Giáo trình Điều khiển tự động - Bùi Hồng Dương
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Mục lục
Trang - 1 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Trang - 2 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Trang - 3 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Chương 1
1 Các khái niệm cơ bản về điều
khiển tự động
1.1 Giới thiệu chung
Trong lịch sử, những thuỷ thủ đầu tiên cũng l{ những kĩ 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, l{m cho vòng quay phục hồi v{ do v{y 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 được tự động ho| đầu tiên có dùng
một bộ điều tốc quả v{ng có liên hệ ngược để điều khiển dòng hơi v{ do v{y l{ 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{ qu| trình điều khiển cũng còn cấp năng lượng cần thiết để điều khiển cơ
cấu thực hiện.
T{i liệu n{y chủ đích dùng cho sinh viên ng{nh m|y t{u thủy, những người sau khi tốt
nghiệp sẽ thường xuyên l{m việc trong môi trường quốc tế m{ tiếng Anh được dùng phổ
biến. Do vậy, một số kh|i niệm cơ bản, một số thuật ngữ, thậm chí cả một số chú thích trên
hình cũng được để cả ở Tiếng Anh v{ Tiếng Việt, hòng giúp người đọc sau n{y bớt khó khăn
khi tìm c|c thuật ngữ tự động điều khiển trong Tiếng Anh.
Trang - 4 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
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.
1.1.1 Ưu điểm của tự động điều khiển
Nâng cao hiệu suất
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, 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 tự động điều khiển sẽ
hoạt động với hiệu suất cao nhất trong c|c giới hạn nhất định. Một hệ tự động điều khiển có
thể cảm biến cực kỳ nhạy đối với bất kỳ thông số n{o m{ người thiết kế có thể lựa chọn v{
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 v{y 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.
Trang - 5 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
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 vì tất cả c|c lượng không chắc nhỏ bé v{ c|c
biến động trong sản phẩm g}y ra bởi sai sót hoặc sự không chú ý của con người đều có thể
được loại trừ, do v{y giảm bớt c|c sản phẩm kém chất lượng.
Khi hệ thống tự động điều khiển 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 v{n h{nh. Giản 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 v{n h{nh bằng tay, do v{y 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 v{y.
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 v{n h{nh thì hệ tự động điều khiển bao giờ cũng có chi phí duy tu
thấp hơn.
Tăng tính an toàn
C|c thiết bị tự động hóa hoạt động chính x|c không tạo ra c|c sai lệch m{ người hay
mắc ph{i 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 tự động điều khiển 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 khả năng hư hỏng nhất
định. Nếu tính an to{n của hệ thống tự động điều khiển giảm đi khi được tự động hóa thì
phải xem xét kỹ lưỡng để phục hồi lại tính an to{n cho nó. Ơ 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 hoá.
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 tự động điều khiển sẽ không có c|c nhược điểm. C|c hệ thống tự động điều
khiển 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
phí cho tuổi thọ thiết bị m{ không giảm đi nhờ tự động hóa thì có thể không nên |p dụng tự
động hóa.
Cũng nên lưu ý rằng c|c hệ thống tự động điều khiển 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.
Trang - 6 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
1.2 Các khái niệm cơ bản về điều khiển tự động
1.2.1 Tín hiệu
Tín hiệu (signal) l{ một hiển thị, như l{ điệu bộ hoặc |nh đèn m{u, l{m phương thức
để truyền thông tin (communication). Tín hiệu có thể l{ thông điệp được truyền theo
phương thức như hiển thị 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.
Ví dụ: Thông tin về nhiệt độ cao hay thấp có thể truyền trong môi trường keo, khi một
hộp keo được dùng để đo nhiệt độ, vì ta biết keo gi~n nở ra khi nhiệt độ của nó cao, thu nhỏ
lại khi nhiệt độ của nó giảm. Khi n{y, tín hiệu về nhiệt độ chính l{ sự gi~n nở của khối keo
trong một hộp.
1.2.2 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.
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 khiển có 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 tính độ lệch, thiết bị thực hiện
lệnh điều khiển v{ một đối tượng được điều khiển.
Trang - 7 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
1.2.5 Điều khiển mạch hở, điều khiển bằng tay (Open loop,
Manual control)
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 l{ mạch có t|c động điều khiển hở, một chiều,
không có tín hiệu phản hồi. 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 kết quả điều
khiển ho{n to{n có thể 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 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 biểu thức to|n
học. Ví dụ, có thể quyết định mức điện |p cấp v{o một động cơ điện lai một tải cố định để
quyết định tốc độ quay của động cơ đó. Nhưng nếu tải của động cơ l{ không dự đaon1 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.
Trang - 8 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
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. ví dụ điển
hình l{ m|y giặt, vì thời gian của từng công đoạn giặt, xả, vắt có thể định trước bởi người
dùng. Tuy nhiên, khi cần 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, như
điều khiển thích nghi (adaptive controller), có phản hồi (mạch kín), hoặc kết hợp v.v.
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)
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. Nếu 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 bằng với gi| trị mong muốn. V{ ngược lại, nếu hr – h < 0. Vai trò
Trang - 9 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
của người điều khiển lúc n{y chỉ l{ gi|m s|t qu| trình hoạt động, v{ đặt trước gi| trị mực
nước mong muốn (hr).
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 sai số (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 (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 ổn định đối tượng được điều khiển không ổn định
Giảm tính nhạy đối với c|c sự thay đổi của c|c đại lượng thuộc đối tượng được
điều khiển.
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, hoăc l|i xe trên đường. Đối tượng được điều khiển có thể l{ một qu| trình vật lý,
hóa học, cơ học v.v v{ chúng có thể tồn tại khắp mọi nơi trong vũ trụ.
Ví dụ 1:
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) 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 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.
Trang - 10 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Hình 1-4: Hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ phòng học
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.
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 kh| điều hòa, làm 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. m{ 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 bộ điều khiển phù hợp.
1.2.9 Bộ điều khiển (Controller)
Bộ điều khiển l{ một sự kết hơp của c|c phần tử (không nhất thiết chỉ l{ cơ khí) có
hoạt động cùng nhau để cảm biến gi| trị của 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 đại lượng đó.
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.
Trang - 11 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
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 đổi gi| 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:
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.
1.2.11 Tín hiệu cho trước (set point) [r]
Tín hiệu 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. Tín hiệu n{y còn được gọi l{ gi| trị
cho trước - set point, gi| trị mong muốn - desired value, tín hiệu chỉ huy - command value.
1.2.12 Phần tử cho trước (Bộ tạo tín hiệu cho trước)
Phần tử cho trước (bộ tạo tín hiệu cho trước) 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).
1.2.13 Độ lệch (error, deviation)[e(t)]
Độ lệch, e(t), l{ sự sai kh|c giữa gi| trị cho trước và gi| trị thực tại của biến được điều
khiển, nó được tạo ra (kết quả) từ phần tử so s|nh, e(t) = r – c(t).
1-1
( )
( )
푒 푡 = r − c t
1.2.14 Phần tử so sánh, bộ cộng tín hiệu (Comparison
element, summing point)
Phần tử so sánh, hay là bộ cộng tín hiệu, 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 đặt trước v{ tạo ra một tín hiệu
từ độ lệch n{y, e(t).
Trang - 12 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
1.2.15 Bộ chế biến tín hiệu (Processing unit, Computer v.v.)
Bộ chế biến 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. Các
hoạt động điều khiển, c|c chương trình điều khiển, hay c|c quy luật điều khiển được chế
biến tại đ}y.
1.2.16 Bộ thực hiện (Actuator)
Bộ thực hiện nhận tín hiệu ra l{ tín hiệu t|c động (actuating signal) từ bộ chế biến tín
hiệu chính (bộ điều khiển cơ bản) rồi gia công v{ khuếch đại công suất cho tín hiệu n{y để
gửi tới cơ cấu điều chỉnh để t|c động lên khối lượng v{ dòng năng lượng của đối tượng
được điều khiển.
1.2.17 Cơ cấu điều chỉnh (Adjusting mechanism, Adjusting
organ)
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. Thong 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.
1.2.18 Phần tử thực hiện cuối (Final control element)
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. Như vậy, nó
thường bao gồm bộ thực hiện v{ cơ cấu điều chỉnh.
1.2.19 Biến tác động u(t) (Manipulated variable)
Biến tác động u(t) l{ biến của qu| trình (đối tượng được điều khiển), được bộ điều
khiển thay đổi (gia công) nhằm l{m thay đổi gi| trị của biến được điều khiển. Đôi khi, nó
được gọi l{ đầu v{o (input), hoặc t|c động v{o điều khiển (control input) của đối tượng
được điều khiển. Biến n{y 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 (Actuator).
1.2.20 Tín hiệu tác động (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.
1.2.21 Nhiễu loạn (Disturbances)
Nhiễu loạn l{ c|c biến số D(t) m{ ta không điều khiển được của qu| trình 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 đó, tải của hệ thống l{ một nhiễu lớn nhất,
chủ yếu của hệ.
Trang - 13 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
1.2.22 Tải của hệ thống (Load)
Tải của hệ thống l{ phần năng lượng, vật chất tiêu thụ của hệ thống. Ví dụ, với phòng
học m|y lạnh thì tải l{ nguồn nóng ph|t ra từ người 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 thỉ công suất
tiêu thụ trên trục ch}n vịt l{ tải. Đó chính l{ phần công suất cần thiết để l{m một ch}n vịt
quay được trong nước với tốc độ góc mong muốn.
1.2.23 Phân biệt biến số và thông số (variable vs.
parameter)
Biến số (variable) l{ một đại lượng biến đổi được hoặc điều khiển được của một hệ
thống, mà nó đang thay đổi theo thời gian. Như vậy, biến số l{ một đại lượng của quá 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 không phải l{ biến số, vì
bình thường nó được đặt ở một gi| trị n{o đó, rồi ta để mặc đó.
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 theo bù trừ nhiễu.
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
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 (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 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, khối chế biến tín hiệu sẽ gia cong 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), rồi 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 tỷ lệ, u(t) = Kp x e(t), 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
Trang - 14 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
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.
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 ra c|c sai lệch 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.
Hình 1-5: Sơ đồ khối minh họa một hệ điều khiển theo độ lệch (có phản hồi)
l{ mạch khép kín sơ đồ khối của hệ thống.
1.3.2 Nguyên lý điều khiển tiếp tới (bù trừ nhiễu -
feedforward control)
Khác với nguyên lý điều khiển theo độ lệch, trong hệ điều khiển tiếp 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
Trang - 15 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
theo gi| trị m{ ta tưởng tượng nó đ|ng có. Đ}y l{ một dạng đặc biệt của điều khiển mạch
hở.
Hình 1-6: Minh họa về nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển bù trừ nhiễu
Bộ điều khiển đo thường xuyên một nhiễu l{ độ mở van tho|t (hv) chẳng hạn. Sau đó, độ
mở van tho|t (hv) có thể được so s|nh với gi| trị đặt trước cho độ mở van thoát (hvr), rồi
cũng xuất ra độ lệch e(t) = hvr-hv chỉ của độ mở van tho|t, tức l{ của nhiễu. Từ đó ra quyết
định điều khiển độ mở van cấp nước (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 đương 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 mực nước (sẽ giảm) bằng c|ch tăng độ
mở van cấp một lượng (dhv) tương đương 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, 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 s
lượng thiếu hụt nước v{o két sẽ l{ 3,600 (s) x 0.1 (l/s) = 360 lít. Nếu dung tích két l{ 360 lít
thì như vậy sau một giờ két nước th{nh két rỗng!
Trang - 16 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Chính vì tính tích lũy sai số v{ không có cơ chế kiểm so|t để duy trì gi| trị biến được
điều khiển nằm trong dải giới hạn an to{n, cho nên trong c|c hệ thống có nhiễu lớn thì bộ
điều khiển hoạt động thuần túy theo bù trừ nhiễu không được hoạt động độc lập.
Xem sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động cơ bản của một hệ thống điều khiển
không phải l{ của biến được điều khiển. T|c động điều khiển được gia công từ độ lệch của
nhiễu e*(t).
Hình 1-7: Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hoạt động theo nguyên lý bù trừ nhiễu
(feedforward control)
1.3.3 Bộ điều khiển nhiều xung (multi-element controller)
Để tích hợp được c|c ưu điểm của bộ điều khiển hoạt động theo nguyên lý bù trừ
nhiễu như tính 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, người ta thường
chỉ kết hợp hoạt động điều khiển 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).
Trang - 17 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Hình 1-8: Hệ điều khiển mực nước hai xung, kết hợp độ lệch và bù trừ nhiễu
nhiễu l{ độ mở van tho|t, ta có 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 l{m tăng cường hoạt động điều khiển của hoạt động
theo độ lệch đủ 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 b}y giờ trở th{nh 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 hoạt động tức thì, t|c động điều khiển ,ví dụ là tỷ lệ, u(t) = Kp × e∗(t)
] có cường độ lớn hơn, mực nước được bù trừ sớm hơn v{ nhanh hơn, đương nhiên l{ ổn
định hơn.
Trang - 18 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hai xung, kết hợp độ lệch v{ bù trừ nhiễu được
Hình 1-9: Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển 2 xung, kết
hợp độ lệch và bù trừ nhiễu
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.
Theo mức tự động
Tự động.
Bán tự động.
Bằng tay.
Theo vị trí đặt các phần tử
Tại chỗ.
Trang - 19 -
Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương
Từ xa.
Tập trung.
Phân cụm.
Theo đại lượng được điều khiển
Vị trí.
Tốc độ.
Quá trình.
Theo chức năng
Mạch hở.
Mạch kín.
Liên hệ tới (bù trừ nhiễu).
Liên hệ ngược.
Đa biến.
Kế tiếp.
Tương tự.
Số hóa.
Theo hoạt động điều khiển được sử dụng
Tỷ lệ (P)
Vi phân (đạo hàm) (D)
Tích phân (I)
Kết hợp tỷ lệ, tích phân, vi phân (đạo hàm) (PI, PD, PID)
Theo công chất đựơc sử dụng
Khí nén.
Thủy lực.
Điện.
Cơ.
Điện tử.
Trang - 20 -
Tải về để xem bản đầy đủ
77 trang
24320
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điều khiển tự động - Bùi Hồng Dương", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_dieu_khien_tu_dong_bui_hong_duong.pdf
