E4 01 introduction to control systems

Cơ cấu tùy động servo mechanismCơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đối tượng được điều khiển là vị trí hay sự chuyểnđộng... Hê thống điều khiển số là một hệ thốn

Denis Papin’s water float regulator Wall’s fly-ball governor

Chapter 1Introduction to control systems

Control system: a group of components that maintains adesired result by manipulating the value of another variable

Block diagram & Transfer function

Block diagram

• A block representing each component in a controlsystem connected by lines that represent the signalpaths

• Each block receives an input signal from some block

of the system and produces an output signal foranother block of the system

Block diagram & Transfer function

Block diagram & Transfer function

Transfer function (TF): a mathematical relationship betweenthe input and output of a control system component.Specifically, the transfer function is defined as

x(t)y(t)

TF 

Block diagram & Transfer function

Open-loop vs closed-loop

Open-loop control systems: utilize a controller or controlactuator to obtain the desired response

Open-loop vs closed-loop

- Complete the block diagram of the system

Open-loop vs closed-loop

Closed-loop control systems: utilize feedback to comparethe actual output to the desired output response

Error signal

Control signal

Manipulated variable

Measured variable

• Measurement: measure the value of the controlledvariable

• Decision: compute the error and use the error to form acontrol action

• Manipulation: use the control action to manipulate somevariable in the process in a way that will tend to reducethe error

Open-loop vs closed-loop

Major advantages of open-loop control systems:

+ Simple construction and ease of maintenance

+ Less expensive than a corresponding closed-loopsystem

+ There is no stability problem

+ Convenient when output is hard to measure ormeasuring the output precisely is economically notfeasible

Major disadvantages of open-loop control systems:

− Disturbances and changes in calibration cause errors,and the output may be different from what is desired

− To maintain the required quality in the output,recalibration is necessary from time to time

Open-loop vs closed-loop

- List 3 ideas from the figure

• Processing  process control

• Manufacturing  motion control

 Location of the controllers

• Central control room  centralized control

• Near sensors and actuators  distributed control

Analog vs digital

Analog vs digital

- An analog signal varies in a

continuous manner and may

take on any value between its

limits

- A digital signal varies in a

discrete manner and may take

only certain discrete values

between its limits

Process control

Process control: a control system that oversees someindustrial process so that a uniform, correct output ismaintained by monitoring and adjusting the controlparameters (such as temperature or flow rate) to ensurethat the output product remains as it should

Process control

Example: a paint factory in which two colors, blue andyellow, are mixed to produce green

Process control

Manual control

Automatic flow control

Feed-forward control vs Feed-back control

Example: A continuous, stirred-tank blending systems Thecontrol objective is to blend the two inlet streams toproduce an outlet stream that has the desired composition

Feed-forward control vs Feed-back control

• Method 1: Measure x and adjust w2

Feed-back control

Feed-forward control vs Feed-back control

• Method 2: Measure x1 and adjust w2

Feed-forward control

Điều khiển quá trình trình tự

Hệ thống điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tácđược xác định trước

Cơ cấu tùy động (servo mechanism)

Cơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong

đó đối tượng được điều khiển là vị trí (hay sự chuyểnđộng)

Hê thống điều khiển số là một hệ thống sử dụng các lệnh

đã xác định trước để điều khiển một loạt các nguyên công

Hệ thống điều khiển số

Hệ thống tay máy

Pick-and-place robot

Industrial robot

Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm dichuyển những đối tượng khác nhau theo mộttrình tự chuyển động xác định để thực hiệnmột nhiệm vụ cụ thể

Hệ thống tay máy

3 Điều khiển quá trình

Quá trình công nghiệp có thể phân thành 2 loại:

• Quá trình rời rạc: là một nhóm các công đoạn rời rạc

có điều kiện bắt đầu (từng công đoạn) rõ ràng

• Quá trình liên tục: là quá trình có tín hiệu vào / ra liên

tục (không bị ngắt quãng) Có ít nhất một tín hiệu vào

(bộ điều khiển) được thay đổi sao cho để duy trì một tínhiệu ra mong muốn

Điều khiển quá trình rời rạc

Sequentially controlled systems

Time-driven operation

A sequentially controlled system controls a process that isdefined as a series of tasks to be performed one after theother

Each operation in thesequence is performedeither for a certainamount of time

Sequentially controlled systems

Event-driven operation

Each operation in the sequence is performed until the task

is finished

Điều khiển quá trình liên tục

Ba thao tác chính:

- Đo lường

- Ra quyết định

- Tác động

Điều khiển quá trình liên tục

Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải

đảm bảo 3 mục tiêu sau:

• Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất.

• Giảm thiểu thời gian xác lập.

• Giảm thiểu độ sai lệch dư.

Giai đoạn chuyển tiếp Giai đoạn xác lập

Giá trị sai lệch xác lập gây

ra do ma sát, phụ tải, và độ chính xác của cảm biến phản hồi.

Thực hiện chế độ điều khiển

4 Phương án điều khiển

So sánh giữa các phương án

Chỉ tiêu so sánh Mạch rơ-le Vi điều khiển Máy tính PLC

Giá thành Khá thấp Thấp Cao Khá cao

Tốn nhiều thời gian lập trình

Lập trình và lắp đặt đơn giản

Khả năng điều khiển tác

vụ phức tạp

Mức độ thay đổi điều

khiển

Công tác bảo trì Kém Kém – nếu IC

được hàn

Kém – có rất nhiều mạch điện

tử chuyên dùng

Tốt – các đun được tiêu chuẩn hóa.

mô-Rơle trong mạch điều khiển logic

Rơle có thể được cấu tạo để

tạo nên nhiều cặp tiếp điểm

Rơle trong mạch điều khiển logic

Rơle có thể thực hiện những

chức năng logic

Rơle trong mạch điều khiển logic

Hệ thống pick & place robotRơle trong mạch điều khiển logic

Hệ thống uốn cong chi tiếtRơle trong mạch điều khiển logic

Thiết kế mạch điều khiển trình tự

Ý tưởng cơ bản đối với việc thiết kế là:

• Dùng một rơle điều khiển cho mỗi buớc của quá trình.

• Khi quá trình đang làm việc ở bước nào đó, thì chỉ có rơle điều khiển gắn liền với bước đó sẽ được kích hoạt.

• Số bước của quá trình sẽ tương ứng 1-1 với số trạng thái của bộ điều khiển Mỗi trạng thái của bộ điều khiển được biểu diễn là một nhánh trong mạch điều khiển bậc thang.

Giả sử quá trình có 3 bước liền kế nhau là bước i, bước j, và buớc k Nhánh thứ j trong mạch điều khiển có dạng tổng quát như sau: