Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động phần 1 gồm các nội dung chính sau: Các khái niệm cơ bản về cơ điện tử; các ví dụ điển hình của hệ thống cơ điện tử; khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo!
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ Trình độ CAO ĐẲNG (Ban hành theo Quyết định số : /QĐ-CĐN ngày tháng năm 20… Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) MỤC LỤC Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ I KHÁI NIỆM CHUNG II ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỀU KHIỂN CÁC LOẠI BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU CHỈNH III KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 10 IV CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 11 V PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 14 VI QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 15 VII KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN 16 VIII CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 17 IV CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG LĨNH VỰC ĐKTĐ 18 BÀI 2:CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ…………………………… 19 I MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CÁC PHẦN TỬ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 19 II CÁC LOẠI CẢM BIẾN, THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 20 III ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 21 IV KỸ THUẬT GIAO TIẾP MÁY TÍNH 22 V CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 23 VI MỘT SỐ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN HAY 26 VII NHỮNG SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ 27 VIII PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 28 IX ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ 28 X ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN 29 XI MÁY ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ CNC 31 XII CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34 BÀI 3: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ I TÍN HIỆU 41 II THÔNG TIN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN 42 III TRUYỀN NHẬN THÔNG TIN 44 BÀI 4: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 46 II KHÁI NIỆM VỀ MƠ HÌNH TỐN HỌC 47 III BIẾN ĐỔI LAPLACE 51 BÀI 5: HÀM TRUYỀN 53 I KHÁI TIỆM HÀM TRUYỀN ĐẠT 53 II CÁCH TÌM HÀM TRUYỀN 54 III HÀM TRUYỀN CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG THƯỜNG GẶP 55 IV HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 56 V BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG SƠ ĐỒI KHỐI 66 VI SƠ ĐỒ VỊNG TÍN HIỆU 76 BÀI 6: KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 81 I CÁC MƠ HÌNH KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI 81 I.1 KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 81 I.2 KHÁI TIỆM VỀ MÔ HÌNH TỐN HỌC 82 II TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG 83 BÀI 7: ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 91 I KHÁI NIỆM ỔN ĐINH 91 II TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ROUTH 94 III TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH HURWITZ 95 IV BÀI TẬP VÍ DỤ 96 BÀI 8: QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ 105 I KHÁI NIỆM VỀ QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ 106 II ĐIỀU KIỆN VỀ BIÊN ĐỘ VÀ PHA 107 III BÀI TẬP VÀ BÀI GIẢI 121 BÀI 9:CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 122 I TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ 122 II ĐÁP ỨNG BIÊN ĐỘ- ĐÁP ỨNG PHA 123 III TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH NYQUIST 125 IV CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG 127 V SAI SỐ XÁC LẬP 128 VI ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 129 VII CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 133 VIII CHẤT LƯỢNG MIỀN TẦN SỐ VÀ MIỀN THỜI GIAN 135 IX BÀI TẬP VÍ DỤ 138 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần lĩnh vực điều khiển truyền động điện phát triển mạnh mẽ Đặc biệt với phát triển khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng nghề điện tử nêu khía cạnh nhỏ lĩnh vực điều khiển tự động Một u cầu thiết yếu đặt việc tạo thực giáo trình có tính chun mơn gần gũi với người học Để thực việc này, yêu cầu đặt phải có cho sinh viên nghề điện tử nắm vững kiến thức điện tử.Sau thời gian giảng dạy trường, giúp đỡ , góp ý nhiệt tình thầy giáo mơn, tơi thực hồn thành giáo trình: “Điện tử bản” để làm nguồn tài liệu cung cấp kiến thức bổ ích cho sinh viên Để giúp bạn đọc nắm vững nội dung khai thác tốt ứng dụng thực tế, đầu có phần tóm tắt nội dung, mục tiêu học cuối có phần câu hỏi ơn tập hay tập áp dụng Giáo trình có thực cịn nhiều sai sót chỉnh sửa năm sau, mong học viên, sinh viên giáo viên góp ý để tơi điều chỉnh tốt Xin chân thành cảm ơn BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ I KHÁI NIỆM CHUNG: Xem mơ hình đây: ▪ Mục tiêu điều khiển: Làm cho ngõ (OUTPUT) hệ thống gần với giá trị đặt (REFERENCE) tốt, hay nói cách khác, làm cho sai lệch (ERROR) nhỏ tốt ▪ Làm để mô tả hệ thống cần điều khiển (System to be controlled Modeling)? ▪ Làm thiết kế điều khiển (Control)? Phân loại hệ thống điều khiển ▪ Hệ thống điều khiển vòng hở (Basic open-loop control system) Disturbance Inputs Desired value/ setpoint Controller + + ? Plant Controlled Variables Hệ thống điều khiển vòng hở dùng khi: ➢ Sự thay đổi giá trị đặt ngõ vào không phức tạp ➢ Tác động nhiễu vào hệ thống không lớn ➢ Chất lượng hệ thống khơng địi hỏi cao Hệ thống điều khiển vịng hở có bù nhiễu (feedforward) Disturbance compensation + Desired value/ setpoint + ? + Controller ? Plant Controlled Variables Plant Controlled Variables Disturbance Inputs + ? + + Command compensator Desired value/ setpoint Disturbance Inputs + + Controller ? ➢ Đo lường nhiễu ➢ Ước lượng tác động nhiễu lên đối tượng điều khiển thực bù vào hệ thống Dựa vào đặc tính đối tượng điều khiển, việc bù nhiễu thực ngõ vào hệ thống Hệ thống điều khiển vịng kín (feedback control, close-loop control Disturbance Inputs Desired value/ setpoint + ? Controller + + ? _ Plant Controlled Variables Sensor ➢ Đo lường biến điều khiển ➢ So sánh giá trị biến điều khiển giá trị đặt II Khái niệm điều khiển điều chỉnh II.1 Điều khiển: Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động trình điều khiển khơng cần tác động người Một câu hỏi phổ biến với người làm quen với lý thuyết điều khiển “Điều khiển gì?” Để có khái niệm điều khiển xét ví dụ sau Giả sử lái xe đường, muốn xe chạy với tốc độ cố định 40km/h Để đạt điều mắt phải quan sát đồng hồ đo tốc độ để biết tốc độ xe chạy Nếu tốc độ xe 40km/h ta tăng ga, tốc độ xe 40km/h ta giảm ga Kết trình xe chạy với tốc độ “gần” tốc độ mong muốn Q trình lái xe q trình điều khiển Trong trình điều khiển cần thu thập thông tin đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin tốc độ xe), tùy theo thông tin thu thập mục đích điều khiển mà có cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hay giảm ga), cuối ta phải tác động vào đối tượng (tác động vào tay ga) để hoạt động đối tượng theo yêu cầu mong muốn Điều khiển q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động trình điều khiển không cần tác động người Câu hỏi thứ hai thường gặp người làm quen với lý thuyết điều khiển “Tại cần phải điều khiển?” Câu trả lời tùy thuộc vào trường hợp cụ thể, nhiên có hai lý người khơng thỏa mãn với đáp ứng hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ xác, tăng suất, tăng hiệu kinh tế Ví dụ lĩnh vực dân dụng, cần điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm cho hộ cao ốc tạo tiện nghi sống Trong vận tải cần điều khiển xe hay máy bay từ nơi đến nơi khác cách an tồn xác Trong cơng nghiệp, q trình sản xuất bao gồm vơ số mục tiêu sản xuất thỏa mãn đòi hỏi an tồn, độ xác hiệu kinh tế Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển (HTĐK) có vai trị quan trọng việc phát triển tiến kỹ thuật công nghệ văn minh đại Thực tế khía cạnh hoạt động ngày bị chi phối vài loại hệ thống điều khiển Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy cơng cụ, kỹ thuật khơng gian hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, hệ thống giao thơng, hệ thống lượng, robot, Ngay vấn đề kiểm toán hệ thống kinh tế xã hội áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động Khái niệm điều khiển thật khái niệm rộng, nội dung sách đề cập đến lý thuyết điều khiển hệ thống kỹ thuật Các thành phần hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Chú thích ký hiệu viết tắt: - r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t) (controlled output): tín hiệu - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t) (error): sai số - u(t) : tín hiệu điều khiển Để thực trình điều khiển định nghĩa trên, hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần thiết bị đo lường (cảm biến), điều khiển đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức thu thập thông tin, điều khiển thực chức xử lý thông tin, định điều khiển đối tượng điều khiển chịu tác động tín hiệu điều khiển Hệ thống điều khiển thực tế đa dạng, sơ đồ khối hình 1.1 cấu hình hệ thống điều khiển thường gặp Trở lại ví dụ lái xe trình bày ta thấy đối tượng điều khiển xe, thiết bị đo lường đồng hồ đo tốc độ đôi mắt người lái xe, điều khiển não người lái xe, cấu chấp hành tay người lái xe Tín hiệu vào r(t) tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu c(t) tốc độ xe xe, tín hiệu hồi tiếp cht(t) vị trí kim đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) sai lệch tốc độ mong muốn tốc độ tại, tín hiệu điều khiển u(t) Hệ thống điều khiển mực chất lỏng Các toán lĩnh vực điều khiển tự động ▪ Trong lĩnh vực điều khiển tự động có nhiều tốn cần giải quyết, nhiên toán điều khiển thực tế quy vào ba tốn sau: -Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động biết cấu trúc thơng số Bài tốn đặt sở thông tin biết tìm đáp ứng hệ thống đánh giá chất lượng hệ Bài tốn ln giải -Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc thông số đối tượng điều khiển Bài toán đặt thiết kế điều khiển để hệ thống thỏa mãn u cầu chất lượng Bài tốn nói chung giải -Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc thông số hệ thống Vấn đề đặt xác định cấu trúc thông số hệ thống Bài tốn khơng phải lúc giải Trong lý thuyết điều khiển tự động, điều khiển thiết bị giám sát tác động vào điều kiện làm việc hệ động học cho trước Các điều kiện làm việc đặc trưng cho biến đầu hệ thống mà tác động việc điều chỉnh biến đầu vào biết Ví dụ, hệ thống lị sưởi ngơi nhà trang bị với điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ khơng khí (biến đầu ra), bật tắt lò nung gia nhiệt nhiệt độ khơng khí q thấp q cao Trong ví dụ này, điều nhiệt điều khiển điều khiển hoạt động gia nhiệt Bộ gia nhiệt xử lý giúp làm nóng khơng khí bên ngơi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt) Nhiệt độ khơng khí đo bên ngơi nhà tín hiệu phản hồi Và cuối cùng, ngơi nhà mơi trường mà hệ thống lị sưởi làm việc Khái niệm điều khiển cịn mở rộng cho nhiều hệ thống phức tạp khác Trong giới tự nhiên, cá thể sinh vật trang bị điều khiển để đảm bảo cân nội cần thiết cho sinh tồn sinh vật Cả hai hệ thống nhân tạo tự nhiên biểu tập hợp hành vi cá thể điều khiển cố gắng đạt đến trạng thái cân Trong lý thuyết điều khiển tự động có hai dạng điều khiển Đó vòng hở phản hồi Đầu vào điều khiển phản hồi giống với thứ mà cố gắng điều khiển – biến điều khiển phản hồi vào điều khiển Bộ điều nhiệt nhà ví dụ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển dựa vào việc đo lường biến điều khiển, trường hợp nhiệt độ ngơi nhà, sau điều chỉnh đầu ra, qua việc đóng mở gia nhiệt Tuy nhiên, điều khiển phản hồi thường cho kết giai đoạn trung gian nơi biến điều khiển khơng điểm đặt mong muốn Với ví dụ điều nhiệt, cánh cửa nhà mở ngày lanh, nhà lạnh dần Nếu nhiệt độ xuống nhiệt độ mong muốn (điểm đặt), gia nhiệt mở, cần khoảng thời gian nhà lạnh nhiệt độ mong muốn Điều khiển vịng hở tránh chậm chạp điều khiển phản hồi Với điều khiển vịng hở, nhiễu đo lường tính tốn trước chúng có thời gian • Cảm biến mơi trường khí tượng • Cảm biến thơng tin viễn thơng • Cảm biến nơng nghiệp • Cảm biến dân dụng • Cảm biến giao thơng Cảm biến vũ trụ • Cảm biến quân Các cấu chấp hành: giới thiệu chung cấu truyền động XI.7 Hệ thống kích truyền động – Các chi tiết thường đóng vai trị hệ thống thiết bị, ngồi việc thể kết cấu hình dáng sở sản phẩm, khung lắp ráp cho thành phần chi tiết khác, làm vật liên kết, vật trung gian ghép nối vv… chi tiết khí thường sử dụng hệ kích truyền động (cơ cấu chấp hành) XI.8 Hệ thống khí Hệ thống khí cịn có thuật ngữ gọi “máy móc” theo nghĩa khí truyền thống, sử dụng để truyền thay đổi hoạt động lực momen để thực cơng hữu ích “Máy móc” định nghĩa hệ thống thành phần, xếp để truyền chuyển động lượng từ dạng sang dạng theo yêu cầu, cấu kích truyền động (actuation) định nghĩa hệ thống thành phần, xếp để truyền chuyển động theo yêu cầu, cấu kích động tương tự máy móc mục đích yêu cầu để tạo chuyển động xảy “máy móc” 39 XI.9 Các loại chuyển động máy móc Một vật rắn có chuyển động phức tạp Tuy nhiên chuyển động vật thể rắn qui kết hợp chuyển động tịnh tiến chuyển động xoay tròn Khi xem xét không gian chiều, chuyển động tịnh tiến coi dịch chuyển dọc theo trục không gian chiều chuyển động trịn xoay trịn theo trục không gian chiều XI.10 Chuổi động học Thuật ngữ động học sử dụng để nghiên cứu chuyển động mà không để ý đến lực vệc xem xét chuyển động mà không quan tâm đến lực lượng đồng nghĩa với việc phân tích động học cấu Một cấu coi chuổi liên kết đơn Mỗi chi tiết cấu có chuyển động tương đối so với chi tiết khác gọi khâu Một khâu không thiết thân cứng, bắt buộc thân bền, có khả truyền lực yêu cầu mà không bị biến dạng lí khâu thường thể than rắn có hai nhiều hai khớp nối để kết nối với khâu khác Mỗi khâu có khả chuyển động tương đối khâu bên cạnh Đòn bẩy, tay quay, kết nối tay kéo – piston, trượt , puli ròng rọc, đai trục ví dụ khâu Sự nối tiếp khớp nối-các khâu định nghĩa chuỗi động đễ chuỗi động truyền động, khâu phải cố định Khi chuyển động khâu sinh chuyển động tương đối (theo dự tính) khâu khác Một chuổi động học biến đổi cấu thay đổi khâu cố định Thiết kế nhiều loại máy dựa chuỗi động học của: cấu khâu lề, tay quay – trượt culit lắc Cơ cấu khâu khớp 40 Chuổi liên kết thường gồm khâu, liên kết với qua khớp • Khớp nút nối hai hay nhiều khâu, nơi cho phép có chuyển động tương đối khâu • Khâu thân rắn có nút, liên kết qua khớp tới khâu khác • Bậc tự (F) số chuyển động độc lập cấu tọa độ độc lập xác định hướng vị trí cấu • Bậc tự cấu phẳng xác định cơng thức Gruebler: F= 3(n-l)-2f1 (1) Với: n tổng số lượng khâu (kể khâu cố định khâu nền) • tổng số lượng khớp (một số khớp tính có số lượng f thân ½, 1, 3) Câu hỏi : Theo Anh/Chị hệ thống điện tử? Hãy trình bày ứng dụng hệ thống điện tử? 41 BÀI 3: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ I Tín hiệu (signal) Tín hiệu đại lượng vật lý chứa đựng thơng tin hay liệu truyền xa tách thơng tin Có nhiều cách để phân loại tín hiệu, cách phân chia theo cặp thuộc tính: Thời gian rời rạc - Thời gian liên tục Tín hiệu rời rạc (về mặt thời gian) tín hiệu xác định tập rời rạc thời gian (một tập thời điểm rời rạc) Dưới dạng tốn học, tín hiệu rời rạc mang giá trị thực (hoặc phức) xem hàm liên kết tương ứng từ tập số tự nhiên đến tập số thực (hoặc phức) Tín hiệu liên tục (về mặt thời gian) tín hiệu mang giá trị thực (hoặc phức) xác định với thời điểm khoảng thời gian, trường hợp phổ biến khoảng thời gian vô hạn Chú ý: Một hàm khơng liên tục mặt tốn học, ví dụ hàm sóng vng (square-wave) hay sóng cưa (sawtooth-wave), hàm liên tục mặt thời gian Tương tự - Số Tín hiệu tương tự tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian Tín hiệu số tín hiệu lấy mẫu lượng tử hóa Lấy mẫu q trình biến tín hiệu tương tự thành tín hiệu rời rạc theo thang thời gian Định lý lấy mẫu (Shannon-Nyquist) nói muốn khơi phục tín hiệu băng tần gốc liên tục theo thời gian băng thơng tín hiệu ban đầu phải có giới hạn tần số lấy mẫu phải lớn hai lần băng thơng tín hiệu ban đầu Lượng tử hóa q trình biến tín hiệu có giá trị liên tục thành tín hiệu có giá trị rời rạc Xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu số (DSP) việc sử dụng xử lý kỹ thuật số, máy tính xử lý tín hiệu số chuyên dụng hơn, để thực nhiều hoạt động xử lý tín hiệu khác Xử lý tín hiệu số xử lý tín hiệu tương tự trường xử lý tín hiệu Hiện có số xu hướng điều khiển động Trong số trường hợp, vấn đề cần quan tâm đơn giản điều khiển tốc độ, gia tốc, mômen thuộc tính khác động sở tín hiệu điều khiển đầu vào từ phía người, chẳng hạn qua bảng điều khiển II Thông tin xử lý thông tin 42 Thông tin ( Informations ) khái niệm trừu tượng mô tả đem lại hiểu biết , nhận thức cho người sinh vật khác Thông tin tồn khách quan Thơng tin tạo ra, phát sinh, truyền đi, lưu trữ, chọn lọc Thông tin chuyển tải qua môi trường vật lý khác ánh sáng, sóng âm, sóng điện từ Thơng tin ghi phương tiện hữu văn giấy, băng ghi âm hay phim ảnh Về nguyên tắc, cấu trúc vật chất dòng lượng mang thơng tin Các vật mang thông tin gọi giá mang tin (support) Hình thức vật lý thơng tin gọi tín hiệu (signal) Thơng tin tín hiệu có độ độc lập tương đối Có thể chuyển tải nội dung thơng tin tín hiệu khác Trên sân cỏ, động tác phất cờ trọng tài biên (hình ảnh), tiếng cịi trọng tài (âm thanh) mang thơng tin báo lỗi Ngược lại tín hiệu hồn cảnh khác lại thể thông tin khác Người nông dân đồng Sơng Hồng mời khách uống rượu trước để tỏ lịng thành miền Tây Nam phải làm ngược lại - chủ phải uống trước Thơng tin phát sinh lưu lại giá mang tin Thơng tin truyền từ giá mang sang giá mang khác Như thơng tin nhân nhân ý nghĩa thông tin không suy giảm Dữ liệu (data) hình thức thể thơng tin mục đích lưu trữ xử lý định Thuật ngữ "dữ liệu" dùng có nguồn gốc từ chữ Hán- Việt với ý nghĩa "cái cho" Từ tương ứng tiếng Anh (data) số nhiều từ datum tiếng Latin, tiếng Pháp (donneés), tiếng Nga (данныx) mang nghĩa "cái cho" Về mặt lịch sử, khái niệm liệu xuất với việc xử lý thơng tin máy tính Vì nhiều tài liệu người ta định nghĩa liệu đối tượng xử lý máy tính Thơng tin ln mang ý nghĩa xác định hình thức thể thơng tin rõ ràng mang tính quy ước Chẳng hạn kí hiệu "V" hệ đếm La mã mang ý nghĩa đơn vị hệ thống chữ la-tinh mang ý nghĩa chữ V Trong máy tính điện tử (MTĐT), nhóm chữ số 01000001, số thể số 65, chữ chữ "A" Tri thức (knowledge) có ý nghĩa khái qt thơng tin Những nhận thức thu nhận từ nhiều thông tin lĩnh vực cụ thể đó, có tính hướng mục đích trở thành tri thức Như tri thức mục đích nhận thức sở tiếp nhận thơng tin Q trình xử lý thơng tin q trình nhận thức để có tri thức Như biết liệu hình thức biểu diễn thơng tin với mục đích xử lý thơng tin Vậy mã hố đường chuyển từ thơng tin thành liệu Sau ta thấy thông tin dạng số, văn bản, âm thanh, hình ảnh phải chuyển dạng mã phù hợp để máy tính làm việc 43 Bảng 1.1 Các đơn vị đo thông tin III Xử lý thông tin Xử lý thơng tin tìm dạng thể thơng tin phù hợp với mục đích sử dụng Ví dụ, cho phương trình x2 + bx + c = ta cần giải (xử lý) để tìm hai nghiệm x1 x Về mặt thơng tin, việc biết b c hồn tồn tương đương với biết x1 x2 Tuy nhiên mục đích sử dụng việc biết x1 x2 khác hẳn với biết b c Như xử lý thông tin không làm tăng lượng tin mà hướng hiểu biết vào khía cạnh có lợi hoạt động thực tiễn Mục đích xử lý thơng tin tri thức III.1 Xử lý thông tin tự động máy tính điện tử Q trình xử lí thơng tin máy tính điện tử có bước tương tự tính tốn thủ cơng Để mơ tả cách thức xử lý, liệu, giữ kết tính tốn, người cần phải sử dụng số phương tịên ghi nhớ định giấy, bảng trí nhớ MTĐT cần có phương tiện nhớ liệu, kết cách xử lý gọi nhớ Con người cần sử dụng số cơng cụ bàn tính, hay não để thực phép tốn MTĐT sử dụng số mạch tính tốn có khả xử lý liệu Đó số học logic Để xử lý công việc phức tạp, người ta cần thực nhiều phép xử lý nhỏ theo trình tự định Với hiểu biết mình, tuỳ theo điều kiện cụ thể, người tự xác định phép tính cần thiết trình tự thực phép tính Ví dụ giải phương trình bậc 2, người giải định giải tiếp để tìm hai nghiệm thực sau tính thấy biệt thức ∆ ≥ MTĐT khơng thể chủ động 44 Nó khơng thể tự định được, phải làm gì, cộng hay trừ, nhân hay chia, liệu tham gia xử lí lấy đâu Để làm điều đó, người ta phải lập kịch xử lý có đầy đủ tình dạng mệnh lệnh để hướng dẫn MTĐT xử lý công việc theo yêu cầu mong muốn Tập hợp mệnh lệnh người soạn thảo ngôn ngữ mà máy "hiểu" gọi chương trình (prrogam) Máy tính cần có phương tiện để lưu chương trình đưa vào cần có thiết bị có đảm bảo khả tự điều khiển theo chương trình Ta hình dung q trình xử lí thơng tin máy tính số sơ đồ hình đây: III Truyền nhận thơng tin: Truyền thông (từ Latin: commūnicāre, nghĩa "chia sẻ"[1]) hoạt động truyền đạt thông tin thông qua trao đổi ý tưởng, cảm xúc, ý định, thái độ, mong đợi, nhận thức lệnh, ngôn ngữ, cử phi ngơn ngữ, chữ viết, hành vi phương tiện khác thông qua điện từ, hóa chất, tượng vật lý mùi vị Đó trao đổi có ý nghĩa thơng tin nhiều thành viên (máy móc, sinh vật phận chúng) Truyền thơng địi hỏi phải có người gửi, tin nhắn, phương tiện truyển tải người nhận, người nhận khơng cần phải có mặt nhận thức ý định người gửi để giao tiếp thời điểm việc truyền thơng diễn ra; thơng tin liên lạc xảy khoảng cách lớn thời gian không gian Truyền thông yêu cầu bên giao tiếp chia sẻ khu vực dành riêng cho thông tin truyền tải Quá trình giao tiếp coi hồn thành người nhận hiểu thông điệp người gửi Các phương thức truyền tin tác động lẫn qua trung gian hai tác nhân chia sẻ ký hiệu tin tức quy tắc mang ý nghĩa Truyền tin thường định nghĩa "sự truyền đạt suy nghĩ, ý kiến thơng tin qua lời nói, chữ viết, dấu hiệu" Câu hỏi tập Hãy làm rõ mối liên hệ khái niệm thông tin, tin hiệu, liệu ? Tìm ví dụ minh hoạ có thơng tin nghĩa giảm độ bất đinh 45 Một lớp có 48 sinh viên có 36 nam 12 nữ Trong thi học sinh giỏi tin học trường sinh viên lớp giải Người ta muốn biết người Sau người ta thơng báo thêm, người đoạt giải nhận giải nhì thi cắm hoa nữ sinh tổ chức nhân ngày 8/3 Tính lượng tin nhận thông báo Đơn vị đo tin bít Nhưng bít lại chữ viết tắt cụm từ chữ số nhị phân "Binary Digit" Hãy lý giải mối liên hệ hai điều Tại nói xử lý thơng tin khơng làm tăng lượng tin Hãy nêu vai trị thơng tin sống 46 BÀI 4: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN I Các khái niệm Để hiểu khái niệm hệ thống điều khiển tự động trước hết ta xem ví dụ sau: Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển lị để phát điện Điều khiển: Tập hợp tất tác động có mục đích nhằm điều khiển q trình hay trình theo quy luật hay chương trình cho trước Điều khiển học: Một môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển Điều khiển tự động: Quá trình điều khiển điều chỉnh thực mà tham gia trực tiếp người Hệ thống điều khiển: Tập hợp tất thiết bị mà nhờ q trình điều khiển thực Hệ thống điều khiển tự động (điều chỉnh tự động): Tập hợp tất thiết bị kỹ thuật, đảm bảo điều khiển điều chỉnh tự động trình (đơi gọi tắt hệ thống tự động – HTTĐ) Ý nghĩa điều khiển tự động: - Đáp ứng hệ thống không thõa mãn u cầu cơng nghệ - Tăng độ xác - Tăng suất - Tăng hiệu kinh tế 47 II Khái niệm mơ hình tốn học II.1 Mơ hình tốn học dạng phương trình vi phân Hệ thống điều khiển thực tế đa dạng có chất vật lý khác cần có sở tốn học chung để phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển có chất vật lý khác Tín hiệu đầu vào u(t) tín hiệu đầu y(t) thường hàm số theo thời gian Quan hệ tín hiệu vào tín hiệu hệ thống tuyến tính bất biến liên tục mơ tả phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng: II.2 Một số ví dụ mơ tả hệ thống phương trình vi phân - Đặc tính động học tốc độ xe tơ Phương trình động học tốc độ xe tơ theo lực kéo động Trong đó: M - khối lượng xe, B - hệ số ma sát: thông số hệ thống f(t) - lực kéo động cơ: tín hiệu vào v(t) - tốc độ xe: tín hiệu - Đặc tính động học hệ thống giảm chấn xe Đặc tính động học xe tơ Hàm truyền G(s)= v( s ) K = G( s) = f ( s) Ms + r Ts + Với K= 48 T= M M dv(t ) + Bv(t ) − f (t ) dt • Trong đó: M khối lượng B hệ số ma sát F lực kéo động V(t) vận tốc xe PT: d y (t ) dy (t ) M +B → v( y )t = f (t ) dt dt Phương trình động học hệ thống Trong đó: M - khối lượng tác động lên bánh xe, B hệ số ma sát, K độ cứng lị xo (thơng số hệ thống) f(t) - lực sốc: tín hiệu vào y(t) - dịch chuyển thân xe: tín hiệu 49 Đặt x1, (t ) = x2 x1 (t ) = y (t ) , −K B x1 (t ) − x2 (t ) + f (t ) x2 (t ) = y (t ) x2 (t ) = M M M x1 (t ) y (t ) = 1 0 x2 (t ) x (t ) 0 , x (t ) + f (t ) x1 (t ) = M x , (t ) − K − B M M x (t ) y (t ) = 1 0 x2 (t ) x, (t )Ax(t)+Bf(t) y (t ) = Cx(t ) 1 0 A = −K −B M M 0 B= M C = 1 0 VD: 1 1 = −1 −1 1 1 - Đặc tính động học thang máy 1 0 1 1 −1 −1 −1 −1 50 Phương trình động học hệ thống Trong đó: MT - khối lượng buồng thang, MĐ - khối lượng đối trọng, B - hệ số ma sát, K - hệ số tỉ lệ (t) - moment kéo động cơ: tín hiệu vào y(t) - vị trí buồng thang: tín hiệu dy dy M T = + B = kJ (t ) dt dt + Mđ.t Trong Mt :là khối lương buồng than Mđ :là khối lượng đối thang B: hệ số ma sát J(t): moment kéo Y(t): vị trí buồng thang Việc thực mơ hình tốn học với phương trình dạng vi phân gặp khó khăn phương trình vi phân lớn bậc Do phân tích hệ thống gặp khó khăn giải phương trình lớn bậc Vì người ta có dạng mơ tả tốn học khác giúp phân tích thiết kế dễ dàng hàm truyền phương trình trạng thái Qua ví dụ ta thấy hầu hết hệ thống điều khiển tự động mơ tả phương trình động học phương trình vi phân bậc 1, 2,… n Phương trình vi phân bậc n (n > 2) khó giải Phân tích hệ thống dựa vào mơ hình tốn phương trình vi phân gặp 51 nhiều khó khăn (một thí dụ đơn giản biết tín hiệu vào, cần tính đáp ứng hệ thống, giải phương trình vi phân khơng đơn giản) Thiết kế hệ thống dựa vào phương trình vi phân thực trường hợp tổng quát Trong thực tế cần dạng mô tả tốn học khác giúp phân tích thiết kế hệ thống tự động dễ dàng hơn: Hàm truyền, Phương trình trạng thái III Biến đổi Laplace a Khái niệm tính chất phép biến đổi Laplace Khi sử dụng phép biến đổi tín hiệu hệ thống từ miền thời gian sang miền khác để thuận tiện việc xử lý tín hiệu Như hệ thống liên tục người ta hay sử dụng phép biến đổi Laplace để biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số phức Các phương trình vi tích phân chuyển đổi thành phương trình đại số thơng thường Trong hệ thống rời rạc người ta hay sử dụng phép biến đổi Z để chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số phức Trong thực tế người ta sử dụng phép biến đổi khác để xử lý tín hiệu giải tương quan, mã hố có hiệu quả, chống nhiễu,… Thực phép biến đổi có cơng cụ tốn học máy tính số, công cụ phổ biến hiệu phần mềm Matlab hay thực biến đổi tay - Khái niệm: Cho hàm f(t) hàm xác định với t 0, biến đổi Laplace hàm f(t) – hàm biểu diễn miền thời gian xác định R Để thực biến đổi Laplace hàm f(t) phải hàm thực thoả mãn số điều kiện sau: f(t) = t < f(t) liên tục t ≥ 0, khoảng hữu hạn cho trước có hữu hạn điểm cực trị L f (t) F(s) L g(t) Tính tuyến tính L a f (t) b.g(t) G(s) a.F(s) b.G(s) Định lý chậm trễ L f (t T) Ảnh đạo hàm d ( f (t)) L e Ts F(s) s.F (s) F (0 52 ) dt Ảnh tích phân F (s) L f (t)dt s b Biến đổi Laplace hàm bản: c - Hàm nấc đơn vị (step): tín hiệu vào hệ thống điều khiển ổn định hóa Biến đổi Laplace u(t) - Hàm dirac: thường dùng để mô tả nhiễu Biến đổi Laplace δ(t)L (t) - Hàm dốc đơn vị (Ramp): tín hiệu vào hệ thống điều khiển theo dõi Biến đổi Laplace r(t) Ghi chú: Sử dụng bảng phải nhân với hàm u(t), hay thỏa mãn điều kiện f(t) = t < 53 ... mà nhờ q trình điều khiển thực Hệ thống điều khiển tự động (điều chỉnh tự động) : Tập hợp tất thiết bị kỹ thuật, đảm bảo điều khiển điều chỉnh tự động q trình (đơi gọi tắt hệ thống tự động – HTTĐ)... thống điều khiển: Tập hợp tất thiết bị mà nhờ q trình điều khiển thực Hệ thống điều khiển tự động (điều chỉnh tự động) : Tập hợp tất thiết bị kỹ thuật, đảm bảo điều khiển điều chỉnh tự động trình. .. thống tự động – HTTĐ) Ý nghĩa điều khiển tự động: - Đáp ứng hệ thống không thõa mãn u cầu cơng nghệ - Tăng độ xác - Tăng suất - Tăng hiệu kinh tế IV Các phần tử hệ thống điều khiển tự động Các phần