Đo lường và điều khiển bằng máy tính docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG






Bài giảng :
ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
BIÊN SOẠN : ThS. HUỲNH MINH NGỌC









LƯU HÀNH NỘI BỘ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9-2009
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

2

LỜI NÓI ĐẦU

Môn học Đo lường và điều khiển bằng máy tính là một môn học chuyên ngành
dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành Điện tử tự động. Môn học đề cập đến
vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp , và PLC) vào
hệ thống điều khiển và đo lường. Xu hướng phát triển là dùng Điều khiển dựa vào máy
tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát
triển và giá thành hợp lí.
Để học tốt môn học này sinh viên cần phải học qua môn Lý thuyết điều khiển
tự động và Vi xử lí. Giáo trình gồm 10 chương : Khái niệm chung, cảm biến và chuyển
đổi, giao tiếp qua rãnh cắm máy tính, lập trình cho máy tính điều khiển, card thu thập
dữ liệu và điều khiển, giao tiếp qua cổng song song, giao tiếp qua cổng nối tiếp và giao
tiếp qua cổng USB, lập trình giao tiếp nối tiếp, các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A ,
điều khiển tuần tự, hệ thống điều khiển số và mạng truyền thông công nghiệp.
Bài giảng này tác giả đã đọc và giảng dạy cho lớp ĐHĐT2ALT, ĐHĐT3ALT,
và ĐHĐT1TC, ĐHĐT2TC và ĐHĐT2A. Bài giảng chắc chắn không tránh khỏi thiếu
sót, và tôi chân thành cảm ơn các nhận xét góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn
điều khiển tự động, các bạn đồng nghiệp và bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện
hơn. Thư góp ý xin gửi về bộ môn điều khiển tự động, Khoa Công nghệ Điện tử, trường
Đại học Công nghiệp Tp. HCM. Đòa chỉ :số 12 Nguyễn Văn Bảo, P.4 Q. Gò vấp, TP.
HCM, ĐT: 38940390; email:
Ngày 15 tháng 7 năm 2010
Tác giả
Huỳnh Minh Ngọc
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

3

MỤC LỤC
Lời nói đầu 2
Mục lục 3
Chương 1: Khái niệm chung 6
1.1.Máy tính trong điều khiển quá trình
1.1 Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống
1.3. Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển số
1.4. Nội dung giáo trình và ứng dụng.
Câu hỏi
Chương 2: Cảm biến và chuyển đổi 19
2.0. Cơ bản đo lường.
2.1.Cảm biến nhiệt độ
2.2.Cảm biến lực và trọng lượng
2.3. Cảm biến dịch chuyển và khỏang cách
Câu hỏi

Chương 3: Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính 67
3.1.Giao tiếp qua Rãnh cắm ISA, EISA, Rãnh cắm Vesa local bus
3.2. Giao tiếp qua Rãnh cắm PCI, VMEbus (IEEE 1014), S-100, STD
3.3. Giới thiệu một số IC thường dùng
Câu hỏi và bài tập
Chương 3A: Vi điều khiển
Vi điều khiển PIC16F877A
Tập lệnh của PIC16F877A
Chương 4: Lập trình cho máy tính điều khiển 100
4.0. Các ngôn ngữ lập trình
Hợp ngữ 8086, Qbasic, Pascal, C, Visual Basic , Delphi, C++, Visual C++/BorlandC++
Builder.

4.1.Lập trình xuất nhập ngọai vi

4.1.1.Lập trình xuất nhập
4.1.2.Viết file liên kết động
4.2.Sử dụng ngắt trong điều khiển , DMA, PCI/ PCI Exp. (PC104 Slot VME).
4.3. Vi điều khiển 8051 và lập trình C
4.4. Nền tảng phần cứng và phần mềm
Câu hỏi và Bài tập
Chương 5A: Card thu thập dữ liệu và điều khiển 123
5.1. Đặc tính của card PCI-1711
5.2. Những đặc điểm kỹ thuật của PCI-1711
5.3. Sơ đồ kết nối I/O của PCI-1711
5.4. Sơ đồ khối của card PCI-1711.
5.5. Cách thanh ghi của card PCI 1711:
5.6. Chuyển đổi A/D, D/A và DO, DI:
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

4

5.7. Lập trình cho card PCI 1711
Câu hỏi và Bài tập
Chương 5: Giao tiếp qua cổng song song 145
5.1.Tổng quan về cổng song song
5.2.Cấu trúc của cổng song song
5.2.1.Cổng SPP
5.2.2.Cổng EPP
5.2.3.Cổng ECP
5.3.Ghép nối hai máy tính bằng cổng song song
5.4. Mạch ứng dụng
-Mạch đèn nháy.

-Tạo xung vuông góc ở chân D0 của thanh ghi dữ liệu.
-Điều khiển đèn giao thông.
Câu hỏi và Bài tập
Chương 6: Giao tiếp qua cổng nối tiếp và USB 163
6.1.Tổng quan về cổng nối tiếp
6.2.Cấu trúc của cổng nối tiếp
6.3.IC thu phát vạn năng bất đồng bộ UART
6.4.Các chuẩn và phương thức truyền qua cổng nối tiếp
-RS232
-RS485
6.5.Mạch giao tiếp cổng nối tiếp và các chương trình mẫu.
6.6. Modem
6.7.Mạch lập trình vi điều khiển ATmel 89C51
Câu hỏi và bài tập
6.8. Giao tiếp qua cổng USB 185
6.8.1.Tổng quan về USB
6.8.2.Đặc tính cổng USB
-Đặc tính cổng USB.
- Mạch chuyển đổi USB-RS232.
6.8.3.Trao đổi tin
6.8.4.Lập trình giao tiếp thiết bị ngọai vi qua cổng USB
Câu hỏi
Chương 7: Lập trình giao tiếp nối tiếp 195
7.1. Lập trình trong DOS
Ngôn ngữ QBasic, Pascal, C, lệnh trong MSDOS.
7.2.Lập trình dùng ngôn ngữ Visual Basic 6.0.
7.3.Lập trình dùng ngôn ngữ lập trình Delphi 5.0 và Visual C++ 6.0.
7.4. Lập trình dùng Matlab
Câu hỏi và bài tập

Chương 8: Các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A. Hệ thu thập dữ liệu 201
8.0. Hệ thống thu thập dữ liệu.
8.1.Biến đổi tương tự – số (ADC)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

5

-Biến đổi A/D
-Các kỹ thuật biến đổi A/D
-Giao tiếp ADC với vi xử lí
-Giới thiệu ADC 0809
8.2. Biến đổi số- tương tự ( DAC)
-Biến đổi D/A
-Giao tiếp DAC với vi xử lí
-Giới thiệu DAC 0808
Câu hỏi

Chương 8B: Bộ điều khiển logic lập trình được PLC (Điều khiển tuần tự ) 234
-Lý thuyết chuyển mạch cơ bản
-Khái niệm chung về PLC
Câu hỏi

Chương 9 : Hệ thống điều khiển số 249
9.0. Điều khiển hồi tiếp
9.1. Đặc tính hệ thống điều khiển số
9.2.Thuật toán điều khiển
9.3. Biến đổi C(s) ra C(z)
9.4 . Thuật toán PID số

9.5. Ảnh hưởng của khâu bão hòa
9.6. Bộ phận chấp hành và truyền động điện. Động cơ servo và điều khiển vò trí
9.7. Điều khiển số bằng máy tính CNC
9.8. Thí dụ về đo lường và điều khiển bằng máy tính 291
9.8.1.Hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng máy tính PC/vi xử lí.
9.8.2.Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều (DC) dùng vi xử lí
9.8.3.Bộ đònh thời các thiết bò được điều khiển bằng vi xử lí.
9.8.3.2. Hệ thống điều khiển đèn giao thông dùng AT89C51.
9.8.4. Bộ điều khiển cường độ sáng dùng vi xử lí
9.8.5. Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh
9.9. Thiết kế đặt cực: tiếp cận không gian trạng thái.
9.10. Thiết kế điều khiển tối ưu: tiếp cận không gian trạng thái.
9.11.Hệ thống với sự không chắc chắn (Hệ mờ)
Câu hỏi và Bài tập
Chương 10: Mạng truyền thông công nghiệp 348
10.1. Khái niệm
10.2.Mạng Ethernet và bus trường
-Mạng Ethernet
-Bus trường.
-Điều khiển dùng PC.
10.3. Mạng I
2
C.
Câu hỏi
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

6

Tài liệu tham khảo 371
Phụ lục A: Máy tính công nghiệp 373
Phụ lục B: Visual Basic 6.0
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

7

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Máy tính trong điều khiển quá trình
1.1.1. Máy tính trong điều khiển quá trình : khái niệm cơ bản
Ngày nay việc sử dụng máy tính nói riêng và vi xử lí nói chung trong các day
chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt buộc để tăng năng suất và chất lượng sản
phẩm. Trong các sản phẩm dân dụng việc sử dụng vi xử lí góp phần tăng tính thông
minh của sản phẩm và tạo tiện lợi cho người sử dụng.
Để mô tả cụ thể của máy tính trong điều khiển quá trình, chúng ta cần đònh
nghóa quá trình là gì. Quá trình vật lý (a physical process) là tổ hợp các tác vụ được
thực thi để tác động lên, thay đổi, một điều gì đó trong thế giới thực. Sự chuyển động,
phản ứng hóa học và truyền nhiệt là các quá trình . Sản phẩm (materials) và năng lượng
(energy) là thành phần cơ bản hiển nhiên của quá trình vật lí.


Nhiễu

Sản phẩm vào sản phẩm ra

Năng lượng vào Năng lượng ra

Thông tin Thông tin

Vào ra
H1.1 : Mô hình quá trình vật lý tổng quát
Máy tính số là thiết bò quan trọng xử lí thông tin (H1.2)và có thể tác động lên
thông tin liên quan đến quá trình (H1.3).

Thông tin vào Thông tin ra

Hình 1.2: Hoạt động của máy tính số
Quá trình vật lý
Môi trường

Máy tính
số
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

8

Vi xử lí được sử dụng trong điều khiển và đo lường dưới ba dạng:
-Máy tính điều khiển (Máy vi tính-MVT).
-Vi xử lí điều khiển nhúng (còn gọi là vi điều khiển-VĐK), nghóa là vi điều
khiển là một bộ phận không tách rời của thiết bò được điều khiển.
-Bộ điều khiển logic lập trình được.
MVT : Personal computer
VĐK: embedded microcontroller/embedded microprocessor
PLC : Programmable logic controller.
Cả ba dạng trên được thiết kế dựa trên cơ sở hoạt động của vi xử lí với chức
năng xử lí thông tin theo sơ đồ H1.3.

Nhiễu
Sản phẩm vào Sản phẩm ra
Năng lượng vào Năng lượng ra
Tín hiệu đo lường
Và điều khiển



H1.3. Máy tính trong điều khiển quá trình
1.1.2.Lòch sử phát triển:
Một thí dụ thực tiễn đầu tiên của ứng dụng máy tính điều khiển quá trình là vào
năm 1959; nó liên quan đến một số chức năng ở nhà máy hóa dầu tại Port Arthur,
Texas(UAS). Công trình đầu tiên kết hợp giữa công ty Thomson ramo Woolridge và
Texaco. RW300, máy tính dùng đèn điện tử, kiểm soát dòng chảy, nhiệt độ, áp suất và
phân tử trong nhà máy lọc (hóa dầu). Máy tính tính toán tín hiệu điều khiển mong muốn
Môi trường

Quá trình vật lí
Máy tính

Thiết bò nhập
(bàn phím)
Thiết bò xuất
(màn hình)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

9

dựa trên dữ liệu vào và thay đổi điểm đặt của bộ hiệu chỉnh analog và chỉ thò người
vận hành các điều khiển được thực hiện bằng tay.
Vấn đề kinh tế không chỉ là vấn đề. Độ tin cậy phần cứng thấp vì dùng đèn điện
tử. Phần mềm được viết bằng lập trình hợp ngữ.
Phương pháp toán học cổ điển dựa trên phân tích thời gian liên tục không thể
dùng trực tiếp cho thiết kế vòng lặp điều khiển để hiện thực trên máy tính. Điều khiển
máy tính ban đầu minh họa sự cần thiết cho lý thuyết điều khiển lấy mẫu, cung cấp nền
tảng cho sự phát triển. Chương trình không gian của Mỹ trong thập niên 1960 và đặc
biệt dự án Apollo đã hiện thực cho công trình lý thuyết và thực tiễn.
Vào năm 1962, ICI (Imperial Chemical Industries) giới thiệu khái niệm điều
khiển số trực tiếp DDC(Direct digital control) ; ý tưởng là thay vòng điều khiển analog
thông thường bằng máy tính trung tâm. Ý tưởng của DDC vẫn còn được áp dụng trong
nhiều hệ thống điều khiển máy tính ngày nay.
Tên gọi điều khiển số trực tiếp nhằm nhấn mạnh rằng máy tính điều khiển quá
trình một cách trực tiếp. Tính linh hoạt là thuận lợi của hệ thống DDC.
Sự phát triển bán dẫn trong thập niên 1960 dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của
máy tính. Ba yếu tố: phần cứng máy tính tốt hơn, quá trình ít phức tạp hơn, và lý thuyết
điều khiển phát triển , được kết hợp lại gia tăng sự thành công của điều khiển máy tính.
Đây là thời kì máy tính mini. Các đòi hỏi về máy tính điều khiển quá trình gắn chặt với
sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp. Có thể thiết kế hiệu quả hệ thống điều khiển
quá trình bằng máy tính mini. Máy tính quá trình tiêu biểu thời kì này có độ dài từ 16
bit. Bộ nhớ chính là 8-124 K words. Ổ đóa được sử dụng thông thường là bộ nhớ phụ.
CDC 1700 là máy tính tiêu biểu thời kì này.
Các ứng dụng máy tính thông dụng trong điều khiển công nghiệp là bus mở. Giao
tiếp (bus) giữa các mun vận hành được nhấn mạnh.
Phần cứng máy tính phát triển mạnh mẽ, năng lực tính toán mạnh, lý thuyết điều
khiển phát triển: điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh(hệ mờ và mạng nơrôn).
Các ứng dụng điều khiển máy tính gia tăng. Phi thuyền thám hiểm mặt trăng Apollo 11

vào năm 1969 có máy tính với 64 KByte bộ nhớ chính.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

10

Thời kỳ máy vi tính và sử dụng đa năng của điều khiển máy tính.
Việc sử dụng dễ dàng của điều khiển máy tính bò giới hạn trong hệ thống công nghiệp
lớn vì máy tính số chỉ dùng trong các máy đắt tiền, lớn, chậm và không tin cậy. Sự phát
triển của công nghệ vi điện tử tiếp tục cùng tiến bộ trong công nghệ VLSI; năm 1990s
bộ vi xử lý trở nên thông dụng với giá vài USD. Thò thường lớn như là điện tử ô tô đã
dẫn đến sự phát triển của máy tính chuyên dụng được gọi là vi điều khiển, trong đó
chip máy tính chuẩn có sẵn A/D và D/A, thanh ghi và các đặc điểm khác làm cho nó
giao tiếp dễ dàng với thiết bò vật lý. Điều khiển quá trình hiện thực dùng kỹ thuật khí
nén hay điện tử nhưng luôn là điều khiển dựa vào máy tính. Điều khiển số với thuật
toán PID. Máy điều khiển số NC và điều khiển số bằng máy tính CNC cũng được phát
triển.
Hệ thống điều khiển số phát triển , cả phần cứng và phần mềm. Cấu trúc của
toàn thể giải pháp gồm đơn vò phần cứng, môđun phần mềm và truyền thông là thách
thức chính.
Logic, tuần tự và điều khiển.
Hệ thống tự động hóa công nghiệp truyền thống có hai thành phần là bộ điều khiển và
logic role. Bộ điều khiển logic lập trình được PLC được dùng nhiều trong các dây
chuyền công nghệ vì khả năng làm việc liên tục và trong môi trường khắc nghiệt.
Điều khiển phân bố
Công nghệ vi xử lí đã nhấn mạnh vào cách máy tính áp dụng vào điều khiển toàn bộ
nhà máy sản xuất. Thật là hiệu quả kinh tế để phát triển hệ thống gồm nhiều máy vi
tính giao tiếp nhau chia xẻ tài nguyên. Những hệ thống như vậy gồm trạm quá trình,
điều khiển quá trình; trạm vận hành ở đó người vận hành quá trình giám sát các hoạt

động; và nhiều trạm khác nữa, chẳng hạn cho cấu hình hệ thống và lập trình, lưu trữ dữ
liệu,vv… Hệ thống đầu tiên loại này là Honeywell TDC 2000 vào năm 1975 và nhanh
chóng được phát triển bởi các hãng khác. Thuật ngữ điều khiển phân bố được nhấn
mạnh.
Hệ thống điều khiển và giám sát diện rộng (SCADA). Máy tính công nghiệp mạnh
(IPC) làm nhiệm vụ giám sát, kết nối với PLC hay bộ điều khiển thu thập vào ra hiện
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

11

trường, các module I/O thông qua mạng Ethernet-TCP/IP hay bus trường . Phần mềm
giao diện người máy (HMI) cùng điều khiển và giám sát hệ thống. Tương lai tiến đến là
CIM, sản xuất tích hợp dùng máy tính.
Điều khiển dựa vào máy tính (PC based Control) là xu hướng phát triển.
1.1.3.Hệ thống:
Hệ thống hiểu theo quan điểm hộp đen, chỉ cần biết quan hệ vào ra của hệ,
không quan tâm bên trong hệ hoạt động ra sao. Mục đích của hệ là đạt được kết quả về
đònh tính và đònh lượng cao hơn tổng kết quả của từng thành phần đơn.
Vào Ra



Hệ thống có nhiều loại: điện, hóa học, cơ khí và sinh học. Máy tính cá n hân là
hệ thống được xây dựng với các thành phần cơ bản gồm đơn vò xử lí trung tâm CPU, bộ
nhớ và thiết bò ngoại vi, bus hệ thống. Cùng với phần mềm thêm vào(phần mềm hệ
thống, phần mềm ứng dụng) chúng ta có máy tính mà nó có thể thực hiện nhiều thứ. Cơ
thể con người là hệ thống rất phức tạp được xây dựng với các phần hữu cơ mà thực hiện
các chức năng khác nhau.

Một khía cạnh quan trọng của tri thức hệ thống là hệ thống động.
Mô hình cho điều khiển : gồm có
-Mô tả hệ liên tục.
-Mô tả hệ lấy mẫu.
- Hệ tuần tự hay sự kiện rời rạc.
-Hệ thống với sự không chắc chắn (thông tin khắc chắc chắn).
Rõ ràng, có các cách tiếp cận khác nhau phụ thuộc vàomô hình hệ được sử dụng như
thế nào. Bộ điều khiển khác nhau cần mô hình đối tượng khác nhau. Chúng ta xem xét
hệ cả tiếp can miền thời gian và tiếp cận miền tần số.
1.1.4.Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống điều khiển máy tính:
Hệ thống (hộp
đen)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

12

Ứng dụng điều khiển máy tính quá trình rất nhiều : công nghệ cơ khí chế tạo:
NC, CNC , FMS, robot; công nghệp xử lí hóa, dầu khí, nhựa, giấy…; hệ thống năng lượng
điện; điều khiển đèn giao thông ,vv…
Các quá trình có sử dụng máy tính điều khiển rất đa dạng, thí dụ:
- Hệ thống điện.
- Dàn khoang dầu khí, nhà máy hóa dầu
- Nhà máy hóa chất, xi măng, giấy, nhựa
- Nhà máy cơ khí chế tạo và lắp ráp (NC, CNC, robot ), FMS.
- Hệ thống điều khiển giao thông.
Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển bằng máy tính ở H1.4, và gồm có
các bộ phận sau :
-Bộ xử lí trung tâm (bao gồm vi xử lí, bộ nhớ ).

-Các kênh truyền thông liên lạc giữa người-máy tính và máy-máy.
-Các thiết bò ghép nối và chuyển đổi tương tự-số, số – tương tự.
-Cảm biến (cảm biến nhiệt, áp suất, dòch chuyển, vận tốc ).
-Chấp hành(Relay, động cơ, van khí và thủy lực, xy lanh ).
-Quá trình vật lý.












PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

13




Người
Vận hành

Tín hiệu Tín hiệu
nhò phân nhò phân







H1.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính
Tùy theo độ phức tạp của đối tượng điều khiển ta có thể sử dụng một công cụ
máy tính hoặc là hệ thống nhiều máy tính ghép với nhau theo mạng phân bố và phân
cấp. Việc giao tiếp giữa các máy tính thường là giao tiếp tuần tự không đồng bộ. Giao
tiếp người-máy thực hiện qua bàn phím(keyboard, touch panel), màn hình (CRT, LCD)
hay kênh âm thanh.
Tín hiệu đo lường điều khiển có 2 dạng : nhò phân(on/off) và tương tự. Đối với
những tín hiệu tương tự từ cảm biến, cần sử dụng các bộ chuyển đổi ra dạng điện áp
hay dòng rồi chuyển từ tương tự sang số(ADC). Tín hiệu điều khiển dạng số cần
chuyển sang tương tự (DAC). Tùy theo loại cơ cấu chấp hành ta cần các bộ khuếch
đại công suất phù hợp (KĐCS lớp B, điều rộng xung, điều khiển pha, biến tần, khóa
bán dẫn, role).
Máy tính trung tâm

Máy vi tính
Giao diện

Đổi TT
-
số

Đổi số
-
TT

Khuếch đại công suất

Khuếch đại công suất
Cảm biến

Chấp hành

Quá trình

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

14

Do bản chất làm việc của máy tính là tuần tự nên máy tính chỉ giao tiếp với
bên ngoài theo những khoảng thời gian rời rạc vì vậy hệ thống điều khiển dùng máy
tính là hệ thống điều khiển rời rạc(lượng tử) và các vấn đề phát sinh như thời gian lấy
mẫu, thời gian trễ do tính toán xử lý, sai số do lượng tử vì độ phân giải có hạn của
chuyển đổi A/D và D/A cần phải được xét đến.
1.2. Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống
Hệ thống điều khiển quá trình thực tế thường là hệ thống phức tạp baogồm
Nhiều vi xử lí thể hiện dưới ba dạng MVT, VĐK và PLC. Lấy thí dụ máy CNC tức là
máy công cụ điều khiển số bằng máy tính gồm các phần sau :
* Mức thấp nhất là các bản mạch điều khiển truyền động điện động cơ bước hay động
cơ chấp hành dùng để tạo chuyển động theo ba chiều. Các bản mạch này sử dụng

VĐK làm nhiệm vụ đo và điều khiển vò trí theo trò số đặt từ mức trên đưa xuống.
* Trên một mức là bộ điều khiển số NC sử dụng VĐK có màn hình tinh thể lỏng và bàn
phím ghép với các bản mạch điều khiển và ấn đònh độ dòch chuyển các trục. Các
khoảng dòch chuyển theo ba trục có thể đưa vào bằng bàn phím(điều khiển bằng tay),
băng đục lỗ hoặc từ máy tính chạy chương trình CAD/CAM đưa xuống. Quỹ đạo dao(hai
hay ba chiều ) được hiển thò trên màn hình tinh thể lỏng còn các toạ độ hiển thò dưới
dạng nhò phân.
* Bên cạnh bộ điều khiển số có thể thêm một PLC làm các nhiệm vụ có tính chất lặp
và đơn điệu như phun chất giải nhiệt thay dao, điều khiển truyền động chính liên laic
với VĐK ở mức hai.
* Trên cùng là máy vi tính lập ra đường đi của dao cắt dựa trên yêu cầu gia công và
công nghệ cắt gọt. Máy vi tính sẽ chuyển xuống cho bộ điều khiển số chương trình gia
công.





PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

15

H1.6. Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC
Mở rộng ra cho quá trình phức tạp thí dụ như nhà máy. Mức thấp nhất là các máy và
các đơn vò sản xuất tiếp xúc trực tiếp với quá trình (dây chuyền). Ở mức trên là các tế
bào sản xuất gồm nhiều máy kết hợp (phân xưởng). Lòch sản xuất của các phân xưởng
do phòng kế hoạch sản xuất đưa xuống trên cơ sở kế họach của hội đồng quản trò và
giám đốc (hình 1.7).









Giao diện
người- máy
Máy vi tính

Bộ điều
khiển số
PLC

Bản mạch
điều khiển
Bản mạch
điều khiển

Máy công cụ

Quản lí

Điều khiển sản
xuất
Điều khiển quá
trình
Điều khiển
cục bộ
Điều khiển
cục bộ
Điều khiển
cục bộ
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

16


H1.7: Điều khiển phân cấp xí nghiệp.
Do tính chất đa dạng của các thiết bò về chủng loại và nhãn hiệu vấn đề ghép nối
các thiết bò nói trên (tích hợp hệ thống- system intergrator) đòi hỏi phải có tiêu chuẩn

chung về cơ (kích thước), điện (điện áp, dòng, cáp nối), truyền thông.
Hệ thống sản xuất phức tạp thường cấu trúc theo mạng, thấp nhất là mạng PLC
gồm nhiều PLC kết nối qua mạng MPI, Profibus trong mạng có máy tính hay màn hình
HMI. Cấp cao hơn là mạng PLC+ máy tính SCADA(Supervisor Control and Data
Acquisition), máy tính làm nhiệm vụ chẩn đoán hư hỏng, hiển thò, thay đổi thông số
hoạt động của hệ thống, lưu trữ và tường trình, có thể có nhiều máy tính kết nối theo
mạng LAN. Một dạng phân cấp khác là hệ thống điều khiển phân bố DCS(Distributed
Control System), trong mạng có máy tính giám sát, máy tính điều khiển quá trình, PLC,
RTU(Remote Terminal Unit), FCU(Field Control Unit) hoạt động dưới một chương trình
bảo đảm năng suất, chất lượng sản phẩm, tránh ngừng dây chuyền sản xuất.
1.3.Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển số
Điều khiển vòng hở:
Hệ thống điều khiển vòng hở (Hệ thống không hồi tiếp)
Thành phần của hệ thống điều khiển vòng hở thường được chia làm hai phần: bộ điều khiển và
quá trình bò điều khiển (còn gọi là đối tượng điều khiển).





r(t) u(t) c(t)


Hình
Trong đó : r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra, u(t) là tín hiệu điều khiển.
Điều khiển vòng kín (Điều khiển hồi tiếp):
Hệ thống điều khiển vòng kín (Hệ thống điều khiển có hồi tiếp).
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín :

ĐTĐK Bộ điều
khiển
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

17

r(t) e(t) u(t) c(t)
+
-
Bộ so sánh c*(t) ĐK
ĐT





ĐL
Hình
Trong đó : r(t) là tín hiệu vào; c(t) là tín hiệu ra; c*(t) là tín hiệu hồi tiếp và u(t) là tín hiệu điều
khiển.
Một hệ thống điều khiển bao gồm 3 thành phần cơ bản đó là đối tượng điều khiển, cảm biến hay

thiết bò đo lường và bộ điều khiển dùng để hiệu chỉnh các hành vi của hệ.
Tín hiệu đầu ra bộ so sánh e(t)= r(t)- c*(t), là sai số, ở hình vẽ 1-3 cũng chính là tín hiệu đầu vào
của bộ điều khiển.
Hệ thống điều khiển số:
Hệ thống điều khiển bằng máy tính chứa cả tín hiệu liên tục và tín hiệu lấy mẫu
hay rời rạc theo thời gian. Những hệ thống như vậy về truyền thống được họi là hệ thống
lấy mẫu dữ liệu.
Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer-controlled system) còn được gọi
là hệ thống lấy mẫu dữ liệu (sampled-data system). Sơ đồ khối hệ như sau


Máy tính




y(t)
{y(t
k
)} {u(t
k
)} u(y)





Hình 1.8: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Thuật toán điều khiển: PID, đặt cực, tối ưu tuyến tính dạng toàn phương (LQ).
Các thí dụ của hệ thống điều khiển bằng máy tính:

-Điều khiển vò trí.
-Điều khiển tốc độ.
-Điều khiển nhiệt độ.
-Điều khiển dòng (lưu lượng)(Flow control).
A-D
Giải
thuật
D-A
Quá
trình
(đối
tượng)
Clock
Bộ điều
khiển
Đối tượng, quá trình
điều khiển
Cảm biến, thiết bò
đo lường
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

18

-Điều khiển áp suất.
-Điều khiển công suất, dòng điện, điện áp.
-Điều khiển cường độ sáng.
1.4. Nội dung giáo trình và ứng dụng
Mục đích chính của giáo trình là thể hiện quan điểm tích hợp của điều khiển

máy tính trong các quá trình công nghiệp.
Các kiến thức lý thuyết nền tảng cần thiết mà người đọc cần biết :
.Tính toán cơ bản.
.Lý thuyết mạch điện cơ bản.
.Lý thuyết điều khiển hồi tiếp cơ bản.
.Nguyên lý cơ bản về cấu trúc máy tính và hoạt động.
. Ngôn ngữ lập trình cấp cao như là Basic, Pascal, Fortran, C/C++, Visual Basic,
Delphi, Visual C++/Visual C#.
Khi sử dụng máy tính điều khiển quá trình ta phải giải quyết các vấn đề sau:
. Ghép nối máy tính với ngoại vi(cảm biến và chấp hành).
. Lập trình điều khiển thời gian thực bao gồm các chương trình con đo, xử lí số, thuật
toán điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển.
.Truyền thông và mạng công nghiệp.
Giáo trình môn học có mục đích trình bày các kiến thức cần thiết khi sử dụng
vi xử lí vào điều khiển và đo lường, và gồm có các chương sau :
-Khái niệm chung.
-Cảm biến và chuyển đổi.
-Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính.
-Lập trình máy tính điều khiển.
-Giao tiếp với cổng song song.
-Giao tiếp với cổng nối tiếp.
-Giao tiếp với cổng USB.
-Chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A.
-Hệ thống điều khiển số.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

19

-Mạng truyền thông công nghiệp.
Câu hỏi : Chương 1: Khái niệm chung
1. Máy tính trong điều khiển quá trình.
2. Lòch sử phát triển của điều khiển máy tính quá trình.
3. Hệ thống là gì? Cho ví dụ.
4. Trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính.
5. Trình bày hệ thống thu thập dữ liệu.
6. Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC.
7. Bài toán điều khiển máy tính quá trình tiêu biểu.
8. Trình bày hệ thống điều khiển : liên tục và số.
Tham khảo : [1].TS. Nguyễn Đức Thành, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB
ĐHQG Tp. HCM, 2002 (lần 1) và 2005( lần 2).
[2]. Gustaf Olsson and Gianguido Piani, Computer systems for automation and control,
Prentice Hall ,1992.
[3].K.J.Astrom,B.J Wittenmark, Computer-Controlled Systems - Theory and Design,
Prentice Hall, 3
rd
ed., 1997.
[4]. Gene F. Franklin, J. David Powell, Michael L. Workman, Digital Control of
Dynamic Systems, 2
nd
ed., Addison-Wesley, 1990.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

20

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI.
Cấu trúc tồng quát của vào ra máy tính quá trính :

Hình 2.1. Cấu trúc tồng quát của vào ra máy tính quá trính.
Các thành phần của giao tiếp quá trình gồm có :
-Đo lường.
-Chấp hành .
-Băng thông và nhiễu.
-Truyền tín hiệu.
Dụng cụ đo lường

đại lượng cần đo Hệ thống điện
(tín hiệu analog)


Hình 2.2. Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường.
Quá trình công
nghiệp
Cảm
biến
Chấp

hành
Gia công
ngõ vào
Gia công
ngõ ra
Giao tiếp
ngõ vào
máy tính

Giao tiếp
ngõ ra
máy tính

Bộ xử lí

Vận
hành

Cảm biến
tín hiệu
Chuyển
đổi
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

21

Có rất nhiều loại cảm biến đo các đại lượng khác nhau nhưng chúng ta chỉ xét các cảm
biến thông dụng trong điều khiển quá trình như nhiệt độ, lực, dòch chuyển, vận tốc, áp

suất, lưu lượng.
2.0.Cơ bản đo lường:
Trong đo lường ta phải thực hiện các phép đo giá trò của đại lượng như là nhiệt
độ, điện áp, nên có sai số. Theo hình thức mà hệ thống xảy ra sai số:
-Sai số hệ thống: sai số được duy trì ở kết quả đo lường, khi sự đo lường được lập đi lập
lại trong cùng moat điều kiện làm việc. Sai số này có thể do dụng cụ đo, do việc đònh
chuan thang đo, do ảnh hưởng môi trường như : nhiệt độ, độ ẩm, từ trường hoặc điện
trường nhiễu.
-Sai số ngẫu nhiên: sai số này hoàn toàn khác hẳn sai số hệ thống, khi sự đo lường được
lập đim lập lại thì trò số sai số này lại khác nhau. Muốn tính toán sai số ngẫu nhiên thì
phải dùng đến lý thuyết xác suất và thống kê.
Cách tính toán sai số:
-Sai số tuyệt đối: được đònh nghóa bằng biểu thức sau nay:
aaa
−
=
'
δ

trong đó : a’: là trò số đo được do thiết bò đo.
a: trò số that của đại lượng đo.
Thực tế ta chỉ xác đònh trò số giới hạn lớn nhất của sai số tuyệt đối.
max' aaa −=∆
do đó aa
∆
≤
δ
.
-Sai số tương đối:
Sai số tương đối của đại lượng đo được xác đònh như sau:

'
a
a
r
∆
=δ
hoặc tính theo trò số (%):
100
'
(%) x
a
a
r
∆
=δ
-Sai số ngẫu nhiên: Đây là moat sai số không thể loại bỏ được và phải giảm bỏ sai số
này bằng kỹ thuật đo lường tốt nhất và phải phân tích kết quả thu được.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

22

2.1. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Cảm biến nhiệt độ là phần tử quan trọng trong bất kỳ một hệ thống đo nhiệt độ
nào.
Cảm biến nhiệt độ có khả năng cảm nhận được tín hiệu nhiệt độ một cách chính
xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như điện áp , điện trở,
điện tích, thể tích , áp suất vv
2.1.1. Các thông số của cảm biến :

2.1.1.1. Thông số cấu tạo : tùy thuộc vào từng loại cảm biến .
2.1.1.2. Thông số sử dụng : gồm các yếu tố sau :
a). Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng ghi nhận được, các
giá trò chưa bò bão hòa. Khoảng làm việc phụ thuộc tính chất cấu tạo, lý hóa của từng
loại cảm biến.
b). Độ nhạy : Độ nhạy của cảm biến được đònh nghóa


dX
dF
S =
Trong đó, dF : sự thay đổi của đại lượng đo
dx : sự thay đổi của đại lượng vật lý.
Nếu S = const trong suốt khoảng thời gian làm việc thì cảm biến đó tuyến
tính với nhiệt độ làm việc . Nếu S thay đổi trong các khoảng làm việc thì phải tuyến
tính bằng cách chia tầm đo của cảm biến ra nhiều đoạn nhỏ, có thể xem như tuyến tính.
Do đó cảm biến sẽ hoạt động trong một tầm giới hạn nhất đònh .
c). Ngưỡng độ nhạy : là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.
d). Tính trễ : Tính trễ còn được gọi là quán tính của cảm biến . Tính trễ của cảm biến
tạo nên sai số của phép đo.
Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến. Nếu
đại lượng đo thay đổi nhanh, mà quán tính của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác
được. Mọi cảm biến nhiệt đều có tính trễ.
2.1.2. Phân loại cảm biến :
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

23

Cảm biến nhiệt độ được phân thành nhiều loại dựa trên các nguyên lý hoạt
động khác nhau của cảm biến và được phân ra thành những loại sau :
- Nhiệt kế dựa trên áp suất đẳng tích.
- Nhiệt kế dựa trên sự giãn nở về thể tích.
- Nhiệt kế dựa trên sự thay đổi điện trở.
- Nhiệt kế dựa trên sự thay đổi sức điện động nhiệt.
- Hỏa kế quang học.
Bảng 2.1 cho phạm vi đo nhiệt độ của các loại cảm biến thông thường.

Tên nhiệt kế Phạm vi đo
Nhiệt kế chất lỏng
Nhiệt kế điện trơ
Nhiệt kế bán dẫn
Cặp nhiệt điện
Hỏa kế quang học
Kiểu bức xạriêng phần
Kiểu quang học
Kiểu bức xạ màu
0 °C ÷ 650 °C
- 200 °C ÷ 650 °C
100 °C ÷ 1200 °C
- 50 °C ÷ 2500 °C

Trên 100 °C
Trên 800 °C
Trên 400 °C
Bảng 2.1 : Phạm vi đo của các loại cảm biến.
2.1.3. Một số loại cảm biến thông dụng :
2.1.3.1. Cặp nhiệt điện:
a). Cấu tạo :

+

Hình 2.3. Ký hiệu cặp nhiệt điện.
Đầu đo
Hình trên là ký hiệu của cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện có cực dương được đánh
màu đỏ, cực âm không sơn màu. Cực tính của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào vật liệu kim
loại chế tạo. Ngoài ra còn sơn các màu khác để phân loại cặp nhiệt điện khi sử dụng.
- Đồng - Constantan : sơn màu nâu.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

24

- Sắt - Constantan : sơn màu xanh da trời.
- Platin - Platin Rhodi : sơn màu trắng.
Cặp nhiệt điện gồm hai sợi dây kim loại khác nhau có một đầu được hàn dính
với nhau. Đầu hàn dính được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, đó chính là đầu đo. Hai đầu còn
lại của hai dây kim loại được giữ ở nhiệt độ cố đònh gọi là hai đầu ra của cặp nhiệt điện.
Nó sẽ tạo ra một sức điện động phụ thuộc vào hiệu số của hai nhiệt độ của hai thanh
kim loại, hai đầu này được nối với bộ chỉ thò đo.
Khi ta đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ nào thì cũng đều phát sinh ra sức
điện động giữa hai thanh. Nhưng trong thực tế, tất cả những kim loại, với hợp kim của
chúng mà được dùng làm cặp nhiệt điện cần phải thỏa mãn các điều kiện sau :
- Độ tinh khiết cao.
- Tính chống ăn mòn tốt.
- Độ nóng chảy lớn hơn môi trường cần đo.
- Tính dẫn nhiệt , dẫn điện tốt.
- Tính lập lại tốt trong khoảng thời gian dài.
Độ chính xác của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào độ chính xác khi chế tạo.

b). Nguyên tắc làm việc :
T
a
a
T
1
T
2

T
b
b

Hình 2.4 :Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện.
Khi nung nóng một dây kim loại hay một phần của đoạn dây, tại đó có tập trung
điện tử tự do và điện tử có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập
trung ít, nghóa là điện tử khuếch tán từ đầu nóng ( + ) sang đầu nguội ( - ). Ở đoạn dây
xuất hiện một sức điện động phụ thuộc vào bản chất của dây.
Nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất nối với nhau qua hai điểm có nhiệt độ T
1

và T
2
thì trong mạch sẽ xuất hiện hai sức điện động bằng nhau nhưng nghòch chiều nhau,
và tổng sức điện động bằng 0.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đo lường và điều khiển bằng máy tính –© Huỳnh Minh Ngọc

25

Nhưng nếu mạch kín được tạo bởi hai dây dẫn khác nhau a và b thì tổng sức điện
động xuất hiện trong mạch này có giá trò khác 0 và phụ thuộc vào hiệu số giữa T
1
và T
2

ở mối ghép dây dẫn.
Do sức điện động phụ thuộc vào nhiệt độ nên khi một đầu hàn có nhiệt độ cao
hơn thì có sự khuếch tán của các electron ở đó lớn hơn ở mối hàn kia. Điều này làm cho
sức điện động ở mối hàn đầu nóng lớn hơn ở đầu lạnh nên sức điện động tổng khác 0.
Ngoài ra năng lượng electron ở đầu nóng cao hơn đầu lạnh nên dòng electron
cũng theo chiều đó khuếch tán. Đầu lạnh tích điện âm, đầu nóng tích điện dương và sự
chuyển động của nó ảnh hưởng đến chiều dòng điện .
E
ab
( T
1
, T
2
) = E
ab
( T
2
) - E
ab
( T
1
)

E
ab
( T
1
, T
2
) : sức điện động tổng.
E
ab
( T
2
) : sức điện động ở mối nối có nhiệt độ T
2
.
E
ab
( T
1
) : sức điện động ở mối nối có nhiệt độ T
1
.
Người ta dựa vào công thức trên để chế tạo cặp nhiệt điện.
Nếu chọn chuẩn ở 0 °C thì sức điện động ở hai đầu cặp nhiệt điện khi làm việc ở
nhiệt độ T có dạng :
E
0
( T ) = A + B.T + CT
2
+ DT
3

A, B, C, D là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo.
E
0
(µV)


t (°C)
Hình 2.5 : Đặc tuyến của cặp nhiệt điện
Như vậy sức điện động E
0
là hàm phi tuyến theo nhiệt độ. Nói cách khác độ nhạy
của cặp nhiệt điện thay đổi trong từng khoảng đo. Về mặt toán học hàm E
0
được xem
như tuyến tính đối với nhiệt độ khi C, D rất lớn so với A, B.
Như vậy sức điện động được xem như tuyến tính đối với nhiệt độ trong từng
khoảng làm việc nào đó của cặp nhiệt điện.
c). Phạm vi làm việc :
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com