Xây dựng mô hình điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt ứng dụng làm phương tiện dạy học

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology58 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG XI LANH TRƯỢT
ỨNG DỤNG LÀM PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC
Bùi Văn Dân, Lê Thành Sơn
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 10/03/2020
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 05/05/2020
Ngày bài báo được duyệt đăng: 10/06/2020
Tóm tắt:
Bài báo này trình bày các bước thiết kế thực nghiệm cho hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt. 
Mục tiêu của việc thiết kế hướng đến việc cung cấp thiết bị giảng dạy cho chương trình đào tạo thực hành 
ngành Điện - Điện tử. Qua đó tạo đà thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ứng dụng cho giảng dạy thực 
hành trong nhà trường.
Từ khóa: Điều khiển vị trí, Điều khiển PID, AC servo, DC servo.
1. Giới thiệu
Trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hoá 
đất nước, khái niệm tự động hóa không còn mới mẻ 
như trước, nhu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng 
cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu 
điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ). 
Do nhu cầu xã hội: Các nhà máy xí nghiệp 
khâu tự động điều khiển vị trí là rất quan trọng đòi 
hỏi sự chính xác cao, như các công đoạn sử dụng 
tay gắp, vận chuyển sản phẩm, gia công chi tiết
Do sản phẩm thị trường: Hiện nay các sản 
phẩm hàng hóa rất đa dạng và phong phú nhưng để 
được người tiêu dùng ưa chuộng và sử dụng thì các 
sản phẩm đó đòi hỏi phải là sản phẩm tốt, giá thành 
hạ và đảm bảo nhu cầu tiêu thụ của thị trường. 
Ứng dụng làm thiết bị giảng dạy: Hiện nay, có 
khá nhiều sinh viên đi theo một lối mòn “Học theo 
giáo trình” nghĩa là trong giáo trình có những nội 
dung gì thì sinh viên sẽ chỉ học những nội dung ấy 
mà quên mất việc hướng sinh viên vào thực nghiệm 
sản phẩm thực tế trong công nghiệp như thế nào. 
Chúng ta có rất nhiều giờ thực hành thay vì chỉ áp 
những kiến thức trong giáo trình chúng ta có thể 
lồng ghép những kiến thức cơ bản về việc điều 
khiển một mô hình thực tiễn trong công nghiệp để 
giúp sinh viên dễ dàng hiểu hơn về những gì mình 
sẽ phải làm trong tương lai, tránh những trường hợp 
khi sinh viên tốt nghiệp ra trường cầm những tấm 
bằng khá, giỏi trong tay nhưng lại hoàn toàn bỡ ngỡ 
về những công việc mình sẽ và phải làm. Vì vậy 
việc đưa một mô hình sản xuất trong công nghiệp 
vào phục vụ cho việc học là rất cần thiết nên được 
đẩy mạnh và thực thi trong thời gian sớm giúp tạo 
nối tư duy công việc cho sinh viên ngay khi còn 
ngồi trên ghế nhà trường.
- Sản phẩm của đề tài được ứng dụng làm 
phương tiện trực quan giảng dạy cho các môn học 
Điều khiển với PLC, Điều khiển điện - Khí nén, 
Trang bị điện,...với đáp ứng đầy đủ cho mục tiêu 
đào tạo kiến thức, kĩ năng, thái độ.
- Sản phẩm của đề tài cũng là một mô hình 
mẫu gần giống với một khâu nhỏ trong dây chuyền 
công nghiệp, giúp cho sinh viên khi ra trường được 
tiếp cận nhanh chóng với sản phẩm thực tế.
Sản xuất công nghiệp và nông nghiệp: Điều 
khiển vị trí là một trong các hệ thống có vai trò rất 
quan trọng trong các dây truyền sản xuất trong công 
nghiệp, nông nghiệp. 
Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng của bộ 
điều khiển tốt, tín hiệu ra y(t) bám tín hiệu đặt u(t) 
với sai số đạt yêu cầu cho hệ thống.
2. Xây dựng mô hình điều khiển
2.1. Yêu cầu công nghệ
- Thiết kế phần khung gá mô hình phù hợp 
trong giảng dạy thực hành.
- Sử dụng xi lanh trượt để điều khiển vị trí [3].
- Sử dụng cảm biến O1D100 đo giá trị khoảng 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 59
cách [2].
- Sử dụng PLC để điều khiển và xử lý tín hiệu 
[1].
- Hiển thị số khoảng cách đã đo được trên 
HMI.
- Với yêu cầu đề bài đã đề ra là điều khiển vị 
trí chúng em đã chọn và thiết kế khung bàn là 50 
cm - 150 cm [7].
- Điều khiển mỗi lần nhập một vị trí.
Mô hình hệ thống được xây dựng trong Hình 1 
đưa ra chức năng các khối như sau:
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn +24VDC cho 
PLC, mạch công suất.
- Bảng điều khiển: có nhiệm vụ xuất tín hiệu 
vào PLC để nhập giá trị lựa chọn vị trí theo yêu cầu;
- Khối xử lý trung tâm CPU: Là bộ điều khiển 
logic lập trình PLC S7-300 của hãng SIEMENS. Có 
vai trò quan trọng nhất trong toàn bộ hệ thống, có 
nhiệm vụ điều khiển, giám sát mọi hoạt động của 
chương trình PLC giao tiếp hai chiều với khối vào/
ra để điều khiển, hiển thị;
- Khối đầu ra: sử dụng xi lanh trượt SRT-LB-
40B800 và van điều khiển 5/3;
- Khối điều khiển và hiển thị: HMI là màn hình 
hiển thị, lựa chọn chương trình thực hiện giao tiếp 
giữa người với máy;
- Máy tính, phần mềm: Nhận các lệnh điều 
khiển từ PLC (phím bấm, cảm biến) thông qua mạch 
truyền thông, đồng thời tính toán nội suy xử lý thuật 
toán đưa ra lệnh điều khiển, qua truyền thông thực 
hiện bước tiếp theo, hiển thị kết quả. 
Các bản vẽ thiết kế phần cứng và giao diện điều 
khiển ngoại vi.
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc cơ khí hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt [1,7]
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology60 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
Hình 2. Mô hình bàn thực nghiệm
Hình 3. Giao diện điều khiển tín hiệu ngoại vi
Hình 4. Các bước hướng dẫn cài đặt thông số cảm 
biến O1D100
3. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm khi nạp chương trình 
điều khiển vào PLC và HMI đọc được các tín hiệu 
trực tiếp từ máy tính, màn hình HMI thông qua giao 
tiếp truyền thông lên phần mềm vẽ dạng đồ thị hoặc 
trên Osillocoper như các trường hợp khảo sát sau 
[4],[5],[6]:
Hình 5. Mô hình thực tế hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt [7]
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 61
	Xây dựng thuật toán điều khiển:
Hình 6. Lưu đồ thuật toán chính của hệ thống
Hình 7. Lưu đồ thuật toán điều khiển tuyến tính
Hình 8. Lưu đồ thuật toán điều khiển vị trí cố định
	 Kết quả khảo sát: 
Tiến hành khảo sát thực nghiệm nhập khoảng 
cách trên màn hình HMI theo Bảng 1 và cho hệ 
thống chạy, dùng thước cặp điện tử 500-181-30 để 
đo khoảng cách thực tế, kết hợp với phần mềm mô 
phỏng Matlab vẽ biểu đồ so sánh kiểm chứng kết 
quả thực nghiệm.
Bảng 1. Bảng giá trị khảo sát thực tế
Số lần đo
5 10 30
1 5.2 10.4 30.9
2 4.9 9.6 29.2
3 4.8 9.7 30.8
4 5.1 10.6 29.1
5 5.2 10.5 31
Kết quả khảo sát cho thấy như Hình 10:
Với khoảng cách dịch chuyển là 5 cm sai số 3,2 %
Với khoảng cách dịch chuyển là 10 cm sai số 3,8%
Với khoảng cách dịch chuyển là 30 cm sai số 2,9%
Chất lượng của sản phẩm đã đã đáp ứng đúng 
yêu cầu đề ra, nó là phương tiện hữu ích cho quá 
trình giảng dạy và học tập.
Khoảng cách (cm)
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology62 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
Hình 9. Biểu đồ khảo 5 lần đo ở 3 khoảng cách 
khác nhau
4. Kết luận
Bài báo trình bày tổng quan cách thiết kế và 
xây dựng được hệ thống điều khiển vị trí dùng 
xilanh trượt, tìm hiểu được nguyên lý và cách lắp 
và sử dụng cảm biến quang O1D100, viết được 
chương trình điều khiển mô hình điều khiển vị trí 
dùng xi lanh trượt sử dụng bộ lập trình PLC siemen 
S7-300, viết được chương trình giao diện điều khiển 
giám sát thông qua phần mềm và màn hình HMI 
Weintek. Sản phẩm đã được giảng dạy cho sinh viên 
khóa k14 thực hành và trải nghiệm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ khắc phục 
được một số nhược điểm: Tiến đến thiết kế, chế tạo 
cho máy nâng hạ, vận chuyển hàng hóa dùng xi lanh 
trượt ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. 
Mở rộng tương tác điều khiển trên màn hình 
HMI nhập lưu chọn nhiều vị trí chuyển động cùng 
một lúc.
Tài liệu tham khảo
[1]. Bùi Trung Thành, Bùi Văn Dân, Điều Khiển Lập Trình PLC, NXB Khoa học kỹ thuật, 2014
[2]. Nguyễn Ngọc Minh, Đề cương Đo lường cảm biến, Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, 
2008.
[3]. Nguyễn Viết Ngư, Nguyễn Phúc Đáo, Điều khiển hệ thống khí nén và thủy lực, Trường Đại học 
sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.
[3]. Bui Van Dan, Bui Trung Thanh, Do Anh Tuan, Nguyen Quoc Cuong, Non-linear Model and Design 
Of PID Controller For Nano - Material Delivery System. Applying High Technology to Practical - 
FEE2015, at Thai Nguyen University of Technology, 07/137, pp. 161 – 166, 2015.
[4]. Bui Van Dan, Bui Trung Thanh, Do Anh Tuan, Nguyen Quoc,Output Feedback Model Predictive 
Control for Nano-material Distribution System. Journal of Science and Technology, 113, pp. 35–40, 
2016.
[5]. Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học 
& Kỹ thuật, 2005.
[6]. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục, 2007.
AN IMPLEMENTATION OF POSITIONAL-CONTROLLED SYSTEM
USING SLIDING CYLINDER FOR TRAINING EQUIPMENTS
Abstract:
This paper presents the steps of experimental design for positional-controlled systems using sliding 
cylinders. The objective of design process is to provide training equipments for experimental training 
program of electrical and electronics engineering industry. As a result, this method helps encourage 
research/implementation process of appliances in experimental training in school. 
Keywords: positional-control, PID control, AC servo, DC servo.