Giáo trình Kỹ thuật điều khiển điện tử (Nghề Cơ điện tử Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

BÙI VĂN CÔNG (Chủ biên)
NGUYỄN ANH DŨNG – LƯU HUY HẠNH

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG
Nghề: Cơ điện tử
Trình độ: Cao đẳng
(Lưu hành nội bộ)

Hà Nội - Năm 2019


LỜI NĨI ĐẦU
Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng
nghề... thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học
sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời
cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế.
Nội dung của giáo trình “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” đã
được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết
hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo
phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,.
Giáo trình nội bộ này do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm nhiều năm
làm công tác trong ngành đào tạo chuyên nghiệp. Giáo trình được biên soạn
ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm
mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của
các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và khơng trái
với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề.
Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc

chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng
góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành.

Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019
Chủ biên: Bùi Văn Công

1


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ..................................................................................................... 1
MỤC LỤC ............................................................................................................ 2
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN ĐÀO TẠO KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN .... 3
Chương 1: Điều khiển và điều chỉnh ............................................................. 5
1.1. Điều khiển .............................................................................................. 5
1.2. Điều chỉnh ............................................................................................ 13
Chương 2: Tìm hiểu các bộ điều chỉnh ....................................................... 15
2.1. Khái niệm chung .................................................................................. 15
2.2. Đặc tính tĩnh ......................................................................................... 18
Chương 3: Qui tắc cơ bản để biến đổi trong các sơ đồ luồng tín hiệu ..... 21
3.1. Sự chuẩn hóa các đại lượng ngõ vào và ngõ ra. .................................. 21
3.2. Sơ đồ khối ............................................................................................ 24
3.3. Đặc tính động ....................................................................................... 30
Chương 4 ........................................................................................................ 34
Lắp ráp, thí nghiệm ứng dụng các bộ điều chỉnh trong sơ đồ mạch ....... 34
4.1. Bộ tỉ lệ .................................................................................................. 34
4.2. Bộ tích phân ......................................................................................... 35
4.3. Bộ vi phân ............................................................................................ 36
4.4. Bộ PID .................................................................................................. 47

4.5. Bộ trễ .................................................................................................... 61
4.6. Bộ trì hỗn ............................................................................................ 63
Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 66

2


CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN ĐÀO TẠO
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Tên mơ đun: Kỹ thuật điều khiển tự động
Mã số mô đun: MĐ 29
Thời gian mô đun: 60 giờ

(LT: 12giờ; TH/TT/TN/BT/TL: 48 giờ)

I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN
- Vị trí: Mơ đun được bố trí học song song các mơn học cơ sở, đồng thời
học sau các mô đun: Điện tử cơng suất, Truyền động điện, Vi điều khiển…
- Tính chất: Là mơ đun bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử.
II. MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN
- Mơ tả được phương thức điều khiển hở và kín
- Nêu được các quan hệ trong sơ đồ luồng tín hiệu
- Trình bày được nguyên lý cấu tạo, ứng dụng các bộ điều chỉnh: P, PI, PD, PID
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an tồn trong q trình học tập.
III. NỘI DUNG MÔ ĐUN
1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian
Thời gian

TT

1

Tên các bài trong mô đun

Điều khiển và điều chỉnh

Tổng
số

6

Lý
thuyết

Thực
hành/thực
tập/thí
nghiệm/bài
tập/thảo luận

2

4

3

9

6

7

Kiểm
tra

1

1.1. Điều khiển
1.2. Điều chỉnh
2

Tìm hiểu các bộ điều chỉnh 12
2.1. Khái niệm chung
2.2. Đặc tính tĩnh
2.3. Đặc tính động

3

Qui tắc cơ bản để biến đổi
trong các sơ đồ luồng tín
hiệu

14

3.1. Sự chuẩn hóa các đại
3

1

lượng ngõ vào và ngõ ra.
3.2. Sơ đồ khối
3.3. Đặc tính động
4

Lắp ráp, thí nghiệm ứng
dụng các bộ điều chỉnh
trong sơ đồ mạch

28

1

25

2

60

12

56

4

4.1. Bộ tỉ lệ
4.2. Bộ tích phân
4.3. Bộ vi phân
4.4. Bộ PID
4.5. Bộ trễ

4.6. Bộ trì hỗn
Cộng

4


Chương 1: Điều khiển và điều chỉnh
1.1. Điều khiển
Điều khiển học (Cybernetic): Ngành khoa học nghiên cứu các quá trình
điều khiển và truyền thông trong các hệ thống gọi là điều khiển học. Tuỳ theo
đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, điều khiển học được chia thành: điều khiển
học kỹ thuật, điều khiển học kinh tế, điều khiển học sinh học,...Trong các ngành
kể trên, điều khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, là ngành phát triển nhất
hiện nay. Trong tài liệu này, chúng ta chỉ đề cập đến các vấn đề của điều khiển
học kỹ thuật.
Tín hiệu : Thông tin trong hệ thống điều khiển được thể hiện bằng các tín
hiệu. Các tín hiệu có thể là dịng điện, điện áp, lực, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ,
vị trí, vận tốc,… Mỗi phần tử điều khiển nhận tín hiệu vào từ một số phần tử của
hệ thống và tạo nên tín hiệu ra đưa vào phần tử khác. Hệ thống cũng giao tiếp
với mơi trường bên ngồi thơng qua các tín hiệu vào, ra của nó. Thay vì tên gọi
tín hiệu vào, tín hiệu ra người ta cịn sử dụng khái niệm tác động và đáp ứng với
nghĩa là: khi tác động vào hệ thống một tín hiệu vào thì hệ thống sẽ có đáp ứng
là tín hiệu ra. Thơng thường tín hiệu được biểu diễn tốn học bằng hàm số của
thời gian. Trong sơ đồ hệ thống, các tín hiệu vào, ra thường được biểu diễn bằng
các mũi tên như trên hình 1.1.

Hinh1.1. Hệ thống điều khiển đơn giản

Điều khiển theo mạch hở: là điều khiển theo tác động đặt trước (hay điều
khiển theo chương trình), tức là nhiệm vụ điều khiển đặc trưng bởi lượng vào x(t)

đã được định sẵn trước bằng cơ cấu đặt hoặc cơ cấu chương trình, kết quả điều
khiển chỉ phụ thuộc vào nhiệm vụ điều khiển.

Hinh1.2. Sơ đồ khái quát hệ điều khiển theo mạch hở

5


Ưu điểm: Điều khiển theo mạch hở có ưu điểm là hệ điều khiển có cấu trúc
đợn giản.
Nhược điểm: độ chính xác khơng cao và khơng thể can thiệp vào kết quả điều khiển.
Ứng dụng: phạm vi ứng dụng rất hạn chế
Điều khiển theo nguyên lý mạch kín hay điều khiển có phản hồi là q trình
điểu khiển sử dụng thơng tin qua mạch phản hồi tạo thành mạch vịng kín trong hệ thống
Q trình điều khiển có sử dụng thông tin về kết quả điều khiển thông qua
mạch phản hồi để tạo tín hiệu (tác động điều khiển) của CCĐK, do đó tạo thành
một mạch vịng kín trong hệ thống điều khiển, được gọi là hệ thống điều khiển theo
mạch kín hay điều khiển có phản hồi.
Sơ đồ khái qt hệ thống điều khiển theo mạch kín được trình bày trên hình 1.5
Hệ thống điều khiển theo mạch kín thực chất là hệ thống ĐKTĐ, vì ở đây quá
trình điều khiển xảy ra mà khơng có sự tham gia trực tiếp của con người và q
trình điều khiển hồn toàn do các thiết bị thực hiện.
Mạch phản hồi đưa tín hiệu ra trở lại đầu vào, như trên hình 1.4 là mạch phản
hồi chính, để phân biệt với các mạch phản hồi khác có thể có trong các hệ thống
ĐKTĐ, đó là các mạch phản hồi phụ hay mạch phản hồi hiệu chỉnh sê được xét ở
các phần sau của sách này. Mạch phản hồi chính là mạch phản hồi xác định nguyên
lý làm việc của hệ thống ĐKTĐ. Mạch phản hồi trên sơ đồ hình1.5 là mạch phản
hồi gián tiếp vì được thực hiện thơng qua cơ cấu đo lường và cịn có tên gọi là phản
hồi khác đơn vị, vì CCĐL tạo ra tốn tử biến đổi tín hiệu khác 1. Trong thực tế có
các hệ thống ĐKTĐ, do bản chất vật lý và tỷ lệ giống nhau giữa tín hiệu ra và tín

hiệu vào, phản hồi chính trong hệ là phản hồi trực tiếp, có nghiã là lượng ra được
đưa về trực tiếp so sánh với lượng vào khơng thơng qua CCĐL. Phản hồi trực tiếp
cịn gọi là phản hồi đơn vị, vì tốn tử truyền tín hiệu của mạch phản hồi bằng 1.
Hình 1.6 trình bày sơ đồ khái quát hệ thống ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp.

Hinh1.3. Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển theo ngun lý mạch kín (có phản hồi)

Điều khiển là sự tổ chức một quá trình nào đó tiến triển theo một quy luật nào
đó nhằm thực hiện một mục đích nhất định.

6


Hệ thống điều khiển: là tập hợp các linh kiện, máy móc theo một trình tự cần
thiết để thực hiện nhiệm vụ điều khiển được gọi là hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển trực tiếp hoặc điều khiển không trực tiếp
Hệ thống điều khiển có thể là hệ thống điều khiển trực tiếp hay không trực tiếp.
Hệ thống điều khiển trực tiếp là hệ thống điều khiển khơng có q trình
khuếch đại tín hiệu (ở đây cần hiểu là tín hiệu từ cơ cấu đo lường). Tín hiệu từ cơ
cấu đo lường trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành.
Hệ thống điều khiển không trực tiếp (gián tiếp) là hệ thống điều khiển trong
đó tín hiệu từ cơ cấu đo lường được khuếch đại nhờ nguồn năng lượng bên ngoài
đưa đến để cho cơ cấu chấp hành hoạt động.
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống mà q trình điều khiển được thực
hiện mà khơng có sự tham gia trực tiếp của con.
Sơ đồ nguyên lý là sơ đồ mô tả đến chi tiết các phần tử có trong hệ thống mà
qua đó chúng ta có thể hiểu được tương đối cặn kẽ nguyên lý tác động của hệ thống
ĐKTĐ.
Sơ đồ nguyên lý bao gồm sơ đồ nguyên lý chi tiết và sơ đồ nguyên lý đơn giản
Sơ đồ khối là sơ đồ trên đó diễn tả các phần tử tạo nên hệ thống dưới dạng

các khối ô vuông riêng biệt, trong đó chỉ rõ tên gọi của từng khối và các mối liên hệ
giữa các khối đó dưới dạng các mũi tên chiều truyền tín hiệu trong hệ thống.
Sơ đồ chức năng là sơ đồ khối nhưng trong đó mỗi khối được chỉ rõ chức
năng mà mỗi khối thực hiện trong hệ thống đó (như chức năng đo lường, biến đổi,
khuếch đại, hiệu chỉnh, chấp hành, v.v...).

Hinh1.4. Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển tự động

Thiết bị hay cơ cấu điều khiển (CCĐK) còn gọi là bộ điều khiển (controller)
là tập hợp các phần cịn lại của hệ thống có nhiệm vụ thực hiện quá trình điều
khiển, tạo ra tác động điều khiển tác động trực tiếp lên ĐTĐK để bảo đảm quá
trình cần điều khiển xảy ra theo quy luật mong muốn
Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) là thiết bị kỹ thuật mà trong đó xảy ra q
trình cần điều khiển (thí dụ như mà ở đó cần duy trì nhiệt độ, mà ở đó cần điều

7


khiển toạ độ của các dao cắt, của nó, động cơ mà chúng ta cần điều chỉnh tốc độ
hay góc quay của nó, v.v...).
VD: lị nhiệt, máy cơng cụ, máy bay cần điều khiển đường bay, anten rađa
cần điều khiển góc quay
Đối với một hệ thống ĐKTĐ bao giờ cũng có thể chỉ ra đầu vào và đầu ra của
hệ. ở đầu vào có đặt tín hiệu vào hay lượng vào của hệ.
Các tín hiệu tác động:
Tác động nhiễu: là các tác động gây ra sự sai lệch của kết qủa điều khiển, tức
là làm cho kết quả điều khiển (lượng ra) thay đổi không theo quy luật mong muốn.
Phân loại:
Nhiễu nội tại (nhiễu bên trong): do thay đổi các tham số nguồn ni, điện áp…
Nhiễu bên ngồi: sự thay đổi tốc độ gió, áp suất khí quyển tác động lên các

đối tượng bay, sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, sự nhấp nhô của mặt đường tác
động lên hệ ổn định tháp pháo của xe tăng
Các nguyên lý cơ bản xây dựng các hệ thống ĐKTĐ.
Các hệ thống ĐKTĐ được xây dựng trên các nguyên lý cơ bản sau đây.

Hình 1.5. Sơ đồ khái quát hệ thống ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp (phản hồi đơn vị).

Nguyên lý điều khiển theo sai lệch.
Hệ thống điều khiển theo nguyên lý sai lệch, hay nguyên lý phản hồi leeh
tho^’ng` he^. nhờ có mạch phản hồi, trong hệ thống ln có q trình so sánh thơng
tin giữa nhiệm vụ điều khiển (tín hiệu vào) và kết quả điều khiển (tín hiệu ra) của
hệ. Nếu giữa chúng tồn tại sai lệch thì CCĐK sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động
lên ĐTĐK theo hướng để khử bỏ sai lệch đó. Nhờ đó mà ĐTĐK ln duy trì được
quy luật biến đổi mong muốn. Ngun lý này cịn có tên gọi là nguyên lý
Polzunov-Watt, theo tên của hai nhà kỹ thuật Nga và Anh là những người đầu tiên
sáng chế ra các hệ thống ĐCTĐ mực nước và tốc độ quay của máy hơi nước (thế
kỷ XVIII).
Nguyên lý điều khiển theo nhiễu loạn hay điều khiển theo nguyên lý bù nhiễu.
Bản chất của nguyên lý điều khiển theo nhiễu (hay nói đầy đủ hơn là điều
khiển theo nguyên lý bù nhiễu) là ở chỗ: các nhiễu đo được (thường là các nhiễu
8


chính tác động lên ĐTĐK) được biến đổi thành các tác động điều khiển (thông qua
CCĐK) tác động lên ĐTĐK với mục đích bù trừ ảnh hưởng của chúng lên kết quả
điều khiển. Khi điều khiển theo nguyên lý này mục đích đạt tới là bù trừ hồn tồn
tác động của một nhiễu nhất định. Hệ thống ĐKTĐ trong trường hợp này được coi
là bất biến (không phụ thuộc) đối với tác động nhiễu đó.
Nguyên lý điều khiển theo nhiễu cịn có tên gọi là ngun lý Pơnsêlê (tên một
nhà kỹ thuật Pháp người đầu tiên sử dụng nguyên lý này trong kỹ thuật).

Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ làm việc theo nguyên lý bù nhiễu
trình bày trên hình 1.8.

Hình 1.6. Sơ đồ khái quát của hệ thống ĐKTĐtác động theo nguyên lý bù nhiễu.

VD: Hệ thống điều khiển và ổn định đường bay của tên lửa phịng khơng với
các bộ cảm biến đo áp suất khí quyển, đo tốc độ của gió, đo gia tốc quá tải, đo góc
xoay và tốc độ xoay của tên lửa, v.v... đưa vào hệ thống điều khiển để ổn định
đường bay của tên lửa.
Nhược điểm: chỉ bù trừ một hoặc một vài nhiễu cơ bản và đo được, không
ngăn chặn được ảnh hưởng của các nhiễu thứ yếu, không đo được.
Ưu điểm: tính bất biến khơng phải là tuyệt đối bởi vì cịn phụ thuộc vào tính
ổn định của các tham số ở CCĐK và ĐTĐK, mức độ chính xác và sự ổn định các
tham số của mạch bù trừ.
Ứng dụng: hệ thống ĐKTĐ xây dựng theo nguyên lý bù nhiễu ít khi sử dụng
một cách độc lập.
Nguyên lý điều khiển hỗn hợp.

9


Hệ thống xây dựng theo nguyên lý điều khiển hỗn hợp là hệ thống kết hợp
nguyên lý điều khiển theo mạch hở và theo mạch kín, tức là kết hợp điều khiển theo
sai lệch và điều khiển theo nhiễu.
Sơ đồ khối khái quát của hệ thống trình bày trên hình 1.9.

Hình 1.7. Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn

Hệ thống hỗn hợp tận dụng được các ưu điểm của hai nguyên lý trên: nhờ
mạch bù nhiễu sẽ khắc phục ảnh hưởng của các tác động nhiễu chủ yếu và nhờ có

mạch phản hồi sẽ thực hiện quá trình điều khiển và hạn chế tác động của các nhiễu
còn lại.

Các nguyên lý điều khiển trên gọi là hệ thống ĐKTĐ kinh điển
Một số nguyên lý điều khiển mới: điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững,
nguyên lý điều khiển mờ, nguyên lý điều khiển nơ-ron.
Phân loại các hệ thống điều khiển tự động.
Các hệ thống ĐKTĐ còn khác nhau trên rất nhiều khía cạnh: đặc điểm
truyền tín hiệu, tính chất của các tác động, số lượng tín hiệu vào và ra, bản chất
toán học của hệ thống và nhiều đặc tính khác. Tính chất đa dạng của các hệ
thống ĐKTĐ địi hỏi phải phân loại để có thể có phương pháp khảo sát, nghiên
cứu thích hợp và đề ra các phương pháp tính tốn, thiết kế chúng. Việc phân loại
được tiến hành theo các dấu hiệu phân loại khác nhau.
Phân loại theo nguyên lý xây dựng.

10


Các hệ thống ĐKTĐ có thể phân chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ theo
mạch hở, hệ thống ĐKTĐ theo mạch kín và hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp
Phân loại theo tính chất của tác động đầu vào.
Tuỳ thuộc vào tính chất của tác động đầu vào x(t) các hệ thống ĐKTĐ có
thể phân thành 3 loại sau;
Hệ thống điều khiển theo hằng số hay còn gọi là các hệ thống tự ổn định là
hệ thống có lượng vào x(t) khơng thay đổi (const).
Nhiệm vụ của của hệ thống ĐKTĐ là duy trì một hoặc một vài đai lượng
vật lý ở giá trị không đổi. Đây là các hệ thống ĐCTĐ.
VD: Các hệ thống ĐCTĐ tốc độ các loại động cơ, các hệ thống ĐCTĐ
điện áp, tần số của máy phát, các hệ thống ĐCTĐ nhiệt độ, áp suất, nồng độ
dung dịch trong các ngành sản xuất công nghệ, v.v...

Hệ thống điều khiển theo chương trình là các hệ thống ĐKTĐ có lượng
vào x(t) là các hàm đã biết trước dưới dạng các chương trình điều khiển.
VD: Các hệ điều khiển đường bay định trước của máy bay không người
lái, hệ thống điều khiển tự động các máy công cụ: bào, phay, tiện với chương
trình định trước trong bộ nhớ của máy tính số (máy CNC).
Hệ thống ĐKTĐ bám, gọi tắt là hệ bám là các hệ thống ĐKTĐ có lượng
vào x(t) là các hàm không biết trước và thay đổi theo quy luật bất kỳ.
Nhiệm vụ của hệ thống ĐKTĐ là bảo đảm lượng ra y(t) phải "bám" theo
sự thay đổi của lượng vào x(t).
VD: Các hệ như vậy là hệ bám đồng bộ góc dùng hệ thống xen-xin của các
khí tài hay của các máy cơng cụ, các hệ thống bám vô tuyến điện tử của các đài
ra-đa, v.v...
Phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống ĐKTĐ.
Theo dạng (hay phương pháp biến đổi và truyền) tín hiệu trong hệ thống
ĐKTĐ, chúng ta có hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục và hệ thống ĐKTĐ tác
động gián đoạn.
Hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các
phần tử của hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Hệ thống ĐKTĐ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ thống ĐKTĐ gián đoạn,
hay hệ rời rạc) là các hệ có chưa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có
lượng vào là một hàm liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.

11


Tuỳ thuộc vào tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể
phân chia thành: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiẻu rơ-le và hệ thống
ĐKTĐ số.
Hệ thống ĐKTĐ xung là hệ có sự gián đoạn của tín hiệu thay đổi xảy ra
qua những khoảng thời gian xác định (còn gọi là gián đoạn theo thời gian).

Hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ-le là hệ trong đó sự gián đoạn của tín hiệu xảy ra
khi tín hiệu vào đi qua những giá trị ngưỡng nào đó (cịn gọi là gián đoạn theo mức).
Hệ thống ĐKTĐ số là các hệ thống ĐKTĐ có chứa các phần tử gián đoạn
có tín hiệu ra dưới dạng mã số, tức là tín hiệu gián đoạn cả theo thời gian cả theo mức.
VD: Các hệ thống hoàn chỉnh dưới dạng bộ vi xử lý P, bộ xử lý tín hiệu
số DSP, hoặc tồn bộ máy tính số. Các hệ số đều có thể chứa các bộ biến đổi
tương tự-số (A-D converter) và số-tương tự (D-A converter).
Phân loại theo dạng phương trình động học mơ tả hệ thống ĐKTĐ.
Về mặt tốn học, các hệ thống ĐKTĐ hay các phần tử của chúng đều có
thể mơ tả bằng các phương trình tốn học: phương trình tĩnh và phương trình
động. Dựa vào tính chất các phương trình các các hệ thống ĐKTĐ được phân
biệt thành các hệ thống ĐKTĐ tuyến tính và các hệ thống ĐKTĐ khơng tuyến
tính (phi tuyến).
Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính là các hệ được mơ tả bằng các phương trình
tốn học tuyến tính: phương tĩnh dưới dạng y = f(x) hoặc phương trình động là
các phương trình vi phân hoặc sai phân là các phương trình tuyến tính.
Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính có tham số khơng thay đổi hay hệ thống
ĐKTĐ dừng.
VD : Hệ thống điều khiển và ổn định đường bay của các thiết bị bay.
Hệ thống ĐKTĐ khơng tuyến tính là các hệ thống ĐKTĐ được mô tả bằng
các phương trình tốn học khơng tuyến tính. Đó là các hệ có chứa các phần tử
phi tuyến điển hình.
VD : Hệ có chứa các phần tử rơ-le.
Phân loại theo số lượng đại lượng cần điều khiển.
Tuỳ thuộc vào số lượng đại lượng cần điều khiển hay điều chỉnh (lượng ra
của hệ) chúng ta có hệ một chiều và hệ nhiều chiều.
Hệ thống ĐKTĐ một chiều chỉ có một đại lượng cần điều khiển.
Hệ thống ĐKTĐ nhiều chiều là hệ có từ hai đại lượng cần điều khiển trở lên.

12

VD: Hệ nhiều chiều là hệ thống ĐCTĐ máy phát điện xoay chiều, nếu hệ
cùng một lúc ổn định cả hai tham số là điện áp và tần số phát ra của máy phát. ở
đây chúng ta có hệ ĐCTĐ hai chiều.
1.2. Điều chỉnh
Điều chỉnh là quá trình điều khiển, khi nhiệm vụ của điều khiển là bảo đảm
duy trì một hoặc một vài đại lượng vật lý cụ thể nào đó khơng thay đổi hoặc biến
đổi theo một quy luật nhất định.
Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ.
Sơ đồ chức năng tổng quát của các hệ thống ĐKTĐ biểu diễn các phần tử
trong hệ thống liên kết với nhau theo một trình tự nhất định. Các phần tử đều
được tạo thành từ các linh kiện, máy móc, thiết bị khác nhau và có bản chất vật
lý khác nhau, nhưng có thể có nhiệm vụ (chức năng) giống nhau.

Hình 1.8. Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp

Phần tử 1 : cơ cấu đặt hay cơ cấu chương trình có nhiệm vụ tạo ra quy luật
thay đổi mong muốn của tín hiệu vào x(t), tức là tạo nhiệm vụ điều khiển.
VD : Chương trình điều khiển từ máy tính, chiết áp, thiết bị cơ, điện – điện
tử.. v.v...)
Phần tử 2 + 5 : Cơ cấu so sánh và cơ cấu cộng có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu
sai lệch hoặc có chức năng cộng các tín hiệu.
Giải thích chi tiết trường hợp nào là cơ cấu cộng và trường hợp nào là cơ
cấu sai lệch
Phần tử 3 + 6 là Cơ cấu khuếch đại thực hiện chức năng khuếch đại sơ bộ
(cơ cấu 3) và khuếch đại cơng suất (cơ cấu 6) tín hiệu và đơi khi có cả chức năng

13

biến đổi tín hiệu (từ một chiều thành xoay chiều hay ngược lại) cho phù hợp với
phần tử đứng sau nó.
VD : các bộ khuếch đại điện tử, bán dẫn, khuếch đại thuật tốn; cịn
khuếch đại cơng suất có thể là các bộ khuếch đại từ, khuếch đại rơ le, khuếch đại
máy điện, khuếch đại thuỷ lực, khuếch đại khí nén.
Phần tử 4 + 9 : Các cơ cấu hiệu chỉnh có chức năng làm tốt hơn chất lượng
qúa trình điều khiển bằng cách tạo ra các định luật điều khiển khác nhau trong
hệ thống.
Phần tử hiệu chỉnh nối tiếp (4) vì nó được mắc nối tiếp với các phần tử
trong mạch chính hay mạch thẳng của hệ thống và
Phần tử hiệu chỉnh song song 9 dưới dạng liên hệ phản hồi phụ (hay phản
hồi bộ phận, phản hồi hiệu chỉnh) để phân biệt với liên hệ phản hồi chính tồn tại
là do nguyên lý làm việc cuả hệ thống ĐKTĐ.
Phần tử 7 : Cơ cấu chấp hành (CCCH) có chức năng tạo ra tác động điều
khiển tác động tực tiếp lên đối tượng điều khiển nhằm bảo đảm sự thay đổi của
quy luật điều khiển mong muốn.
VD : Các động cơ chấp hành, như các động cơ điện một chiều, động cơ
điện xoay chiều hai pha hoặc ba pha, động cơ thuỷ lực hay khí nén. Cơ cấu
châp hành cơng suất lớn cịn có tên gọi là thiết bị sec-vô hay động cơ sec-vô.
Phần tử 10 : Cơ cấu đo lường-biến đổi (bộ cảm biến) dùng để nhận thông
tin về kết quả điều khiển và biến đổi chúng về dạng tín hiệu phản hồi z(t) phù
hợp để có thể so sánh với tín hiệu vào x(t).
Phần tử 11 Cơ cấu đo lường nhiễu loạn 11, như đã nói ở trên, dùng để đo
nhiễu và tạo tín hiệu bù trừ sai số do nhiễu gây ra trong điều khiển bất biến. Cơ
cấu này chỉ tồn tại khi hệ thống có điều khiển hỗn hợp.

14

Chương 2: Tìm hiểu các bộ điều chỉnh
Mục tiêu:
- Mơ tả được các phương pháp điều khiển
- Ứng dụng trong mạch điều khiển
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an tồn trong q trình học tập.
2.1. Khái niệm chung
Ngun tắc điều khiển thể hiện đặc điểm lượng thông tin và phương thức
hình thành tác động điều khiển trong hệ thống. Có ba nguyên tắc điều khiển cơ
bản: nguyên tắc giữ ổn định, nguyên tắc điều khiển theo chương trình và nguyên
tắc điều khiển thích nghi. Khi thiết kế hệ thống ta dựa vào mục tiêu điều khiển,
yêu cầu chất lượng và giá thành để chọn nguyên tắc điều khiển phù hợp nhất
2.1.1. Nguyên tắc giữ ổn định
Nguyên tắc này nhằm giữ tín hiệu ra ổn định và bằng giá trị hằng số định
trước. Có ba nguyên tắc điều khiển giữ ổn định :
Điều khiển bù nhiễu
Nguyên tắc này được dùng khi các tác động bên ngồi lên ĐTĐK có thể
kiểm tra và đo lường được, cịn đặc tính của ĐTĐK đã được xác định đầy đủ. Bộ
điều khiển sử dụng giá trị đo được của nhiễu để tính tốn tín hiệu điều khiển u(t).
Ngun tắc điều khiển này có ý nghĩa phịng ngừa, ngăn chặn trước. Hệ
thống có khả năng bù trừ sai số trước khi nhiễu thực sự gây ảnh hưởng đến tín
hiệu ra. Tuy nhiên, vì trong thực tế khơng thể dự đốn và kiểm tra hết mọi loại
nhiễu nên với các hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu khơng thể cho chất lượng
cao.

Hình 2.1. Sơ đồ chung

Điều khiển san bằng sai lệch
Nguyên tắc này được dùng khi các tác động bên ngồi khơng kiểm tra và
đo lường được, cịn đặc tính của ĐTĐK thì chưa được xác định đầy đủ.

15


Tín hiệu ra y(t) được đo và phản hồi về so sánh với tín hiệu vào r(t). Bộ
điều khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính tốn tín hiệu điều khiển u(t), điều
chỉnh lại tín hiệu ra theo hướng làm triệt tiêu sai lệch.
Nguyên tắc điều khiển này có tính linh hoạt, thử nghiệm và sửa sai. Hệ
thống có khả năng làm triệt tiêu ảnh hưởng của các nhiễu khơng biết trước
và/hoặc khơng đo được. Nhược điểm của nó là tác động hiệu chỉnh chỉ hình
thành sau khi độ sai lệch đã tồn tại và được phát hiện, tức là sau khi tín hiệu ra
đã thực sự bị ảnh hưởng. Các q trình trễ trong hệ làm cho tín hiệu ra không
giữ được ổn định một cách tuyệt đối mà thường có dao động nhỏ quanh giá trị
xác lập.

Hình 2.2. Hệ thống điều khiển san bằng sai lệch

Điều khiển phối hợp
Để nâng cao chất lượng điều khiển, có thể kết hợp nguyên tắc bù nhiễu và
nguyên tắc san bằng sai lệch. Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ sai số
tạo ra bởi các nhiễu đo được, còn mạch điều khiển phản hồi sẽ hiệu chỉnh tiếp
các sai số tạo ra bởi các nhiễu khơng đo được.

Hình 2.3. Hệ thống điều khiển phối hợp

Điều khiển theo chương trình

Khi tín hiệu vào r(t) khơng thay đổi theo thời gian ta có hệ thống ổn định
hố hay hệ thống điều chỉnh. Mục tiêu điều khiển của hệ này là giữ cho sai số
giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra càng nhỏ càng tốt.
Hệ thống điều khiển ổn định hố được ứng dụng rộng rãi trong dân dụng

và cơng nghiệp, điển hình là các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, điện áp, tốc độ,
áp suất, lưu lượng, mức nước, nồng độ, độ pH, ...
Hệ thống điều khiển theo chương trình
Nếu tín hiệu vào r(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng
ra của hệ thống sao chép lại các giá trị tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều
16


khiển theo chương trình. Ứng dụng điển hình của loại này là các hệ thống điều
khiển máy CNC, robot công nghiệp
Hệ thống theo dõi
Nếu tín hiệu vào r(t) là một hàm không biết trước theo thời gian, yêu cầu
điều khiển để đáp ứng y(t) luôn bám sát được r(t), ta có hệ thống theo dõi. Điều
khiển theo dõi thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển pháo phịng
khơng, rađa, tên lửa, tàu ngầm,...
Hệ thống điều khiển thích nghi
Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thích nghi.
Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được
phát ra do một chương trình định sẵn tác động vào thiết bị điều khiển.
Ở đây x(t) là một hàm định trước (chương trình), u cầu tín hiệu ra y(t) của
hệ thống phải sao chép lại các giá trị của x(t). Tức là hệ phải thực hiện đúng các
hoạt động theo chương trình đã lập.
Ví dụ: Hệ thống gia công điều khiển số trong máy CNC, hệ thống thu thập và
truyền số liệu...

Nguyên tắc này giữ cho tín hiệu ra thay đổi đúng theo một hàm thời gian
(chương trình) định trước.
2.1.2. Nguyên tắc điều khiển thích nghi (tự chỉnh định)
Khi cần điều khiển các đối tượng phức tạp, có thông số dễ bị thay đổi do ảnh
hưởng của môi trường, hoặc nhiều đối tượng đồng thời mà phải đảm bảo cho

một tín hiệu có giá trị cực trị, hay một chỉ tiêu tối ưu nào đó... thì các bộ điều
khiển với thông số cố định không thể đáp ứng được, khi đó ta phải dùng ngun
tắc thích nghi. Sơ đồ hệ thống thích nghi như hình 1.7. Tín hiệu v(t) chỉnh định
lại thông số của bộ điều khiển sao cho hệ thích ứng với mọi biến động của mơi
trường.

Hình 2.4. Hệ thống điều khiển thích nghi

17


2.2. Đặc tính tĩnh
Đặc tính tĩnh nó biểu diễn mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra với tín hiệu đầu vào
Y  f (X )

Để xác định được dạng đặc tính này người ta thay đổi giá trị của đầu vào X
và đo tín hiệu ở đầu ra thay đổi thế nào, từ đó người ta xây dựng đường dạng đồ
thị của các phần tử đó và cho ta được đặc tính của phần tử đó
2.2.1.Tín hiệu Analog

Analog: tín hiệu tương tự có dạng đồ thị biểu diễn tín hiệu analog là một
đường liên tục (ví dụ sin,cos,hoặc đường cong lên xuống bất kỳ)

Tín hiệu tương tự hình sin
C

i2

i1

R

R1

i1
-

-

+

u1

R2

i2

+

u1

u2

u2

R

R

i2

C

C

R1

i1
-

-

+

u1

+

u1

u2

u2

R2

i2

R

C

R1

R1

i1

-

u1

+

u1
C

u2

18

+
u2


2.2.2. Tín hiệu Digital
Digital:tín hiệu số chỉ bao gồm hai mức cao và thấp

Hình 2.5. Tín hiệu dạng số

Hình 2.6. Tín hiệu dạng xung

2.2.3. Các tín hiệu liên tục và gián đoạn
Tín hiệu liên tục
Hệ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các phẩn tử của
hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Tín hiệu dưới dạng hàm liên tục có thể là tín hiệu một chiều (chưa biến
điệu) hoặc tín hiệu xoay chiều (đã được biến điệu) tương ứng chúng ta có hệ
ĐKTĐ một chiều (DC) và hệ thống ĐKTĐ xoay chiều (AC) (thí dụ hệ thống
bám đồng bộ công suất nhỏ dùng động cơ chấp hành 2 p ha).
Tín hiệu gián đoạn
Hệ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ gián đoạn hay hệ rời rạc) là các hệ có
chứa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có lượng vào là một hàm liên
tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.
Tuỳ theo tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể phân
chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ le và hệ
thống ĐKTĐ số.

19


Nếu sự gián đoạn của tín hiệu ra xẩy ra qua những thời gian xác định (ta
gọi là gián đoạn theo thời gian) khi tín hiệu vào thay đổi, thì ta có hệ ĐKTĐ
xung.
Nếu sự gián đoạn của tín hiệu xẩy ra khi tín hiệu vào qua những giá trị
ngưỡng xác định nào đó (chúng ta gọi là gián đoạn theo mức), thì có thể ĐKTĐ
kiểu rơle. Hệ rơle thực chất là hệ phi tuyến, vì đặc tính tĩnh của nó là hàm phi
tuyến. Đây là đối tượng nghiên cứu của một phần quan trọng trong lý thuyêt ĐK
Nếu phần tử gián đoạn có tín hiệu ra dưới dạng mã số (gián đoạn cả theo
mức và cả theo thời gian), thì ta có hệ ĐKTĐ số. Hệ thống ĐKTĐ số là hệ chứa
các thiết bị số (các bộ biến đổi A/D, D/A, máy tính điện tử (PC), bộ vi xử lý.

20


Chương 3: Qui tắc cơ bản để biến đổi trong các sơ đồ luồng tín hiệu
Mục tiêu
- Nguyên lý hoạt động cuả tín hiệu
- Điều chỉnh các thơng số
- Lắp ráp các bộ điều chỉnh trong sơ đồ.
- Đánh giá chất lượng cuả các đường đặc tính thời gian
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập.

3.1. Sự chuẩn hóa các đại lượng ngõ vào và ngõ ra.
Phép biến đổi Laplace
Cho hàm f(t) là hàm xác định với t ≥ 0, biến đổi Laplace của f(t) là:
F ( s )  L  f (t ) 





f (t )e  st dt

0

Trong đó: s: Biến phức (Laplace) s =σ + jω
L: Toán tử Laplce
F(s): Hàm ảnh của f(t) qua phép biến đổi Laplace
Tính chất:
Tính tuyến tính:

Nếu hàm f1(t) và f2(t) có phép biến đổi Laplace tương ứng là
L1  f1 (t )  F1 (s) và L2  f 2 (t )  F2 (s) thì: La1 f1 (t )  a2 f 2 (t )  a1F1 (s)  a2 F2 (s)
Ảnh của đạo hàm
Nếu hàm f(t) có phép biến đổi Laplace là L f (t )  F (s) thì
 df (t ) 

+
L
  sF ( s )  f (0 ) trong đó f(0 ) là điều kiện đầu
dt



Nếu f(0+) = 0 thì L 

df (t ) 
  sF ( s)
 dt 

Ảnh của tích phân
Nếu

hàm

f(t)

có

phép

biến

đổi

Laplace

L f (t )  F (s) thì:

t
 F ( s)
L   f ( )d  
s
0


Nếu f(t) được là hàm trễ một khoảng thời gian T ta có hàm f(T – τ) là:

21


L f (t  T )  eTs L f (t )  eTs F (s)

Biến đổi Laplcace một số hàm cơ bản
1-Tín hiệu bậc thang đơn vị:
Là loại tín hiệu thường dùng trong các hệ thống điều khiển tự động
0 khi t  0
1 khi t  0

ổn định hóa. Tín hiệu có dạng: u(t)=1(t )  

(2.1)

Theo định nghĩa phép biến đổi Laplace ta có
L u(t ) 





0

0

 st
 u(t ).e dt 

 L u (t ) 

 e e0 
e st 
 


s 0
s 
 s

 st
 e dt 

1
s

2-Tín hiệu xung đơn vị:
x(t)=  (t ) 

0 khi t  0
d
1(t )  
dt
 khi t  0

(2.2)

Hàm  (t ) có tính chất:

  (t )dt  1



0

0

Theo định nghĩa: L  f (t )    (t ).e dt    (t ).e dt    (t ).e0 dt  1
 st

0

0

 st

0

3-Tín hiệu tăng dần đều:
t khi t  0
u (t )  t. f (t )  
0 khi t  0

(2.3)

Theo định nghĩa ta có:
L  f (t ) 




0

0

 t.e st e st  
1
L t. f (t )  2
f (t ).e dt   t. f (t ).e dt   
 2 
s
s
s  0


0
 st

 st

4-Tín hiệu xung vng:
x(t ) 

1
[1(t )  1(t  T )]
T

(2.4)

3-Tín hiệu điều hồ:
sin  t khi t  0
0 khi t  0

f(t)= sin(t ).u (t )  

ta có theo cơng thức Euler sin t 

e jt  e jt
2j

theo định nghĩa ta có:
22

L sin(t ).u (t ) 




0

L sin(t ).u (t ) 

e jt  e jt  st
1  1
1 

e dt 


2j
2 j  s  j s  j 


s  2
2

Một số hàm biến đổi Laplace cơ bản
f(t)

F(s)

 (t )

1

1

1
s

T

1
s2

1 2
t
2

1
s3

e  at

1
sa

t.e  at

1
( s  a)2

1 2  at

t .e
2

1
( s  a )3

1  e  at

a
s( s  a)

1
(at  1  e  at )
a

a
s (s  a)

e  at (1  at )

s
( s  a)2

sin at

a
a  s2

cos at

s
s  a2

e  at . sin ct

a
( s  a) 2  c 2

e  a cos ct

sa
( s  a) 2  c 2

2

2

2

23


3.2. Sơ đồ khối
Hàm truyền
Hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và
biến đổi tín hiệu vào khi điều kiện bằng 0
Y(t)

X(t)
Tín hiệu vào

Hệ thống

Tín hiệu ra

Hình 3.1. Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tự động

d n Y(t )
d n 1Y(t )
d n  2 Y(t )
dY(t )
a
a


 ....  an 1
 an (t )
1
2
n
n 1
n2
dt
dt
dt
dt
d m x(t )
d m 1 X (t )
d m  2 X (t )
dX (t )

 b0
 b1
 b2
 ....  bm1
 bm (t )
m
m 1
m2
dt
dt
dt
dt
a0

Trong đó ai (i  0, n) và b j (i  0, m) là thông số của hệ thống ( a j  0, b j  0 )
Giả sử điều kiện ban đầu bằng 0, biến đổi 2 vế ta có:
(a0s n  a1s n 1  a1s n 1....  an 1s+a n ).Y ( s)  (b0s m  b1s m1  b1s m1....  bm1s+b m ). X ( s)



Y ( s) (b0s m  b1s m1  b1s m1....  bm1s+bm )

X ( s) (a0s n  a1s n1  a1s n1....  an 1s+a n )

G(s) 

Y ( s) (b0s m  b1s m1  b1s m1....  bm1s+bm )

X ( s) (a0s n  a1s n 1  a1s n 1....  an1s+a n )

Đại số sơ đồ khối
Sơ đồ khối của một hệ thống là hình vẽ mơ tả chức năng của các phần tử
và sự tác động qua lại giữa các phần tử trong hệ thống. Sơ đồ khối bao gồm khối
chức năng, bộ tổng và bộ rẽ nhánh
Khối chức năng: tín hiệu ra của khối chức năng bằng tích tín hiệu vào và
hàm truyền
Điểm rẽ nhánh: Là điểm tại đó các tín hiệu đều bằng nhau
Bộ tổng: Tín hiệu ra của bộ tổng bằng tổng đại số các tín hiệu vào
Thí dụ sơ đồ cấu trúc của một hệ thống ĐKTĐ
Các quy tắc biến đổi sơ đồ khối:( Đại số sơ đồ khối).
Đại số sơ đồ khối là thuật toán để xác định hàm truyền đạt của hệ thống
khi biết được hàm truyền đạt của các phần tử thành phần. Nó bao gồm: Thuật
tốn để xác định hàm truyền đạt của các phần tử mắc nối tiếp, mắc song song,
mạch phản hồi và nguyên lí chuyển đổi tín hiệu.
24