CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN pot

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển
Có rất nhiều cách thiết kế bộ điều chỉnh khác nhau. Sau đây là một số cách thiết
kế điển hình.
3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí:
3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí
Với quy luật này tín hiệu ra của máy điều chỉnh xác định ở một trong hai trạng
thái là U
max
và U
min
. Phương trình mô tả toán học được viết: u = B. Sign(e)
Trong đó : B là tác động điều khiển ,Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch
• Khi e > 0 Sign(e) = 1 , u = B = U
max
• Khi e < 0 Sign(e) = -1 , u = -B = U
min

Máy điều chỉnh 2 vị trí thực chất là một rơle 2 vị trí lý tưởng có tín hiệu vào là e,
quá trình quá độ điều chỉnh hệ thống được thể hiện như sau:
Lúc bắt đầu điều chỉnh (0 ÷T
1
), y < x , e = x-y > 0 ta có tác động điều chỉnh u =
U
max
Khi t = T
1
thì y ≥ x, e = x - y ≤ 0 tác động điều chỉnh u = U
min
. Nhưng do quán

tính y tiếp tục tăng sau đó mới giảm cho tới thời điểm T
2,
e = 0 và tác động điều chỉnh u
= U
max.
Nhưng y vẫn tiếp tục giảm xuống theo quán tính rồi sau đó mới tăng lên đến T
3
thì y > x tác động điều chỉnh u = U
mim
quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy. Do tác động
có 2 vị trí là U
min
và U
max
nên quá trình điều chỉnh mang tính tự dao động xung quanh
giá trị chủ đạo x. Chất lượng của quá trình điều chỉnh được đánh giá bằng hai tham số :
Biên độ dao động :
2
minmax
yy
−
=∆
Sai lệch dư :
2
minmax·
yy
x
+
−=
σ

41
Hình 3-1 : Quy luật điều chỉnh 2 vị trí

3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:
Quy luật điều chỉnh 3 vị trí có mức độ tác động khác nhau là U
max
,U
min
và U
tb
.
U
max
sẽ tác động khi sai lệch e lớn, nó nhằm mục đích nhanh chóng đưa hệ về trạng thái
cân bằng. Tác động của U
tb
và U
min
quy định chất lượng của quá trình điều chỉnh ở
trạng thái xác lập,
Phương trình như sau: U = B Sign(e)
Trong đó : B là tác động điều khiển, Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch
• Khi e > a, y < x - a Sign(e) = 1 u = B = U
max
• Khi
ae
≤≤
0
, 0 ≤ x- y ≤ a Sign(e) = 0 u = U
tb

• Khi e < 0, y > x Sign(e) = -1 u = -B = U
min
Khi bắt đầu làm việc sai lệch tĩnh rất lớn lúc đó e>a, đối tượng sẽ được nhận tác
động là U
max
vì vậy hàm y tăng rất nhanh, tới thời điểm t
1
, 0 < e < a đối tượng được
điều chỉnh nhận được u = U
tb
, hệ thống chuyển trạng thái từ U
tb
sang U
min
, từ thời điểm
này trở đi quá trình điều khiển sẽ tạo ra một giá trị xác lập giống như điều chỉnh 2 vị trí
42
U
max
U
min
T
1
T
2
T
3
T
4
x

y
y
max
t
t
u
y
min
x
U
max
-U
min
u
e
với mức tác động giữa U
tb
và U
min
. Ta xét tại mỗi thời điểm thực chất quy luật điều
chỉnh 3 vị trí giống như 2 vị trí, nhưng có mức tác động U
max
, U
tb
và U
min
chất lượng
điều chỉnh 3 vị trí tốt hơn 2 vị trí (thể hiện ở thời gian quá độ, biên độ dao động ở trạng
thái xác lập).
Hình 3-2 : Quy luật điều chỉnh 3 vị trí

3.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi :
Nếu chúng ta nối tiếp thiết bị điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không
đổi sẽ được một hệ thiết bị điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành không đổi. Cơ cấu
chấp hành thường là động cơ một chiều và thường được coi là một khâu tích phân có
hàm truyền là :
1
c
T s
với T
c
là hằng số thời gian chuyển dịch của cơ cấu chấp hành từ vị
trí giới hạn đầu đến vị trí giới hạn cuối
Quy luật điều chỉnh vị trí cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi được mô tả bằng
phương trình:
( )
esign
Tdt
du
c
1
=
43
Giả thiết hệ thống sử dụng bộ điều chỉnh 2 vị trí thì quá trình được diễn dải như sau:
Hình 3-3 : Quy luật điều chỉnh hai vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
• e > 0 sign(e) = 1
c
Tdt
du 1
=

• e < 0 sign(e) = -1
c
Tdt
du 1
−=

Nếu ta chọn được T
c
thích hợp (phù hợp với quy luật điều chỉnh) chất lượng quá
trình điều chỉnh sẽ tốt hơn so với điều chỉnh 2 vị trí, giá trị đầu ra sẽ được điều chỉnh
phù hợp hơn, khi ở trạng thái cân bằng quá trình dao động sẽ nhỏ hơn
Nhìn chung quá trình điều chỉnh vị trí theo phương án trên đều xẩy ra tự dao động,
như vậy cơ cấu chấp hành sẽ làm việc liên tục. Để khắc phục nhược điểm này người ta
có thể sử dụng thiết bị điều chỉnh 3 vị trí có vùng không nhạy (vùng chết) và được mô
tả bằng phương trình sau:
• Khi e > a, y < x – a, Sign(e) = 1, u = B = U
max
• Khi e > 0, e < a, 0 ≤ x- y ≤ a Sign(e) = 0, u = U
tb
• Khi e < 0, y > x Sign(e) = -1 u = -B = U
min
0
0
u
y
x
t
1
t
2

t
3
t
u
t
u
44





Hình 3-4 : Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
Rơle 3 vị trí tương ứng với 3 trạng thái của cơ cấu chấp hành, quay thuận, dừng và
quay ngược.
Nếu sai lệch lớn hơn a thì rơle tác động điều chỉnh quay thuận tăng tín hiệu vào của
đối tượng điều khiển và y tăng lên cho tới khi sai lệch -a ≤ e ≤ a , máy điều chỉnh đưa
ra tín hiệu bằng 0 động cơ dừng làm việc, từ thời điểm t
1
tác động điều chỉnh được giữa
cố định bằng u
1
từ đó có thể xẩy ra hai trường hợp :
• Giá trị u
1
đã đảm bảo cho y chỉ dao động trong khoảng từ x-a đến x+a thì lúc đó
quá trình điều chỉnh được xem như kết thúc tại t
1
• Giá trị lượng ra y vẫn lớn hơn giá trị x+a động cơ đảo lại chiều quay để thay đổi
u từ u

1
đến u
2
sao cho tín hiệu ra nằm trong khoảng từ x-a đến x+a như từ thời
điểm t
3
trên hình 3-4
3.1.2 Phương pháp đa thức đặc trưng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến
tính
45
x+a
x
x-a
0
t
u
t
0
y
u
1
u
2
t
1
t
3
t
2
Phương pháp hệ số suy giảm (Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm

thay đổi được) dựa vào đa thức chuẩn bậc 2 được nghiên cứu đầy đủ để tổng quát cho
bậc cao hơn.
3.1.2.1 Xét hệ bậc hai
Giả sử hệ bậc 2 có hàm truyền
( )
2
0
2 2
0
2
W s
s s
ω
ξω ω
=
+ +


ξ
: hệ số suy giảm

0
ω
: tần số riêng
Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sát chất lượng
của hệ khi
ξ
thay đổi bằng Simulink ta có kết luận:
ξ
càng nhỏ độ qúa điều chỉnh

càng tăng lên.
Ta có :
20
2
1
4
aa
a
=
ξ
3.1.2.2 Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ cao
Giả sử hàm truyền của hệ có dạng:
( )
0
1
1
0
asasa
a
sW
n
n
n
n
+++
=
−
−

Ta dùng hệ số tập trung như sau:

111
2
21
20
2
1
20
11
0
1
1
1
2
1
1
1
0
0
2
2
1
1
31
2
2
2
20
2
1

1
;
; ; ;
; ,
−
−
−
−
−
−
=====⇒
===
===
n
n
n
n
n
nn
n
n
aa
a
aa
aa
an
a
a
a
a

a
aa
a
aa
a
aa
a
ω
ω
α
ω
ω
αα
ω
ω
ωωω
ααα
Cho một số đặc trưng ω
0
và hệ số suy giảm α lấy cố định. Vậy ta tính được các
thông số khác như sau:
46

1
2
0
210
0
2
1

20
2
1
0
1
1
1
0
0
2
,
ωαω
αωω
ωω
=
===
==
aaa
aa
aa
a
a
a
a
a
Thông thường ta chọn a
0
= 1 và a
1
=1

3
0
3
3
2
0
1
2
1
0
0
0
11
1
−
−
−
−
−
=
=
==⇒=
ωα
ωα
ω
ω
a
a
a

aa
Vậy ta có:
( )
k
kk
k
k
k
a
−
−−
=
=
0
2/1
0
ωα
ωαω
Chú ý: Khi cho cùng 1 số hệ số α cho các giá trị n khác thì chất lượng của hệ thống
thay đổi, n càng lớn thì thời gian hàm quá độ lần đầu tiên đạt xác lập càng nhỏ.
Hệ số α có tính chất của hệ số suy giảm, khi α càng bé hệ dao động càng mạnh,
α < 1,5 hệ trở lên mất ổn định, α nhỏ độ quá điều chỉnh σ% lớn.
Lượng quá điều chỉnh quan hệ với α theo công thức kinh nghiệm
Lg(σ%)=4,8 – 2α (*)
Thời gian quá độ đạt cực đại
0
1
0
%
2,2

2,2
a
a
t ==
ω
σ

Bảng tính sẵn một số giá trị σ% theo α
α
1,6 1,75 2 2,4
σ%
40 20 6 1
Người ta thường chọn α > 1,6
3.1.2.3 Xét ảnh hưởng của tử số hàm truyền
Giả sử hàm truyền kín của hệ có dạng:
47

( )
0
1
1
0
1
1

' ''
asasa
asasa
sW
n

n
n
n
m
m
m
m
+++
+++
=
−
−
−
−

Khi m tăng thì σ% tăng và
σ
t
giảm, để có chất lượng σ % cho trước người ta dùng
hệ số hiệu chỉnh như sau:
• Xét khi tử số hàm truyền có dạng bậc 1

( )
0
1
1
01

''
asasa

asa
sW
n
n
n
n
+++
+
=
−
−
(**)

( )
1
0
0
0
0
'
'
'
5,1
'
45,1'
a
a
=
−+=
ω

α
ω
ω
α
(***)
Khi thiết kế α’ được xác định theo mẫu số của (**) sau đó dùng công thức (***) để
xác định lại α rồi xác định lượng quá điều chỉnh theo công thức (*)
Thời gian quá độ được tính:








−=
00
'4
11
2,2
ωω
σ
t

• Khi tử số hàm truyền có dạng bậc 2:
( )
0
1
1

01
2
2

'''
asasa
asasa
sW
n
n
n
n
+++
++
=
−
−

Ta có :
( )








−=
==

−+=
00
20
1
2
1
0
0
2
0
2
0
3
'
11
2,2
''
'
4,
'
'
'
5,1
'
6,15,1'
ωω
ξω
α
ω
ω

ξα
σ
t
aa
a
a
a
3.2. Sơ đồ khối hệ thống
48
Trên hình 3- 5 là sơ đồ khối tổng quát mạch điện điều khiển nhiệt độ lò nung, trên
sơ đồ có hai mạch vòng điều khiển.
Mạch vòng thứ nhất là mạch vòng ổn định lưu lượng dầu FO, bao gồm khối so sánh
tín hiệu đặt giá trị lưu lượng dầu và tín hiệu phản hồi Uy
1k
, máy điều chỉnh (MĐC),
động cơ chấp hành (CH), van dầu (VAN), sensor đo lưu lượng (Sensor LL) và khối
khuếch đại tín hiệu.

Hình 3-5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
Mạch vòng thứ hai là mạch vòng điều chỉnh lưu lượng gió nóng tìm cực trị kiểu
bước, bao gồm khối so sánh (SS)

, khối logic (LG), máy điều chỉnh (MĐC), động cơ
49
Hiển thị giá trị thực
LG
KĐ
Sensor
LL
MĐC
CH
KĐ
MĐC
GN
T
FL
CH
VAN
Sensor
nhiệt
VSL
yk
U
1
y
1k
Uy
1k

X
1k
Y
1k
X
2k
Y
2k
Uy
k+1
Uy
k
Hiển thị giá trị đặt
Báo động
VAN
t
0
LL
(-)
SS
Sensor
tốc độ
(-)
chấp hành (CH), van gió (VAN), sensor đo nhiệt độ (Sensor nhiệt), sensor đo tốc độ
(Sensor tốc độ) khối khuếch đại tín hiệu (KĐ), bộ phát lệnh (FL), bộ ghi nhớ (GN) và
khâu trễ (T).
Ngoài hai mạch vòng chính còn bộ vi xử lý (VXL) để hiển thị giá trị nhiệt độ đặt,
nhiệt độ đo, tín hiệu báo động khi nhiệt độ tăng quá hoặc thấp quá giá trị đặt,và điều
chỉnh giá trị đặt lưu lượng khi thay đổi năng suất. lò nung được coi như một khâu có
đặc tính cực trị.

3.3. Mạch vòng ổn định lưu luợng dầu

Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lưu lượng dầu như hình 3-6. Để đưa nhiệt độ lò
đến nhiệt độ mong muốn cho từng vùng của lò, ta đặt giá trị lưu lượng dầu ổn định ở
giá trị điện áp U
1
(được nhập vào qua bàn phím), giá trị này so sánh với tín hiệu phản
hồi Uy
1k
được lấy từ sensor đo lưu lượng dầu qua bộ khuếch đại đưa về, ta nhận được
sai lệch ∆y
1k

∆y
1k
= U
1
– Uy
1k

Sai lệch này được máy điều chỉnh (MĐC) xử lý điều khiển động cơ chuyển dịch
đóng mở van dầu.
50
KĐ
s.sơ
LL
MĐC
CH
U
1

y
1k
Uy
1k
X
1k
Y
1k
VAN
LL
(-)
Hình 3-6
Nguyên lý làm việc của mạch được lý giải như sau:
Khi :
∫
∆
1
0
1
T
k
Y
.dt > c. (trong đó c là ngưỡng tác động của máy điều chỉnh, T
1
là
khoảng thời gian để lưu lượng dầu đạt tới giá trị mà sai lệch so với giá trị đặt làm cho
máy điều chỉnh không tác động, c được chọn sao cho sai lệch của lưu lượng dầu trong
khoảng cho phép (
±
1%) khi đó máy điều chỉnh tác động điều khiển động cơ quay

theo chiều thuận mở van dầu.
Khi: -c <
∫
∆
T
k
Y
0
1
dt < c , máy điều chỉnh không tác động, động cơ không quay, lưu
lượng dầu được giữ cố định.
Khi:
∫
∆
T
k
Y
0
1
.dt < -c , máy điều chỉnh ra lệnh đảo chiều động cơ quay theo chiều
ngược lại làm giảm lưu lượng dầu.
Như vậy bằng cách tính chọn ngưỡng tác động của máy điều chỉnh ta được vùng
không nhậy, lưu lượng dầu được giữ cố định và không dao động.
Khi nhiệt độ do một nguyên nhân nào đó vượt hoặc giảm quá nhiệt độ đặt (có thể
do nhiễu phụ tải tăng hoặc giảm), bộ vi xử lý sẽ cho tín hiệu điều chỉnh giá trị đặt U
1
để
ổn định nhiệt độ của lò, đồng thời phát tín hiệu báo động để cho người vận hành biết.
Do thời gian không cho phép ta không đi sâu nghiên cứu mạch vòng và mạch điều
chỉnh này, mà đi sâu nghiên cứu mạch vòng thứ 2, mạch vòng điếu chỉnh lưu lượng gió

tìm cực trị kiểu bước.Khi lưu lượng dầu cố định mạch vòng thứ hai có nhiệm vụ tự
động điều chỉnh lượng gió để nhiệt độ của lò đạt cực đại.
3.4. Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng khí theo phương pháp bước
3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước
51
Với giả định là ở một nhiệt độ đặt nhất định (ứng với năng suất và yêu cầu nhiệt độ
từng vùng của lò), mạch vòng ổn định lưu lượng dầu giữ lượng dầu phun vào lò ở một
đại lượng cố định, nhiệm vụ của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước là tự động
điều chỉnh lượng khí đưa vào để đốt với lượng dầu trên sao cho nhiệt độ của lò đạt cực
đại. Qua phân tích, nghiên cứu ta chọn sơ đồ khối bộ điều chỉnh kiểu bước điều chỉnh
lưu lượng khí tự động tìm cực trị như hình 3-7


Hình 3-7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước
Đối tượng điều khiển, tọa độ x là đại lượng chuyển dịch tọa độ y là lượng điện áp
đưa vào các bộ ghi nhớ. (CH) là động cơ một chiều, (VAN) là van gió, (MĐC) máy
điều chỉnh, (LG) khối logic, (SS) khối so sánh, (GN) khối ghi nhớ các giá trị nhiệt độ
dưới dạng điện áp,(FL) khối phát lệnh, khối này làm nhiệm vụ phát lệnh cho khối
GN,SS,LG,làm việc, khối FL thực hiện tuần tự thuật toán bốn bước sau :
Bước 1 : 1 0 0 0
Bước 2 : 0 1 0 0
52
LG
CH
KĐ
MĐC
GN
T
FL
VAN

Sensor
nhiệt
yk
X
2k
Y
2k
Uy
k+1
Uy
k
t
0
SS
Sensor
tốc độ
(-)
Bước 3 : 0 0 1 0
Bước 4 : 0 0 0 1
Bước 5 : 1 0 0 0

Các khối: Sensor nhiệt độ (s.sơ.n.độ ), khuếch đại (KĐ) làm nhiệm vụ lấy tín hiệu
nhiệt độ dưới dạng điện áp ở các thời điểm đầu và cuối các bước đưa về khối ghi nhớ,
sensor tốc độ làm nhiệm vụ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ duới dạng điện áp đưa
về máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ trong mỗi bước.
3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ
Nguyên tắc làm việc của sơ đồ được thực hiện theo 4 bước như sau:
• Bước 1: Bộ phát lệnh (FL) phát lệnh tới khối logic (LG) điều khiển động cơ
chấp hành (CH) quay dịch mở van gió một bước +∆x , đồng thời phát lệnh cho
bộ ghi nhớ (GN), ghi nhớ giá trị nhiệt độ ban đầu dưới dạng điện áp Uy

k
.
• Bước 2: Bộ phát lệnh tạo thời gian trễ để nhiệt độ của lò thay đổi
• Bước 3: Bộ phát lệnh phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uy
k+1.

• Bước 4: Bộ phát lệnh phát lệnh so sánh 2 giá trị trong các bộ nhớ .
* Nếu : ∆y
k
= Uy
k+1
- Uy
k
> c ( nhiệt độ lò đang tăng lên)
Trong đó c là một số dương cho trước là ngưỡng tác động của khối logic, bộ phát
lệnh tiếp tục phát lệnh tới khối logic điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van
khí một bước ∆x nữa, và phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uy
k+1
. Quá trình lặp
lại theo chu kỳ như trên cho tới khi tìm được cực trị (đây là quá trình tìm cực trị ).
* Nếu: ∆y
k
= Uy
k+1
- Uy
k
< - c (nhiệt độ vượt qua giá trị cực đại)
Thì khối logic điều khiển động cơ quay ngược lại đóng bớt van gió một bước ∆x
và lúc này hệ đã tìm được cực trị và chuyển sang quá trình duy trì cực trị.
* Nếu: - c < ∆y

k
= Uy
k+1
-Uy
k
< c khối logic không tác động, động cơ không
quay lưu lượng khí cấp vào mỏ đốt được giữ cố định và hệ làm việc ở vùng cực trị.
53
Tuy nhiên giá trị nhiệt độ ở bước 1 và bước 3 vẫn được bộ ghi nhớ ghi lại để kiểm
tra và duy trì điểm làm việc xung quanh điểm cực trị.
Như vậy nhờ thuật toán điều khiển kiểu bước như trên hệ đã thực hiện hai quá
trình, quá trình thứ nhất là quá trình tìm cực trị và quá trình thứ hai là quá trình duy trì
điểm làm việc tại cực trị, bằng việc tính chọn mức ngưỡng của phần tử logic hợp lý và
trong khoảng sai số cho phép ta có vùng làm việc không nhạy mà ở đó, hệ làm việc
trong vùng cực trị mà không bị dao động.
Sensor tốc độ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ dưới dạng điện áp đưa về cùng
với máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ động cơ trong mỗi bước .
3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý
Hệ thống gồm các bộ phận chính sau:
• Bộ phát lệnh (FL).
• Bộ ghi nhớ (GN).
• Bộ so sánh (SS).
• Máy điều chỉnh (MĐC).
• Động cơ chấp hành (CH)
3.4.3.1. Động cơ chấp hành, Mạch khuếch đại công suất
a) Động cơ chấp hành
Để điều khiển van gió (yêu cầu công suất nhỏ), ta chọn động cơ 1chiều động cơ
có công suất 12.5w, điện áp 12v
b) Mạch khuếch đại công suất
Sau khi nghiên cứu ta chọn mạch khuếch công suất dùng vi mạch, BA 6209, vi

mạch có 10 chân, công suất điều khiển lớn nhất 22w.
- Chân số 1 : Nối GND
- Chân số 2& 10 : Nối ra động cơ
- Chân số 3& 9 : V
Z

- Chân số 4 : Tạo điện áp chuẩn (V
ref
)
54
- Chân số 5& 6 : Nhận tín hiệu điều khiển
- Chân số 7& 8 : Cấp nguồn cho mạch logic và khuếch đại (12v)
sSơ đồ vi mạch được mô tả như hình 3- 9
Out1 GND Out2 V
Z1
V
Z2
V
ref
Fin Rin V
cc1
V
cc2



BA6209 làm việc như sau: Khi đầu (5) ở mức cao đầu (6) ở mức cao, đầu ra (2) ở mức
thấp và đầu ra (10) ở mức thấp. Khi đầu (5) ở mức thấp đầu (6) ở mức thấp, đầu ra (2)
ở mức thấp và đầu ra (10) ở mức thấp, như vậy khi các đầu vào (5) và (6) cùng mức thì
các đầu ra cũng cùng mức thấp, như vậy điện áp cấp cho động cơ chấp hành (đầu số (2)

và (10)) bằng không nên động cơ không làm việc, sơ đồ nối dây khối công suất và
động cơ như hình 3-9a, bảng sự thật trên hình 3-9b:


55
BA 6209 928H55
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
+12v
GND
U
dk1
U
dk2
đến động cơ cơ
C=0.1µF
Hình 3-9a
2 1 10 3
9
4 5 6 7 8
CONROL LOGIC
Hình 3-8
3.4.3.2. Mạch logic
Mạch logic có nhiệm vụ phát tín hiệu điều khiển cho động cơ làm việc theo nguyên
tắc: .
* Nếu: ∆y
k
= Uy
k+1
- Uy
k

> c (trong đó c là ngưỡng tác động của khối logic), khối
logic phát lệnh điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van một bước ∆x.
* Nếu: ∆y
k
= Uy
k+1
- Uy
k
< - c khối logic phát lệnh điều khiển động cơ chấp
hành quay dịch ngược van lại một bước -∆x .
* Nếu : - c < ∆y
k
= Uy
k+1
- Uy
k
< c Thì khối logíc không tác động, động cơ
không quay, để thực hiện yêu cầu điều khiển như trên ta thiết kế mạch tạo mức
ngưỡng, sơ đồ mạch điện như hình 3-10
Trên sơ đồ mạch điện các bộ khuếch đại thuật toán dùng vi mạch LM324P, phần tử
NAND dùng vi mạch 4011BP. Để tạo mức ngưỡng cho mạch logic (c = 0.05v) ta cấp
56
Hình 3-9b
một điện áp dương vào đầu đảo của U5B và U6C qua cầu phân áp R
4
và R
3
, để mức
ngưỡng đạt 0.05v ta chọn R
3

là biến trở loại 100KΩ, điện trở R
4
là 470 Ω , điện trở R
6
= R
5
= 1MΩ.
Bộ khuếch đại U8A là mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại bằng -1, đầu ra của
nó có điện áp bằng ± ∆y
k
, xung nhịp đưa đến 4011 ở nhịp thứ 4 của bộ phát lệnh, mạch
logic làm việc như sau
Khi không có tín hiệu điều khiển ở cả hai đầu ra của 4011 đều ở mức cao, máy điều
chỉnh không tác động, động cơ không quay. Khi có tín hiệu điều khiển và có xung
nhịp,
Nếu: ∆y
k
> c > 0 đầu ra của U5B ở mức cao đầu ra của 4011 số I ở mức thấp, đầu
ra U8A ở mức thấp, đầu ra U5B ở mức thấp, đầu ra 4011 số II ở mức cao, đầu ra có tín
hiệu cho BA6209 điều khiển động cơ quay dịch thuận van một bước ∆x.
57
II
Hình 3-10
I
∆y
k
=Uy
k+1
-Uy
k

Xung nhịp
D1
GP30K U1A
4011BP_10V
D2
GP30K
U3A
4011BP_10V
U8A
LM324P
3
2
11
4
1
U5B
LM324P
3
2
11
4
1
U6C
LM324P
3
2
11
4
1
R3

100K
Ω
_LIN
Key = A
50%
R4
470k
Ω
R5
1.0M
Ω
R6
1.0M
Ω
VEE
-12V
VCC
12V
9
8
7
6
5
1
0
4
VCC
VEE
2
10

Nếu: ∆y
k
< - c đầu ra U5B ở mức thấp đầu ra của 4011 số I ở mức cao. Đầu ra
U8A ở mức cao, đầu ra U6C ở mức cao, đầu ra 4011 số II ở mức thấp, đầu ra có tín
hiệu cho BA6209 điều khiển động cơ quay dịch ngược van một bước ∆x (theo chiều
đóng van gió )
Nếu: -c < ∆y
k
< c đầu ra U5B ở mức thấp, đầu ra 4011 số I ở mức cao, đầu ra của
U6C luôn ở mức thấp nên đầu ra của 4011 số II ở mức cao vì vậy đầu ra không có tín
hiệu điều khiển, động cơ không quay.
Sau khi nghiên cứu, thiết kế mạch điện tạo mức ngưỡng đã thực hiện được yêu cầu
điều khiển của bộ điều khiển. Kết quả chạy thử mạch trên phần mềm multisim-8, hình
3-11 là kết quả tín hiệu ra khi không có tín hiệu điều khiển, hình 3-12 là kết quả tín
hiệu ra khi tín hiệu điều khiển lớn hơn mức ngưỡng c, hình 3-13 là kết quả khi tín hiệu
điều khiển nhỏ hơn mức ngưỡng -c và hình 3-14 là kết quả khi tín hiệu điều khiển mằm
trong mức ngưỡng. Đường 1 là tín hiệu ra của 4011 số I, đường 2- tín hiệu ra của 4011
số II, đường 3- xung nhịp, đường 4- tín hiệu điều khiển.
58
Hình 3-11
1
2
3
4
1
23
4
Để xung đầu ra của mạch logic có đủ độ rộng và có thể điều chỉnh được ta thiết kế
mạch dãn xung, hình 3-15 là sơ đồ mạch điện dãn xung. Khi không có tín hiệu của
xung điều khiển hoặc xung nhịp hoặc cả hai tín hiệu không có, đầu ra của 4011 ở mức

59
4
3 2
1
Hình 3 -12
Hình 3 -13
1
2
3
4
Hình 3 -14
Xung điều khiển
Xung nhịp
cao
«
H
»
, đầu ra 3 của vi mạch 555 ở mức thấp
«
L
»
(đầu ra điều khiển BA6209). Khi có
tín hiệu của xung nhịp và xung điều khiển đầu ra của 4011 ở mức thấp, đầu ra 3 của vi
mạch 555 chuyển lên mức cao
«
H
»
, khi xung điều khiển mất đầu ra 3 của 555 vẫn ở
mức cao, thời gian trễ của xung ra τ = R
1

.C
1
Điều chỉnh R
1
ta có thể điều chỉnh độ rộng của xung ra.Với yêu cầu thiết kế bộ
điều khiển chọn thời gian trễ τ = 1 (s), chọn tụ C
1
= 2.2µF, chọn biến trở R
1
loại 500KΩ
Kết quả chạy kiểm tra thử trên phần mềm multisim – 8 được thể hiện trên
hình 3-16, đường 1 mô phỏng xung điều khiển, đường 2- xung nhịp, đường 3- xung
ra 555
60
Xung ĐK
1
2
3
Xung điều khiển
Xung nhịp
Hình 3-15
Xung ra
D1
GP30K U1A
4011BP_10V
U2
LM555CM
GND
1
DIS

7
OUT
3
RST
4
VCC
8
THR
6
CON
5
TRI
2
R1
500K
Ω
_LIN
Key = A
50%
C1
2.2uF-POL
C2
0.1uF-POL
VCC
12V
0
4
3
2
1

5
VCC
6

Như vậy để điều chỉnh độ rộng của xung ra ta điều chỉnh biến trở R
1
, hay chính là
điều chỉnh độ lớn của bước ∆x. Mạch khuếch đại công suất cần hai ngõ vào điều khiển
(5 và 6), như vậy ta thiết kế hai mạch dãn xung để điều khiển 2 ngõ vào, nếu điều
chỉnh độ rộng xung ra bằng nhau thì bước dịch thuận và dịch ngược bằng nhau.
Nên điều chỉnh bước dịch ngược nhỏ hơn bước dịch thuận (theo chiều mở van) để bộ
điều khiển nhanh nằm trong vùng ổn định
3.4.3.3. Mạch so sánh
Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh hai giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp tại thời
điểm đầu và cuối của của mỗi bước Uy
k
và Uy
k+1,
hiệu của hai giá trị điện áp này được
đưa vào khâu logic, ta chọn bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán LM2904P sơ đồ
mạch điện như hình 3-17


61
Uy
k+1
VCC
12V
R7
100k

Ω
R8
100k
Ω
R9
100k
Ω
R10
100k
Ω
U7A
LM2904P
3
2
4
8
1
0
9
7
VCC
VEE
-12V
VEE
1
2
3
Hình 3-16
Xung ra
Xung nhịp

Điện áp ở đầu ra (1) bằng ∆yk = Uy
k+1
– Uy
k
, các điện trở R
7
= R
8
= R
9
= R
10
= 100
KΩ. (để tạo ra khoảng thời gian trễ τ = 0,1s, tụ điện của bộ ghi nhớ ta chọn bằng 10 µF
nên các điện trở chọn bằng 100K)
3.4.3.4. Mạch điều chỉnh cho động cơ chấp hành
Động cơ chấp hành là động cơ 1 chiều đầu vào là điện áp phần ứng đầu ra là tốc
độ, các thông số của động cơ là: U = 12 (vôn) , n = 1500 (vòng/phút)
Rư = 0.25 (Ω) , Φ= 0.04 (Vs) , L = 0.004 (H), J = 0.012 (Kg m
2
)
,
C

u
= 0,0764
• Thông số của hàm truyền
25
2
12
d
K
π
=
(rad/vôn)
2
0,05139
u
c
u
R J
T
C
= =
(s)

0.004
0.016
0.25
u
u
u
L
T

R
= = =
(s)
• Hàm truyền của động cơ khi đầu ra là tốc độ
2 2
13.08
( )
1 0.0008 0.05139 1
d
dc
u c c
k
W s
T T s T s s s
= =
+ + + +
62
∆yk
Hình 3-17
Uy
k
• Hàm truyền của van
Động cơ quay với tốc độ 1500 vòng/phút (25 vòng/s), mà trong một giây van
mở được 1/30 hành trình (90
0
) vậy ta có hàm truyền của van là
1
( )
30 25
W s =

×
Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển là
Hình 3-18
• Ta đi thiết kế máy điều chỉnh cho cơ cấu chấp hành động cơ một chiều có hàm
truyền là
dt
2
13.08
W (s)=
0.0008 0.05139 1s s+ +
Dùng phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được ta thiết kế đựợc
máy điều chỉnh là PI bằng chương trình sau:
%Chuong trinh thiet ke bo dieu khien
k=input('Moi ban nhap he so phan hoi k= ')
kd=input('Moi ban nhap he so khuyech dai kd= ')
tu=input('Moi ban nhap he so tu= ')
tc=input('Moi ban nhap he so tc= ')
anpha1=input('Moi ban chon he so anpha1=')
w2=1/tu;
w1=w2/anpha1;
63
w0=w1/anpha1;
km=(w1*tc-1)/(k*kd)
a=w0*(1+1/(k*kd*km));
ti=1/a
end;
Từ đó ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh như sau:
dc m
1
W (s)=K 1+

i
T s
 
 ÷
 
Với : K
m
= 0,0454 và Ti = 0,0222
dc
1
W (s)=0.0454 1+
0.0222s
 
 ÷
 
• Từ cấu trúc hàm truyền của bộ điều khiển ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý như sau:
Từ cấu trúc của hàm truyền ta có: K
m
= 0.0454 = R
12
/R
13
= R
18
/R
19
R
12
.C
11

= R
18
.C
10
= T
i
= 0.0222, từ đó ta chọn R
12
= R
18
= 4.7 KΩ, R
13
= R
19
=100KΩ
64
Hình 3-19
Tín hiệu đặt
Tín hiệu
phản hồi
Tín hiệu
phản hồi
Tín hiệu
điều khiển
Tín hiệu
điều khiển
Tín hiệu đặt
U7B
LM2904P
3

2
4
8
1
U14A
LM2904P
3
2
4
8
1
U14B
LM2904P
3
2
4
8
1
U15B
LM2904P
3
2
4
8
1
R20
100k
Ω
R14
100k

Ω
R13
100K
Ω
_LIN
Key = Space
50%
R19
100K
Ω
_LIN
Key = Space
50%
VEE
-12V
VCC
12V
VCC
VEE
-12V
VEE
VCC
12V
VCC
R17
100k
Ω
R15
100k
Ω

R16
100k
Ω
VEE
5
1
0
10
0
911
12
R23
100k
Ω
R21
100k
Ω
R22
100k
Ω
0
13
14
15
16
0
C11
4.7uF
C10
4.7uF

R12
4.7k
Ω
4
3
2
R18
4.7k
Ω
6
8
7
chọn C
11
= C
10
= 4.7 µF, các khuếch đại thuật toán chọn loại LM2904P, mạch so sánh
là mạch khuếch đại vi sai, các điện trở R
20
=R
21
=R
22
=R
23
=R
14
=R
15
=R

16
=R
17
=100kΩ
3.4.3.5. Bộ phát lệnh
Nhiệm vụ của bộ phát lệnh là phát lệnh cho bộ điều khiển làm việc theo chu kỳ 4
bước với chu kỳ bằng 8 (s) và có thể điều chỉnh chu kỳ được, để tạo ra chu kỳ 8(s) có
thể điều chỉnh được ta nhờ bộ tạo thời gian trễ. Sau khi nghiên cứu ta chọn bộ tạo thời
gian trễ như hình 3-20
Vi mạch 555 bao gồm hai khuyếch đại thuật toán thực hiện chức năng so sánh,
một trigơ, một tranistơr, vi mạch có 8 chân
1- nối với cực âm nguồn. 2- kích lật 3- cổng ra. 4- khóa. 5- lọc nhiễu. 6- ngưỡng lật.
7- chân phóng điện.8- chân nối cực dương
Chu kỳ xung T = t
1
+ t
2
; t
1
= 0,693 C
7
R
11
; t
2
= 0,693 C
7
R
12
. Vi mạch 4017

là bộ chia 10 cùng với vi mạch 555 tạo thành bộ tạo thời gian trễ
Biến trở R
11
để điều chỉnh chu kỳ xung chủ đạo phát ra từ vi mạch 555.Chọn chu kỳ
bộ phát lệnh T = 8 (s), thì R
11
= 33 K , R
12
= 33K , C
7
= 2.2µF, để điều chỉnh chu kỳ
xung ta chọn R
11
là loại biến trở 50K
Kết quả mô phỏng xung nhịp và xung ra của mạch tạo thời gian trễ như hình 3- 21
65
Hình 3 - 21
Xung ra 4017
Xung ra 555
Hình 3 - 20
Xung ra
U12
4017BP_10V
O0
3
O1
2
O2
4
O3

7
~CP1
13
MR
15
CP0
14
O4
10
O5
1
O6
5
O7
6
O8
9
O9
11
~O5-9
12
U13
LM555CM
GND
1
DIS
7
OUT
3
RST

4
VCC
8
THR
6
CON
5
TRI
2
R11
50K
Ω
_LIN
Key = A
50%
R12
33k
Ω
VCC
12V
C7
2.2uF
C8
0.1uF-POL
VCC
4
3
2
1
0

5