Chưa có sản phẩm trong giỏ hàng.
Giới thiệu về hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển là một tập hợp các thành phần làm việc cùng nhau dưới sự chỉ đạo của một số máy móc thông minh. Trong hầu hết các trường hợp, các mạch điện tử cung cấp trí thông minh, và các thành phần cơ điện như cảm biến và động cơ cung cấp giao diện tới thế giới vật lý. Một ví dụ điển hình là ô tô hiện đại. Nhiều loại cảm biến cung cấp cho máy tính bảng về thông tin và tình trạng của động cơ. Máy tính sau đó tính toán lượng nhiên liệu chính xác được phun vào động cơ và điều chỉnh thời điểm đánh lửa. Các bộ phận cơ khí của hệ thống bao gồm động cơ, hộp số, bánh xe, v.v. Để thiết kế, chẩn đoán hoặc sửa chữa các hệ thống phức tạp này, bạn phải hiểu về điện tử, cơ học và các nguyên tắc của hệ thống điều khiển.
Trong những thập kỷ trước, cái gọi là máy móc hoặc quy trình tự động được điều khiển chủ yếu bởi mạch điện tử tương tự, hoặc mạch sử dụng công tắc, rơ le và bộ hẹn giời. Kể từ khi ra đời của bộ vi xử lý, ngày càng có nhiều thiết bị và hệ thống được thiết kế lại để kết hợp bộ điều khiển vi xử lý. Ví dụ bao gồm máy sao chép, máy pha nước giải khát, rô bốt và bộ điều khiển quy trình công nghiệp. Nhiều trong số các máy móc đang tận dụng sức mạnh xử lý gia tăng đi kèm với bộ vi xử lý và do đó, ngày càng trở nên tinh vi hơn với nhiều tính năng mới. Lấy ô tô hiện đại làm ví dụ, ý tưởng ban đầu đối với máy tính bảng là để thay thế cơ khí và hệ thống lái chân không (vacuum-driven subsystem) được sử dụng trong bộ phân phối và bộ chế hòa khí. Tuy nhiên, sau khi máy tính được thiết kế đã làm cho hệ thống tinh vi hơn, ví dụ: tự điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu / không khí để thay đổi độ cao. Ngoài ra, các tính năng như máy tính hỗ trợ chẩn đoán động cơ có thể được thực hiện mà không cần thêm nhiều chi phí. Xu hướng này hướng tới máy tính hóa sự kiểm soát chắc chắn sẽ tiếp tục trong tương lai.
Trong một hệ thống điều khiển hiện đại, trí thông minh điện tử điều khiển một số quá trình vật lý. Hệ thống điều khiển là “tự động” trong những thứ như việc bay tự động và máy giặt tự động. Bởi vì bản thân máy móc đưa ra các quyết định thường xuyên, người vận hành được tự do để làm những việc khác. Trong nhiều trường hợp, trí thông minh của máy móc tốt hơn sự điều khiển trực tiếp của con người vì nó có thể phản ứng nhanh hơn hoặc chậm hơn (theo dõi các thay đổi chậm trong thời gian dài), phản hồi chính xác hơn và duy trì nhật ký chính xác về hiệu suất của hệ thống.
Hệ thống điều khiển có thể được phân loại theo nhiều cách. Một hệ thống điều chỉnh (regular system) tự động duy trì một tham số ở (hoặc gần) một giá trị được chỉ định. Một ví dụ về điều này là một hệ thống sưởi ấm tại nhà, hệ thống duy trì nhiệt độ cài đặt mặc dù điều kiện bên ngoài thay đổi. Một hệ thống theo sát (follow-up system) khiến đầu ra tuân theo một đường dẫn đã được chỉ định trong nâng cao. Một ví dụ là một robot công nghiệp di chuyển các bộ phận từ nơi này sang nơi khác. Một hệ thống điều khiển sự kiện (event control system) điều khiển một chuỗi sự kiện tuần tự. Một ví dụ là máy giặt hoạt động theo một chuỗi các bước đã được lập trình trước.
Hệ thống điều khiển tự nhiên đã tồn tại từ thuở sơ khai. Xem xét cách cơ thể con người điều hòa nhiệt độ. Nếu cơ thể cần tự làm nóng, lượng calo từ thức ăn là chuyển đổi để sản xuất nhiệt; mặt khác, sự bay hơi gây ra sự nguội lạnh. Vì bay hơi kém hiệu quả hơn (đặc biệt là trong điều kiện khí hậu ẩm ướt), không có gì đáng ngạc nhiên khi cơ thể chúng ta nhiệt độ (98,6 ° F) được đặt gần điểm cuối của phổ nhiệt độ của Trái đất (thành giảm nhu cầu về hệ thống làm mát). Nếu cảm biến nhiệt độ trong cơ thể nhận thấy sự sụt giảm về nhiệt độ, chúng báo hiệu cơ thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn. Nếu các cảm biến cho biết quá cao nhiệt độ, chúng báo hiệu cơ thể đổ mồ hôi.
Các hệ thống điều khiển do con người tạo ra đã tồn tại dưới một số hình thức kể từ thời cổ đại Người Hy Lạp. Một thiết bị thú vị được mô tả trong tài liệu là một hồ nước có thể không bao giờ cạn nước. Bể bơi có một quả cầu phao và van được che giấu tương tự như cơ chế phao của bồn cầu. Khi mực nước hạ thấp, phao sẽ hạ xuống và mở ra một van tiếp nhận nhiều nước hơn.
Hệ thống điều khiển điện là một sản phẩm của thế kỷ XX. Cơ điện rơ le được phát triển và sử dụng để điều khiển từ xa các động cơ và thiết bị. Rơle và các công tắc cũng được sử dụng như các cổng logic đơn giản để thực hiện một số thông tin. Sử dụng công nghệ ống chân không, sự phát triển đáng kể trong hệ thống điều khiển đã được thực hiện trong Chiến tranh Thế giới II. Hệ thống điều khiển vị trí động (cơ chế dịch vụ) đã được phát triển cho các ứng dụng máy bay, tháp súng và ngư lôi. Ngày nay, các hệ thống điều khiển vị trí hay định vị được được sử dụng trong các công cụ cơ khí, quy trình công nghiệp, rô bốt, ô tô và máy văn phòng.
Trong khi đó, những phát triển khác trong lĩnh vực điện tử đã tác động đến việc thiết kế hệ thống điều khiển. Các thiết bị trạng thái rắn bắt đầu thay thế các rơ le nguồn trong mạch điều khiển động cơ. Bóng bán dẫn và bộ khuếch đại hoạt động mạch tích hợp (IC op-amps) trở thành có sẵn cho bộ điều khiển tương tự. Các mạch tích hợp kỹ thuật số đã thay thế logic rơ le cồng kềnh. Cuối cùng, và có lẽ quan trọng nhất, bộ vi xử lý cho phép tạo ra bộ điều khiển kỹ thuật số rẻ tiền, đáng tin cậy, có thể điều khiển các quy trình phức tạp và có thể thích ứng (nếu công việc thay đổi, bộ điều khiển có thể được lập trình lại).
Chủ đề hay các đối tượng của hệ thống điều khiển thực sự khá nhiều: điện tử (cả tương tự và kỹ thuật số), thiết bị điều khiển công suất, cảm biến, động cơ, cơ khí và lý thuyết hệ thống điều khiển, liên kết tất cả các khái niệm này với nhau. Nhiều sinh viên tìm thấy đối tượng điều khiển hệ thống thú vị bởi vì nó đề cập đến các ứng dụng của phần lớn lý thuyết mà họ đã được tiếp xúc. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày những chủ đề chính tạo nên một hệ thống điều khiển theo thứ tự mà chúng xuất hiện trong một sơ đồ khối của hệ thống điều khiển.
1. Các thành phần cơ bản và sơ đồ khối của hệ điều khiển
Mọi hệ thống điều khiển đều có (ít nhất) một bộ điều khiển (controller) và một bộ truyền động (actuator), còn được gọi là phần tử điều khiển cuối . Trong sơ đồ khối trong Hình 1, bộ điều khiển là bộ não của hệ thống điều khiển và thường là thiết bị điện tử. Đầu vào cho bộ điều khiển được gọi là bộ điểm (point set), là tín hiệu biểu diễn/đáp trả cho đầu ra hệ thống mong muốn. Bộ truyền động là thiết bị cơ điện, nó lấy tín hiệu từ bộ điều khiển và chuyển đổi thành một số loại hành động vật lý. Ví dụ về thiết bị truyền động điển hình là động cơ điện, van điều khiển, hoặc bộ phận gia nhiệt. Khối cuối cùng trong Hình 1.1 được gọi là quá trình (Process) có đầu ra (output) là biến được điều khiển hay biến trạng thái. Khối quá trình đại diện cho một quá trình vật lý bị tác động bởi bộ truyền động biến được điều khiển là kết quả có thể đo lường được của quá trình đó. Ví dụ, nếu bộ truyền động là bộ phận đốt nóng bằng điện trong lò, thì quá trình này là “làm nóng lò” và biến được điều khiển là nhiệt độ trong lò lửa. Nếu bộ truyền động là một động cơ điện làm quay một ăng-ten, thì quá trình này là “quay của ăng-ten” và biến được điều khiển là vị trí góc của ăng-ten.
2. Hệ thống điều khiển vòng mở(Open-Loop Control Systems)
Hệ thống điều khiển có thể được chia thành hai loại: hệ thống vòng mở/hở và vòng kín. Trong hệ thống điều khiển vòng hở, bộ điều khiển tính toán chính xác một cách độc lập điện áp hoặc dòng điện cần thiết của bộ truyền động để thực hiện công việc và gửi nó tới bộ truyền động. Với cách tiếp cận này, bộ điều khiển không bao giờ thực sự biết liệu bộ truyền động có làm những gì nó được yêu cầu hay không vì không có phản hồi. Hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào sự hiểu biết của người điều khiển các đặc tính hoạt động của bộ truyền động
Ví dụ 1: Hình 2 mô tả một hệ thống điều khiển vòng hở. Bộ truyền động là động cơ truyền động một cánh tay robot. Trong trường hợp này, quá trình là “cánh tay di chuyển” và biến được điều khiển (hay đầu ra) là vị trí góc của cánh tay. Các thử nghiệm trước đó đã chỉ ra rằng động cơ quay cánh tay với vận tốc 5 độ / s ở điện áp định mức. Giả định rằng bộ điều khiển được hướng đến để di chuyển cánh tay từ 0 ° đến 30 °. Biết đặc điểm của quá trình, bộ điều khiển sẽ gửi một xung điện 6 giây tới motor. Nếu motor hoạt động bình thường, nó sẽ quay chính xác 30 ° trong 6 giây và dừng lại. Tuy nhiên, vào những ngày đặc biệt lạnh, chất bôi trơn sẽ đặc hơn (dày hơn), gây ra nhiều ma sát bên trong hơn và động cơ chỉ quay 25 ° trong 6 giây; kết quả là một lỗi 5 °. Bộ điều khiển không có cách nào để biết lỗi và không làm gì để sửa nó.
Hình 2
Hệ thống điều khiển vòng hở thích hợp trong các ứng dụng mà các hoạt động của bộ truyền động lên quá trình có độ tin cậy cao và lặp lại. Rơ le và động cơ bước là các thiết bị có đặc tính đáng tin cậy và thường là các hoạt động vòng lặp mở.
3. Hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop control systems)
Trong hệ thống điều khiển vòng kín, đầu ra của quá trình (biến được điều khiển) liên tục được giám sát bởi một cảm biến, như trong Hình 3 (a). Cảm biến lấy mẫu hệ thống đầu ra và chuyển đổi phép đo này thành tín hiệu điện rồi nó chuyển trở lại bộ điều khiển. Bởi vì bộ điều khiển biết hệ thống thực sự đang làm gì, nó có thể thực hiện bất kỳ điều chỉnh nào cần thiết để giữ đầu ra như mong muốn. Tín hiệu từ bộ điều khiển đến bộ truyền động là đường chuyển tiếp (forward path) và tín hiệu từ cảm biến đến bộ điều khiển là tín hiệu phản hồi (feedback) được trừ đi từ tập điểm đặt tại bộ so sánh (ngay phía trước bộ điều khiển). Bằng việc trừ đi từ vị trí thực tế (theo báo cáo của cảm biến) từ vị trí mong muốn (khi được xác định bởi tập điểm), chúng ta nhận được lỗi hệ thống. Tín hiệu lỗi thể hiện sự khác biệt giữa “bạn đang ở đâu” và “bạn muốn ở đâu”. Bộ điều khiển luôn làm việc để giảm thiểu tín hiệu lỗi này. Lỗi 0 có nghĩa là đầu ra chính xác điểm thiết lập cho biết nó phải như vậy.
Hình 3
Ví dụ 2: Như một ví dụ về hệ thống điều khiển vòng kín, hãy xem xét lại cánh tay robot nghỉ ở 0 ° [xem Hình 3]. Lần này một chiết áp (potentionmeter) đã được kết nối trực tiếp với trục động cơ. Khi trục quay, điện trở của triết áp thay đổi. Điện trở được chuyển đổi thành điện áp và sau đó được đưa trở lại bộ điều khiển. Để điều khiển cánh tay đến 30 °, điện áp điểm đặt tương ứng với 30 ° được gửi đến bộ điều khiển. Bởi vì cánh tay thực tế vẫn đang nghỉ ở 0 °, tín hiệu lỗi “Nhảy lên” đến 30 °. Ngay lập tức, bộ điều khiển bắt đầu điều khiển động cơ trong một hướng để giảm lỗi. Khi cánh tay tiếp cận 30 °, bộ điều khiển làm chậm lại chiếc motor; khi cánh tay cuối cùng đạt đến 30 °, động cơ dừng lại. Nếu tại một thời gian sau đó, một lực bên ngoài di chuyển cánh tay ra khỏi mốc 30 °, tín hiệu lỗi sẽ xuất hiện lại, và động cơ sẽ lại lái cánh tay đến vị trí 30 °.
Tính năng tự điều chỉnh của điều khiển vòng kín làm cho nó trở nên thích hợp hơn so với điều khiển vòng mở trong nhiều ứng dụng, mặc dù yêu cầu cần phải bổ sung thêm phần cứng. Điều này là bởi vì hệ thống vòng kín cung cấp sự trình diễn đáng tin cậy và có thể lặp.
Ví dụ 3: Hệ thống điều khiển tự động mực nước bể.
Hình 4
Đây là ví dụ thực tế đơn giản nhất của hệ điều khiển vòng kín hay điều khiển tự động mực nước bể. Trong hệ thống này, Rơ le đóng vai trò là Controller, máy bơm đóng vai trò là Actuator hay bộ truyền động, và Phao đóng vai trò là cảm biến. Cơ chế hoạt động của hệ thống này như sau. Khi mực nước cạn (xuống dưới mức định sẵn), Phao sẽ bị kéo xuống và công tắc phao được đóng, gửi tín hiệu 5v tới Rơ le. Rơ le bật lên và máy bơm bắt đầu hoạt động. Khi nước trong bể dâng cao, phao sẽ nổi lên và công tắc phao bị ngắt gửi tín hiệu 0v tới Rơ le, Rơ le sẽ tự ngắt điện và máy bơm ngừng hoạt động.
4. Hàm truyền (transfer function)
Về mặt vật lý, hệ thống điều khiển là một tập hợp các bộ phận và mạch điện được kết nối cùng nhau để thực hiện một chức năng hữu ích. Mỗi thành phần trong hệ thống chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác; ví dụ, một cảm biến nhiệt độ chuyển đổi độ sang vôn, một động cơ chuyển đổi vôn thành số vòng quay mỗi phút. Để mô tả sự trình diễn của toàn bộ hệ thống điều khiển, chúng ta phải có một số ngôn ngữ chung để chúng tôi có thể tính toán các tác động tổ hợp của các thành phần khác nhau trong hệ thống. Sự cần thiết này nằm sau khái niệm hàm truyền được định nghĩa thông qua phép biến đổi Fourier mà chúng ta sẽ đề cập sau.
Hàm truyền (TF) là một mối quan hệ toán học giữa đầu vào và đầu ra của một thành phần hệ thống điều khiển và được định nghĩa bởi công thức
TF=Ouput/ Input (1)
Ví dụ 4: Một chiết áp được sử dụng như một cảm biến vị trí [Hình 3]. Cái triết áp là được cấu hình theo cách 0 ° quay tạo ra 0 V và 300 ° tạo ra 10 V. Tìm hàm truyền của triết áp.
Lời giải: TF=Output/Input=10V/300 deg=0.033V/deg
Ví dụ 5: Đối với cảm biến đo nhiệt độ, đầu vào là nhiệt độ và đầu ra là Vôn. Hàm truyền cảm biến được đưa ra là 0,01 V / độ. Tìm điện áp của cảm biến nếu nhiệt độ là 600 ° F.
Lời giải: TF=Output/Input. Do đó Output=TF x Input=0,01x 600=6V.
Như đã nói hàm truyền có thể được sử dụng để phân tích toàn bộ một hệ thống của nhiều thành phần. Do đó chúng ta cần thiết lập công thức hàm truyền cho các hệ thống phức tạp hơn.
4.1. Hệ thống gồm các thành phần nối tiếp
Một tình huống thường gặp nhất là hệ thống bao gồm các thành phần nối tiếp nhau, ở đó đầu ra của thành phần này là đầu vào của thành phần tiếp theo. Hình 4 mô tả sơ đồ khối của cấu trúc nối tiếp này. Nếu chúng ta gọi Ttot là hàm truy của thành phần cuối cùng và TFi là hàm truyền của thành phần thứ i, khi đó ta có công thức
TFtot= TF1xTF2x….x TFn. (2)
Hình 5
Hình 6
Chứng minh công thức (2) khá dễ dàng bằng phép qui nạp toán hoc. Do vậy chỉ cần chứng minh trường hợp n=2 là đủ (xem Hình 6). Ta gọi U là đầu ra của khối thứ nhất, thì U là đầu vào của khối thứ 2. Khi đó ta có
U= TF1 x Input, Output=TF2 x U. Do đó TFtot =Output/Input= TF2 x U/ (U/TF1) =TF1 x TF2.
Ví dụ 6. Xét hệ điều khiển mà ở đó hệ thống truyền động gồm: motor, gear (hộp sô) và Winch (tay quay) xem Hình 7. Cứ mỗi 1 v, motor sẽ quay với tốc độ 100 rpm (vòng trên phút), còn trục của gear quay với tôc độ bằng ½ vận tốc của motor. Còn tay quay với chu vi 3 inch, sẽ chuyển đổi chuyển động tròn thành vận tốc thẳng. Các hàm truyền của mỗi thành phần được cho như sau:
Motor: TFm = 100rpm/1V
Gear: TFg = 1rpm/2rpm=0,5
Winch: TFw=Outpu/Input=(3 in/min)/ 1rpm=3in/rpm.
Khi đó TFtot =100x 0,5 x3 =150 in/mi.
Nếu đầu vào là 12V thì Output của hệ thống là 150x 12= 1800 in/min.
Hình 7
4.2. Hệ thống có các thành phần nối song song
Hình 8
Trong trường hợp này, hàm truyền TFtot được cho bởi công thức
TFtot= TF1 + TF2 (3)
5. Hệ điều khiển số và tương tự
Trong hệ thống điều khiển tương tự, bộ điều khiển bao gồm các thiết bị tương tự truyền thống và mạch, tức là, các bộ khuếch đại tuyến tính. Hệ thống điều khiển ban đầu là tương tự vì nó là công nghệ sẵn có duy nhất. Trong hệ thống điều khiển tương tự, bất kỳ thay đổi nào của một trong hai tập điểm hoặc phản hồi được cảm nhận ngay lập tức và bộ khuếch đại điều chỉnh đầu ra của chúng (để cơ cấu chấp hành) cho phù hợp.
Trong hệ thống điều khiển kỹ thuật số, bộ điều khiển sử dụng mạch kỹ thuật số. Trong hầu hết các trường hợp, mạch này thực sự là một máy tính, thường dựa trên bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển. Máy tính thực hiện một chương trình lặp đi lặp lại (mỗi lần lặp lại được gọi là một lần lặp hoặc quét). Chương trình hướng dẫn máy tính đọc tập điểm (point set) và dữ liệu cảm biến và sau đó sử dụng những con số này để tính toán đầu ra của bộ điều khiển (được gửi đến bộ truyền động). Các chương trình sau đó lặp lại từ đầu và bắt đầu lại từ đầu. Tổng thời gian cho một lần thông qua chương trình có thể ít hơn 1 mili giây (mili giây). Hệ thống kỹ thuật số chỉ “nhìn” tại các đầu vào tại một thời điểm nhất định trong quá trình quét và đưa ra đầu ra được cập nhật sau đó. Nếu một đầu vào thay đổi ngay sau khi máy tính xem xét nó, thay đổi đó sẽ không bị phát hiện cho đến khi thông qua quá trình quét lần sau. Điều này về cơ bản khác với hệ thống tương tự, liên tục và phản hồi ngay lập tức với bất kỳ thay đổi nào. Tuy nhiên, đối với hầu hết các điều khiển kỹ thuật số hệ thống, thời gian quét quá ngắn so với thời gian phản hồi của quá trình được điều khiển đó, đối với tất cả các mục đích thực tế, phản hồi của bộ điều khiển là tức thời.
Hình 9
Thế giới vật chất về cơ bản là một “nơi tương tự”. Các sự kiện tự nhiên cần có thời gian để xảy ra, và chúng thường di chuyển liên tục từ vị trí này sang vị trí khác. Do đó, hầu hết các hệ thống điều khiển đang điều khiển các quá trình tương tự. Điều này có nghĩa là, trong nhiều trường hợp, hệ thống điều khiển kỹ thuật số trước tiên phải chuyển đổi dữ liệu đầu vào tương tự trong thế giới thực sang dạng kỹ thuật số trước khi nó có thể được sử dụng. Tương tự, đầu ra từ bộ điều khiển kỹ thuật số phải chuyển từ dạng số trở lại dạng tương tự. Hình 8 cho thấy một sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển vòng kín kỹ thuật số. Lưu ý hai khối bổ sung: bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Cũng lưu ý rằng dòng phản hồi được hiển thị đi trực tiếp vào bộ điều khiển. Điều này nhấn mạnh thực tế là máy tính, không phải một mạch trừ riêng biệt, tạo ra sự so sánh giữa tập điểm và tín hiệu phản hồi.
Tác giả: TS. Hoàng Hữu Hưng
Tài liệu tham khảo
Christopher T. Kilian, Modern Control Technology: Components and System, Cengage Learning; 3rd edition (March 30, 2005).