Skip to content Skip to navigation

Connexions

You are here: Home » Content » TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Navigation

Recently Viewed

This feature requires Javascript to be enabled.
 

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Module by: VOCW. E-mail the author

Summary: Giới thiệu những khái niệm cơ bản về hệ thống điều khiển.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1. Hệ thống điều khiển

1.1.1. Định nghĩa hệ thống điều khiển

Trong một số các tài liệu, danh từ hệ thống (system) được định nghĩa là tập hợp hay sắp xếp kết nối có trật tự các phần tử vật lý theo một thể.

Danh từ điều khiển (control) thường mang ý nghĩa là điều chỉnh (regulate), hướng đến nhắm đến (direct) và thực thi tác vụ hay một lệnh (command).

Như vậy hệ thống điều khiển được hiểu là một tập hợp sắp xếp trật tự các phần tử vật lý theo một thể, để nó có thể tự điều chỉnh, định hướng và thực thi tác vụ cho riêng bản thân nó hoặc cho các hệ thống khác.

1.1.2. Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển bao gồm (xem Hình 1.1):

- Mục tiêu điều khiển (input).

- Các phần tử của hệ thống bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển.

- Kết quả hay tín hiệu ra (output).

Hình 1
Hình 1 (graphics1.png)

Hình 1.1

Danh từ mục tiêu điều khiển còn được gọi là tín hiệu vào (input), hay các tín hiệu kích thích và kết quả nhận được từ hệ thống điều khiển còn được gọi là tín hiệu ra (outputs) hay các biến điều khiển.

Một cách tổng quát, đối tượng của hệ thống điều khiển được điều khiển để có các tín hiệu ra tuân theo qui định của tín hiệu vào thông qua các phần tử trong hệ thống điều khiển.

Tín hiệu vào là các tác nhân (hay kích thích) từ nguồn năng lượng ngoài cấp đến hệ thống điều khiển để tạo ra các đáp ứng mong muốn. Tín hiệu ra là các đáp ứng thực sự từ hệ thống điều khiển, có thể giống hay không giống đáp ứng mong muốn được xác định bởi các tín hiệu vào.

1.2. Phân lọai hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển thường được phân thành hai dạng:

- Hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop).

- Hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop).

Để phân biệt các hệ thống trên chúng ta căn cứ vào tác động điều khiển (control action), đó là quá trình định lượng tác động lên hệ thống điều khiển để hình thành các tín hiệu ngõ ra.

1.2.1. Hệ thống điều khiển vòng hở

Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống có tác động điều khiển độc lập với tín hiệu ngõ ra.

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở

Hai điểm nổi bật của hệ thống điều khiển vòng hở là:

- Khả năng đạt chính xác được xác định bằng phương thức định cở (calibrate). Định cở có nghĩa là thành lập hay tái lập quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra để đạt được mức chính xác mong muốn cho hệ thống.

- Hệ thống thường không gặp sự cố bất ổn định (instability), điều này sẽ được trình bày trong các chương sau.

1.2.2. Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống có tác động điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu ngõ ra. Hệ thống điều khiển vòng kín còn được gọi là hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control systems).

Muốn phân loại được hệ thống điều khiển vòng kín hay vòng hở, phải phân biệt rõ ràng các thành phần của hệ thống với các thành phần không thuộc hệ thống nhưng có tương tác lên hệ thống.

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín

1.3. Hồi tiếp

Hồi tiếp là đặc tính của hệ thống điều khiển vòng kín dùng phân biệt với hệ thống điều khiển vòng hở. Khảo sát hồi tiếp trong hệ thống điều khiển vòng kín là đối tượng chính của môn học điều khiển tự động.

1.3.1. Định nghĩa

Hồi tiếp là tính chất của hệ thống điều khiển vòng kín cho phép ngõ ra (hay các biến điều khiển khác của hệ thống) được so sánh với tín hiệu ngõ vào hệ thống (hay các tín hiệu ngõ vào trên các phần tử khác trong hệ thống hoặc các hệ thống phụ) để tạo được các tác động điều khiển mong muốn dưới dạng hàm quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra.

Tổng quát hơn, hồi tiếp được xem là tồn tại trong hệ thống khi có một chuổi kín của các quan hệ nhân quả liên kết các biến số của hệ thống.

1.3.2. Tính chất của hồi tiếp

Các tính chất quan trọng biểu hiện của các thành phần hồi tiếp trong hệ thống được liệt kê như sau:

- Gia tăng mức chính xác.

- Giảm độ lợi của tỉ số tín hiệu ngõ vào với ngõ ra.

- Giảm ảnh hưởng phi tuyến.

- Gia tăng băng thông. Băng thông của hệ thống là dảy tần số (của tín hiệu ngõ vào) mà trên dảy giá trị này hệ thống thỏa các đáp ứng.

- Có khuynh hướng dẫn đến dao động hay bất ổn.

1.4. Bài toán kỹ thuật cho hệ thống điều khiển

Các bài toán kỹ thuật thông thường của hệ thống điều khiển bao gồm hai vấn đề chủ yếu:

- Giải tích (analysis) cấu hình (configuration) của hệ thống điều khiển.

- Thiết kế (Design) cấu hình của hệ thống điều khiển.

Giải tích là nghiên cứu, tìm hiểu tính chất của hệ thống hiện có. Bài toán thiết kế là chọn lựa, sắp xếp hợp lý các phần tử để hình thành hệ thống điều khiển nhằm thực hiện các nhiệm vụ đặt ra.

Hai phương pháp thường dùng trong thiết kế là thiết kế theo phương pháp giải tích và thiết kế theo phương pháp tổng hợp (synthesis).

- Thiết kế theo phương pháp giải tích được hình thành bằng cách thay đổi hiệu chỉnh các đặc tính của cấu hình một hệ thống tiêu chuẩn sẳn có.

- Thiết kế theo phương pháp tổng hợp được hình thành bằng cách định nghĩa trực tiếp mẫu dạng của hệ thống thông qua các đặc tính của nó.

1.5. Mô hình biểu diễn hệ thống

Muốn giải các bài toán về hệ thống điều khiển, đặc tính mô tả cấu hình của hệ thống và các phần tử phải được đưa vào theo mẫu điều khiển được để giải tích, thiết kế hay đánh giá hệ thống. Có ba dạng biểu diễn cho mô hình của các phần tử vật lý và hệ thống được áp dụng rộng rãi khi khảo sát hệ thống điều khiển:

- Phương trình vi phân hay các công cụ toán học khác.

- Sơ đồ khối (block diagram).

- Graph dòng tín hiệu (signal flow graphs).

Sơ đồ khối và Graph dòng tín hiệu là dạng thu gọn biểu diễn bằng đồ họa các hệ thống vật lý hay theo tập hợp các phương trình toán học mô tả đặc tính của từng thành phần. Mô hình toán học, dưới dạng hệ thống phương trình, được áp dụng khi cần thiết diễn tả các quan hệ. Với mỗi hệ thống điều khiển có thể được đặc tính hóa một cách lý thuyết bằng các phương trình toán.

Giải nghiệm của các phương trình biểu diễn tính chất của hệ thống.Thông thường các giải nghiệm này rất phức tạp và khó xác định kết quả. Hầu hết các hệ thống điều khiển đưa ra dưới dạng đơn giản gần đúng mô tả bằng hệ phương trình vi phân tuyến tính. Các phương pháp tính toán nghiệm số của hệ phương trình này được giới thiệu trong các giáo trình tài liệu về phương pháp tính. Tuy nhiên trong môn học này sẽ giới thiệu các phương pháp toán dùng khảo sát các hệ thống điều khiển và không chú tâm đến phương pháp giải toán để xác định giải nghiệm.

1.6. Sơ đồ khối

1.6.1. Khối cơ bản

Sơ đồ khối là dạng biểu diễn thu gọn bằng hình vẽ, mô tả quan hệ giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu ngõ vào của một hệ thống vật lý. Sơ đồ khối là phương pháp tiện lợi và hữu hiệu trong việc đặc tính hóa các quan hệ hàm giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống điều khiển. Các thành phần của hệ thống còn được gọi là phần tử của hệ thống. Dạng sơ đồ khối đơn giản là một khối đơn chỉ có một tín hiệu ngõ vào và một tín hiệu ngõ ra, xem Hình 1.4.

Hình 2
Hình 2 (graphics2.png)

Hình 1.4

Trong Hình 1.5 trình bày khối mô tả quan hệ giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra theo phép tính đạo hàm.

Hình 3
Hình 3 (graphics3.png)

Hình 1.5

1.5.2. Điểm tổng hợp

Đối với các phép tính cộng hay trừ các tín hiệu được biểu diễn bằng khối có ký hiệu riêng, xem Hình 1.6. Khối bao gồm vòng tròn được gọi là điểm tổng hợp, có ký hiệu các dấu cộng (+) hay trừ (-) tại các mủi tên đi đến vòng tròn. Tín hiệu ra khỏi vòng tròn là tổng đại số của các tín hiệu ngõ vào.

Hình 4
Hình 4 (graphics4.png)

Hình 1.6 Sơ đồ của điểm tổng hợp.

Trong các tài liệu về điều khiển tự động, một số tác giả biểu diễn điểm tổng hợp theo Hình 1.7.

Hình 5
Hình 5 (graphics5.png)

Hình 1.7

1.5.3. Điểm rẽ nhánh

Muốn cung cấp một tín hiệu hay biến số như là ngõ vào cho nhiều khối hay điểm tổng hợp, ta sử dụng đến điểm rẽ nhánh (takeoff point), xem Hình 1.8. Tại điểm này cho phép một tín hiệu phân thành nhiều đường theo các hướng khác nhau.

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 1.8

Thí dụ 1.1

Cho hệ thống điều khiển có các biến số x1, x2,. . ., xn và các hệ số a1, a2, . . ., an là các hằng số thực. Vẽ sơ đồ khối mô tả quan hệ của các biến ngõ vào với ngõ ra của hệ thống điều khiển lần lượt thỏa các quan hệ sau:

a. x3 = a1.x1 + a2x2 – 5

b. xn = a1x1 + a2x2+ . . . + an-1.xn-1

Giải

(a) Với quan hệ: x3 = a1.x1 + a2x2 – 5, chúng ta thực hiện sơ đồ khối bao gồm khối cơ bản và điểm tổng hợp trình bày trong Hình 1.9.

Hình 6
Hình 6 (graphics6.png)

Hình 1.9

(b) Với quan hệ: xn = a1x1 + a2x2+ . . . + an-1.xn-1, thực hiện tương tự như câu a, chúng ta có được sơ đồ khối của hệ thống như sau, xem Hình 1.10.

Hình 7
Hình 7 (graphics7.png)

Hình 1.10

Thí dụ 1.2

Vẽ sơ đồ khối mô tả cho từng quan hệ sau:

a. graphics8.png

b. graphics9.png

c. graphics10.png

Giải

(a) Với quan hệ cho trong câu a, chúng ta dùng khối thực hiện phép tính đạo hàm và khối tỉ lệ với hệ số tỉ lệ là a1.

Hình 8
Hình 8 (graphics11.png)

Hình 1.11

Tuy nhiên chúng ta cũng có thể thu gọn thành một khối duy nhất, xem Hình 1.11. Trong trường hợp a1 là hằng số chúng ta có thể trình bày sơ đồ khối theo Hình 1.12.

Hình 9
Hình 9 (graphics12.png)

Hình 1.12

Trong Hình 1.12, chúng ta hoán vị các khối tỉ lệ với khối đạo hàm mà không làm thay đổi kết quả trên ngõ ra. Cần nhớ rằng khi a1 không phải là hằng số chúng ta không thể hoán vị các khối theo Hình 1.12. Bởi vì:

graphics13.png.

(b) Với quan hệ graphics14.png chúng ta thực hiện sơ đồ khối theo một trong hai dạng trình bày trong Hình 1.13.

Hình 10
Hình 10 (graphics15.png)

Hình 1.13

(c) Với quan hệ graphics16.png, chúng ta trình bày theo khối tích phân đơn giản như trong Hình 1.14.

Hình 11
Hình 11 (graphics17.png)

Hình 1.14

1.7. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hồi tiếp

Các khối biểu diễn các phần tử khác nhau trong hệ thống điều khiển được liên kết theo đặc tính mô tả quan hệ của chúng trong hệ thống. Cấu hình cơ bản của hệ thống điều khiển vòng kín được trình bày trong Hình 1.15.

Hình 12
Hình 12 (graphics18.png)

Hình 1.15

Trong Hình 1.15 trình bày các mủi tên của vòng kín liên kết từ một khối đến các khối khác, biểu thị hướng của dòng năng lượng điều khiển hay thông tin và không là nguồn năng lượng chính của hệ thống. Nguồn năng lượng chính không xuất hiện trong vòng kín điều khiển của hệ thống.

1.7.1. Thuật ngữ của sơ đồ khối vòng kín

Các thuật ngữ sử dụng trong sơ đồ khối vòng kín phải có đặc điểm: rõ ràng, dễ hiểu và dễ nhớ.

Các ký tự viết bằng chữ thường dùng biểu diễn cho các biến ngõ vào và ngõ ra của mỗi phần tử như g1, g2 và h. Các đại lượng này thường là các hàm theo biến thời gian t, trừ khi chúng có các đặc tính khác. Các ký tự r, c, m được chọn để duy trì trạng thái chung của các khối

- Định dạng g2 còn được gọi là đối tượng điều khiển, đó là thành phần chính, một quá trình hay một thiết bị có các đại lượng đặc biệt hay các điều kiện cần được điều khiển.

- Phần tử điều khiển g1 còn được gọi là bộ điều khiển là các phần tử cần thiết để tạo ra tín hiệu điều khiển m tác động đến khối định dạng.

- Các phần tử hồi tiếp h là các phần tử cần thiết để hoàn thành các quan hệ hàm giữa tín hiệu hồi tiếp sơ cấp b với tín hiệu điều khiển trên ngõ ra c.

- Tín hiệu tham chiếu ngõ vào r là các tín hiệu ngoài cung cấp đến hệ thống điều khiển có hồi tiếp để yêu cầu thực thi các tác động riêng cho thiết bị. Tín hiệu này thường thể hiện tính chất ngõ ra mẫu thiết bị lý tưởng.

- Tín hiệu điều khiển trên ngõ ra c là các định lượng hay điều kiện của thiết bị được điều khiển.

- Tín hiệu hồi tiếp sơ cấp b có quan hệ hàm theo tín hiệu điều khiển ngõ ra c, tín hiệu hồi tiếp được cộng đại số với tín hiệu ngõ vào r để tạo ra tín hiệu tác động thực sự e. Tín hiệu sai lệch e còn được gọi là tín hiệu tác động là tổng đại số của tín hiệu tham chiếu ngõ vào r cộng hay trừ (thường là trừ) với tín hiệu hồi tiếp sơ cấp b.

- Điều khiển biến số m (tín hiệu điều khiển) là các đại lượng hay điều kiện mà khối phần tử điều khiển g1 tác động đến khối định dạng g2.

- Nhiểu u là các tín hiệu vào không mong muốn có ảnh hưởng đến tín hiệu ngõ ra c. Tín hiệu này có thể cấp vào khối định dạng để tác động phối hợp với m.

- Đường tiến là đường truyền từ tín hiệu tác động e đến tín hiệu ngõ ra c .

- Đường hồi tiếp là đường truyền từ tín hiệu ngõ ra đến tín hiệu hồi tiếp b.

1.7.2. Các thuật ngữ khác dùng trong hệ thống điều khiển hồi tiếp

Bộ chuyển đổi (transducer) là thiết bị dùng chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang một dạng khác.

Trong hệ thống điều khiển tự động, biến trở là bộ chuyển đổi cơ bản thông dụng thường sử dụng biến đổi vị trí cơ học sang tín hiệu điện áp.

Hình 13
Hình 13 (graphics19.png)

Hình 1.16

Tín hiệu yêu cầu (command) v của tín hiệu ngõ vào thường bằng với tín hiệu tham chiếu r trên ngõ vào. Khi năng lượng tạo thành tín hiệu v không bằng với tín hiệu hồi tiếp sơ cấp b; cần bố trí bộ chuyển đổi giữa tín hiệu yêu cầu

v với tín hiệu vào tham chiếu r, xem Hình 1.17.

Hình 14
Hình 14 (graphics20.png)

Hình 1.17

Khi phần tử hồi tiếp cần thiết có bộ chuyển đổi cho tín hiệu ngõ vào, xem Hình 1.18, thành phần cần sử dụng trong sơ đồ khối là khối phát hiện sai số.

Hình 15
Hình 15 (graphics21.png)

Hình 1.18

Hồi tiếp âm (Negative Feedback) có nghĩa là điểm tổng hợp được sử dụng như bộ trừ các tín hiệu: e = r - b.

Hồi tiếp dương (Positive Feedback) có nghĩa là điểm tổng hợp được sử dụng như bộ cộng các tín hiệu: e = r - b.

Kích thích (stimulus) là bất kỳ tín hiệu vào nhập từ bên ngoài có ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển ngõ ra c.

Đáp ứng thời gian (time response) của hệ thống hay phần tử là tín hiệu ra dưới dạng hàm số theo biến thời gian, tùy thuộc dạng tín hiệu ngõ vào ứng với các điều kiện hoạt động riêng biệt.

Content actions

Download module as:

PDF | EPUB (?)

What is an EPUB file?

EPUB is an electronic book format that can be read on a variety of mobile devices.

Downloading to a reading device

For detailed instructions on how to download this content's EPUB to your specific device, click the "(?)" link.

| More downloads ...

Add module to:

My Favorites (?)

'My Favorites' is a special kind of lens which you can use to bookmark modules and collections. 'My Favorites' can only be seen by you, and collections saved in 'My Favorites' can remember the last module you were on. You need an account to use 'My Favorites'.

| A lens I own (?)

Definition of a lens

Lenses

A lens is a custom view of the content in the repository. You can think of it as a fancy kind of list that will let you see content through the eyes of organizations and people you trust.

What is in a lens?

Lens makers point to materials (modules and collections), creating a guide that includes their own comments and descriptive tags about the content.

Who can create a lens?

Any individual member, a community, or a respected organization.

What are tags? tag icon

Tags are descriptors added by lens makers to help label content, attaching a vocabulary that is meaningful in the context of the lens.

| External bookmarks