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.

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 1.1

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.

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.

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

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.

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.

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 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 1.5

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 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 1.7

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

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.

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 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 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 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.