CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN

CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN CƠ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG và cảm BIẾN

Cơ sở Điều khiển tự động và Cảm biến

(Dùng cho học viên và kỹ sư ngành Máy tàu biển)

Bùi Hồng Dương 3/19/2014

Mục lục

1.2 Các khái niệm cơ bản về điều khiển tự động 17

1.2.5 Điều khiển mạch hở (Open Loop Control, Feedforward Control), điều khiển bằng tay (Manual Control) 19

1.2.6 Điều khiển mạch kín (Close Loop Control, Feedback Control) 20 1.2.7 Đối tượng được điều khiển *(Controlled) Process, Plant, Object+ 21 1.2.8 Biến được điều khiển *y(t)+ (Controlled Variable) 22

1.2.10 Phần tử đo, cảm biến (Measuring Element, Sensor) 23

1.2.15 Bộ cộng tín hiệu (Phần tử so sánh, Comparison Element, Summing Point, Adding Point) 24 1.2.16 Bộ chế biến tín hiệu (Processing Unit, Computer v.v.) 25

1.2.20 Cơ cấu điều chỉnh (Adjusting Mechanism, Adjusting Element) 25 1.2.21 Phần tử thực hiện cuối (Final Control Elements) 26

1.2.24 Phân biệt biến số và thông số (Variable vs Parameter) 26 1.2.25 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ điều khiển theo độ lệch (Feedback Control) 27

1.3 Các nguyên lý điều khiển cơ bản nhất 28

1.3.1 Nguyên lý điều khiển theo độ lệch (Feedback Control) 28 1.3.2 Nguyên lý điều khiển cấp tới (hay Bù trừ nhiễu - Feedforward Control) 29 1.3.3 Nguyên lý điều khiển nhiều xung (Multi-Element Control) 31

1.6 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển tự động 36

1.7.1 Khảo sát và lập sơ đồ khối thể hiện chức năng của hệ thống Hình 1-2 37 1.7.2 Khảo sát hệ thống điều khiển nhiệt độ không khí phòng học, Hình 1-5 38

1.10 Bài tập 40

2 Biến đổi Laplace – Hàm truyền – Sơ đồ khối – Mô hình toán 41

2.1.4 Các tính chất cơ bản của phép biến đổi Laplace thuận (Bảng 2-1) 49

2.3 Xây dựng và biến đổi sơ đồ khối 52

2.3.3 Hàm truyền của mạch kín (mạch có phản hồi - Closed-loop transfer function) rút gọn 53 2.3.4 Hàm truyền của mạch kín để hở và hàm truyền của mạch cấp tới 54

2.4 Thiết lập mô hình toán cho các hệ thống động lực 61

2.5 Khảo sát mô hình toán của vài hệ động lực 65

3 Các hoạt động điều khiển cơ bản và các bộ điều khiển cơ bản 103

3.1 Các hoạt động điều khiển cơ bản 103

3.1.1 Khái niệm về hoạt động điều khiển (Control Action) 103 3.1.2 Hoạt động điều khiển hai vị trí (Đóng – Ngắt, ON-OFF, Two-position control) 104 3.1.3 Hoạt động điều khiển tỷ lệ (Proportional Control Action) 105 3.1.4 Hoạt động điều khiển tích phân (Integral Control Action –I) 108 3.1.5 Hoạt động điều khiển đạo hàm (Derivative Control Action - D) 110 3.1.6 Hoạt động điều khiển tỷ lệ + tích phân (Proportional Plus Integral Control Action – PI) 112

3.1.8 Hoạt động điều khiển tỷ lệ + tích phân + đạo hàm (Proportional plus integral plus derivative control

3.2 Sơ lược về hiệu quả chỉnh định các tác động điều khiển thành phần trong bộ điều khiển PID

119

3.2.1 Bộ điều khiển PID thuần P (Ki=Kd=0) với các Kp khác nhau 120

3.2.3 Bộ điều khiển PID với Kp=const, Ki=const và Kd=var 123

3.3.7 Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ, kiểu cân bằng lực-khoảng cách, có van khuếch đại cấp hai 138

3.3.9 Nguyên lí tạo các hoạt động điều khiển tích phân và đạo hàm thêm vào hoạt động tỷ lệ 140

3.3.11 Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ cộng tích phân (P+I) 143 3.3.12 Thiết lập bộ điều khiển gió nén tỷ lệ cộng tích phân cộng đạo hàm PID 145

3.4.4 Thiết lập bộ điều khiển tỷ lệ cộng tích phân thủy lực 152 3.4.5 Thiết lập bộ điều khiển thuỷ lực tỷ lệ + đạo hàm 153

3.5 Ví dụ - Lập mô hình toán của động cơ diesel là đối tượng được điều khiển về vòng quay trục 155

3.5.1 Đối tượng được điều khiển mẫu – Động cơ diesel lai máy phát điện 155

3.5.4 Xác định gần đúng moment quán tính của một hệ động lực qua thực nghiệm 159

3.6 Ví dụ - Lập mô hình toán hệ điều khiển tỷ lệ tốc độ quay của trục động cơ diesel 160

3.6.1 Phân tích hoạt động và lập mô hình toán cho từng khối 161 3.6.2 Lập mô hình SIMULINK cho hệ điều khiển vòng quay động cơ diesel 169

4.1 Các nguyên lý chế biến tín hiệu tương tự 180

4.3 Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – “Op Amp”) 188

4.3.3 Một số ứng dụng của các bộ khuếch đại thuật toán 191

6.2 Các cảm biến chuyển vị, vị trí, toạ độ 223

6.4 Cảm biến suất biến dạng (Strain Sensors) 234

6.5.2 Nguyên lý đo lưu lượng theo dòng chảy trong ống 244

7.3 Cảm biến hàm lượng sương dầu 270

7.4 Cảm biến hàm lượng khí cháy nổ được 271 7.5 Cảm biến khói (Smoke Detector) 272 7.6 Cảm biến lửa (Flame Detector) 272

8.1 Phụ lục 1: Nhận xét bổ sung - Đáp ứng của hệ gồm bộ điều khiển tỷ lệ với các Kp và H khác nhau với đối tượng là mô hình khâu tích phân hoặc động lực bậc nhất 276

Mục lục hình vẽ

Hình 1-1: Bộ điều tốc ly tâm kiểu Watt (1788) lắp đặt trên một máy hơi nước Boulton and Watt, tại Bảo tàng khoa

học, London, Anh 15

Hình 1-2: Một ví dụ về hệ thống điều khiển mạch hở, điều khiển mực nước (h) trong két 19

Hình 1-3: Hệ thống điều khiển mạch kín mực nước trong két (h) 20

Hình 1-4: Sơ đồ khối cơ bản mô tả điều khiển mạch hở (a) và điều khiển mạch kín (b) 21

Hình 1-5: Hệ thống điều khiển đóng-ngắt (On-Off) tự động nhiệt độ không khí phòng học có máy lạnh 22

Hình 1-6: Sơ đồ khối tổng quát một hệ thống điều khiển tự động 27

Hình 1-7: Sơ đồ khối minh họa một hệ điều khiển theo độ lệch (có phản hồi), với tín hiệu phản hồi c(t) là đại diện cho biến được điều khiển y(t) 29

Hình 1-8: Minh họa về nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển bù trừ nhiễu 30

Hình 1-9: Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hoạt động theo nguyên lý cấp tới (bù trừ nhiễu - Feedforward Control) 31 Hình 1-10: Hệ điều khiển mực nước hai xung, kết hợp độ lệch và cấp tới (bù trừ nhiễu) 32

Hình 1-11: Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển 2 xung, kết hợp điều khiển cấp tới (bù trừ nhiễu) với điều khiển theo độ lệch 33

Hình 1-12: a- Một phần tử của sơ đồ khối; b- Điểm công tín hiệu; c- Điểm rẽ nhánh 36

Hình 1-13: Sơ đồ khối thể hiện chức năng của hệ điều khiển mạch hở ở Hình 1-2 38

Hình 2-1: Hình dạng các hàm đầu vào cơ bản 44

Hình 2-2: Rút gọn các khối nối tiếp, song song 52

Hình 2-3: Sơ đồ khối của một mạch kín (có phản hồi) vói nhiều thể hiện khác nhau (a ), (b), (c) và sơ đồ rút gọn (d) 53 Hình 2-4: Sơ đồ khối mạch kín có nhiễu D(s) 55

Hình 2-5: Thanh bập bênh 56

Hình 2-6: Thủ tục vẽ một sơ đồ khối, mạch R-C lọc thông tần số cao 57

Hình 2-7: Một ví dụ minh họa về việc rút gọn sơ đồ khối 60

Hình 2-8: Một biểu diễn hình học cho phép tuyến tính hóa đơn giản 64

Hình 2-9: Gần đúng tuyến tính (l 2 ) của hàm phi tuyến f(x) tương đối trong hệ trục tọa độ mới 65

Hình 2-10: Các đáp ứng ra theo thời gian y(t) của khâu động lực bậc nhất có hàm truyền W(s) = 1/(s+1) đối với đầu vào là hàm bước 1(t) và hàm xung nhọn đơn vị g(t), T=1 sec 67

Hình 2-11: (a) - Mô hình xe ôtô chuyển động thẳng trên đường; (b) - Sơ đồ khối lập trong Simulink để tìm vận tốc v (m/s) của xe 68

Hình 2-12: Đáp ứng tăng tốc của xe theo thời gian đối với lực kéo Fs=A(t) là hàm bước và cắt ly hợp ở thời điểm t = 300 s 68

Hình 2-13: Mô hình của một động cơ lai quạt gió (a) và các sơ đồ khối của hệ này 70

Hình 2-14: Xếp nối tiếp hai hệ động lực bậc nhất để tạo thành một hệ động lực bậc hai 73

Hình 2-15: Một hệ thống động lực bậc 2 ví dụ (ống nhún giảm chấn) và mô hình toán của nó 74

Hình 2-17: Đáp ứng y(t) với đầu vào là hàm bước của một hệ động lực bậc 2 có phương trình vi phân

với các khác nhau; và các điều kiện đầu bằng không 80

Hình 2-18: Đường đáp ứng ra đối với hàm bước đơn vị của một hệ động lực bậc 2 ít giảm chấn có , cho ta thấy t d , t r , t p , t s và M p 80

Hình 2-19: Các cặp đường bao các đường cong đáp ứng ra của hệ động lực bậc 2 ít giảm chấn đối với đầu vào là hàm bước đơn vị 83

Hình 2-20: Sơ đồ khối ở dạng mô hình (Model) Simulink để giải phương trình (2-96) 84

Hình 2-21: Một số thermostat dùng trong các động cơ 84

Hình 2-22: Rơ-le nhiệt (thermostat) với bầu cảm biến từ xa dùng khí co giãn, sản phẩm của Danfoss 85

Hình 2-23: Từ phải sang trái (d về a) là các sơ đồ khối, vẽ trong Simulink để giải các phương trình (2-96, d) tìm dPba20, (2-95, c) tìm Pba, (2-97, b) tìm Pbg, và (2-98, a) tìm Fp==T 86

Hình 2-24: Sơ đồ cân bằng lực trên màng cảm biến, F LX được đặt dấu (-), F p (+) 87

Hình 2-25: Lần lượt từ trái qua là các sơ đồ khối lập trong Simulink để giải các phương trình (2-101, a) tìm Flx, (2-103, b) để tìm dF, và (2-104, c) để tìm dZ 88

Hình 2-26: Sơ đồ khối thể hiện chức năng của các phần tử trong hệ điều khiển nhiệt độ phòng học 91

Hình 2-27: Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển phòng học 92

Hình 2-28: Các sơ đồ khối trong Simulink để giải các phương trình, từ phải sang, là (2-115, c), (2-108, b), và (2-115, a) 95

Hình 2-29: Mô hình SIMULINK hệ điều khiển on-off nhiệt độ phòng học có máy lạnh 96

Hình 2-30: Khối con, mô hình bộ điều khiển on-off (Thermostat) 96

Hình 2-31: Khối con, mô hình nhiệt động phòng học có máy lạnh (Room) 96

Hình 2-32: Đáp ứng nhiệt độ phòng học có máy lạnh 97

Hình 2-33: Các sơ đồ mạch cần lập sơ đồ khối 100

Hình 2-34: Rút gọn sơ đồ khối 101

Hình 2-35: Rút gọn sơ đồ khối 101

Hình 2-36: Rút gọn sơ đồ khối 101

Hình 2-37: Rút gọn sơ đồ khối 101

Hình 2-38: Một hệ thống gồm van giãn nở (tiết lưu) tĩnh nhiệt cân bằng áp suất bên trong, cân bằng áp suất bên ngoài / hoặc bên trong và một buồng lạnh 102

Hình 3-1: Hoạt động điều khiển Đóng – Ngắt (ON-OFF) 105

Hình 3-2: Hoạt động điều khiển tỷ lệ, a)-Sơ đồ khối, b)-Hàm vào, c)-Đáp ứng ra mạch hở 105

Hình 3-3: Một sơ đồ khối trong Simulink của hệ điều khiển có bộ điều khiển tỷ lệ P 106

Hình 3-4: Đáp ứng mạch hở y o (t) và kín y c (t) đối với hàm bước (e(t) = yr = 1(t)) của hệ điều khiển có bộ điều khiển tỷ lệ P 106

Hình 3-5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển tích phân (I) và đáp ứng mạch hở với hàm bước 1(t) 109

Hình 3-6: Mô hình bộ điều khiển tích phân, mạch hở và mạch kín (có phản hồi) 109

Hình 3-7: Đáp ứng mạch hở uI o (t) và mạch kín uI c (t) của bộ điều khiển tích phân đối với hàm bước r = 1(t) 109

Hình 3-8: Sơ đồ khối và đáp ứng mạch hở của bộ điều khiển đạo hàm với hàm dốc và hàm xung 110

Hình 3-9: Mô hình bộ điều khiển đạo hàm, mạch hở và mạch kín phản hồi đơn vị 111

Hình 3-10: Đáp ứng mạch hở và mạch kín của hoạt động D với hàm dốc e(t)=1.t 112

Hình 3-11: Sơ đồ khối bộ điều khiển PI và đáp ứng mạch hở của nó với hàm bước 1(t) 113

Hình 3-12: Mô hình hệ điều khiển PI mạch hở (a) và kín (b) với đầu vào yr là hàm xung 114

Hình 3-13: Đáp ứng PI mạch hở (a) và mạch kín (b) đối với yr là hàm xung 114

Hình 3-14: Sơ đồ khối và đáp ứng mạch hở của bộ điều khiển PD với hàm dốc 115

Hình 3-15: Một sơ đồ khối mô hình hệ điều PD mạch kín, đầu vào yr là hàm xung 116

Hình 3-16: Đáp ứng ra hệ điều khiển PD mạch kín với yr là hàm xung; Kp=1, Kd=0.5 và H=0.25 116

Hình 3-17: Đáp ứng u(t) PD mạch hở với hai hàm vào e(t) điển hình 117

Hình 3-18: Sơ đồ khối và đáp ứng PID mạch hở với đầu vào là hàm dốc e(t) = 1(t), Kp = 1, Ki = 1 và Kd = 1.5 sec 118

Hình 3-19: Một mô hình hệ điều khiển có bộ điều khiển PID mạch kín phản hồi đơn vị, đầu vào là hàm bước đơn vị yr=1(t) 118

Hình 3-20: Đáp ứng của hệ mạch kín có bộ điều khiển PID với hàm bước yr = 1(t), Kp = 4, Ki = Kd = 1 và H(s) = 1 119

Hình 3-21: Các mô hình hệ mạch kín phản hồi đơn vị, có PID, dùng để khảo sát các đáp ứng của hệ khi thay đổi các hệ số Kp, Ki và Kd 120

Hình 3-22: Mô hình một hệ thống con (subsystem) của hệ điều khiển PID, dùng để thay đổi các giá trị Kp, Ki và Kd trong hệ 121

Hình 3-23: Đáp ứng y(t) của hệ mạch kín phản hồi đơn vị, có PID, yr=1(t), K i =K d =0, Kp=var 121

Hình 3-24: Các đáp ứng u(t) của hệ mạch kín , phản hồi đơn vị, có PID với yr=1(t), K i =K d =0, kP=var 122

Hình 3-25: Đáp ứng y(t) mạch kín của hệ có PID , với y R =1(t), Kp=3, Kd=0, Ki=var 123

Hình 3-26: Đáp ứng u(t) của hệ mạch kín có PID, với y R =1(t), Kp=3, Kd=0, Ki=var 123

Hình 3-27: Các đáp ứng y(t) của hệ kín có PID với y R =1(t), Kp=3, Ki=1/2, Kd=var 124

Hình 3-28: Các đáp ứng u(t) của hệ kín có PID với y R =1(t), Kp=3, Ki=1/2, Kd=var 124

Hình 3-29: Một đáp ứng y(t) của hệ mạch kín có PID, kết quả của một mô hình với Kp=4, Ki=1, Kd=5 125

Hình 3-30: Ví dụ minh hoạ tác động của các hiệu chỉnh Ti, Kpo đến đáp ứng vòng quay của một hệ điều khiển vòng quay động cơ diesel có bộ điều tốc UG-8 của Woodward 126

Hình 3-31: (a)- Hệ gió nén có áp; (b)- Đường cong độ chênh áp phụ thuộc lưu lượng qua tiết lưu 129

Hình 3-32: Cơ cấu ống phun - tấm chắn (Nozzle - Flaper Amplifier); (a) - Sơ đồ nguyên lí của cơ cấu ống phun-tấm chắn; (b) - Đặc tính phụ thuộc của áp suất trong ống phun (p c ) vào khoảng cách giữa miệng ống phun-tấm chắn x*, và p c - x 134

Hình 3-33: Một hộp xếp cơ bản 135

Hình 3-34: Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển gió nén tỷ lệ và sơ đồ khối của nó 136

Hình 3-35: Các dạng van khuếch đại gió nén; a- Kiểu hở; b- Kiểu kín 137

Hình 3-36: Bộ điều khiển gió nén kiểu cân bằng lực - khoảng cách, có van khuếch đại cấp hai 138

Hình 3-37: Sơ đồ nguyên lí của một van hoạt động bằng gió nén 140

Hình 3-38: Sơ đồ khối và rút gọn của một hệ thống điều khiển cơ bản có phản hồi 141

Hình 3-39: Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ cộng đạo hàm PD; (a) – Sơ đồ nguyên lý; (b)- Đầu vào là hàm bước và sự thay đổi tương ứng của x và p c theo thời gian t; (c)- Sơ đồ khối của hệ thống 142

Hình 3-40: Bộ điều khiển gió nén tỷ lệ + tích phân PI 144

Hình 3-41: Bộ điều khiển tỷ lệ + tích phân + đạo hàm PID gió nén 146

Hình 3-42: Sơ đồ bộ điều khiển tích phân thủy lực 147

Hình 3-43: (a)- Cấu trúc một bộ điều khiển tỷ lệ thủy lực; (b)- Sơ đồ khối của bộ điều khiển này 149

Hình 3-44: Khâu đạo hàm thực hay giảm chấn thuỷ lực (hydraulic buffer); (a) - Cấu trúc cơ bản; (b) – Đáp ứng của khâu với hàm kích thích 1(t); (c) – Sơ đồ khối của hệ thống 151

Hình 3-45: (a)- Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển tỷ lệ + tích phân (PI) thủy lực; (b)- Sơ đồ khối của nó 153

Hình 3-46: Nguyên lý cấu tạo của bộ điều khiển tỷ lệ + đạo hàm (PD) thủy lực 154

Hình 3-47: Mô hình SIMULINK để giải: a) công thức (3-95) và b) công thức (3-100) để tìm n(t) 158

Hình 3-48: Một hệ thống điều khiển tự động vòng quay diesel lai trực tiếp chân vịt tàu thủy 161

Hình 3-49: Các khối thành phần của hệ điều khiển vòng quay kiểu cơ khí 166

Hình 3-50: Các trạng thái của lò xo đặt tốc độ trong một bộ điều tốc cơ khí 167

Hình 3-51: Các sơ đồ khối của hệ điều khiển kiểu cơ khí vòng quay động cơ diesel với mô hình toán của động cơ diesel là một khâu tích phân (trên) và động lực bậc nhất (dưới) 171

Hình 3-52: Đáp ứng n(t) của mô hình mẫu động lực bậc nhất và của mô hình đầy đủ a) và đáp ứng thanh răng b) theo thời gian của mô hình điều tốc cơ khí – diesel trong Hình 3-51 171

Hình 4-1: Mạch Thevenin tương đương của một cảm biến cho thấy hiệu ứng nạp tải 182

Hình 4-2: Nếu bỏ qua hiệu ứng nạp tải thì có thể có các sai số trầm trọng ở đầu ra của mạch và ở hệ số độ lợi (K) 182 Hình 4-3: Mạch phân áp đơn giản dùng để biến đổi sự biến thiên điện trở thành biến thiên điện áp 183

Hình 4-4: Một mạch cầu Wheatstone DC cơ bản 185

Hình 4-5: Mạch cầu xoay chiều AC 187

Hình 4-6: Mạch cầu dòng xoay chiều (AC) cho ví dụ (4-5) 188

Hình 4-7: Ký hiệu và đặc tính lý tưởng của bộ khuếch đại thuật toán 189

Hình 4-8: Bộ khuếch đại đảo dùng mạch khuếch đại thuật toán 190

Hình 4-9: Bộ khuếch đại thuật toán lặp tín hiệu điện áp 191

Hình 4-10: Bộ khuếch đại thuật toán đảo cộng tín hiệu (op amp summing amplifier) 192

Hình 4-11: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán đảo cộng Hình 4-10 192

Hình 4-12: Minh họa cho ví dụ (4-6) 193

Hình 4-13: Bộ khuếch đại thuật toán không đảo 193

Hình 4-14: Bộ khuếch đại thuật toán độ lệch 194

Hình 4-15: Bộ khuếch đại thuật toán tích phân (I) 195

Hình 4-16: Bộ khuếch đại thuật toán tỷ lệ cộng tích phân (PI) 195

Hình 5-1: Nhiệt kế khí giãn nở có công tắc điện 202

Hình 5-2: Sự giãn nở nhiệt của thanh kim loại, tỷ lệ với sự thay đổi nhiệt độ 202

Hình 5-3: Thanh lưỡng kim sẽ cong đi khi nhiệt độ thay đổi do hệ số giãn nở nhiệt của hai thanh ghép khác nhau 203 Hình 5-4: Cấu tạo của một nhiệt kế lưỡng kim công nghiệp 203

Hình 5-6: Trong mạch RTD (cảm biến nhiệt trở) này có ghép các sợi dây bù nhiệt độ, thường bằng chì 206

Hình 5-7: Điện trở thermistor phụ thuộc không tuyến tính vào nhiệt độ và thường có độ dốc âm, nhiệt độ tăng điện trở giảm 207

Hình 5-8: Mạch phân áp cho ví dụ 5.3 209

Hình 5-9: Hiệu ứng Seebeck (a) và Peltier (b) thể hiện các mối quan hệ giữa nhiệt độ và sức điện động trong hệ gồm hai vật dẫn khác nhau 211

Hình 5-10: Các cảm biến cặp nhiệt điện thực tế thường có các dây dẫn nối dài để đưa điểm tham chiếu đến vị trí thích hợp a)- Hệ cặp nhiệt ba dây dẫn; b)- Cặp nhiệt dùng các dây nối dài 211

Hình 5-11: Đặc tính điện áp cặp nhiệt phụ thuộc nhiệt độ của một số loại cặp nhiệt điện thông dụng khi nhiệt độ tham chiếu là 0 o C 212

Hình 5-12: Hầu hết các cặp nhiệt đều có mạch tự hiệu chỉnh nhiệt độ tham chiếu T R Thermistor thường được dùng để cảm biến nhiệt độ đó 213

Hình 5-13: Mạch có bộ khuếch đại thuật toán minh hoạ cho ví dụ 5.4 214

Hình 6-1: Màng mỏng đàn hồi thường được dùng để cảm biến áp suất 218

Hình 6-2: Hộp xếp là thiết bị thông dụng chuyển áp suất thành dịch chuyển 218

Hình 6-3: Ống cong Bourdon để chuyển tín hiệu áp suất thành chuyển vị 218

Hình 6-4: Tế bào chênh áp dùng màng để đo độ chênh áp suất Cơ cấu phản hồi sẽ giảm thiểu chuyển vị của màng 219

Hình 6-5: Bộ đo Ion hoá dùng để đo áp suất rất thấp, tới 10 -13 atm 220

Hình 6-6: Dưới tác dụng của áp suất các điện tích trái dấu hình thành trên bề mặt tinh thể Ghép các tinh thể song song và nối tiếp 221

Hình 6-7: Cấu tạo của một cảm biến dùng tinh thể áp điện trong công nghiệp 222

Hình 6-8: Một kiểu thiết bị đo áp suất dùng cảm biến ứng suất 222

Hình 6-9: Cảm biến chuyển vị bằng chiết áp (Potentionmeter) 223

Hình 6-10: Mạch điện với bộ khuếch đại thuật toán minh hoạ cho Ví dụ 6.1 224

Hình 6-11: Điện dung biến thiên khi khoảng cách giữa các bản cực và diện tích chồng lấp thay đổi 224

Hình 6-12: Cảm biến dùng tụ hình trụ minh hoạ cho Ví dụ 6.2 225

Hình 6-13: Một cảm biến từ cảm biến thiên theo chuyển vị của lõi sắt cho ra cảm kháng L biến thiên theo chuyển vị của lõi sắt 225

Hình 6-14: Một biến áp vi sai tuyến tính (LVDT) có lõi sắt từ di chuyển bên trong và hai cuộn cảm đấu ngược chiều 226

Hình 6-15: Cường độ điện áp cảm ứng thứ cấp khi hai cuộn thứ cấp đấu nối tiếp ngược chiều nhau biến thiên tỷ lệ với chuyển vị (X) của lõi sắt 227

Hình 6-16: Một mạch đơn giản để tạo ra điện áp DC lưỡng cực biến thiên theo chuyển vị (X) của lõi sắt 227

Hình 6-17: Mạch xử lý tín hiệu đo LVDT phức tạp hơn có dùng bộ cảm nhạy pha để tạo ra điện áp tín hiệu ra DC lưỡng cực 228

Hình 6-18: Một vài kỹ thuật đo mức thông dụng 229

Hình 6-19: Ống thuỷ nồi hơi kiểu IGNEMA 230

Hình 6-20: Thiết bị cảm biến và khuếch đại tín hiệu mực nước nồi hơi tàu thuỷ của hãng Drayton 231

Hình 6-21: Đo mức chất lỏng trong két bằng môt hệ tạo bóng khí nén 232

Hình 6-22: Hệ dùng ống tạo bóng khí đo mức chất lỏng, truyền tín hiệu đi xa 232

Hình 6-23: Đo mức bằng sóng siêu âm cần có bộ phát (T) và thu (R) sóng siêu âm 234

Hình 6-24: Ứng suất kéo và nén xác định cho thanh đồng nhất 235

Hình 6-25: Ứng suất cắt là do ngẫu lực tác dụng lên một vật chung 236

Hình 6-26: Đường cong quan hệ ứng suất - Suất biến dạng và Modun đàn hồi điển hình của vật liệu 236

Hình 6-27: Cảm biến suất biến dạng bằng kim loại thường được chế bằng các dây kim loại dẹt cực mỏng dán trên một tấm vật liệu nền mỏng 240

Hình 6-28: Các tấm đo suất biến dạng thường được dùng theo cặp để bù nhiệt độ môi trường đo 241

Hình 6-29: Dòng chảy qua ống P là do áp suất hình thành bởi cột áp h (= độ dày lớp chất lỏng trong két) gây ra 243

Hình 6-30: Ba kiểu tiết lưu thường dùng để biến đổi lưu lượng chất lỏng chảy trong ống thành độ chênh áp p 1 -p 2 245

Hình 6-31: Bố trí tế bào đo chênh áp với điểm tiết lưu đo lưu lượng 246

Hình 6-32: Ba kiểu đo lưu lượng bằng vật cản 247

Hình 6-33: Cảm biến lưu lượng bằng từ trường chỉ làm việc với chất lỏng dẫn điện 248

Hình 6-34: Lưu lượng kế kiểu đo thể tích chất lỏng chuyển qua thiết bị đo Nguyên lý hoạt động của hệ giống như một động cơ bánh răng 249

Hình 6-35: Hình ảnh một vài lưu lượng kế đo dầu của hãng Aqua Metro 249

Hình 6-36: Sơ đồ bố trí một lưu lượng kế dầu đốt cho một động cơ diesel 250

Hình 6-37: Một đồ thị lượng sụt áp qua lưu lượng kế theo lưu lượng và độ nhớt chất lỏng được đo 250

Hình 7-1: Các mẫu tế bào quang dẫn có cấu tạo như thế này để giảm kích thước, giảm điện trở và tăng diện tích nhận sáng 257

Hình 7-2: Điện trở của các tế bào quang dẫn phụ thuộc không tuyến tính vào cường độ ánh sáng 258

Hình 7-3: Mạch khuếch đại thuật toán cho ví dụ 7.4 259

Hình 7-4: Tế bào quang thế, “pin mặt trời”, là một diode pn lớn 260

Hình 7-5: Đặc tính I-V của diode pn thay đổi theo cường độ chiếu sóng điện từ 261

Hình 7-6: (a) Mạch tương đương của một tế bào quang thế trong đó điện áp và cả điện trở đều thay đổi theo cường độ ánh sáng (b) Mạch điện dùng bộ khuếch đại thuật toán để chuyển đổi dòng ngắn mạch của tế bào quang thế thành điện áp tỷ lệ 262

Hình 7-7: Một trong những giải pháp cho ví dụ 7.5 263

Hình 7-8 Biểu đồ tốc độ chất lỏng giữa hai tấm phẳng do chất lỏng có độ nhớt 264

Hình 7-9: Ví dụ một cảm biến độ nhớt thông dụng, đo độ nhớt theo độ chênh áp suất trước và sau một ống tiết lưu cố định 264

Hình 7-10: Đồ thị quan hệ độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ của một số loại dầu 268

Hình 7-11: Bố trí mẫu một hệ đo và điều khiển độ nhớt, đo lưu lượng dầu đốt và hiển thị số các kết quả đo được cho một động cơ diesel tàu thủy 269

Hình 7-12: Thiết bị cảm biến hàm lượng sương dầu - Oil Mist Detector 270

Hình 7-13: Thiết bị đo hàm lượng khí cháy nổ được (Combustible Gas Detector) 271

Hình 7-14: Đầu cảm biến khói 272

Hình 7-15: Đầu đo lửa cháy 272

Hình 7-16: Cấu trúc một hệ thống báo khói và cháy trên tàu thủy 273

Hình 7-17: Cấu tạo một bộ cảm biến hàm lượng ô-xy 274

Hình 8-1: Các mô hình hệ gồm bộ điều khiển tỷ lệ kết hợp với đối tượng được điều khiển là khâu tích phân / hoặc động lực bậc nhất, có K=var và H=var 277

Hình 8-2: Đáp ứng với hàm bước của (a) hệ có đối tượng là khâu tích phân (I-model), (b) hệ có đối tượng là khâu động lực bậc nhất (1 st -order), khi K=1 và H=1, 2 và 4, bộ điều khiển P 277

Hình 8-3: Đáp ứng với hàm bước r = 1(t) của (a) hệ có đối tượng là khâu tích phân (I–Model), (b) hệ có đối tượng là khâu động lực bậc nhất (1 st -order), khi H=1 và K=1, 2 và 4, bộ điều khiển P 277

Thuật ngữ, ký hiệu

Stt Ký hiệu, công

2 y(t) Biến được điều khiển Controlled Variable

hiệu;Điểm so s|nh Comparison Element, Summing Point

v.v

8 Bộ tạo tín hiệu cho trước (Phần

18 ‘r Điểm đặt; Điểmcho trước; Set point

19 ‘r Điểm cộng tín hiệu; Bộ cộng tín

hiệu; Điểm so s|nh; Adding point; Summing Point; Comparison Point

22 Điều khiển bù trừ nhiễu, hay

Điều khiển cấp tới Feedforward Control

23 Điều khiển cấp tới, hay Điều

khiển bù trừ nhiễu Feedforward Control

24 Điều khiển mạch hở, điều khiển

bằng tay Open Loop Control, Manual Control, Feedforward

Control

Control

28 Độ lệch; Sai số; Sai lệch Error, Deviation

29 e(t) Đối tượng được điều khiển (Controlled) Process, Plant,

Object

H{m truyền mạch kín để hở Open loop transfer function

41 H{m xung, h{m xung răng lược Pulse Function

43 Hàm xung nhọn đơn vị Unit-Impulse Function; Dirac

Delta Function

44 Hệ có hệ số là hằng số, hay hệ

thống điều khiển dừng Time-Invariant system

45 Hệ mạch kín có nhiễu t|c động Closed loop system subjected

47 Hệ động lực học bậc 2; Hệ quán

tính bậc hai Second order dynamic system

48 I (kg.m2) Mô-men khối lượng qu|n tính;

Quán tính quay Mass Moment of Inertia, Rotational Inertia, Angular

Mass

51 L-1 Phép biến đổi Laplace ngược Inverse Laplace Transform

53 Phần tử thực hiện cuối Final Control Elements

Lời nói đầu

Hệ động lực t{u biển được kế thừa nhanh chóng c|c th{nh tựu khoa học kỹ thuật của nh}n loại vốn ng{y c{ng ph|t triển mạnh mẽ C|c kỹ thuật mới được |p dụng trong thiết kế, chế tạo mới c|c hệ động lực đẩy t{u Do đặc trưng của ng{nh h{ng hải l{ có tính trao đổi c|c thiết bị, m|y móc v{ cả c|c con t{u thường xuyên; đồng thời, c|c sỹ quan m|y t{u biển có thể l{m việc trên c|c t{u thuộc c|c quốc tịch kh|c nhau m{ không chịu sự giới hạn về vùng địa lý; cho nên c|c ứng dụng kỹ thuật mới này có tính to{n cầu

S|ch n{y nhằm để giúp học viên có được c|c kiến thức cơ bản về tự động hóa v{ điều khiển tự động, có được một số kỹ năng hiểu v{ chỉnh định được c|c hệ điều khiển cơ bản thường được ứng dụng trong c|c hệ thống động lực t{u biển Phần đầu, từ chương 1 đến chương 4, trình b{y lần lượt c|c kh|i niệm v{ định nghĩa cơ bản dùng trong điều khiển tự động; c|c kiến thức về ph}n tích hoạt động của c|c hệ thống thực, tổng hợp mô hình to|n cho c|c hệ điều khiển, từ đó x|c định được một c|ch kh| định lượng việc điều chỉnh đ|p ứng ra của hệ thống thì bắt đầu ở chỗ n{o trong hệ, cũng như kết quả t|c động của c|c hiệu chỉnh đó đến đ|p ứng ra của hệ C|c phần sau của s|ch, từ chương 5, đề cập đến nguyên lý hoạt động, cấu tạo cơ bản, ứng dụng của c|c bộ cảm biến thường gặp trong thực tế, vốn l{ c|c thiết bị quan trọng trong c|c ứng dụng về điều khiển

Do môi trường l{m việc sau này của c|c học viên l{ h{ng hải quốc tế, cho nên s|ch cố gắng sử dụng tối đa c|c thuật ngữ được định nghĩa chuẩn bởi hiệp hội tự động hóa của Mỹ C|c thuật ngữ n{y được dịch s|t nghĩa nhất sang tiếng Việt Đồng thời, lúc n{o có thể, c|c thuật ngữ, kh|i niệm đó còn để thêm ở nguyên gốc tiếng Anh; Một số hình vẽ cũng có thể được chú thích song ngữ Anh – Việt, hoặc để nguyên chú thích bằng tiếng Anh Hy vọng c|ch l{m n{y sẽ giúp người đọc sau n{y bớt khó khăn khi tìm c|c thuật ngữ về điều khiểntự động trong tiếng Anh, cũng như sẽ dễ d{ng hơn trong việc đọc c|c t{i liệu hướng dẫn sử dụng chuyên ng{nh trong công việc Một số chương trình lập trình trong MATLAB v{ SIMULINK của MATLAB cũng có thể được dùng tiếng Anh m{ trong đó có một lý do l{ bộ gõ tiếng Việt hiện hữu chưa tương thích được ho{n to{n với hai chương trình n{y, cho nên dùng tiếng Việt không có dấu dễ g}y ra lầm lẫn Học viên h{ng hải đ~ được học v{ được yêu cầu tiếng Anh đủ để có thể hiểu được c|c phần tiếng Anh có trong sách này

S|ch có thể dùng cho sinh viên đại học, cao đẳng ng{nh M|y t{u biển, cho c|c kỹ sư v{

sỹ quan m|y t{u biển để tra cứu v{ cập nhật kiến thức v{ cho c|c học viên cao học ng{nh Khai thác – Bảo trì thiết bị t{u thủy

Tôi xin ch}n th{nh cảm ơn c|c ý kiến đóng góp quý b|u của c|c đồng nghiệp v{ c|c thế hệ học viên trong qu| trình ho{n thiện s|ch n{y Xin được sự tiếp tục góp ý của quý vị đối với s|ch n{y, }u cũng l{ c|c đóng góp chung vì c|c thế hệ học viên tương lai của chúng

ta, có thể qua địa chỉ liên hệ sau bhduonghin@gmail.com Quý vị n{o có nhu cầu sử dụng c|c mô hình phần mềm cũng có thể liên hệ với tôi qua địa chỉ trên

Bùi Hồng Dương

Chương 1

1 C|c kh|i niệm cơ bản về điều

khiển tự động

1.1 Giới thiệu chung

Trong lịch sử, những thuỷ thủ đầu tiên cũng l{ những kỹ sư điều khiển h{ng hải đầu tiên Khi h{nh trình t{u bắt đầu chuyển sang hướng m{ anh không mong đợi, anh ta bắt đầu chèo thuyền bằng ch}n v{ tay để đẩy thuyền đi theo hướng m{ anh ta thích hơn Người thuỷ thủ đ~ tự nhận ra những điều kiện không mong muốn v{ đ~ l{m một việc l{ tạo ra một qu| trình dịch chuyển trong giới hạn chấp nhận được do anh tự đặt ra

Từ khi có b|nh l|i, người thuỷ thủ cầm l|i cùng b|nh l|i đ~ cải thiện chất lượng v{ hiệu quả của hệ thống điều khiển

C|c hệ thống điều khiển ng{y nay, về nguyên tắc, giống hệt như hệ thống điều khiển đ~ mô tả ở trên

Sỹ quan m|y nhìn đồng hồ vòng quay, hoặc đếm số vòng quay m|y chính, rồi so s|nh với vòng quay định trước, sau đó tiến h{nh đóng mở van hơi, hoặc thay đổi lượng nhiên liệu cấp v{o c|c động cơ, l{m cho vòng quay phục hồi v{ do vậymà điều khiển được tốc độ t{u Nếu sỹ quan m|y đứng t|ch ra ngo{i, thay v{o đó l{ một thiết bị dùng để đo độ sai lệch giữa số vòng quay thực tế với số vòng quay mong muốn, rồi nó tự định ra quyết định thay đổi độ mở van cấp nhiên liệu cho động cơ thì hệ thống được gọi l{ đ~ tự động ho| Hệ thống

tự động ho| l|i t{u đầu tiên dùng một c|nh buồm nhỏ gắn trên một cột buồm l|i để phục hồi lại hướng đi của t{u

Năm 1774 James Watt đ~ thiết kế một động cơ hơi nước được tự động ho| đầu tiên

có dùng một bộ điều tốc quả văng có liên hệ ngược để điều khiển dòng hơi nước cấp v{o động cơ v{ do vậy là điều khiển tốc độ động cơ C|c hệ thống trước đ}y thường rất đơn giản v{ tự t|c động Tự t|c động (hay l{ t|c động trực tiếp) nghĩa l{ c|c chi tiết gia công quá trình điều khiển cũng còn cấp đủ năng lượng cần thiết để điều khiển cơ cấu thực hiện mà không dùng đến c|c cơ cấu trợ lực kh|c

Hình 1-1: Bộ điều tốc ly t}m kiểu Watt (1788) lắp đặt trên một m|y hơi nước Boulton and Watt, tại Bảo t{ng khoa học, London, Anh

Sau khi học xong chương n{y, học viên sẽ có được:

- C|c kh|i niệm, định nghĩa cơ bản thường dùng trong điều khiển tự động

- C|ch ph}n loại bộ điều khiển thường dùng

- C|c nguyên lý điều khiển cơ bản nhất

- Sơ đồ khối v{ kết nối c|c tín hiệu điều khiển trong sơ đồ khối thể hiện một hệ thống điều khiển

- Một số ví dụ minh họa cho c|c kh|i niệm trên

1.1.1 Ưu điểm của điều khiển tự động

N}ng cao hiệu suất

Hiệu suất b{n đến ở đ}y bao gồm cả hiệu suất sử dụng năng lượng v{ hiệu quả công nghệ Khi ứng dụng điều khiển tự động thì hiệu suất của hệ thống được n}ng cao nhờ giảm công suất cần dùng, giảm chi phí bảo dưỡng, tăng độ nhạy, độ chính x|c v{ tính chắc chắn của c|c hoạt động của m|y móc, cải thiện điều kiện l{m việc v{ giảm sức lao động

Nếu hệ thống tự động được thiết kế ho{n chỉnh thì hệ thống điều khiển tự động sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất trong c|c giới hạn nhất định Một hệ điều khiển tự động có

do đó chất lượng của đầu ra v{ hiệu suất của qu| trình không còn bị giới hạn hoặc phụ thuộc v{o sự nhạy bén của người vận h{nh nữa Ví dụ, hệ m|y l|i hiện đại có thể được bổ sung thêm rất nhiều đầu v{o, ví như đo gia tốc của con t{u m{ giảm bớt lực bẻ l|i cần dùng nhờ tiến h{nh hiệu chỉnh b|nh l|i sớm lên, do vậy giảm được sự mất m|t tốc độ từ việc bẻ l|i qu| lớn Một ví dụ rất quan trọng trong buồng m|y l{ việc cấp nước v{ điều khiển qu| trình ch|y trong c|c nồi hơi hiện đại Người đốt lò không thể duy trì mực nước hoặc tốc độ đốt lò tốt như một hệ tự động được thiết kế tốt Nhờ độ nhạy cao của hệ thống điều khiển cấp nước, c|c nồi hơi hiện đại có thể được hoạt động ở nhiệt độ cao hơn với trống hơi nhỏ hơn, do đó hiệu suất cao hơn

Với c|c qu| trình m{ kết quả của nó l{ c|c sản phẩm thì sử dụng c|c hệ thống tự động

có thể cải thiện tính chắc chắn của sản phẩm Lý do là tất cả c|c lượng không chắc nhỏ bé v{ c|c biến động trong sản phẩm do sai sót hoặc sự không chú ý của con người đều có thể được loại trừ, do vậy giảm bớt c|c sản phẩm kém chất lượng

Khi hệ thống điều khiển tự động duy trì hoặc có hiệu suất, tính tin cậy v{ an to{n cao hơn c|c hệ hoạt động bằng tay thì ta có thể giảm số nh}n viên vận h{nh Giảm số nh}n viên trên t{u không những l{m giảm lương m{ còn giảm c|c chi phí trợ giúp cho họ bao gồm giảm chi phí trang thiết bị phòng ở, không gian sinh hoạt, chỗ chứa đồ, thức ăn thức uống v.v

Giảm chi phí bảo quản

C|c qu| trình được điều khiển với hiệu suất cao nhất có thể có mức m{i mòn ít hơn, ít ngừng trệ hơn so với c|c hệ vận h{nh bằng tay, do vậy ít phải bảo dưỡng hơn Điều đó có được l{ nhờ ứng suất v{ tải đặt trên hệ thống có điều khiển tự động nhỏ hơn so với ở hệ điều khiển bằng tay Cũng có thể l{ chi phí bảo dưỡng cho hệ điều khiển sẽ vượt qu| lượng giảm chi phí cho bảo dưỡng c|c thiết bị của qu| trình công nghệ, nhưng hiếm khi như vậy V{ nếu c}n nhắc đến việc giảm chi phí sửa chữa nhờ giảm c|c hư hỏng ở thiết bị do sự thiếu kinh nghiệm của người vận h{nh thì hệ điều khiển tự động bao giờ cũng có chi phí duy tu thấp hơn

Tăng tính an to{n

C|c thiết bị tự động hóa hoạt động chính x|c không tạo ra c|c sai lệch m{ người hay mắc phải như mở v{ điều tiết sai chiều, hoặc quay b|nh l|i sang phải trong khi được lệnh quay b|nh l|i sang tr|i Nếu hệ thống điều khiển tự động liên tục nhận được c|c dữ liệu đúng đắn v{ tin cậy thì hệ tự động về nguyên tắc sẽ tin cậy hơn nhiều so với hệ không tự động C|c trục trặc xảy ra l{ vì chính c|c mạch điều khiển có thể có hư hỏng nhất định Nếu tính an to{n của hệ thống điều khiển tự động giảm đi khi được tự động hóa thì phải xem xét

kỹ lưỡng để phục hồi lại tính an to{n cho nó Ở Mỹ, sẽ l{ bất hợp ph|p nếu lắp đặt c|c hệ tự động hóa trên c|c t{u treo cờ Mỹ m{ nó lại không an to{n bằng hệ điều khiển bằng tay m{

hệ này thay thế

1.1.2 Nhược điểm của tự động ho|

Nếu trình độ người dùng thỏa m~n, thiết kế chế tạo hợp lý, có tính đến tính kinh tế, thì c|c hệ thống điều khiển tự động sẽ không có c|c nhược điểm C|c hệ thống điều khiển tự động chính xác đòi hỏi nhiều lỗ lực thiết kế hơn, kỹ năng người lao động cao hơn, thử nghiệm phức tạp hơn, chi phí huấn luyện v{ chi phí thiết bị cao hơn Tuy nhiên nếu c|c chi

phíduy trì tuổi thọ thiết bị m{ không được giảm đi nhờ tự động hóa thì có thể không nên áp dụng tự động hóa

Cũng nên lưu ý rằng c|c hệ thống điều khiển tự động m{ bị đấu tắt do người vận hành không biết c|ch khống chế nó, không thích hoặc không thể hiểu được nó hoạt động ra sao thì sẽ không thể n{o mang lại hiệu quả m{ người thiết kế mong có

1.2 C|c kh|i niệm cơ bản về điều khiển tự động

Phần n{y chúng ta tạm xếp h{ng c|c kh|i niệm một c|ch tương đối m{ thôi Có một số kh|i niệm đan xen nhau, chúng ta phải chấp nhận l{ có một v{i kh|i niệm chỉ được hiểu thấu đ|o sau khi đ~ đọc hết c|c kh|i niệm đ~ được đưa ra

1.2.1 Thông tin (Information)

Thông tin l{ kiến thức, l{ hiểu biết có được từ nghiên cứu, kinh nghiệm hoặc được chỉ dẫn Nó cũng có thể l{ hiểu biết về c|c sự kiện hoặc tình huống được thu thập hoặc nhận được từ giao tiếp Hoặc nó l{ tập hợp c|c sự thật hoặc dữ liệu Tùy v{o từng lĩnh vực cụ thể, người ta có c|c định nghĩa v{ kh|i niệm cụ thể cho lĩnh vực đó

Theo từ điển Oxford, thông tin l{ c|c sự thật được cung cấp hoặc được nhận biết về c|i gì đó hoặc về người n{o đó; Hoặc thông tin l{ c|i được h{m chứa hoặc được đại diện bởi một sự sắp xếp cụ thể hoặc một chuỗi c|c việc Trong m|y tính, thông tin l{ dữ liệu được xử

lý, được lưu giữ, hoặc được truyền đi bởi một m|y tính Trong lý thuyết thông tin, thì thông tin l{ một đại lượng to|n học biểu diễn khả năng có thể (x|c xuất) diễn ra của một chuỗi cụ thể c|c biểu tượng, c|c xung, v.v., đối với c|c chuỗi kh|c Nói một c|ch dễ hiểu hơn thì thông tin trong tin học l{ một chuỗi c|c ký hiệu alphabet, ví dụ một đầu v{o l{ x thì có một đầu ra

là y

1.2.2 Tín hiệu (Signal)

Tín hiệu (signal) l{ một chỉbáo, như l{ điệu bộ hoặc |nh đèn m{u, l{m phương thức

để truyền thông tin (means of communication) Tín hiệu có thể l{ thông điệp (message) được truyền theo phương thức như l{ chỉ b|o hoặc điệu bộ vừa nêu Trong cơ khí, tín hiệu

có thể l{ chuyển vị, l{ mức biến đổi của |p suất, nhiệt độ Trong điện, tín hiệu có thể l{ một xung hoặc một sự thay đổi của c|c đại lượng điện như điện |p, dòng điện, hoặc từ trường m{ sự thay đổi đó đại diện cho một thông tin đ~ quy chuẩn Trong c|c lĩnh vực đời sống thực, tín hiệu có thể l{ }m thanh, hình ảnh hoặc thông điệp được truyền đi v{ nhận được qua điện b|o, điện thoại, truyền thanh, truyền hình v.v

Theo từ điển Merrian-Webster thì tín hiệu l{ một đại lượng vật lý hoặc một xung (pulse) m{ ta có thể dò thấy được (như một điện |p, một dòng điện v.v.) m{ nhờ chúng thì các thông điệp hoặc thông tin có thể được truyền đi; Hoặc, một tín hiệu l{ một h{m của c|c biến độc lập m{ h{m đó mang một số thông tin Hoặc một tín hiệu l{ một đại lượng vật lý m{ nó thay đổi theo thời gian, không gian hoặc theo một biến độc lập bất kỳ kh|c, nhờ nó m{ thông tin được h{m chứa

Một thông tin có thể được truyền đi bởi nhiều dạng tín hiệu kh|c nhau Ví dụ, thông tin về vòng quay động cơ từ 0-100 vòng/phút có thể được truyền đi bằng một dòng điện (ví như từ 0-20 mA), hoặc một điện |p một chiều (ví như 0-5 DCV), hoặc l{ một lực li t}m của quả văng (từ 0-5 kgf) v.v

Ví dụ 1

Một cảnh s|t giơ gậy ra hiệu cho một người dừng xe Vậy tín hiệu (signal) l{ c|i giơ gậy ra của cảnh s|t, nó chứa một thông tin (information) l{ người l|i xe phải dừng xe, phương thức truyền tin (means) l{ điệu bộ (gesture), môi trường (media) truyền tin l{ không khí có ánh sáng

Ví dụ 2

Khi một hộp keo được dùng để đo nhiệt độ thì thông tin về nhiệt độ cao hay thấp có thể truyền trong môi trường keo, vì ta biết keo gi~n nở ra khi nhiệt độ của nó tăng lên, thu nhỏ lại khi nhiệt độ của nó giảm Khi n{y, tín hiệu về nhiệt độ chính l{ mức gi~n nở của khối keo trong một hộp

Cũng cần lưu ý l{ có kh|i niệm tín hiệu chuẩn Tín hiệu chuẩn l{ tín hiệu được truyền trong một môi trường chuẩn được định nghĩa (cơ khí, gió nén, thủy lực, điện v.v.) v{ có gi| trị nằm trong một dải chuẩn được định nghĩa (ví dụ từ 0-200 mA, 0-1.2 bar v.v.)

1.2.3 Truyền tin, giao tiếp (Communication)

Truyền tin, hay giao tiếp, l{ hoạt động hoặc việc truyền thông tin, hoặc l{ thông tin được truyền đi; hoặc nó l{ qu| trình m{ thông tin được trao đổi giữa c|c c| thể thông qua một hệ thống chung của c|c biểu tượng, ký hiệu hoặc th|i độ

1.2.4 Điều khiển (Control)

Điều khiển có nghĩa l{ ra lệnh, hướng dẫn, khống chế, điều chỉnh hoặc duy trì Thuật ngữ “điều khiển” được dùng để bao h{m rất nhiều c|c hoạt động Hiện thời, ta nên định nghĩa nó c{ng kh|i qu|t c{ng tốt, vì một hệ thống điều khiển cụ thể có thể thực hiện một hoặc nhiều c|c chức năng n{y

Điều khiểncó hai t|c động quan trọng Thứ nhất, điều khiển nghĩa l{ can thiệp v{o hoặc tương t|c với “c|i” đang được điều khiển Thứ hai, điều khiển nghĩa l{ có một “bộ điều khiển” (Controller) v{ một c|i gì đó để thực thi t|c động điều khiển (bộ thực hiện - Actuator)

Mạch điều khiển (Control Loop) l{ một tập hợp c|c phần tử, chi tiết, thiết bị có quan

hệ với nhau để thực hiện một chức năng điều khiển C|c th{nh phần cơ bản trong một mạch điều khiển gồm: cảm biến, thiết bị ra lệnh, thiết bị so s|nh để tính độ lệch, thiết bị chế biến

độ lệch đo được th{nh t|c động điều khiển, thiết bị thực hiện lệnh hoiặc t|c động điều khiển v{ một đối tượng được điều khiển

1.2.5 Điều khiển mạch hở (Open Loop Control, Feedforward

Control), điều khiểnbằng tay(Manual Control)

Hình 1-2là sơ đồ một mạch điều khiển mạch hở, không có phản hồi của biến được điều khiển về phía đầu v{o của bộ điều khiển Mức nước trong két (h) l{ biến được điều khiển, nhưng nó lại không được đo, được theo dõi Người điều khiển sẽ ra lệnh đóng, mở van Các t|c động nhiễu như độ mở van cấp thay đổi, độ mở van ra thay đổi v.v l{m cho mức nước trong két thay đổi Nhưng, c|c nhiễu đó lại không được bù trừ t|c động Vậy,

mạch điều khiển hở là mạch có tác động điều khiển hở, một chiều, không có tín hiệu phản hồi của biến được điều khiển Nói nôm na l{ mạch n{y điều khiển m{ lại không có cơ cấu tự

gi|m s|t kết quả điều khiển Mạch điều khiển hở chỉ nên được dùng ở những nơi m{ t|c động nhiễu không l{m thay đổi đ|ng kể gi| trị của biến được điều khiển, hoặc dùng ở nơi

mà kết quả điều khiển là dự đo|n trước được

Hình 1-2: Một ví dụ về hệ thống điều khiển mạch hở, điều khiển mực nước (h) trong két

Điều khiển mạch hở chỉ có ích khi hệ thống đ~ được x|c định tốt, trong đó mối liên hệ giữa t|c động đầu v{o v{ trạng th|i của kết quả có thể mô hình hóa bằng một số biểu thức to|n học chính xác Ví dụ, có thể quyết định mức điện |p cấp v{o một động cơ điện lai một tải không đổi để quyết định tốc độ quay của động cơ đó, vì điện |p có thể quyết định được tốc độ quay của động cơ Nhưng nếu tải của động cơ l{ không dự đoán được thì tốc độ động

cơ phụ thuộc nhiều cả v{o tải v{ điện |p cấp, do vậy hệ điều khiển mạch hở không thể điều khiển tốt được tốc độ động cơ điện

Bộ điều khiển mạch hở thường được dùng trong c|c qu| trình đơn giản vì tính đơn giản v{ gi| th{nh thấp của nó, đặc biệt trong c|c hệ không cần lắm đến phản hồi, vì đ~ dự đo|n được sơ bộ kết quả điều khiển Ví dụ điển hình cho điều khiển mạch hở l{ m|y giặt, vì thời gian của từng công đoạn giặt, xả, vắt có thể định trước bởi người dùng Tuy nhiên, nếu muốn m|y phải tự thay đổi qu| trình giặt cho phù hợp với trọng lượng giặt, thậm chí loại vải được giặt thì phải cần đến hệ thống điều khiển phức tạp hơn, có nhiều đầu đo c|c biến

như trọng lượng vải, lượng nước v.v., như mạch điều khiển thích nghi (adaptive controller),

có phản hồi (mạch kín), hoặc kết hợp v.v

Bộ điều khiển mạch hở mức nước trong két như Hình 1-2 yêu cầu người dùng phải thường xuyên theo dõi mức nước Két nước rất dễ bị tr{n, hoặc rỗng két!Xem sơ đồ khối hệ điều khiển mạch hở trên Hình 1-4 (a)

1.2.6 Điều khiển mạch kín (Close Loop Control, Feedback

Control)

Hình 1-3: Hệ thống điều khiển mạch kín mực nước trong két (h)

So với sơ đồ điều khiển mạch hở trong Hình 1-2, hệ điều khiển mạch kín mực nước trong két, Hình 1-3, có thêm bộ phận đo mực nước thực tế (h) trong két, theo nguyên tắc cơ bản l{ nếu cần phải điều khiển c|i gì thì ta phải đo c|i đó trước Từ đó, tín hiệu về mực nước thực trong két được đưa về bộ chế biến tín hiệu để so s|nh với gi| trị mong muốn về mực nước (hr) trong két, tạo ra độ lệch (dh) Nếu dh = hr – h > 0, nghĩa l{ mực nước trong két thấp hơn mong muốn, vậy bộ chế biến tín hiệu sẽ phải gia công ra một t|c động điều khiển

để mở rộng thêm van cấp nước nhằm duy trì mực nước cao trở lại gần bằng với gi| trị mong muốn V{ ngược lại, nếu dh = hr – h < 0 Vai trò của người vận h{nh lúc n{y chỉ l{ gi|m s|t qu| trình hoạt động, v{ đặt trước gi| trị mực nước mong muốn (hr).Xem sơ đồ khối hệ điều khiển mạch kín trên Hình 1-4 (b)

Nguyên lý điều khiển như vừa nêu trên được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp, vì tính hiệu quả cao, đơn giản, gi| th{nh thấp Người ta thường gọi hoạt động điều khiển n{y l{ có phản hồi (feedback control)

Hệ thống điều khiển mạch kín lý tưởng có thể khử hết được c|c sai số, giảm nhẹ có hiệu quả c|c ảnh hưởng của của c|c lực có thể hoặc không có thể ph|t sinh trong qu| trình hoạt động v{ tạo ra một đ|p ứng trong hệ thống phù hợp với mong muốn của người sử

dụng Trong thực tế, không thể có hệ điều khiển lý tưởng như vậy vì có độ trễ trong c|c phép đo c|c lượng sai khác (độ lệch) v{ tính không hoàn hảo của c|c t|c động điều khiển C|c bộ điều khiển mạch kín (feedback controllers) có c|c ưu điểm sau đ}y so với c|c

bộ điều khiển mạch hở (opened loop / feedforward controllers):

 Khử được nhiễu

 Đảm bảo hoạt động được ngay cả khi mô hình điều khiển không chắc chắn, nghĩa l{ khi cấu trúc của mô hình không ho{n to{n giống với cấu trúc thực của đối tượng được điều khiển v{ c|c thông số của mô hình không chính x|c

 Có thể làm ổn định đối tượng được điều khiển vốn không tự ổn định được trước c|c nhiễu tải bên ngo{i

 Giảm được tính nhạy trong đ|p ứng của đối tượng được điều khiểnđối với c|c sự thay đổi của c|c đại lượng thuộcđối tượng được điều khiển

Hình 1-4: Sơ đồ khối cơ bản mô tả điều khiển mạch hở (a) v{ điều khiển mạch kín (b)

1.2.7 Đối tượng được điều khiển [(Controlled)Process, Plant,

Object]

Đối tượng được điều khiển l{ một m|y móc, thiết bị, qu| trình, hoặc hệ thống m{ nó

có một số đại lượng đặc trưng, v{ c|c đại lượng đặc trưng n{y lại cần phải được điều khiển theo ý muốn của con người Ví dụ như l{ qu| trình thắp s|ng một bóng đèn, sưởi nóng một căn phòng, hoặc l|i xe trên đường Đối tượng được điều khiển có thể l{ một quá trình vật lý, hóa học, cơ học v.v v{ chúng có thể tồn tại khắp mọi nơi trong vũ trụ

Ví dụ 1

Hình 1-3– đối tượng được điều khiển l{ két nước, với biến được điều khiển l{ mức nước (h)

Ví dụ 2

Đối tượng được điều khiển có thể l{ một phòng học khi ta muốn điều khiển nhiệt độ trong phòng (T) Xem Hình 1-5 T|c động điều khiển l{ việc sấy nóng phòng khi nhiệt độ trong phòng (T) thấp, l{m m|t phòng học khi nhiệt độ trong phòng cao hơn mức mong muốn (Tr) Khi đó nhiệt độ trong phòng (T) l{ một đại lượng đặc trưng trong số nhiều đại lượng đặc trưng cho phòng học, m{ nó (nhiệt độ không khí trong phòng, T) cần phải được điều khiển theo ý muốn của chúng ta Theo định nghĩa tiếp sau đ}y, đó (T) l{ một biến được điều khiển

Hình 1-5: Hệ thống điều khiển đóng-ngắt (On-Off) tự động nhiệt độ không khí phòng học có m|y lạnh

1.2.8 Biến được điều khiển [y(t)](Controlled Variable)

Biến được điều khiển [y(t)] l{ một đại lượng đặc trưng của đối tượng được điều khiển, nó được chọn, được đo v{ được điều khiển trực tiếp bởi một bộ điều khiển thích hợp Đôi khi biến được điều khiển còn được gọi l{ đầu ra của hệ thống điều khiển

Ví dụ

Nhiệt độ không khí trong phòng học (T); Mức nước trong két (h)

Nhiệt độ trong phòng học l{ một biến được điều khiển, vì nó l{ một trong những đặc trưng của phòng học, m{ người ta lại muốn nhiệt độ trong phòng được điều hòa, l{m cho người ngồi học v{ người dạy dễ chịu Tuy nhiên, trong phòng học còn có nhiều đại lượng đặc trưng kh|c, như số người ngồi học, chất lượng giảng dạy v.v Khi đó, tùy theo nhu cầu cụ thể m{ ta có thể chọn thêm một v{i đại lượng được điều khiển kh|c; đương nhiên lại phải

có thêm các bộ điều khiển phù hợp

Mức nước trong két l{ một đại lượng đặc trung của một két dầu nặng chẳng hạn Nó phải được duy trì để đủ cung cấp dầu v{o m|y diesel Tuy nhiên trong két dầu còn một đại lượng đặc trưng kh|c l{ nhiệt độ dầu, vùa để cho an to{n ch|y nổ, vừa để duy trì độ nhớt dầu trước khi v{o m|y diesel Vậy nhiệt độ dầu trong két cũng l{ một biến được điều khiển, v{ ta phải dùng đến một bộ điều khiển nhiệt độ khi cần Két dầu như vậy có hai biến được điều khiển

1.2.9 Bộ điều khiển (Controller)

Bộ điều khiểnl{ một sự kết hợp của c|c phần tử (không nhất thiết chỉ l{ cơ khí) có hoạt động cùng nhau để cảm biến gi| trị của một số đại lượng n{o đó thuộc đối tượng được điều khiển v{ đưa ra c|c t|c động để ra lệnh, hướng dẫn, khống chế, điều chỉnh hoặc duy trì gi| trị của các đại lượng đó theo ý muốn con người

Một ví dụ đơn giản, bộ điều khiển có thể l{ một hệ đo tốc độ t{u rồi điều chỉnh công suất t|c dụng của động cơ chính để duy trì tốc độ t{u ở gi| trị cụ thể n{o đó m{ ta định trước, trong khả năng m{ động cơ chính ph|t huy được t|c dụng

Bộ điều khiển tương t|c với qu| trình (đối tượng được điều khiển)theo hai c|ch Thứ nhất l{ nó đo đạc v{ đ|nh gi| biến n{o đó của qu| trình Thứ hai, nó l{m thay đổi một hoặc v{i biến của qu| trình, của đối tượng được điều khiển

1.2.10 Phần tử đo, cảm biến (Measuring Element, Sensor)

Phần tử đo, cảm biến l{ thiết bị dùng để cảm nhận (đo đạc) gi| trị của biến được điều khiển y(t) và biến đổigi| trị đó th{nh tín hiệu chuẩn c(t) để có thể dùng được ở c|c bộ phận tiếp theo của bộ điều khiển Thông thường, tín hiệu n{y c(t) được gửi tới phần tử so s|nh,

để so s|nh với gi| trị cho trước (r ) nhằm tạo ra độ lệch e(t)

Ví dụ 1

Hộp keo kín hình trụ, có đ|y v{ th{nh trụ rất cứng vững, nhưng có mặt đỉnh trụ l{ một m{ng kim loại có nếp gợn sóng Nhiệt độ hộp keo tăng sẽ l{m mặt đỉnh hình trụ n{y lồi lên trên Mức lồi lên n{y (nhiều hay ít) chính l{ tín hiệu về nhiệt độ v{ nó tỷ lệ với mức tăng nhiệt độ hộp keo

Ví dụ 2

Để đo vòng quay (tốc độ quay, thường tính bằng vòng/phút, rpm) động cơ diesel, người ta lắp một m|y ph|t điện xoay chiều nhỏ (thường gọi l{ m|y ph|t tốc (độ quay)) v{o đường trục của động cơ Diesel Khi động cơ thay đổi vòng quay trong dải 0-100 rpm thì trục m|y ph|t tốc cũng thay đổi vòng quay theo (ví dụ từ 0-100 rpm), v{ điện |p đầu ra của m|y ph|t tốc lại thay đổi trong dải 0-5 ACV tỷ lệ với sự thay đổi vòng quay của m|y ph|t tốc, th{nh ra l{ nó tỷ lệ với vòng quay động cơ diesel Như vậy điện |p đầu ra của m|y ph|t tốc l{ đại diện cho vòng quay của động cơ M|y ph|t tốc l{ một dạng cảm biến vòng quay

Cũng cần ph}n biệt một số thuật ngừ tiếng Anh về đo Sensor l{ cảm biến, nghĩa l{ đo (cảm) v{ biến đổi (biến) tín hiệu đo được th{nh một tín hiệu chuẩn dùng được trong c|c thiết bị điều khiển liên quan Detector l{ thiết bị đo, đầu dò, chưa đưa ra tín hiệu chuẩn

1.2.11 Phản hồi (hồi tiếp, Feedback)

Phản hồi, hay hồi tiếp, l{ lấy tín hiệu từ phía sau của mạch để gửi về một điểm phía

so s|nh để so s|nh với tín hiệu cho trước thì ta hay gọi đó l{ phản hồi chính Hầu hết phản hồi chính có dấu }m (-) để ổn định hệ thống Trong ví dụ 2 ở trên thì tín hiệu về vòng quay động cơ l{ phản hồi chính C|c phản hồi kh|c trong mạch điều khiển thường được gọi l{ phản hồi phụ, có dấu dương hoặc }m

1.2.12 Điểmcho trước [r](Điểm đặt, Set point)

Điểm (gi| trị) cho trước (set point) [r] l{ thông số v{o độc lập m{ ta đặt cho bộ điều khiển, quyết định gi| trị c}n bằng của biến được điều khiển Điểm cho trước còn được gọi làgiá trị tham chiếu – reference value [r], giá trị mong muốn - desired value *D.V.+, giá trị chỉ

huy - command signal

1.2.13 Bộ tạo tín hiệu cho trước (Phần tử cho trước)

Bộ tạo tín hiệu cho trước (processing unit) l{ thiết bị được dùng để tạo ra gi| trị tham chiếu(reference value, cho trước) cho biến được điều khiển Thông thường, tín hiệu n{y được gửi tới phần tử so s|nh để so s|nh với gi| trị cho trước

Độ lệch (sự sai kh|c – error, deviation) giữa hai gi| trị n{y e(t) = r – c(t) được gửi tới

bộ chế biến tín hiệu (processing unit, computer) hoặc bộ điều khiển (controller)

Tổng qu|t, độ lệch l{ lượng sai kh|c giữa hai hoặc nhiều gi| trị cấp v{o một khối cộng tín hiệu Vậy độ lệch có thể xuất hiện ở nhiều nơi trong một hệ thống điều khiển tự động

Ví dụ:

Ta đặt nhiệt độ mong muốn của không khí trong phòng có m|y điều hòa nhiệt độ l{

25 C, nhưng nhiệt độ thực có hiện tại của không khí trong phòng l{ 30 C, vậy độ lệch l{ e(t)

= 25 – 30 = -5 C

1.2.15 Bộ cộng tín hiệu (Phần tử so s|nh, Comparison

Element, Summing Point, Adding Point)

Bộ cộng tín hiệu (hay là phần tử so sánh) l{ một th{nh phần dùng để đ|nh gi| mức sai

kh|c giữa gi| trị thực của biến được điều khiển với gi| trị mà ta đặt trước cho nó v{ tạo ra một tín hiệu từ độ lệch n{y, e(t), như đ~ nêu ở trên

1.2.16 Bộ chế biến tín hiệu (Processing Unit, Computer v.v.)

Bộ chế biến tín hiệu(bộ xử lý tín hiệu, bộ điều khiển cơ bản) l{ một th{nh phần của bộ điều khiển dùng để ph}n tích độ lệch, rồi chế biến tín hiệu độ lệch n{y theo một quy luật n{o đó để xuất ra tín hiệu dẫn động bộ thực hiện dẫn tới l{m thay đổi biến t|c động theo ý muốn của ta C|c hoạt động điều khiển, c|c chương trình điều khiển, hay c|c quy luật điều khiển được chế biến tại đ}y Tín hiệu ra khỏi bộ chế biến tín hiệu được gọi l{ tín hiệu t|c động, hoặc t|c động điều khiển

Ngo{i bộ chế biến tín hiệu chính, trong mạch điều khiển còn nhiều bộ chuyển đổi dạng v{ xử lý tín hiệu cho phù hợp với dải tín hiệu yêu cầu v{ môi trường truyền tín hiệu tới c|c phần tử liên quan

1.2.17 Tín hiệu t|c động [u(t)](Actuating Signal)

Tín hiệu t|c động l{ tín hiệu ra từ bộ xử lý, được gửi đến phần tử thực hiện Đ}y l{ tín hiệu trung gian của biến t|c động, có thể l{ đầu v{o của bộ thực hiện Tùy trường hợp, đây

có thể l{ tín hiệu của biến t|c động

1.2.18 Biến t|c động [u*(t)] (Manipulated Variable)

Biến tác động u*(t), u(t), l{ biến của qu| trình (đối tượng) được điều khiển, hoặc l{ c|c

điều kiện, được bộ điều khiển thay đổi (gia công) nhằm l{m thay đổi theo mong muốn giá trị của biến được điều khiển Đôi khi, nó được gọi l{ đầu v{o (input), hoặc t|c động vào điều khiển (control input) của đối tượng được điều khiển Biến n{y lại chính l{ đầu ra của bộ điều khiển, hoặc nếu kh}u trợ lực được sử dụng thì nó l{ đầu ra của kh}u trợ lực(servo-), hoặc của bộ thực hiện (Actuator) Việc gọi một t|c động l{ tín hiệu hoặc gọi l{ một biến chỉ tuỳ thuộc v{o ý nghĩa của nó trong mạch, hoặc trong hệ thống m{ ta đang ph}n tích

1.2.20 Cơ cấu điều chỉnh (Adjusting Mechanism, Adjusting

Element)

Cơ cấu điều chỉnh tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ bộ thực hiện v{ l{m thay đổi khối lượng v{ dòng năng lượng của đối tượng được điều khiển Thông thường, cơ cấu điều chỉnh l{ một bộ phận của đối tượng được điều khiển Ví dụ, thanh răng v{ bơm cao |p của động

cơ diesel l{ c|c bộ phận của động cơ diesel, nhưng đóng vai trò l{ cơ cấu điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu v{o động cơ, thực thi t|c động điều khiển từ một bộ điều tốc

1.2.21 Phần tử thực hiện cuối (Final Control Elements)

Phần tử thực hiện cuối l{ một nhóm c|c bộ phận điều chỉnh nhận tín hiệu từ bộ chế biến tín hiệu, hoặc từ bộ điều khiển, v{ l{m thay đổi trực tiếp biến t|c động.Ví dụ như một van, bơm nhiên liệu cao |p v.v Thông thường nó bao gồm bộ thực hiện v{ cơ cấu điều chỉnh

1.2.22 Nhiễu loạn [D(t)] (Disturbances)

Nhiễu loạnl{ c|c biến [D(t)] mà ta không hoàn toàn điều khiển được của qu| trình (đối tượng được điều khiển) và chúng có ảnh hưởng đến gi| trị của biến được điều khiển theo hướng ta không mong muốn.Có rất nhiều dạng nhiễu t|c động lên hệ thống Trong số

đó, tải tiêu thụ năng lượng / vật chất của hệ thống l{ một nhiễu lớn nhất, chủ yếu của hệ

1.2.23 Tải của hệ thống (Load)

Tải của hệ thống l{ phần năng lượng, vật chất bị tiêu thụ của hệ thống Ví dụ, với phòng học có m|y lạnh thì tải l{ nguồn nóng ph|t ra từ người học, l{ dòng nhiệt nóng truyền từ ngo{i trời v{o phòng, có t|c động l{m tăng nhiệt độ phòng, hay l{ tiêu thụ “năng lượng lạnh” của phòng học Với động cơ lai m|y ph|t điện thì công suất điện tiêu thụ bởi c|c thiết bị điện l{ tải của hệ Với diesel lai ch}n vịt thì công suất tiêu thụ trên trục ch}n vịt l{ tải của diesel Đó cũng chính l{ phần công suất cần thiết để l{m một ch}n vịt quay được trong nước với tốc độ góc mong muốn, để đẩy t{u đi với vận tốc tương ứng Thông thường, tải l{ một th{nh phần chính, chủ yếu của nhiễu loạn

1.2.24 Phân biệt biến số v{ thông số (Variable vs Parameter)

Biến số (variable) l{ một đại lượng biến đổi được hoặc điều khiển được của một hệ thống, m{ nó đang thay đổi theo thời gian Như vậy, biến số l{ một đại lượng của qu| trình, v{ l{ h{m của thời gian

Thông số (parameter) l{ một đại lượng biến đổi được hoặc điều khiển được của một

hệ thống, m{ nó tạm thời được coi l{ không đổi, gi| trị tương ứng của nó dùng để ph}n biệt những trạng th|i riêng kh|c nhau của hệ thống đó Như vậy thông số l{ một gi| trị của một đại lượng ở một trạng th|i Nó có thể l{ một gi| trị của một biến ở một thời điểm cụ thể

Sự kh|c nhau giữa thông số v{ biến số l{ ở chỗ: ở một sự ph}n tích cho trước về một

hệ thống, thì biến số được phép phụ thuộc v{o thời gian, còn thông số thì không Điều quan trọng l{ ở một ph}n tích cho trước, thông số không phụ thuộc v{o thời gian, nó được giữ không đổi Thông thường, gi| trị cho trước l{ một thông số chứ ít khi l{ biến số, vì bình thường nó được đặt ở một gi| trị n{o đó, rồi ta để mặc đó, thậm chí nhiều năm trời

Ví dụ, khi t{u chạy ổn định thì vòng quay cho trước của m|y chính l{ một thông số, ví

dụ nr = 150 rpm Nhưng khi tăng tốc từ 100 lên 159 rpm ở chế độ running-up (R/U) thì vòng quay cho trước lại l{ một biến theo thời gian, có thể l{ nửa giờ

1.2.25 Sơ đồ khối tổng qu|t của một hệ điều khiển theo độ

lệch (Feedback Control)

Hệ thống điều khiển tự động bao gồm hai nhóm chính, 1- nhóm đối tượng được điều khiển, v{ 2- nhóm bộ điều khiển để tương t|c v{o đối tượng được điều khiển Xem Hình 1-6

Gi| trị (điểm) cho trước (r) được đặt v{o bộ điều khiển, nó l{ gi| trị tham chiếu (r) mà gi| trị thực có c(t) của biến được điều khiển y(t) sẽ so sánh với để tìm ra độ lệch e(t) Từ độ lệch e(t) n{y khối chế biến tín hiệu điều khiển sẽ gia công ra tín hiệu t|c động điều khiển u(t), để gửi tới bộ thực hiện Tại bộ thực hiện, tín hiệu t|c động u(t) được cấp thêm công suất, hoặc được biến đổi th{nh một dạng t|c động trong một môi trường chuẩn kh|c (thuỷ lực, khí nén, cơ khí, điện từ v.v.) để t|c động v{o cơ cấu điều chỉnh Nhờ vậy m{ biến t|c động (l{ đầu ra của cơ cấu điều chỉnh, v{ thường l{ một biến của đối tượng được điều khiển) được gia công để l{m thay đổi c}n bằng năng lượng hoặc vật chất của đối tượng được điều khiển Dưới t|c động của biến t|c động v{ sự thay đổi c}n bằng năng lượng n{y, biến được điều khiển sẽ được thay đổi theo hướng m{ chúng ta mong muốn

Trong c|c hệ điều khiển hiện đại, như điều khiển điện tử, kỹ thuật số v.v người ta có

xu hướng t|ch cảm biến, bộ thực hiện ra th{nh hai nhóm riêng Bộ điều khiển chỉ còn l{ khối gia công tín hiệu độ lệch th{nh ra tín hiệu t|c động điều khiển u(t)

Thông thường, cơ cấu điều chỉnh l{ một bộ phận của đối tượng được điều khiển, ví dụ như van hơi của bộ sấy dùng hơi, công tắc điện của bơm nước, bơm cao |p nhiên liệu của động cơ diesel v.v

Tải của đối tượng được điều khiển l{ một nhiễu chủ yếu của hệ Tải tiêu thụ năng lượng của đối tượng được điều khiển, nên nó có dấu trừ (-), ngược với dấu của biến t|c động (+) l{ năng lượng được cấp cho đối tượng được điều khiển Dư lượng của hai đại lượng n{y (một kiểu độ lệch) t|c động v{o cơ hệ (đối tượng được điều khiển) l{m thay đổi đ|p ứng ra của hệ Với c|c hệ động lực, t|c động v{ đ|p ứng n{y cơ bản tu}n theo quy luật của định luật 2 Newton

Hình 1-6: Sơ đồ khối tổng qu|t một hệ thống điều khiển tự động

Xem c|c ví dụ ở c|c mục 1.7.1, 1.7.2 và 2.6.2 minh họa cho sơ đồ khối tổng qu|t n{y

1.3 Các nguyên lý điều khiển cơ bản nhất

Trong điều khiển tự động cổ điển, có hai nguyên lý điều khiển cơ bản sau đ}y thường được ứng dụng trong thực tế, đó l{ điều khiển theo độ lệch v{ điều khiển cấp tới (bù trừ nhiễu) Hệ quả của hai nguyên lý trên l{ sự điều khiển kết hợp của chúng, được gọi l{ nguyên lý điều khiển nhiều xung

1.3.1 Nguyên lý điều khiển theo độ lệch (Feedback Control)

Hệ thống điều khiển theo nguyên lý độ lệch được hoạt động như sau Lấy ví dụ trên Hình 1-3 Biến được điều khiển (h) (mực nước trong két) thường xuyên được đo v{ chuyển tín hiệu tới bộ điều khiển Tại đ}y, nó được so s|nh với gi| trị mong muốn (hr) của biến được điều khiển (là chính nó, h, mực nước), cho ra độ lệch e(t) = hr – h Bộ điều khiển sẽ căn cứ v{o độ lệch n{y m{ chế ra tín hiệu t|c động điều khiển u(t) để gửi tới cơ cấu thực hiện nhằm điều tiết mức c}n bằng năng lượng / vật chất (đóng hoặc mở thêm van cấp) v.v theo hướng duy trì biến được điều khiển về gi| trị gần với gi| trị cho trước Giả sử mực nước trong két tăng lên cao hơn mức mong muốn (hr), độ lệch e(t) = hr – h < 0 vàkhối chế biến tín hiệu sẽ gia công ra tín hiệu u(t) l{m đóng bớt van nước cấp lại Do đó, mực nước trong két sẽ thấp xuống trở lại

Như vậy, tổng qu|t, bộ điều khiển hoạt động theo nguyên lý độ lệch luôn đo gi| trị thực của biến được điều khiển y(t), biến đổi gi| trị n{y th{nh c(t), rồi so s|nh gi| trị đó c(t) với gi| trị cho trước ( r) để tìm ra độ lệch e(t) = r – c(t) Khối chế biến tín hiệu điều khiển sẽ chế biến tín hiệu độ lệch e(t) th{nh tín hiệu t|c động u(t) theo một quy luật n{o đó, ví như quy luật tỷ lệ, , để t|c động v{o nguồn cấp / thoát năng lượng / vật chất cho

hệ theo hướng l{m cho hệ thống c}n bằng năng lượng / vật chất trở lại Nhờ đó m{ gi| trị thực của biến được điều khiển y(t) có xu hướng phục hồi lại gi| trị ban đầu, hoặc thay đổi được theo sự thay đổi của gi| trị cho trước ( r)

Nhận xét

 Bộ điều khiển hoạt động theo tín hiệu độ lệch e(t), vậy phải có e(t) thì hệ mới hoạt động, m{ muốn có độ lệch thì phải chờ cho có t|c động thực của sự mất c}n bằng năng lượng cấp / tho|t của đối tượng được điều khiển, do vậy có tính trễ trong hoạt động điều khiển Đ}y l{ một nhược điểm

 Do thường xuyên đo gi| trị của biến được điều khiển cho hoạt động điều khiển, cho nên biến được điều khiển thường xuyên được gi|m s|t v{ điều khiển kh| kịp thời, cho nên không có c|c sai lệch quá lớn giữa biến được điều khiển v{ gi| trị mong muốn của nó, e(t) = r – c(t) Vì vậy, bộ điều khiển n{y hoạt động kh| tin cậy, nguyên lý cấu tạo đơn giản, đ|p ứng kh| tốt, v{ có thể dùng độc lập được Đ}y lại l{ một ưu điểm lớn

Hình 1-7: Sơ đồ khối minh họa một hệ điều khiển theo độ lệch (có phản hồi), với tín hiệu phản hồi c(t) l{ đại diện cho biến được điều khiển y(t)

Sơ đồ khối của một hệ điều khiển theo độ lệch (có phản hồi) được thể hiện trên Hình 1-7 Trong đó, mạch cảm biến chính (đo v{ biến đổi chuẩn gi| trị của biến được điều khiển) l{ mạch khép kín sơ đồ khối của hệ thống Nhiễu D(t) có thể l{ tải của hệ, l{ đại lượng tiêu thụ năng lượng cấp v{o hoặc tiêu thụ năng lượng ph|t ra được của hệ, nên có dấu (-), ngược với t|c động điều khiển u(t) l{ phần năng lượng cấp v{o hệ / hoặc được hệ ph|t ra

1.3.2 Nguyên lý điều khiển cấp tới (hay Bù trừ nhiễu -

Feedforward Control)

Kh|c với nguyên lý điều khiển theo độ lệch, trong hệ điều khiển cấp tới (bù trừ nhiễu) thì biến được điều khiển y(t) không được đo v{ kiểm so|t, nghĩa l{ không có phản hồi về gi| trị của biến được điều khiển.Thay v{o đó, hệ thống lại thường xuyên đo sự thay đổi của nhiễu D(t), từ đó chế biến ra tín hiệu t|c động điều khiển u(t) l{m thay đổi năng lượng / vật chất cấp trước khi biến được điều khiển kịp thay đổi gi| trị thực của nó theo t|c động của nhiễu Do vậy m{ gi| trị thực của biến được điều khiển thường xuyên được duy trì theo gi| trị m{ ta tưởng tượng nó đ|ng có.Điều khiển cấp tới là một dạng đặc biệt của điều khiển

mạch hở

Hình 1-8: Minh họa về nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển bù trừ nhiễu

Ta xem xét ví dụ Hình 1-8 Biến được điều khiển l{ mực nước (h) thì không được đo

Bộ điều khiển lại đo thường xuyên một nhiễu l{ độ mở van tho|t (hv) chẳng hạn Sau đó, độ

mở van thoát (hv) có thể được so sánh với giá trị đặt trước cho độ mở van thoát (hvr), rồi cũng xuất ra độ lệch chỉ của độ mở van tho|t, tức l{ của nhiễu Từ đó ra quyết định điều khiển độ mở van cấpnước (hc) sao cho mực nước (h) trong két không đổi

Ở đ}y tiềm ẩn một nguy cơ Giả sử van tho|t tăng thêm độ mở tương ứng với lượng tăng lưu lượng nước tiêu thụ l{ 10 l/s, thì mực nước trong két sẽ giảm xuống Hệ điều khiển đưa ra quyết định điều khiển đón trước sự thay đổi (sẽ giảm) củamực nước bằng c|ch tăng

độ mở van cấp một lượng (dhv)tương ứng với 10 l/s Như vậy, lượng nước trong két được cấp bù trước, cho nên mực nước (h) sẽ gần như không thay đổi Vậy l{ việc điều khiển có tính đón đầu, rất nhanh, nên biến được điều khiển ít bị thay đổi (đô lệch nhỏ) Tuy nhiên do

có sai số, cho nên giả sử lưu lượng nước cấp v{o l{ 9.9 l/s (sai số 1%), thì giả như sau 3,600.0 slượng thiếu hụt nước v{o két sẽ l{ 3,600.0 (s) x 0.1 (l/s) = 360 lít Nếu dung tích két là 360 lít thì như vậy chỉ sau một giờkét nước th{nh két rỗng!

Chính vì tính tích lũy sai số v{ không có cơ chế kiểm so|t để duy trì gi| trị của biến được điều khiển nằm trong dải giới hạn an to{n, cho nêntrong các hệ thống có nhiễu lớn thì

bộ điều khiển hoạt động thuần túy theo cấp tới (bù trừ nhiễu) không được thiết kế để hoạt động độc lập

Xem sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động cơ bản của một hệ thống điều khiển kiểu bù trừ nhiễu trên Hình 1-9 Lưu ý rằng gi| trị cho trước b}y giờ là dr, là của nhiễu, chứ không phải l{ của biến được điều khiển T|c động điều khiển được gia công ra từ độ lệch của nhiễued(t) Tín hiệu đo được c(t) của biến được điều khiển y(t) không đóng vai trò gì trong hệ điều khiển dạng n{y

Hình 1-9: Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hoạt động theo nguyên lý cấp tới (bù trừ nhiễu - Feedforward Control)

1.3.3 Nguyên lý điều khiển nhiều xung (Multi-Element

Control)

Bộ điều khiển hoạt động theo nguyên lý cấp tới (bù trừ nhiễu) cóc|c ưu điểm làtính nhanh nhạy, tính điều khiển đón đầu v{ khả năng duy trì chính x|c gi| trị của biến được điều khiển khi tải của đối tượng được điều khiển thay đổi; Có nhược điểm chính l{ tích lũy sai số của biến được điều khiển

Còn bộ điều khiển theo độ lệch lạicó ưu điểm chính l{ hoạt động kh| tin cậy, nguyên

lý cấu tạo đơn giản, đ|p ứng kh| tốt, nhưng có nhược điểm l{ có đ|p ứng trễ

Để kết hợp được c|c ưu điểm, loại trừ bớt c|c nhược điểm của từng nguyên lý điều khiển nêu trên, người ta thường chỉ bổ sung thêm (kết hợp) hoạt động điều khiển cấp tới (bù trừ nhiễu) v{o với hoạt động điều khiển theo độ lệch, l{m th{nh c|c bộ điều khiển nhiều

xung(multi-element controller)

Hình 1-10: Hệ điều khiển mực nước hai xung, kết hợp độ lệch v{ cấp tới (bù trừ nhiễu)

Ví dụ, xem Hình 1-10,nếu ta kết hợp độ lệch mực nước (xung chính) với một xung nhiễu l{ độ mở của van thoát, ta có một bộ điều khiển 2 xung Nếu thêm một xung |p suất nước cấp nữa chẳng hạn, ta có bộ điều khiển 3 xung Áp suất nước cấp thay đổi thì với cùng một độ mở van cấp, lưu lượng nước cấp cũng thay đổi theo Mực nước sẽ bị ảnh hưởng Vậy

|p suất nước cấp l{ một xung nhiễu thứ hai

Trong c|ch kết hợp như trên, biến được điều khiển được đo v{ được điều khiển chủ yếu bởi hoạt động điều khiển độ lệch C|c tín hiệu đo được từ nhiễu (độ mở van tho|t, |p suất nước cấp) thường được đưa về một bộ cộng tín hiệu để bù trừ với gi| trị đặt trước (r ) của hoạt động điều khiển độ lệch Từ đó, nól{m tăng cường t|c động điều khiển của hoạt động điều khiển theo độ lệch, đủ để bù tốt cho sự t|c động của nhiễu đến biến được điều khiển

Ví dụ, khi độ mở van tho|t tăng thêm một lượng l{ (dhv), xung nhiễu (dhv) n{y sẽ

cộng v{o gi| trị cho trước của mực nước (hr), th{nh ra hr* = hr + dhv cao lên Như vậy thì

mực nước (h) đang bình thường bây giờ trở thành thấp nhiều hơn so với hr* mới Độ lệch

mới [e*(t) = hr* - h] lớn lên nhiều so với độ lệch truớc đó [e(t) = hr – h] Do đó, bộ điều khiển theo độ lệch sẽ hoạt động mạnh tức thì, t|c động điều khiển [ví dụ là tỷ lệ, ] có cường độ lớn hơn Mực nướcsẽ được bù trừ sớm hơn v{ nhanh hơn, đương nhiên l{ ổn định hơn

Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hai xung, kết hợp độ lệch v{ cấp tới (bù trừ nhiễu) được minh họa trên Hình 1-11

Hình 1-11: Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển 2 xung, kết hợp điều khiển cấp tới (bù trừ nhiễu)với điều khiển theo độ lệch

1.4 Phân loại bộ điều khiển

C|c bộ điều khiển trong c|c hệ cơ khí, công nghiệp v.v có thể được được ph}n loại bằng c|ch xét xem chúng có tự động hay không, theo vị trí lắp đặt c|c phần tử, theo chúng điều khiển c|i gì, theo h{m to|n m{ chúng thực hiện, theo công chất được sử dụng v.v Các c|ch ph}n loại n{y giúp c|c th{nh viên nhóm l{m việc có thể liên lạc tốt với nhau, dễ hiểu về cùng một công việc chung

Bộ điều khiển tự động có thể tự thực hiện một số c|c hoạt động điều khiển m{ không cần sự t|c động trực tiếp của con người

Có thể tóm lược c|c c|ch ph}n loại trên như sau

 Liên hệ tới (bù trừ nhiễu) (Feedforward)

 Liên hệ ngược (Feedback)

 Đa biến (Multi-variable)

 Kết hợp tỷ lệ với tích phân, đạo h{m(PI, PD, PID)

Theo công chất được sử dụng

1.5.1 Sơ đồ khối (Block Diagram)

Một hệ thống điều khiển tự động thường bao gồm nhiều phần tử kết nối với nhau Để thể hiện c|c chức năng m{ từng phần tử thực hiện v{ mối quan hệ giữa chúngtrong hệ tự động, người ta thường dùng một sơ đồ được gọi l{ sơ đồ khối

Sơ đồ khối cũng chính l{ một sơ đồ dòng tín hiệu (signal flow diagram), l{ sự biểu diễn bằng c|c hình biểu tượng về t|c về chức năng giữa c|c phần tử / chi tiết có trong hệ

thống Mỗi chức năng của một th{nh phần của hệ thống điều khiển được thể hiện bằng một khối có ký hiệu thông thường l{ một hình chữ nhật Có thể có nhiều th{nh phần lại được gom lại th{nh một khối lớn Ký hiệu bên trong c|c khối thường l{ h{m truyền dưới dạng ảnh Laplace Đôi khi để thể hiện rõ hơn chức năng của một khối, người ta có thể ghi thêm v{o nhiều chữ / ký tự kh|c Mối tương quan về tín hiệu giữa c|c th{nh phần, cũng chính l{ giữa c|c khối thường được thể hiện bằng c|c mũi tên (đặc với một biến, hoặc rỗng với biến trạng th|i) một chiều Không dùng mũi tên hai chiều Như vậy, sơ đồ khối là một dạng biểu

diễn chức năng của các thành phần trong hệ điều khiển tự động và mối tương tác về tín hiệu giữa các thành phần này với nhau bằng một sơ đồ cơ bản gồm các khối và các mũi tên

Nhờ c|c sơ đồ khối chi tiết, ta có thể nhìn thấu chức năng của từng th{nh phần trong

hệ, c|c mối tương t|c, từ đó có thể hiểu được rõ nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều chỉnh

hệ thống

Kh|c với biểu diễn to|n học (mô hình to|n học) của hệ, sơ đồ khối có ưu điểm nổi bật l{ thể hiện được rất thực dòng tín hiệu của c|c hệ thống thực Mỗi khối chức năng l{ ký hiệu cho một phép to|n |p dụng đối với tín hiệu v{o của khối để tạo ra tín hiệu ra H{m truyền của từng phần tử thường được đặt trong một khối tương ứng có dạng hình chữ nhật, c|c khối n{y được nối với nhau bằng c|c mũi tên chỉ chiều lưu chuyển của tín hiệu

Một sơ đồ khối chứa đựng c|c thông tin liên quan đến đ|p ứng động lực của hệ chứ không hề chứa đựng c|c thông tin liên quan đến cấu trúc vật lý của hệ Thông thường có nhiều hệ thống vật lý kh|c nhau, chẳng liên quan gì với nhau lại có thể được biểu diễn bằng cùng một sơ đồ khối

Cũng cần lưu ý rằng trong một sơ đồ khối thông thường nguồn năng lượng cấp cho hệ thống hoạt động lại không được thể hiện, v{ sơ đồ khối của một hệ thống nhất định lại có thể được biểu diễn bằng nhiều dạng kh|c nhau Nghĩa l{ có nhiều sơ đồ khối kh|c nhau được vẽ cho một hệ thống tuỳ thuộc v{o quan điểm ph}n tích của người ph}n tích v{ lập sơ

đồ khối

Hình 1-12 cho thấy tín hiệu v{o được thể hiện bằng mũi tên v{o khối, tín hiệu ra bằng mũi tên ra khỏi khối Như vậy, mỗi mũi tên thể hiện cho một tín hiệu Độ lớn của tín hiệu ra bằng độ lớn của tín hiệu v{o nh}n với h{m truyền trong khối

1.5.2 C|c điểm đặc biệt trong sơ đồ khối

Trong c|c sơ đồ khối còn có hai điểm đặc biệt, điểm cộng tín hiệu v{ điểm rẽ nh|nh

Điểm cộng tín hiệu (Điểm so s|nh, Summing Point, Adding Point)

Điểm cộng tín hiệu (điểm so s|nh, Summing Point, Adding Point)thường được thể hiện bằng một vòng tròn có dấu chữ thập bên trong Dấu cộng (+) hoặc trừ (-) cho mỗi mũi tên v{o khối cho biết tín hiệu đó được cộng (thêm) v{o hoặc trừ (bớt) đi khỏi khối Có một điều cực kỳ quan trọng l{ c|c tín hiệu được cộng v{o hoặc bớt đi khỏi khối phảicó cùng bản chất vật lý v{ cùng đơn vị đo (thứ nguyên – Dimenssion)

Điểm rẽ nh|nh (Branch Point)

Điểm rẽ nh|nh (Branch point) l{ một điểm m{ từ đó tín hiệu từ một khối đi đồng thời tới nhiều khối kh|c hoặc tới c|c điểm cộng tín hiệu trong hệ thống C|c tín hiệu ra khỏi điểm rẽ nh|nh luôn có cùng độ lớn với tín hiệu v{o điểm rẽ nh|nh Tuy nhiên, trong thực

tếđể giữ được tính ph}n chia m{ không l{m giảm cường độ, tính chất của tín hiệu như nêu trên, người ta phải thiết kế c|c mạch bù tín hiệu

Hình 1-12: a- Một phần tử của sơ đồ khối; b- Điểm công tín hiệu; c- Điểm rẽ nh|nh

Về cơ bản, hệ điều khiển phải có ít nhất c|c th{nh phần sau:

 Đối tượng được điều khiển

 Cảm biến biến được điều khiển

 Khối (điểm) so s|nh

 Khốichế biến tín hiệu cơ bản (bộ điều khiển cơ bản)

 Khối t|c động điều khiển

Trong phần lớn c|c hệ thống điều khiển cơ khí, có thể tìm ra một nhóm thiết bị vật lý như l{ van hoặc rơle nhiệt, m{ ta có thể nhận dạng như l{ một trong 5 phần tử vật lý nói trên Đôi khi, một chi tiết, thiết bị đơn lẻ lại đóng góp hoạt động v{o hai hoặc nhiều th{nh phần của bộ điều khiển Nhưng có khi v{i ba chi tiết vật lý lại được kết hợp lại th{nh một trong năm th{nh phần được nhận dạng ở trên Thiếu một trong năm th{nh phần nêu trên,

1.6 C|c yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển tự

động

Nói chung, hệ điều khiển tự động phải thỏa m~n c|c yêu cầu cơ bản sau:

 Thoả m~n c|c chỉ tiêu đặt ra

 Giá thành không quá cao

 Tương thích với c|c hệ thống kh|c m{ nó phải l{m việc chung

 Có thể sửa chữa được bởi người vận h{nh

 Đ|p ứng môi trường

Về chức năng điều khiển cơ bản, hệ phải đ|p ứng ba yêu cầu cơ bản sau:

Kỹ sư khai th|c phải có hiểu biết tốt về hệ thống, quyết định độ lệch cho phép, tính ổn định v{ đ|p ứng của hệ thống l{ bao nhiêu

 Mực nước (h) trong két l{ biến được điều khiển

 Két nước l{ đối tượng được điều khiển, v{ nó có một biến đặc trưng l{ mực nước (h)

Nếu van tho|t có độ mở thất thường, hoặc theo nhu cầu sử dụng m{ van được mở lớn hay bé, thì nó sẽ l{m mực nước h thay đổi theo Vậy, độ mở van tho|t l{ một nhiễu cơ bản Người điều khiển đóng vai trò vừa quan s|t mực nước, vừa tự đặt ra mực nước h mong muốn, vừa tự tay đóng mở van cấp để lượng cấp nước v{o két phù hợp với lượng nước tiêu thụ qua van tho|t, do đó mực nước được kỳ vọng l{ không đổi Vậy

 Gi| trị cho trước: người điều khiển tự đặt

 Cảm biến mực nước: không có, người điều khiển tự theo dõi

 Bộ điều khiển: người điều khiển tự l{m

 Cơ cấu thực hiện: van cấp nước

 T|c động điều khiển: độ mở van cấp nước

Bơm nước v{ tuyến ống dẫn chỉ đóng vai trò l{ nguồn cấp vật chất vào két, không có vai trò gì trong bộ điều khiển Tuy vậy, không có nó thì mục đích điều khiển không th{nh

Sơ đồ khối của hệ n{y như sau đ}y

Hình 1-13: Sơ đồ khối thể hiện chức năng của hệ điều khiển mạch hở ở Hình 1-2

1.7.2 Khảo s|t hệ thống điều khiển nhiệt độ không khí phòng

học, Hình 1-5

Đối tượng được điều khiển

Đối tượng được điều khiển l{ phòng học Nó bao gồm tường bao, trần nh{, b{n ghế, người học, người dạy, cửa sổ, cửa ra v{o v.v v{ c|c nhiễu loạn bên ngo{i l{m thay đổi nhiệt

độ phòng không theo ý muốn của ta, như nhiệt độ ngo{i trời, nhiệt bức xạ từ ngo{i trời v.v Trong nó có rất nhiều đại lượng đặc trưng, nhưng ta chỉ đang quan t}m đặc biệt đến một đại lượng, đó l{ nhiệt độ không khí trong phòng (T)

Mô hình to|n v{ h{m truyền của của đối tượng được điều khiển (l{ phòng học) về nhiệt độ không khí trong phòng sẽ được x}y dựng ở mục Nó có dạng l{ một kh}u tích phân

Biến được điều khiển

Vậy với quyết t}m điều khiển nhiệt độ không khí trong phòng học (T), thì nhiệt độ không khí trong phòng là biến được điều khiển Nó l{ một đại lượng đặc trưng của đối tượng

được điều khiển, phòng học

Cảm biến (nhiệt độ phòng)

Để điều khiển nhiệt độ không khí trong phòng, ta bắt đầu bằng việc đo nhiệt độ không khí trong phòng (T), rồi sẽ x}y dựng hệ điều khiển theo nguyên lý độ lệch Ta có thể cảm biến nhiệt độ trong phòng bằng một bầu kim loại kín, có ống kim loại nhỏ nối thông với một hộp có m{ng đo |p, được chống đỡ bằng một lò xo Trong bầu kim loại cảm biến n{y, người

ta nạp đầy một loại công chất có tính gi~n nở cao theo nhiệt độ, ví dụ Freon 22, R504 v.v Vậy, bầu đo nhiệt độ này, cùng với màng đo áp và công chất nạp trong nó là cảm biến nhiệt

độ Nó đo nhiệt độ thực trong phòng, đổi thành áp suất công chất nhạy nhiệt trong ống đo,

rồi áp suất đó t|c động lên màng, thành ra lực đẩy phía trên ép màng xuống dưới,

Tạo giá trị cho trước ( )

Phía dưới m{ng có đặt một lò xo, có thể điều chỉnh được sức căng nén của lò xo nhờ một vít chỉnh Lò xo này đóng vai trò tạo ra giá trị cho trước về nhiệt độ phòng, m{ nó được đại diện bởi sức căng nén của lò xo,

Điểm so s|nh, độ lệch

M{ng l{ nơi lực lò xo đại diện cho nhiệt độ cho trước đẩy lên, cũng l{ nơi m{ lực của hơi công chất đại diện cho nhiệt độ thực có trong phòng T đẩy xuống Độ lệch giữa hai lực này cũng xuất hiện tại m{ng Độ lệch lực dF n{y l{m cho đế trên của lò xo, chính l{ điểm màng, dịch chuyển thêm một lượng bổ sung, ⁄ Vậy, tâm điểm màng là điểm so sánh; còn dF rồi dZ là độ lệch để tạo ra tác động điều khiển

Khối chế biến tín hiệu điều khiển, t|c động điều khiển

Chuyển vị dZ của m{ng / đế trên của lò xo kéo trực tiếp chuyển vị của tiếp điểm của rơle đóng-ngắt Rơle đóng tiếp điểm thí m|y nén lạnh chạy, cấp nhiệt “lạnh” v{o trong phòng, nhiệt độ trong phòng sẽ giảm xuống Rơle ngắt thì m|y nén dừng, nhiệt từ người học, đồ dùng, ngo{i trời l{m cho nhiệt độ phòng tăng lên

Vậy, dZchính l{ độ lệch t|c động v{o rơ le, điều khiển sự đóng-ngắt của rơ le, thành ra

tác động điều khiển đóng-ngắt (ON-OFF) u*(t), rồi tạo ratác động điều khiển đóng-ngắt dòng nhiệt “lạnh” thổi v{o phòng học u(t) Dòng nhiệt “lạnh” l{ một biến t|c động của phòng học Khối chế biến tín hiệu là các tiếp điểm của rơ le, cùng hoạt động đóng-ngắt của rơle để đóng-ngắt hoạt động của máy lạnh

Ta cũng đ~ xem xét kh|i niệm mạch điều khiển kín, mạch hở, v{ cùng với nó l{ c|c nguyên lý điều khiển cơ bản nhất: độ lệch, cấp tới (bù trừ nhiễu), kết hợp nhiều xung

C|c hệ thống điều khiển tự động cũng đ~ được ph}n loại Một hệ thống điều khiển đơn giản đ~ được ph}n tích v{ x}y dựng sơ đồ khối nhằm hiểu rõ chức năng, hoạt động của mỗi phần tử v{ của hệ, mối tương quan giữa c|c phần tử, c|c bước ph}n tích v{ x}y dựng ra một sơ đồ khối mô tả tương ứng một hệ thống thật