quá trình
 Phương trình liên tục cho các liên kết song song (định luật nút)
 Phương trình tương thích cho liên kết chuỗi (định luật mạch kín)
6. Tính tốn mơ hình tổng thể của q trình
 Thiết lập các biến đầu ra và đầu vào
 Mô tả không gian trạng thái
 Mơ hình đầu ra/đầu vào (các phương trình vi phân, các hàm truyền)
Một ví dụ với các bước 1 – 3 cho một ô tô điều khiển bằng điện được đưa ra trên hình 2.7. Một
phương pháp thống nhất cho các q trình có dịng năng lượng đã được áp dụng đối với quy trình điện,
cơ khí và thuỷ lực có chất lỏng khơng thể nén được. Bảng 2.4 chỉ ra các biến chéo và biến xuyên qua
tổng quát.
BẢNG 2.4 Các biến chéo và biến xuyên qua tổng qt cho các q trình có dịng năng lượng

HÌNH 2.7 Các sơ đồ khác nhau của một ôtô: (a) Sơ đồ các phần (bản đồ cấu trúc), (b) Sơ đồ dịng
năng lượng (được đơn giản hố), (c) Sơ đồ đa cổng với các dòng và các thế, (d) Sơ đồ tín hiệu dịng
cho các cổng.
2-11


Sổ tay Cơ điện tử

Trong những trường hợp này, giá trị của biến chéo và biến xuyên qua là năng lượng. Sự thống nhất
này cho phép thiết lập công thức cho việc lập mơ hình biểu đồ liên kết chuẩn [39]. Tương tự, đối với

các q trình thuỷ lực có chất lỏng nén được và quá trình nhiệt, những biến này được xác định nghĩa
để đưa ra năng lượng, như thấy ở bảng 2.4. Tuy nhiên, trong thực tiễn kỹ thuật, người ta khơng sử
dụng dịng khối lượng và dịng nhiệt. Nếu các biến này được sử dụng sẽ dẫn ra những biểu đồ liên kết
giả với những định luật đặc biệt, bỏ qua tính đơn giản của các biểu đồ liên kết chuẩn. Biểu đồ liên kết
dẫn tới một sự trừu tượng hóa mức cao, ít tính linh hoạt và cần nỗ lực nhiều hơn nữa để tạo ra các
thuật tốn mơ phỏng. Vì vậy, chúng khơng phải là công cụ lý tưởng cho các hệ cơ điện tử [35]. Tương
tự, thiết lập biểu đồ khối với những định nghĩa ban đầu về các khối đầu ra/đầu vào nhân quả là khơng
phù hợp.
Sự phát triển theo mơ hình hướng đối tượng là cách mà ở đó các đối tượng với các thiết bị đầu cuối
được định nghĩa không với một quan hệ nhân quả trong trạng thái cơ bản này. Sau đó, các biểu đồ đối
tượng được mơ tả một cách trực quan, nhằm giữ lại một cách hiểu mang tính trực giác về thành phần
vật lý cơ bản [43, 44]. Vì vậy, việc lập mơ hình lý thuyết cho hệ cơ điện tử với một quy trình đồng
nhất, rõ ràng và linh hoạt (từ các thành phần cơ bản thuộc các lĩnh vực khác nhau đến việc mô phỏng)
là một thách thức cho sự phát triển xa hơn. Nhiều thành phần cho thấy ứng xử phi tuyến và các tính
chất phi tuyến (ma sát và khe hở). Đối với những phần phức tạp hơn của quá trình, các ánh xạ đa chiều
(ví dụ như ứng xử của động cơ đốt trong, ứng xử của lốp xe) cần được tích hợp.
Để thẩm định các mơ hình lý thuyết, có thể sử dụng một số phương pháp nhận dạng nổi tiếng như
phân tích tương quan và đo đáp ứng tần số, hoặc phân tích Fourier và phân tích phổ. Do có một số
thơng số chưa biết hoặc thay đổi theo thời gian, phương pháp đánh giá thơng số có thể được áp dụng
cho cả mơ hình thời gian liên tục và mơ hình với thời gian rời rạc (đặc biệt với các mơ hình tuyến tính
theo các thơng số) [42,45,46]. Để nhận dạng và xấp xỉ đặc các tính phi tuyến, đa chiều, các mạng trí
tuệ nhân tạo có thể được triển khai cho các quá trình động lực phi tuyến [47].
Mô phỏng thời gian thực
Mô phỏng thời gian thực được áp dụng ngày càng nhiều trong thiết kế hệ cơ điện tử. Điều này đặc
biệt đúng nếu quá trình, phần cứng, phần mềm được phát triển đồng thời nhằm tối thiểu hố các vịng
phát triển lặp cũng như rút ngắn khoảng thời gian đưa sản phẩm ra thị trường. Dựa trên tốc độ tính
tốn u cầu của phương pháp mơ phỏng, mơ phỏng thời gian thực có thể được phân nhỏ thành:
1. Mô phỏng không với giới hạn thời gian (cứng)
2. Mô phỏng thời gian thực, và
3. Mô phỏng nhanh hơn thời gian thực

Một số ví dụ áp dụng có thể thấy trên hình 2.8. Ở đây, mơ phỏng thời gian thực có nghĩa là việc mơ
phỏng một phần được thực hiện sao cho các tín hiệu đầu ra và đầu vào chỉ ra các giá trị phụ thuộc vào
cùng thời gian như thành phần vận hành động lực học trong thực tế. Điều này sẽ trở thành vấn đề đối
với các q trình có động lực học nhanh hơn so với các thuật tốn và tốc độ tính tốn u cầu.
Hình 2.9 thể hiện các loại phương pháp mô phỏng thời gian thực khác nhau. Lý do yêu cầu thời
gian thực chủ yếu là do một phần của hệ thống được nghiên cứu không phải là mô phỏng mà là thực.
Những trường hợp như vậy có thể được phân biệt như sau:
1. Q trình thực có thể được vận hành cùng với điều khiển mô phỏng thông qua việc sử dụng phần
cứng thay vì phần cứng cuối cùng. Q trình này cịn được gọi là “tạo mẫu điều khiển”.
2. Q trình mơ phỏng có thể được vận hành kết hợp với phần cứng điều khiển thực hay còn gọi là
“mơ phỏng hardware-in-the-loop”.
3. Quy trình mơ phỏng được vận hành với điều khiển mô phỏng trong thời gian thực. Điều này có
thể được địi hỏi nếu khơng có phần hoàn chỉnh hoặc nếu muốn thực hiện bước thiết kế trước khi
tiến hành mô phỏng hardware-in-the-loop.
Mô phỏng Hardware-in-the-Loop

2-12


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

Mô phỏng Hardware-in-the-loop (HIL) được đặc trưng bởi việc vận hành các thành phần thực kết
hợp với các thành phần mô phỏng theo thời gian thực. Thường, phần cứng và phần mềm của hệ điều
khiển là hệ thống thực như được dùng trong dây chuyền sản xuất. Quá trình được điều khiển (bao gồm
các cơ cấu chấp hành, các quá trình vật lý và các cảm biến) có thể bao gồm cả các thành phần được mô
phỏng hoặc các thành phần thực, như thấy ở hình 2.10(a). Nói chung, thường kết hợp thực hiện các
trường hợp nêu trên. Thông thường, một số cơ cấu chấp hành là thực cịn q trình và các bộ cảm biến
chỉ là mô phỏng. Lý do là cơ cấu chấp hành và phần cứng điều khiển thường là một hệ thống tích hợp
con hoặc do cơ cấu chấp hành rất khó được mơ hình hố chính xác và mô phỏng trong khoảng thời
gian thực. (Để kết hợp sử dụng các cảm biến thực cùng với


HÌNH 2.8 Phân loại của các phương pháp mô phỏng theo tốc độ và các ví dụ ứng dụng

HÌNH 2.9 Phân loại mơ phỏng thời gian thực
q trình mơ phỏng địi hỏi phải cố gắng thực sự bởi đầu vào cảm biến vật lý không tồn tại mà phải
được tạo ra một cách nhân tạo). Để thay đổi hoặc tái thiết kế một số chức năng của phần cứng hoặc
phần mềm điều khiển, thiết bị phân dịng có thể được nối với phần cứng điều khiển cơ bản. Do vậy các
bộ mô phỏng hardware-in-the-loop cũng bao gồm các chức năng điều khiển được mô phỏng riêng.
Nói chung, những ưu điểm của mơ phỏng hardware-in-the-loop là:
 Thiết kế và thử nghiệm phần cứng, phần mềm điều khiển mà khơng cần vận hành một q
trình thực nào (“chuyển lĩnh vực xử lý vào phịng thí nghiệm”);
 Thử nghiệm phần cứng và phần mềm điều khiển ở điều kiện mơi trường tới hạn trong phịng
thí nghiệm (ví dụ, nhiệt độ cao/thấp, gia tốc lớn và các cú sốc cơ học, thiết bị kích thích, tính
tương thích điện từ);
 Thử nghiệm các tác động của lỗi và tình trạng không mong đợi của cơ cấu chấp hành, cảm
biến và máy tính trên tồn bộ hệ thống;
 Vận hành và thử nghiệm các điều kiện vận hành tới hạn và nguy hiểm;
2-13


Sổ tay Cơ điện tử

 Các thử nghiệm tái sinh, có thể lặp lại thường xuyên ;
 Vận hành dễ dàng với các giao diện người-máy khác nhau (bộ điều khiển cho buồng tập lái
máy bay); và
 Tiết kiệm chi phí và thời gian.

HÌNH 2.10 Mơ phỏng thời gian thực: Cấu trúc lai. (a) Mô phỏng Hardware-in-the-loop;
tạo mẫu điều khiển


(b)

Tạo mẫu điều khiển
Để thiết kế và thử nghiệm các hệ cơ điện tử phức tạp cũng như các thuật toán của chúng dưới sức
ép thời gian thực, việc mô phỏng các bộ điều khiển theo thời gian thực kết hợp với phần cứng (ví dụ
như các bộ xử lý tín hiệu có sẵn) thay vì với phần cứng thật (ví dụ như ASICS) có thể được thực hiện.
Sau đó, quá trình, cơ cấu chấp hành và cảm biến sau đó có thể là thực. Đây được gọi là tạo mẫu điều
khiển (hình 2.10(b)). Tuy nhiên, các phần của quá trình, hoặc cơ cấu chấp hành có thể được mơ phỏng,
dẫn đến sự kết hợp giữa mô phỏng HIL và việc tạo mẫu điều khiển. Ưu điểm của sự kết hợp này là:
 Những phát triển ban đầu của phương pháp xử lý tín hiệu, các mơ hình q trình và cấu trúc
hệ thống điều khiển bao gồm các thuật toán có phần mềm cao cấp và phần cứng với tính năng
cao có sẵn;
 Thử nghiệm quy trình xử lý tín hiệu và hệ thống điều khiển kết hợp với các thiết kế cơ cấu
chấp hành, các phần của quá trình và cảm biến để tạo ra tác dụng hỗ trợ lẫn nhau;
 Giảm các mơ hình và thuật tốn nhằm giảm giá thành sản phẩm;
 Xác định các thông số kỹ thuật cho phần mềm và phần cứng cuối cùng
Một số ưu điểm của mơ phỏng HIL cũng có giá trị cho việc tạo mẫu điều khiển. Một số tham
khảo về mô phỏng thời gian thực là [48,49].
Tài liệu tham khảo
[1]
[2]
[3]
[4]
2-14

Kyura, N. and Oho, H., Mechatronics—an industrial perspective. IEEE/ASME Transactions on
Mechatronics, 1(1):10–15.
Schweitzer, G., Mechatronik-Aufgaben und Lösungen. VDI-Berichte Nr. 787. VDI-Verlag,
Düsseldorf, 1989.
Ovaska, S. J., Electronics and information technology in high range elevator systems.

Mechatronics, 2(1):89–99, 1992.
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1996.


Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

[5]
[6]
[7]

[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]

[23]
[24]
[25]
[26]

[27]
[28]
[29]
[30]

Harashima, F., Tomizuka, M., and Fukuda, T., Mechatronics—“What is it, why and how?” An
editorial. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1(1):1–4, 1996.
Schweitzer, G., Mechatronics—a concept with examples in active magnetic bearings.
Mechatronics,2(1):65–74, 1992.
Gausemeier, J., Brexel, D., Frank, Th., and Humpert, A., Integrated product development. In
Third Conf. Mechatronics and Robotics, Paderborn, Germany, Okt. 4–6, 1995. Teubner,
Stuttgart, 1995.
Isermann, R., Modeling and design methodology for mechatronic systems. IEEE/ASME
Transactions on Mechatronics, 1(1):16–28, 1996.
Mechatronics: An International Journal. Aims and Scope. Pergamon Press, Oxford, 1991.
Mechatronics Systems Engineering: International Journal on Design and Application of
Integrated Electromechanical Systems. Kluwer Academic Publishers, Nethol, 1993.
IEE, Mechatronics: Designing intelligent machines. In Proc. IEE-Int. Conf. 12–13 Sep., Univ. of
Cambridge, 1990.
Hiller, M. (ed.), Second Conf. Mechatronics and Robotics. September 27–29, Duisburg/Moers,
Germany, 1993. Moers, IMECH, 1993.
Isermann, R. (ed.), Integrierte mechanisch elektroni-sche Systeme. March 2–3, Darmstadt,
Germany, 1993. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12 Nr. 179. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1993.
Lückel, J. (ed.), Third Conf. Mechatronics and Robotics, Paderborn, Germany, Oct. 4–6, 1995.
Teubner, Stuttgart, 1995.
Kaynak, O., Özkan, M., Bekiroglu, N., and Tunay, I. (eds.), Recent advances in mechatronics. In
Proc. Int. Conf. Recent Advances in Mechatronics, August 14–16, 1995,
Istanbul, Turkey. Kitaura, K., Industrial mechatronics. New East Business Ltd., in Japanese,
1991.
Bradley, D. A., Dawson, D., Burd, D., and Loader, A. J., Mechatronics-Electronics in Products

and Processes. Chapman and Hall, London, 1991.
McConaill, P. A., Drews, P., and Robrock, K. H., Mechatronics and Robotics I. IOS-Press,
Amsterdam, 1991.
Isermann, R., Mechatronische Systeme. Springer, Berlin, 1999.
Isermann, R., Lachmann, K. H., and Matko, D., Adaptive Control Systems, Prentice-Hall,
London, 1992.
Isermann, R., Supervision, fault detection and fault diagnosis methods—advanced methods and
applications. In Proc. XIV IMEKO World Congress, Vol. 1, pp. 1–28, Tampere, Finland, 1997.
Isermann, R., Supervision, fault detection and fault diagnosis methods—an introduction, special
section on supervision, fault detection and diagnosis. Control Engineering Practice, 5(5):639–
652, 1997.
Isermann, R. (ed.), Special section on supervision, fault detection and diagnosis. Control
Engineering Practice, 5(5):1997. ©2002 CRC Press LLC
Saridis, G. N., Self Organizing Control of Stochastic Systems. Marcel Dekker, New York, 1977.
Saridis, G. N. and Valavanis, K. P., Analytical design of intelligent machines. Automatica,
24:123–133, 1988.
Åström, K. J., Intelligent control. In Proc. European Control Conf., Grenoble, 1991.
White, D. A. and Sofge, D. A. (eds.), Handbook of Intelligent Control. Van Norstrad, Reinhold,
New York, 1992.
Antaklis, P., Defining intelligent control. IEEE Control Systems, Vol. June: 4–66, 1994.
Gupta, M. M. and Sinha, N. K., Intelligent Control Systems. IEEE-Press, New York, 1996.
Harris, C. J. (ed.), Advances in Intelligent Control. Taylor & Francis, London, 1994.
2-15


Sổ tay Cơ điện tử

[31] Otter, M. and Gruebel, G., Direct physical modeling and automatic code generation for
mechatronics simulation. In Proc. 2nd Conf. Mechatronics and Robotics, Duisburg, Sep. 27–29,
IMECH, Moers, 1993.

[32] Elmquist, H., Object-oriented modeling and automatic formula manipulation in Dymola,
Scandin. Simul. Society SIMS, June, Kongsberg, 1993.
[33] Hiller, M., Modelling, simulation and control design for large and heavy manipulators. In Proc.
Int. Conf. Recent Advances in Mechatronics. 1:78–85, Istanbul, Turkey, 1995.
[34] James, J., Cellier, F., Pang, G., Gray, J., and Mattson, S. E., The state of computer-aided control
system design (CACSD). IEEE Transactions on Control Systems, Special Issue, April 6–7
(1995).
[35] Otter, M. and Elmqvist, H., Energy flow modeling of mechatronic systems via object diagrams.
In Proc. 2nd MATHMOD, Vienna, 705–710, 1997.
[36] Paynter, H. M., Analysis and Design of Engineering Systems. MIT Press, Cambridge, 1961.
[37] MacFarlane, A. G. J., Engineering Systems Analysis. G. G. Harrop, Cambridge, 1964.
[38] Wellstead, P. E., Introduction to Physical System Modelling. Academic Press, London, 1979.
[39] Karnopp, D. C., Margolis, D. L., and Rosenberg, R. C., System Dynamics. A Unified Approach.
J. Wiley, New York, 1990.
[40] Cellier, F. E., Continuous System Modelling. Springer, Berlin, 1991.
[41] Gawtrop, F. E. and Smith, L., Metamodelling: Bond Graphs and Dynamic Systems. PrenticeHall, London, 1996.
[42] Eykhoff, P., System Identification. John Wiley & Sons, London, 1974.
[43] Elmqvist, H., A structured model language for large continuous systems. Ph.D. Dissertation,
Report CODEN: LUTFD2/(TFRT-1015) Dept. of Aut. Control, Lund Institute of Technology,
Sweden, 1978.
[44] Elmqvist, H. and Mattson, S. E., Simulator for dynamical systems using graphics and equations
for modeling. IEEE Control Systems Magazine, 9(1):53–58, 1989.
[45] Isermann, R., Identifikation dynamischer Systeme. 2nd Ed., Vol. 1 and 2. Springer, Berlin, 1992.
[46] Ljung, L., System Identification: Theory for the User. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1987.
[47] Isermann, R., Ernst, S., and Nelles, O., Identification with dynamic neural networks—
architectures, comparisons, applications—Plenary. In Proc. IFAC Symp. System Identification
(SYSID’97), Vol. 3, pp. 997–1022, Fukuoka, Japan, 1997.
[48] Hanselmann, H., Hardware-in-the-loop simulation as a standard approach for development,
customization, and production test, SAE 930207, 1993.
[49] Isermann, R., Schaffnit, J., and Sinsel, S., Hardware-in-the-loop simulation for the design and

testing of engine control systems. Control Engineering Practice, 7(7):643–653, 1999.

2-16