GIÁO TRÌNH CAD CAM PHẦN 7 điều KHIỂN QUÁ TRÌNH NHỜ máy TÍNH CHƯƠNG 18

Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Chương 18
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
18.1. Khái quát

Lónh vực điều khiển nhờ máy tính rất gần gủi với các quá trình công nghiệp như
sản xuất hoá chất, lọc dầu, gia công kim loại.
Trong những năm gần đây việc ứng dụng máy tính đã mở rộng cho nhiều lónh
vực ngoài công nghiệp chế biến, đặc biệt là trong gia công kim loại. dập, sản xuất
linh kiện điện tử, lắp ráp,…
Các quá trình liên tục và các quá trình sản xuất rời rạc có những khác biệt quan
trọng, thí dụ sản phẩm ở dạng các chi tiết khác với sản phẩm ở dạng thùng, tôn.
Qúa trình sản xuất sản phẩm rời rạc ít phức tạp hơn, ít biến số hơn, giá trò thêm vào
vật liệu ít hơn so với các qúa trình liên tục, tuy nhiên lượng sản phẩm trong các nhà
máy chế tạo máy lớn đến mức có thể đầu tư vào việc ứng dụng máy tính một cách
hệu quả. Ngoài ra, có hai yếu tố khác góp phần thúc đẩy việc ứng dụng máy tính
trong sản xuất rời rạc, đó là giá thành máy tính ngày càng hạ và giá thành phần
mềm cũng ngày càng hạ. Việc ứng dụng điều khiển số nhờ máy tính (CNC) trong gia
công kim loại là một thí dụ điển hình.

18.2. Mô hình cấu trúc của quá trình sản xuất

Mô hình cấu trúc của qúa trình sản xuất được vẽ trên hình 18.1
Biến số không đổi

Biến số ra đo
được

Biến số vào không
điều khiển được

Biến số đánh giá
việc thực hiện

Quá trrình sản
xuất
Biến số vào điều
khiển được

Hình 18.1. Cấu trúc của qúa trình sản xuất.

Biến số vào điều khiển được là những biến số có thể thay đổi để điều chỉnh quá

trình. Trong gia công kim loại, đó là vận tốc và lượng ăn dao. Trong quá trình hoá
học, đó là tốc độ dòng chảy, nhiệt độ,…
Biến số vào không điều khiển được là những biến số thay đổi trong quá trình
nhưng không điểu khiển được, thí dụ độ sắc của dao cắt, độ cứng của vật liệu, hình
dạng của phôi.
Biến số cố đònh: thí dụ như hình học dao cắt và đồ gá. Chúng có thể thay đổi
giữa các nguyên công nhưng không thể thay đổi khi thực hiện nguyên công.

CAD/CAM

205


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH

Thực

Lê Trung

Biến số ra đo được: là những biến số có thể đo trực tuyến trong quá trình gia

công, thí dụ tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, rung động, điện áp, công suất.
Biến số đánh giá việc thực hiện: là những biến số được đo trong quá trình thực
hiện và thường liên quan tới kinh tế hay chất lượng sản phẩm. Thí dụ giá thành sản
phẩm, tốc độ sản xuất, lợi nhuận hàng hoá và cấp chất lượng.
Nhiệm vụ của việc điều khiển qúa trình là điều khiển các biến số ra đo được để
đạt được những kết quả mong muốn của các biến đánh giá việc thực hiện (chất
lượng và giá thành). Việc này được thực hiện nhờ thay đổi các biến số vào điều
khiển được của qúa trình.
Có nhiều phương pháp điều khiển hoạt động sản xuất nhờ máy tính, kể cả cấu
hình phần cứng lẫn chương trình phần mềm. Việc xem xét cấu hình phần cứng gồm
số lượng và chủng loại máy tính và cách nối mạng giữa chúng. Chương trình phần
mềm liên quan đến việc chọn chiến lược điều khiển để điều chỉnh hoặc tối ưu hoá
việc thực hiện qúa trình. Trước tiên chúng ta hãy xem xét chiến lược điều khiển qúa
trình.

18.3. Chiến lược điều kkhiể
hiển qúa trình

Có nhiều chiến lược điều khiển quá trình. Việc chọn chiến lược điều khiển phụ
thuộc vào quá trình và mục tiêu thực hiện cần đạt được. Trong phần này chúng ta sẽ
xem xét các chiến lược điều khiển sau:
1. Điều khiển có liên hệ ngược (feedback control)
2. Điều chỉnh (regulatory control)
3. Điều khiển có liên hệ thuận

4. Điều khiển có lập kế hoạch từ trước
5. Điều khiển trạng thái tối ưu
6. Điều khiển thích nghi

Hệ thống điều khiển có liên hệ ngược.

Sơ đồ của hệ thống điều khiển liên hệ ngược được vẽ trên hình 18.2.
X
+

Bộ điều khiển
qúa trình

Σ

Qúa trình

Y

Liên hệ ngược

Hình 18.2. Hệ thống điều khiển có liên hệ ngược
Hệ thống này còn gọi là hệ thống điều khiển kín. Bằng cách đo tín hiệu ra và so
sánh với tín hiệu vào, có thể tạo ra một hệ thống điều khiển kín tự động. Theo quan

CAD/CAM

206

Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

niệm cổ điển về hệ thống điều khiển liên hệ ngược, giá trò của biến điều khiển được
trừ đi từ giá trò của biến vào và giá trò chênh lệch được dùng để hướng biến điều
khiển tới giá trò mong muốn.

Hệ thống điều khiển kiểu điều chỉnh (regulatory).

Hệ thống này tương tự như hệ thống điều khiển liên hệ ngược, chỉ khác một điều
là nó duy trì biến đánh giá qúa trình (chất lượng sản phẩm) ở mức cho trước trong
suốt qúa trình. Trong hệ thống điều khiển liên hệ ngược mục tiêu là điều khiển riêng
rẽ biến số ra để đạt được giá trò mong đợi.

(feedforward
Hệ thống điều khiển có liên hệ thuận (feedforw
ard control)

Trong hệ thống điều khiển kiểu điều chỉnh cũng như hệ thống điều khiển liên hệ
ngược hoạt động bù trừ sai số chỉ xảy ra sau khi phát hiện sự dao động của biến số
ra, như vậy, sai số có thể xảy ra trước khi có hoạt động điều chỉnh.
Trong hệ thống có liên hệ thuận, sự dao động được đo trước khi nó làm đảo lộn
qúa trình và hoạt động điều chỉnh xảy ra với sự tiên liệu từ trước. Trong trường hợp
lý tưởng, hoạt động điều chỉnh bù trừ hoàn toàn sự sai lệch, ngăn ngừa được sự sai
lệch khỏi giá trò mong muốn ở đầu ra của qúa trình. Trong trường hợp này, hệ thống
điều khiển liên hệ thuận có ưu điểm hơn so với hệ thống điều khiển liên hệ ngược.
Đặc điểm căn bản của hệ thống điều khiển này được vẽ trên hình 18.3.
Nhiễu

Các phần tử
điều khiển liên
hệ thuận
-

X
Giá trò
tham
chiếu

+

Σ

Bộ điều khiển
qúa trình

Qúa trình

Y

Liên hệ ngược

Hình 18.3. Hệ thống điều khiển liên hệ thuận (kết hợp với hệ thống điều khiển
liên hệ ngược).
Trong hệ thống điều khiển liên hệ thuận, nhiễu được đo và dùng làm biến số
vào trong hệ thống điều khiển liên hệ thuận. Các phần tử của hệ thống này tính toán
ra lượng điều chỉnh cần thiết và thực hiện trước khi nó làm lệch khỏi quá trình. Để
thực hiện việc tính toán, hệ thống điều khiển liên hệ thuận có model logic hoặc toán

học về quá trình. Bản thân hệ thống điều khiển liên hệ thuận không chức bất kỳ một
cơ cấu kiểm tra để đầu ra được duy trì ở một mức cho trước. Vì lý do này, nó thường
được dùng kết hợp với hệ thống điều khiển liên hệ ngược. Hệ thống điều khiển liên

CAD/CAM

207


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

hệ thuận đạc biệt hữu ích khi qúa trình được đặc trưng bởi thời gian đáp ứng hoặc
thời gian chết lâu giữa đầu vào và đầu ra. Một mình hệ thống điều khiển liên hệ
ngược thường không có khả năng thực hiện việc điều chỉnh quá trình theo thời gian
(timely)

Hệ thống điều khiển được lập kế hoạch từ trước (preplanned control)

Thuật ngữ lập kế hoạch trước ý nói đến việc dùng máy tính để điều khiển qúa
trình hoặc thiết bò hàng loạt các bước công nghệ đã được xác đònh trước. Chiến lưọc
điều khiển này thường cần tới việc sử dụng hệ thống điều khiển liên hệ ngược để
mỗi bước công nghệ được hoàn thành trước khi sang bước kế tiếp. Tuy nhiên, tín
hiệu liên hệ ngược có thể không cần thiết trong mỗi lệnh điều khiển được đảm bảo
nhờ máy tính.
Thuật ngữ lập kế hoạch từ trước ít được dùng trong công nghiệp. Có một số
thuật ngữ khác được dùng để mô tả chiến lược điều khiển này. Những thuật ngữ
thường dùng nhất là:

CNC – điều khiển số nhờ máy tính: như được mô tả trong chương 9, chủ yếu
dùng máy tính để điều khiển máy công cụ qua các bước được lập trình NC. DNC
cũng thuộc dạng điều khiển này mặc dù không hẵn như là CNC.
Điều khiển lập trình: được dùng trong công nghiệp xử lý để khởi động hoặc kết
thúc một quá trình phức tạp hoặc làm cho qúa trình thay đổi sản phẩm từ cấp độ này
tới cấp độ khác. Thí dụ như trong công nghiệp sản xuất giấy, máy tính được lập trình
để điều khiển qúa trình qua các giai đoạn của chu kỳ để sản xuất bất kỳ loại giấy
nào.
Điều khiển tuần tự: điều khiển quá trình theo trình tự các bước kiểu ON/OFF.
Các biến số điều khiển có thể có một trong hai trạng thái ON hoặc OFF. Thí dụ như
điều khiển một đường dây tự động. Thứ tự thực hiện các chuyển động nạp phôi, dòch
chuyển chi tiết, kiểm tra chất lượng, v.v. trên dây chuyền tự động được điều khiển
hoàn toàn nhờ máy tính. Ngoài ra máy tính cũng có thể được lập trình để thực hiện
các chương trình con chẩn đoán khi đường dây có sự cố. Thay đổi dụng cụ cũng có
thể là một trong những chức năng của máy tính. Nhờ máy tính, người vận hành biết
khi nào thì đổi dụng cụ cắt.
ng thái.
Hệ thống điều khiển tối ưu ổn đònh trạng
Thuật ngữ điều khiển tối ưu liên qua đến những vấn đề lớn của điều khiển.
Chúng ta sẽ giới hạn ý nghóa của nó trong khi bàn luận về những hệ thống điều
khiển hở. Điều này có nghóa là không có tín hiệu ngược trong hệ thống. Thay vì thế,
hai yếu tố của hệ thống cần phải được biết trước:
1. Biến số đánh giá việc thực hiện quá trình (giá thành thấp nhất và chất
lượng cao nhất).
2. Mô hình toán học của qúa trình. Quan hệ toán học giữa biến số vào và
ra của qúa trình phải được xác đònh. Mô hình phải vững chắc trong suốt qúa trình.
Nghóa là không có một nhiễu nào có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng của
việc tối ưu hóa. Chính vì lẽ này mà chúng ta gọi vấn đề này là điều khiển tối ưu
ổn đònh trạng thái. Mô hình toán học có thể chứa một số ràng buộc đối với một

CAD/CAM

208


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

hay một số các biến số của qúa trình. Các ràng buộc này giới hạn phạm vi cho
phép một hàm mục tiêu được tối ưu hoá.
Với hai yếu tố trên của qúa trình được xác đònh, việc giải bài toán điều khiển tối
ưu hoá là xác đònh các giá trò của biến số vào để tối ưu hoá hàm mục tiêu. Để thực
hiện nhiệm vụ này, có rất nhiều kỹ thuật tối ưu hoá được dùng. Những kỹ thuật này
bao gồm:
- Tính toán vi phân
- Lập trình tuyến tính
- Lập trình động lực học
- Tính toán sự biến thiên
Tất cả những phương pháp này đã được ứng dụng để giải hàng loạt những bài
toán điều khiển tối ưu ổn đònh trạng thái thuộc loại này.

Điều khiển thích nghi

Hệ thống điều khiển thích nghi được thiết kế để bù trừ những thay đổi của môi
trường bằng cách thay đổi một số thông số điều khiển để đạt được thông số tối ưu
hoặc gần như tối ưu.
Hệ thống điều khiển thích nghi khác với hệ thống điều khiển liên hệ ngược hoặc
hệ thống điều khiển tối ưu ở chỗ nó có khả năng đương đầu với sự thay đổi của môi

trường theo thời gian, trong khi hai hệ thống kia hoạt động trong môi trường xác đònh
hoàn toàn.
Ba chức năng đặc trưng của hệ thống điều khiển thích nghi làm cho nó khác hẵn
những hệ thống điều khiển khác là:
1. Chức năng nhận diện: xác đònh đặc tính hiện tại của qúa trình hoặc hệ
thống. Việc này có thể cần tới một số đo đạc các biến số của qúa trình và đánh
giá mô hình toán học thích hợp của qúa trình. Nó cũng có thể bao gồm việc so
sánh chất lượng hiện tại với một số đặc tính tối ưu mong muốn.
2. Chức năng quyết đònh: một khi đặc điểm của hệ thống đã được xác đònh
thì chức năng tiếp theo là quyết đònh xem cơ chế điều khiển phải được thực hiện
như thế nào để cải thiện tính chất của hệ thống. Thủ tục ra quyết đònh được thực
hiện bởi bộ logic được lập trình từ trước do người thiết kế hệ thống đảm bảo.
Theo bộ logic một hoặc nhiều biến số vào của qúa trình có thể được thay đổi,
một số tham số bên trong bộ điều khiển hoặc một số quyết đònh có thể thay đổi.
3. Chức năng biến đổi: thực hiện quyết đònh. Việc này liên quan đến việc
thay đổi vật lý hoặc cơ học bên trong hệ thống. Sự thay đổi này chủ yếu thuộc
phần cứng chứ không phải phần mềm. Việc biến đổi bao gồm việc thay đổi các
tham số hoặc biến số của hệ thống để điều khiển quá trình tới một qúa trình tối
ưu hơn. Hình 18.4 minh họa trình tự ba chức năng trên trong hệ thống điều khiển
thích nghi ứng dụng cho quá trình giả tưởng.
Quá trình được xem như bò ảnh hưởng bởi môi trường thay đổi theo thời gian.
Trước tiên hệ thống xây dựng đặc tính của qúa trình bằng cách đo các đại lượng vào
và ra. Tùy theo đặc tính hiện tại, thủ tục quyết đònh được thực hiện để xác đònh phải

CAD/CAM

209


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH

Thực

Lê Trung

thay đổi cái gì để cải thiện đặc tính của hệ thống. Việc thay đổi hệ thống được thực
hiện trong chức năng biến đổi.

Biến số
vào hệ
thống

Biến số
vào qúa
trình

Bộ điều khiển

Môi trường
thay đổi
theo thời
gian

Biến số ra
của qúa
trình

Quá trình

Biến đổi
Đo đạc

Quyết đònh

Nhận diện

Hình 18.4. Cấu hình tổng quát của một hệ thống điều khiển thích nghi.

18.4. Điều khiển phân tán và tập trung

Có rất nhiều cấu hình thiết bò khác nhau được dùng để thực hiện các chiến lược
điều khiển được mô tả trong phần 18.3. Tuy nhiên chúng có thể chia làm ba loại:
Loại 1 – Hệ thống điều khiển tập trung
Loại 2 – Hệ thống điều khiển phân tán một phần
Loại 3 – Hệ thống điều khiển phân tán toàn bộ
Trong các hệ thống điều khiển hiện đại, các cấu hình trên thường được dùng với
hệ thống máy tính. Tuy nhiên sự phân loại trên cũng đúng cho những quá trình
không có máy tính.
Loại 11- Hệ thống điều khiển tập trung được vẽ trên hình 18.5.
Phòng điều
khiển trung
tâm

Màn hình
Thiết bò ghi
Các bộ điều
khiển ,…

Hàng trăm hoặc
hàng ngàn dây dẫn
hoặc ống dẫn

Quá trình

Các cảm biến

Cơ cấu tác động
và các giao diện
phần cứng khác

Hình 18.5. Cấu hình loại 1- hệ thống điều khiển tập trung

CAD/CAM

210


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Hệ thống này hiện được sử dụng rộng rãi nhất. Nó bao gồm một thiết bò điều
khiển trung tâm với các cảm biến và các cơ cấu tác động bố trí trong nhà máy.
Loại 2 – Hệ thống điều khiển phân tán có chọn lựa. Khác với hệ thống điều
khiển tập trung, hệ thống điều khiển loại này có một số các bộ điều khiển vệ tinh
nằm gần các cảm biến và các cơ cấu tác động. Sơ đồ hệ thống điều khiển phân tán
có chọn lựa được vẽ trên hình 18.6.

Phòng điều
khiển trung
tâm

Trạm điều
khiển vệ tinh

Hàng trăm hoặc
hàng ngàn dây dẫn
hoặc ống dẫn

Quá trình

Các cảm biến
Màn hình
Các thiết bò
ghi
Các thiết bò
đầu cuối,…

Các bộ điều
khiển

Cơ cấu tác động
và các giao diện
phần cứng khác

Các thiết bò
vệ tinh khác

Hình 18.6. Cấu hình loại 2 – Điều khiển phân tán có chọn lựa.
Ưu điểm của cấu hình này là kết hợp được cả ưu điểm của hệ thống điều khiển
tập trung và hệ thống điều khiển phân tán. Phòng điều khiển của người vận hành

vẫn đặt tại vò trí trung tâm để điều khiển hoạt động của cả quá trình. Đồng thời,
mạch điều khiển trở nên ngắn hơn nên tin cậy hơn, ít ồn hơn, ít hư hỏng hơn. Ngay cả
khi có sự cố tạm thời giữa trạm điều khiển vệ tinh và máy tính trung tâm, thì bộ điều
khiển vệ tinh vẫn có thể hoạt động như một bộ điều khiển cục bộ. Vì thế khu vực
sản xuất bò ảnh hưởng vẫn có thể duy trì hoạt động, tuy ở mức ít hiệu quả hơn.

Loại 3 – Hệ thống điều khiển phân tán hoàn toàn.

Cũng giống như trong hệ thống điều khiển phân tán có chọn lựa, hệ thống này
có nhiều trạm vệ tinh được nối với máy tính trung tâm. Tuy nhiên không giống như
cấu hình loại 2, việc điều chỉnh qúa trình đơn lẻ được thực hiện bởi các bộ điều
khiển đơn lẻ trong nhà máy, gần sát với các cảm biến và các cơ cấu tác động. Sơ đồ
của cấu hình điều khiển phân tán hoàn toàn được vẽ trên hình 18.7.
Hệ thống điều khiển phân tán hoàn toàn cũng có những ưu điểm như hệ thống
điều khiển phân tán có chọn lựa: thực hiện việc điều khiển tập trung đối với toàn bộ
quá trình, nhưng các bộ điều khiển lại đặt rải rác tại các vò trí trong nhà máy, tuy
nhiên hệ thống điều khiển kiểu này lại đi một bước xa hơn so với hai hệ thống điều
khiển trên là làm cho mạch điều khiển càng ngắn càng tốt. Việc này làm cho sự điều
khiển tin cậy hơn nhờ giảm được tiếng ồn điện vì mạch điều khiển ngắn hơn; hoặc

CAD/CAM

211


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

nếu như mạch điều khiển là khí nén thì thời gian đáp ứng nhanh hơn nhờ đường dẫn
khí ngắn hơn.

Phòng điều
khiển trung
tâm

Bus dữ
liệu số

Màn hình
điều khiển
bộ ghi,
Đầu nối
cuối

Bus dữ
liệu số

Qúa trình

Trạm điều
khiển vệ
tinh

C

Trạn vận
hành cục bộ

C

C

C

Tới các vệ tinh
khác

C

= Bộ điều khiển đặt trong vùng
làm việc

Hình 18.7. Cấu hình loại 3 – Điều khiển phân tán hoàn toàn.
Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ vi xử lý, các bộ vi xử lý có xu hướng
được gắn thẳng trong các bộ điều khiển. Việc này làm cho mạch điều khiển trở nên
thông minh hơn, kỳ diệu hơn. Trong các ngành công nghiệp các quá trình liên tục, sự
có mặt của các bộ vi xử lý trong các cảm biến, các cơ cấu tác động bố trí khắp nơi
trong nhà máy là một minh chứng tuyệt vời của việc tổ chức hệ thống điều khiển
nhờ máy tính.

18.5. Điều khiển số trực tiếp

Trong mục 18.3, chúng ta đã xem xét các chiến lược khác nhau được dùng để
điều khiển quá trình sản xuất. Mục 18.4 bàn về 3 loại cấu hình hệ thống điều khiển.
Trong phần này và phần sau chúng ta sẽ xem xét một cách phân loại khác các hệ
thống điều khiển bao trùm lên 3 loại cấu hình hệ thống điều khiển được mô tả ở
trên. Đó là hai loại cơ sở:
1. Điều khiển số trực tiếp (DDC)

2. Điều khiển giám sát nhờ máy tính.

Xuấát xứ và đònh nghóa điều khiển số trực tiếp
Xua

Trước khi có máy tính, việc điều khiển qúa trình sản xuất thường được thực hiện
bằng điện và khí nén với tín hiệu điều khiển là tương tự và việc điều khiển qúa trình
hoặc là phân tán hoặc là tập trung. Khi máy tính số bắt đầu được ứng dụng để điều
khiển qúa trình thì hệ thống điều khiển tập trung được coi là một nghệ thuật vì nó
cho khả năng điều khiển toàn bộ qúa trình và có thể là tối ưu hoá toàn bộ nhà máy.

CAD/CAM

212


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Trong quá trình tiến hoá của máy tính, vào thời kỳ này (cuối 1950 đầu 1960), máy
tính còn rất to và đắt tiền. Do đó cách duy nhất hợp lý là dùng một máy tính số lớn
cho việc điều khiển qúa trình trong cả nhà máy. Chính vì thế mà khái niệm điều
khiển số trực tiếp được sinh ra.
Điều khiển số trực tiếp là thay thế các thiết bò điều khiển tương tự cổ điển bằng
máy tính số. Với điều khiển số trực tiếp, máy tính tính toán ra các giá trò mong muốn
của các biến số vào và áp dụng trực tiếp vào qúa trình. Sự kết nối trực tiếp giữa máy
tính và qúa trình là lý do của tên gọi “điều khiển số trực tiếp”.
So với các thiết bò điều khiển tương tự, máy tính số có khả năng to lớn hơn trong

việc thực hiện việc tính toán, mềm dẻo hơn, hiệu quả hơn trong việc thực hiện cùng
một công việc so với điều khiển tương tự.

Các thành phần của hệ thống điều khiển số trực tiếp

Một qúa trình công nghiệp phức tạp có đến hàng ngàn các biến số cần theo dõi
và điều chỉnh. Thí dụ như quá trình lọc dầu hỏa. Mỗi một cặp biến số vào/ra tạo nên
một mạch điều khiển. Trước khi có điều khiển bằng máy tính số, các bộ điều khiển
tương tự đã được dùng để điều chỉnh các mạch riêng biệt của một qúa trình công
nghiệp. Các thành phần của mỗi mạch phản hồi tương tự bao gồm:
1. Các bộ biến đổi và các cảm biến. Chúng được bố trí trong nhà máy.
2. Các cơ cấu tác động. Chúng là các servomotor, valves, rơle,…và các
thiết bò khác hoạt động dưới sự điều khiển của bộ điều khiển.
3. Bô điều khiển tương tự. Điều khiển các thiết bò điện và khí nén hoạt
động theo tín hiệu sai số như trên hình 18.2 để điều khiển biến số ra cho phù hợp
với gía trò cho trước.
4. Thiết bò ghi và chỉ thò. Các thiết bò này cho phép đọc các giá trò đo đưọc
của các cảm biến trong phòng điều khiển của người vận hành.
5. Thiết bò thiết lập giá trò mong muốn và so sánh. Những thiết bò này
thường là một phần của thiết bò điều khiển tượng tư cho phép người vận hành
thiết lập giá trò mong muốn của qúa trình. Thiết bò so sánh cho phép so sánh giá
trò đo được từ bộ liện hệ ngược với giá trò đã được thiết lập.
Trong hệ thống điều khiển số trực tiếp, một số thành phần có thể được thay thế,
một số khác có thể giữ nguyên. Các bộ biến đổi, các cảm biến, các cơ cấu tác động
có liên hệ trực tiếp với qúa trình vật lý và phần lớn có thể giữ nghuyên trong hệ
thống điều khiển số trực tiếp. Các thiết bò khác còn lại không còn cần thiết nữa trong
hệ thống điều khiển số trực tiếp. Vò trí của chúng được thay thế bằng máy tính trung
tâm và các thiết bò ngoại vi khác.
Các phần tử có thể được bổ sung là bộ biến đổ tín hiệu tương tự thành tín hiệu
số. bộ biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự, multiplexer. Các thiết bò chuyển

đổi kiểu số, motor bước, có thể được dùng thay cho các thiết bò cổ điển vốn liên kết
với các bộ điều khiển tương tự. Hình 18.8 là các thành phần sơ bản của hệ thống
điều khiển số trực tiếp và cách bố trí chúng.

CAD/CAM

213


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Các biến số ra

Các biến số vào

Quá trình

Output Multiplexer

Các thiết bò giao
diện quá trình
(motor bước, …)

DAC

Bộ chuyển đổi
và các dụng cụ

liên quan
Input Multiplexer

ADC

DDC computer

Trạm vận hành

Hình 18.8. Các thành phần của hệ thống điều khiển số trực tiếp.

18.6. Điều khiển giám sát nhờ máy tính

Thực tiễn sử dụng máy tính số một cách đơn giản để mô phỏng các đặc tính của
các bộ điều khiển tương tự là giai đoạn chuyển tiếp trong việc điều khiển qúa trình
nhờ máy tính. Một mình điều khiển số trực tiếp khó mà làm cho giá thành giảm
được. Tuy nhiên việc dùng máy tính để điều khiển qúa trình có thể được hỗ trợ để
cho việc thực hiện qúa trình tốt hơn. Việc này liên quan đến ứng dụng hệ thống điều
khiển giám sát nhờ máy tính. Về căn bản, vần đề là xác đònh giá trò thích hợp trong
số các điểm được thiết lập trong mỗi mạch điều khiển. Trong các hệ thống điều
khiển tương tự tập trung, và ngay cả trong các hệ thống điều khiển số trực tiếp đơn
giản, giá trò thích hợp thường là do người vận hành quyết đònh.
Điều khiển giám sát nhờ máy tính nghóa là ứng dụng việc điều khiển qúa trình
nhờ máy tính, trong đó máy tính xác đònh giá trò thích hợp cho mỗi mạch điều khiển
để tối ưu hoá mục tiêu thực hiện của toàn bộ qúa trình. Mục tiêu thực hiện quá trình
có thể là năng suất cao nhất, giá thành sản phẩm thấp nhất, lợi nhuận cao nhất,…
Dựa trên cơ sở mô hình toán học được lập trình trong máy tính, máy tính sẽ tính toán
ra giá trò thích hợp mà qúa trình cần đạt được. Các chiến lược điều khiển khác nhau
có thể được dùng trong hệ thống điều khiển giám sát nhờ máy tính là: Hệ thống điều
khiển kiểu điều chỉnh, hệ thống điều khiển liên hệ thuận, hệ thống điều khiển lập kế

hoạch trước, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi.
Trong hệ thống điều khiển giám sát nhờ máy tính, việc điều chỉnh các điểm
thiết lập được thực hiện bằng một trong hai cách:
1. Điều khiển tương tự. Nếu mạch liên hệ ngược riêng rẽ được điều khiển
bởi thiết bò tương tự, máy tính sẽ được nối với các thiết bò này. Việc điều chỉnh
điểm chuẩn được thực hiện qua giao diện thích hợp phần cứng giữa máy tính và
phần tử tương tự.

CAD/CAM

214


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

2. Điều khiể
khiển số trực tiếp. Nếu mạch liên hệ ngược hoạt động dưới sự
điều khiển số trực tiếp thì chương trình điều khiển giám sát sẽ đảm bảo các giá
trò điểm thiết lập cho chương trình DDC. Cả hai chương trình điều khiển giám sát
và điều khiển số trực tiếp có thể chứa trong cùng một máy tính hoặc trong những
máy tính khác nhau trong cấu hình tổ chức.
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển giám sát nhờ máy tính được vẽ trên hình
18.9. Như được minh hoạ trên sơ đồ, điều khiển giám sát liên quan đến việc thực
hiện cả qúa trình, trong khi điều khiển số trực tiếp thì lại liên quan đến các mạch
điều khiển riêng biệt.
Ngoài việc điều chỉnh điểm thiết lập, máy tính giám sát có thể được yêu cầu để
điều khiển các biến số rời rạc của qúa trình. Thí dụ, khởi động và dừng motor, mở

valves, đóng ngắt công tắc, ống dây điện,… Phần lớn các hoạt động công nghiệp là
hỗn hợp các biến số tương tự và rời rạc. Vì vậy máy tính điều khiển giám sát được
dùng để thực hiện sự phối hợp giữa điều khiển tuần tự và điều khiển theo điểm thiết
lập.
Bảng 18.1 tổng kết một số đặc điểm và phạm vi ứng dụng của điều khiển số trực
tiếp và điều khiển giám sát. Bảng này giới thiệu các chiến lược điều khiển khác
nhau được dùng trong hai loại hệ thống, các dạng cấu hình và một số lónh vực ứng
dụng. Trong các quá trình sản xuất liên tục, điều khiển số trực tiếp được ứng dụng
rất hiệu quả. Điều khiển giám sát nhờ máy tính thì ngày càng được ứng dụng trong
việc sản xuất các sản phẩm rời rạc.
Biến số không đổi

Biến số vào điều
khiển được
Thay đổi các biến
số vào

Biến số đánh giá
việc thực hiện

Biến số ra đo
được

Biến số vào không
điều khiển được
Quá trình sản
xuất

Đo đạc

Xác đònh hàm
mục tiêu

Điều khiển
tương tự hay
DDC
Thay đổi các giá trò
điểm thiết lập

Điều khiển
giám sát nhờ
máy tính

Hình 18.9. Điều khiển giám sát nhờ máy tính (chỉ mối quan hệ
với điều khiển tương tự hoặc điều khiển số trực tiếp)
CAD/CAM

215


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Bảng 18.1. Bảng tổng kết đặc điểm của điều khiển số trực tiếp và điều khiển
giám sát nhờ máy tính.
Điều khiển số trực tiếp

Chiến lược điều khiển

Dạng cấu hình
Phạm vi ứng dụng

Điều khiển giám sát nhờ máy tính

Các chiến lược điều khiển

Dạng cấu hình
Lónh vực ứng dụng

-

Điều khiển liên hệ ngược
Điều khiển kiểu điều chỉnh
Điều khiển liện hệ thuận
Dạng 1- điều khiển tập trung
- Công nghiệp qúa trình liên tục

- Điều khiển kiểu điều chỉnh
- Điều khiển liên hệ ngược
- Điều khiển kế hoạch trước
- Điều khiển tối ưu
- Điều khiển thích nghi
Dạng 2 và 3 (điều khiển phân tán)
- Công nghiệ các qúa trình liên tục
- Điều khiển số trực tiếp (DNC)
- Các hệ thống sản xuất linh hoạt

CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Hãy vẽ sơ đồ cấu trúc của mô hình sản xuất và nêu rõ nhiệm vụ của việc
điều khiển quá trình.
2. Hãy trình bày 6 chiến lược điều khiển quá trình.
3. Hệ thống điều khiển số trực tiếp là gì? Bao gồm những thành phần gì? Chức
năng của mỗi thành phần và mối lên hệ giữa chúng.
4. Hệ thống điều khiển giám sát nhờ máy tính là gì? Bao gồm những thành
phần nào? Chức năng của mỗi thành phần và mối lên hệ giữa chúng.
5. So sánh đặc điểm của điều khiển số trực tiếp và điều khiển giám sát nhờ
máy tính.

HẾT CHƯƠNG 18

CAD/CAM

216


Chương 18. ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH NHỜ MÁY TÍNH
Thực

CAD/CAM

Lê Trung

217