Lý thuyết chung về hệ thống điều khiển nhiều chiều

Website: Email : Tel : 0918.775.368
Lý thuyết chung về hệ thống điều khiển
nhiều chiều
Chương 1:
Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển nhiều chiều
Trong cuộc sống, chúng ta gặp rất nhiều đối tượng nhiều chiều (đối
tượng MIMO). Đó là các đối tượng nhiều đại lượng đầu vào, nhiều đại
lượng đầu ra. Một hệ thống gồm có đối tượng nhiều chiều và bộ điều khiển
các đại lượng của đối tượng đó được gọi là hệ thống điều khiển nhiều chiều.
1. Đối tượng nhiều chiều và phương pháp điều khiển
1.1. Đối tượng nhiều chiều
Đối tượng nhiều chiều là đối tượng có nhiều đại lượng vào và nhiều
đại lượng ra. Tất cả các đại lượng này có quan hệ chặt chẽ với nhau, tác
động qua lại lẫn nhau. Ví dụ như, khi chúng ta tăng lượng nước ra vòi tắm
hoa sen bằng cách tăng độ mở của vòi nước nóng thì sau đó nhiệt độ lại tăng
lên; một mặt chúng ta muốn có nhiều thời gian nghỉ ngơi nhưng chúng ta lại
dùng nhiều thời gian để làm việc để kiếm nhiều tiền hơn. Như vậy, với một
đối tượng nhiều chiều, việc thay đổi một đại lượng đầu vào nào đó sẽ dẫn tới
sự thay đổi của các đại lượng đầu ra khác. Do đó mà việc điều khiển đối
tượng nhiều chiều rất khó khăn, cấu trúc hệ thống phức tạp. Khó khăn chủ
yếu trong việc điều khiển đối tượng nhiều chiều là phải làm việc với các ma
trận thay vì các hàm truyền.
N
1
N
2
… N
n
X
1
X

2
X
2
Y
2
X
n
Y
n
Hình 1.1: Đối tượng điều khiển nhiều chiều
Trong đó:
X
1
,X
2
,…,X
n
là đại lượng đầu vào (đại lượng điều chỉnh)
Y
1
,Y
2
,…,Y
n
là đại lượng đầu ra (đại lượng được điều chỉnh)
N
1
,N
2
,…,N

n
là các tác động nhiễu
1
Đối tượng điều
khiển
 
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Ta thấy rằng, với mỗi một đại lượng đầu vào bất kỳ thay đổi đều dẫn
đến sự thay đổi của các đại lượng đầu ra nên ta có thể xem một đối tượng
nhiều chiều bao gồm nhiều đối tượng một chiều riêng biệt (đối tượng SISO,
có một đầu vào và một đầu ra), có quan hệ đan chéo, tác động qua lại lẫn
nhau, theo các quy luật khác nhau. Việc điều khiển một đối tượng SISO dơn
giản hơn nhiều và có nhiều phương pháp điều khiển hơn so với việc điều
khiển một đối tượng MIMO nên nhiệm vụ đặt ra là xác định các quy luật tác
động như đã nói ở trên thông qua nhận dạng đối tượng.
1.2. Phương pháp điều khiển đối tượng nhiều chiều
Trong thực tế, đối tượng nhiều chiều có thể phân tích thành nhiều đối
tượng SISO và các mối quan hệ được mô tả dưới dạng hàm truyền đạt. Các
quan hệ biểu diễn dưới dạng mô hình sau:
Y
1
=F
1
(X
1
,X
2
,…,X
n
, N

1
,N
2
,…,N
n
)
Y
2
=F
2
(X
1
,X
2
,…,X
n
, N
1
,N
2
,…,N
n
)
…
Y
n
=F
n
(X
1

,X
2
,…,X
n
, N
1
,N
2
,…,N
n
)
Việc xác định các hàm truyền đạt thể hiện các mối quan hệ đó được
tiến hành khảo sát bằng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp đơn
giản nhất là phương pháp thực nghiệm. Trong phương pháp này, các đối
tượng đơn được gọi là các kênh của đối tượng nhiều chiều. Như vậy, với
mỗi kênh đó, ta sẽ có một bộ điều khiển thích hợp. Một hệ thống điều khiển
2
Hình 1.2: M« h×nh ®èi t­îng nhiÒu chiÒu vµ c¸c t¸c ®éng bªn trong
C¸c quan hÖ bªn trong
®èi t­îng (bao gåm quan
hÖ ®éc lËp vµ quan hÖ ®an
chÐo nhau)
x
1
, x
2
, ..., x
n
y
1

, y
2
, ..., y
m
§èi t­îng
§¹i l­îng vµo
§¹i l­îng ra
§T1
§T1
§T2
§T2
§Tn
§Tn

x
1
, x
2
, ..., x
n
y
1
, y
2
, ..., y
m
Website: Email : Tel : 0918.775.368
nhiu chiu l h thng c thit k cho i tng nhiu chiu, l h thng
cú nhiu tớn hiu u vo v nhiu tớn hiu u ra.
S tng quỏt h thng iu khin nhiu chiu:

Trong đó :














=
n
U
U
U
U

2
1
là tín hiệu vào (tín hiệu chủ đạo);

=
n
e
e
e
e

2
1
là sai lệch giữa tín hiệu ra
và tín hiệu vào.

=
n
X
X
X
X

2
1
là đại lợng điều chỉnh;














=
n

n
n
n
n

2
1
là tín hiệu nhiễu tác động.














=
n
Y
Y
Y
Y

2

1
là tín hiệu ra (đại lợng đợc điều chỉnh).
Bi toỏn iu khin t ra l phi bo m sao cho chờnh lch gia
cỏc i lng c iu chnh Y
1
,Y
2
,,Y
n
vi cỏc tớn hiu ch o U
1
,U
2
,
,U
n
gõy ra bi cỏc tỏc ng nhiu l nh nht. Khú khn gp phi l s ta
iu khin ln v phi phng trỡnh vi phõn bc cao. õy l mt bi toỏn
khú, phc tp, thut toỏn iu khin ch yu tp trung vo vn nh hng
gia cỏc tớn hiu iu khin trong h thng.
Cú hai phng ỏn gii quyt nh sau:
3
Thiết bị
điều
khiển
Thiết bị
điều
khiển
Đối tượng
điều khiển

(nhiều chiều)
Đối tượng
điều khiển
(nhiều chiều)
U
X
Y
Hỡnh 1.3: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển nhiều chiều
e
n
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Phng ỏn 1: n gin húa h thng iu khin nhiu chiu bng
cỏch da vo lý thuyt gn ỳng, thay th h ban u cú bc cao hn
gn ỳng bi h cú bc thp hn. Nh vy h ban u s c rỳt gn
v ta s lm vic vi chỳng. Tuy nhiờn phng ỏn ny ch mang tớnh
lý thuyt v khú ỏp dng trong thc t
Phng ỏn 2: S dng mỏy tớnh, trong ú, mỏy tớnh tng t cho phộp
mụ hỡnh húa h thng iu khin, mỏy tớnh s cho phộp thc hin
nhanh chúng, d dng cỏc phộp tớnh ln ca cỏc thut toỏn trong cỏc
quỏ trỡnh phõn tớch v tng hp h thng.
H thng iu khin nhiu chiu cú th c xem nh gm nhiu h
thng riờng bit v cú cỏc quan h chộo nhau. Hệ thống có thể đợc chia nhỏ
thành các khối chức năng, sơ đồ tác đông tơng hỗ giữa chúng giống với sơ đồ
chức năng của hệ thống có một đại lợng điều chỉnh. Trên thực tế bài toán rất
phức tạp vì giữa các đại lợng điều chỉnh có tác động qua lại lẫn nhau. Các
quan hệ này gọi là quan hệ chéo nhau và theo nguồn gốc có thể chia thành hai
nhóm nh sau :
o Quan hệ chéo có sẵn trong hệ thống do các đặc điểm vật lý của nó, đó
là quan hệ chéo nhau tự nhiên đợc hình thành giữa các kênh của đối t-
ợng điều khiển.

o Quan hệ chéo hiệu chỉnh tạo thành khi đa các tác động nhân tạo vào
giữa các hệ thống điều chỉnh nhằm phân ly tạo cho hệ thống có các tính
chất mong muốn xác định.
Mặt khác, ta cũng có thể chia các quan hệ chéo theo hớng truyền của tín hiệu :
o Quan hệ chéo thuận : Trong đó các tín hiệu từ đầu ra hay đầu vào của
một nhóm khâu đợc truyền tới đầu ra hay đầu vào của một nhóm khâu
khác ở phía trớc theo hớng tín hiệu truyền.
o Quan hệ chéo ngợc : Trong đó tín hiệu từ đầu ra hay đầu vào của một
nhóm khâu đợc truyền tới đầu ra hay đầu vào của một nhóm khâu khác
ở phía trớc theo hớng ngợc với tín hiệu truyền.
Khi tổng hợp các quan hệ chéo của hệ thống điều khiển nhiều chiều,
ngời ta sử dụng rộng rãi nguyên lý bất biến. Cơ sở lý thuyết của nguyên lý bất
biến là trong một hệ thống thiết bị điều khiển ngời ta tạo ra những khối quan
hệ chéo bù giữa các kênh với mục đích bù lại các quan hệ chéo vật lý tồn tại
trong lòng đối tợng. Vì vậy khi một hệ thống làm việc thì do có quan hệ chéo
bù nên tín hiệu ra của các kênh khác không thay đổi. Máy điều chỉnh của các
kênh này không phải làm việc, ta nói các hệ thống đơn đã đợc phân ly từ hệ
4
Website: Email : Tel : 0918.775.368
thống kép (nhiều chiều). Tín hiệu ra của kênh bất biến với tác động điều khiển
của các kênh khác.
Để thực hiện việc phân ly giữa các kênh chúng ta phải dựa vào phơng
trình đặc tính của các đối tợng từ đó rút ra các giá trị bù các quan hệ chéo giữa
các kênh. Việc này đòi hỏi chúng ta phải tìm hiều kỹ phơng trình đặc tính và
các quan hệ sẵn có của đối tợng.
2. H thng iu khin nhiu chiu thớ nghim
2.1. i tng iu khin nhiu chiu thớ nghim
i tng iu khin nhiu chiu thớ nghim l mt bỡnh nc cú
dũng nc núng v dũng nc lnh chy vo. Nc trong bỡnh l nc m
v cho chy ra ngoi sau khi ó thớ nghim. Dũng nc núng v dũng nc

lnh c ly t hai bỡnh triờng bit t trờn cao, sao cho dũng nc qua
van iu khin trc khi vo b cú ỏp sut l 1 kg/cm
2
. Gi thit rng nhit
dũng nc núng v nhit dũng nc lnh khụng thay i trong quỏ
trỡnh thớ nghim. Cỏc i lng u vo ca bỡnh nc chớnh l lu lng
nc núng v lu lng nc lnh chy vo bỡnh. Cỏc i lng ra l nhit
ca nc v mc nc trong bỡnh.
S i tng iu khin nhiu chiu c mụ t nh hỡnh 1.5
Dũng nc lnh v dũng nc núng chy vo bỡnh hn hp qua hai
van iu khin V
1
,V
2
.
5
Đối tượng điều
khiển (bình nước)
q
n
q
l
t
0
h
Hỡnh 1.4: Mô hình đối
tượng nhiều chiều
Nguồn
Nước lạnh Nước nóng
V

1
V
2
V
3
H/I
Bình nước hỗn hợp
PT-100
P
1
P
2
Mức
Nhiệt độ
Hỡnh 1.5: Mô hình hệ thống nhiều chiều thí nghiệm
Website: Email : Tel : 0918.775.368
2.2. Hệ thống điều khiển nhiều chiều thí nghiệm
Hệ thống điều khiển nhiều chiều thí nghiệm bao gồm cả đối tượng
điều khiển nhiều chiều thí nghiệm, máy tính điều khiển cùng với card vào ra
MF604, các bộ chuyển đổi và các sensor.
Sơ đồ tổng quát hệ thống như sau:
6
Bình nước
hỗn hợp
Nước lạnh Nước nóng
Nguồn
I/P
I/P
H/I
U/I

I/U
R/U
U/I
MF604
V
1
V
2
V
3
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiều chiều thí nghiệm
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Để điều khiển lưu lượng nước nóng và lưu lượng nước lạnh, ta sử
dụng hai van điều khiển khí nén V
1
và V
2
. Để đo nhiệt độ nước của bình
nước hỗn hợp, ta sử dụng nhiệt kế PT-100. Mức nước trong bình được đo
theo nguyên lý thủy tĩnh và được chuyển đổi sang dòng điện. Các tín hiệu
7
Website: Email : Tel : 0918.775.368
vào và tín hiệu ra máy tính thông qua card MF604. Card này có chức năng
tương tự như ADC và DAC. Các tín hiệu ra và vào card đều biến thiên trong
khoảng 0÷5V.
Như vậy, hệ thống điều khiển nhiều chiều thí nghiệm ngoài đối tượng điều
khiển nhiều chiều còn bao gồm:
 Các phần tử đo
 Các phần tử chuyển đổi, chấp hành
 Card MF604

 Máy tính IBM PC
Cụ thể các phần tử đo, chuyển đổi như sau:
2.2.1. Nhiệt kế điện trở PT-100
Nhiệt độ nước nóng được đo bởi nhiệt kế điện trở PT-100 với giá trị
điện trở 100Ω ở 0
o
C (R
0
= 100Ω) và điện trở R
t
phụ thuộc vào nhiệt độ theo
công thức sau:
R
t
= R
0
(1+3,96.10
-3
.t-5,8.10
-7
.t
2
) (1.1)
Nhiệt độ nước ấm thường từ 20
o
C đến 80
o
C nên bỏ qua thành phần
bậc cao, khi đó:
R

t
= R
0
(1+3,96.10
-3
.t) (1.2)
Từ trên ta thấy điện trở R
t
của nhiệt kế điện trở có quan hệ tuyến tính với
nhiệt độ t. Đặc tính của PT-100 có dạng:
R
t
(Ω)
131,68
123,76
111,88
107,92
20 30 60 80 t(
o
C)
Hình 1.7: Đặc tính của nhiệt kế điện trở PT-100
8
Website: Email : Tel : 0918.775.368
2.2.2. Bộ chuyển đổi R/U
Để thu thập được tín hiệu nhiệt độ vào máy tính thì cần phải chuyển
đổi điện trở R
t
thành điện áp, nghĩa là phải sử dụng một bộ chuyển đổi có
nhiệm vụ chuyển đổi từ tín hiệu điện trở sang tín hiệu điện áp và bộ chuyển
đổi đó là bộ chuyển đổi R/U.

Khi nhiệt độ biến thiên trong khoảng 20÷80
o
C thì điện trở biến thiên
tuyến tính trong khoảng 107,92÷131,68Ω. Điện áp đưa vào card là điện áp
trong khoảng 0÷5V nên cần phải biến đổi từ tín hiệu điện trở sang tín hiệu
điện áp bằng bộ biến đổi R/U sao cho khi R=107,92Ω thì U=0V và khi
R=131,68Ω thì U=5V. Để đơn giản, mạch chuyển đổi R/U phải luôn đảm
bảo cho quan hệ giữa điện áp và điện trở là tuyến tính.
U(V)
5
3,333
0,833
0
107,92 111,88 123.76 131,68 R(Ω)
Hình 1.8: Đặc tính bộ chuyển đổi R/U
Từ đặc tính trên ta rút ra quan hệ U(R) như sau:
U = 5.(R – 107,92)/23,76 (V) (1.3)
9
Website: Email : Tel : 0918.775.368
10
Hình 1.9: S¬ ®å nguyªn lý m¹ch chuyÓn ®æi R/U
+1 2V
+1 2V
+1 2V
+1 2V
+1 2V
-1 2V
-1 2V
-1 2V
R1 0

R1 1
R1 2
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
R1 4
13
2
R1 3
R1
1 3
2
R2
R3
R4
R6 R7
R8
R9
13
2
DIODE ZE NE R
+
-

L M741
3
2
6
7
1
4
5
R5
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
OP1
OP2
U1
VR3
OP3 Ura
VR2
VR1
Rt
P
N
A

D
Uv
U2
U3
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Trong sơ đồ nguyên lý trên, ta sử dụng 3 IC LM741. OP1 có chức
năng làm mạch ổn dòng và dòng ra là 2mA (chỉnh biến trở VR
1
) còn OP2 và
OP3 có chức năng khuếch đại tín hiệu. Do vậy điện áp U
ra
chỉ phụ thuộc vào
hệ số khuếch đại chung của OP2, OP3 và sự thay đổi R
t
của nhiệt kế điện trở
PT-100.
Thông số của các phần tử trong mạch được xác định như sau:
 Với mạch ổn dòng OP1:
Chọn R
1
=1k, điện áp đánh thủng của diode Zener cỡ 4,5V
Giả sử khuếch đại thuật toán là lý tưởng, khi đó:
U
p
=U
N
(1.4)
T¹i nót P :
0
4

2
2
=
−
−
−
R
UU
R
UU
PPv
⇒
2
42
2
42
4
U
RR
R
U
RR
R
U
vP
+
+
+
=
(1.5)

T¹i nót N :
0
35
1
=−
−
R
U
R
UU
NN
⇒
1
53
3
U
RR
R
U
N
+
=
(1.6)
Dòng điện qua điện trở R
7
là rất nhỏ nên có thể bỏ qua, do đó tại nút A, dòng
qua R
t
(I
t

) là:
6
12
4
2
R
UU
R
UU
I
P
t
−
−
−
=
(1.7)
Thay (1.5) và (1.6) vào (1.4) ta có:
2
42
2
42
4
1
35
3
U
RR
R
U

RR
R
U
RR
R
v
+
+
+
=
+
hay:
v
U
R
R
U
)RR(R
)RR(R
U
2
4
1
532
423
2
−
+
+
=

(1.8)
Thay (1.5) và (1.8) vào (1.7) ta rút ra được:
1
5342
423
5362
423
534
3
6262
4
11
U)
)RR(RR
)RR(R
)RR(RR
)RR(R
)RR(R
R
R
(U)
RRR
R
(I
vt
+
+
−
+
+

−
+
+++=
1
53642
64423
5364
53463
62
64
U)
)RR(RRR
)RR)(RR(R
)RR(RR
)RR(RRR
(U
RR
RR
I
vt
+
++
−
+
++
+
+
=
(1.9)
Chän R

2
=R
4
=R
5
=R vµ
RR
R
R
6
2
3
+
=
, ta tìm được:
vt
U
RR
RR
I
6
6
+
=
(1.10)
Từ biểu thức (1.10) ta thấy dòng I
t
qua điện trở R
t
chỉ phụ thuộc vào

điện áp đầu vào U
v
. Khi U
v
không đổi thì I
t
cũng không thay đổi. Vì vậy OP1
là mạch ổn dòng.
Chän R=10kΩ, dßng I
t
=2mA vµ U
v
=4,5V ta cã :
11
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Ω=
−
=
−
=
−
k9,2
5,410.2.10.10
10.10.5,4
URI
RU
R
33
3
vt

v
6
Khi ®ã:
Ω=
+
=
+
=
k751,7
10.1010.9,2
)10.10(
RR
R
R
33
23
6
2
3
 Mạch khuếch đại OP2 và OP3:
Tín hiệu điện áp U
2
phụ thuộc vào điện trở R
t
được đưa vào hai tầng
khuếch đại OP2 và OP3 sẽ cho điện áp U
ra
của mạch R/U. Cần chọn hệ số
khuếch đại của OP2 và OP3 sao cho U
ra

nằm trong khoảng 0÷5V để đưa vào
card MF604.
Khi nhiệt độ biến thiên trong khoảng từ 20
o
C đến 80
o
C thì điện trở R
t
biến thiên trong khoảng 107,92÷131,68Ω với dòng điện không đổi I
t
=2mA.
Hệ số khuếch đại chung của OP2 và OP3 là:
105
10.2).92,10768,131(
05
U
U
K
3
1
ra
≈
−
−
=
∆
∆
=
−
Chọn hệ số khuếch đại của OP2 là K

2
= - 10 thì hệ số khuếch đại của OP3 là:
5,10
10
105
K
K
K
2
3
−=−==
Chọn R
7
=R
8
=R
9
=10k
Chọn R
10
=1k
Có:
Ω==−=⇒−=
k10010.10R.KR
R
R
K
7211
7
11

2
Chọn R
12
=10kΩ, R
13
=20kΩ
Ω==−=+⇒
+
−=
k10510.5,10R.KVRR
R
VRR
K
123314
12
314
3
Vậy ta chọn R
14
=90k
Chọn các biến trở VR
1
, VR
2
, VR
3
có trị số là 20k. Vai trò của VR
1
là dùng
để điều chỉnh điện áp vào U

v
=4,5V, VR
2
dùng để chỉnh điện áp U
ra
=0 khi
R
t
=107,92Ω (ở 20
o
C) và VR
3
dùng để chỉnh U
ra
=5V khi R
t
=131,68Ω (ở
80
o
C).
Thông số các phần tử trong mạch R/U được tóm tắt trong bảng sau:
STT Tên phần tử Giá trị Ghi chú
1 R
1
1k
12
Website: Email : Tel : 0918.775.368
2 R
2
10k

3 R
3
7,751k
4 R
4
10k
5 R
5
10k
6 R
6
2,9k
7 R
7
10k
8 R
8
10k
9 R
9
10k
10 R
10
1k
11 R
11
100k
12 R
12
10k

13 R
13
20k
14 R
14
90k
15 D 4,5V Diode Zener
16 OP1 LM741 Mch n dũng
17 OP2 LM741 Mch khuch i
18 OP3 LM741 Mch khuch i
19 VR
1
20k iu chnh sao cho I
t
=2mA
20 VR
2
20k iu chnh im khụng ca U
ra
21 VR
3
20k
iu chnh in ỏpU
ra
=5V khi R
t
=131,68
2.2.3. Thit b o mc
Mức nớc hỗn hợp chứa trong bể đợc đo nhờ bộ chuyển đổi đo mức tác
động theo nguyên lý cột áp thuỷ tĩnh. Tín hiệu ra từ bộ chuyển đổi đo mức này

là dòng điện một chiều. Đặc tính của bộ chuyển đổi đo mức này đợc biểu diễn
trên hình 1.10.
Nh vậy tín hiệu nhận đợc khi đo mức nớc là dòng điện, muốn tín hiệu
này đợc đa vào máy tính và xử lý thì cần phải đợc chuyển đổi thành dạng điện
áp để đa vào card MF604. Bộ chuyển đổi I/U có nhiệm vụ chuyển tín hiệu
dòng điện đo đợc này thành tín hiệu điện áp.
Mc nc trong bỡnh nc m nm trong khong 0ữ20cm (tớnh t
im t thit b o mc). Tớn hiu ra ca thit b o mc l dũng bin thiờn
tron khong 8ữ10mA. Dũng in ny tuyn tớnh vi mc nc o c.
13
20
8
0
10
I(mA)
H(cm)
Hỡnh 1.10: Đặc tính của bộ chuyển
đổi đo mức H/I
Website: Email : Tel : 0918.775.368
2.2.4. B chuyn i I/U
Tớn hiu vo card MF604 kờnh mc l in ỏp nờn phi chuyn i
t dũng thu c t thit b o mc sang in ỏp. in ỏp ny bin thiờn
trong khong 0ữ5V tng ng vi dũng in nm trong khong 8ữ10mA.
c tớnh chuyn i nh sau:
Mạch chuyển đổi I/U sử dụng 2 IC khuếch đại thuật toán LM741 là
OP1 và OP2. Dòng điện cần chuyển đổi đợc đa qua điện trở R
1
có tác dụng tạo
điện áp đặt vào khuếch đại thuật toán OP1. Ngun +12V ni vo mt u ca
R

1
(u A) to in th dng v khi ú I
1
I
2
. Khuếch đại thuật toán OP1
sẽ cho ra là điện áp tỷ lệ với điện áp do dòng cần chuyển đổi tạo ra
(U
v
=U
AB
=U
R1
) theo hệ số K
1
. Sau đó điện áp này sẽ đợc khuếch đại lần nữa
nhờ khuếch đại thuật toán OP2 sao cho điện áp ra biến thiên trong khoảng từ
0ữ5V. Nh vậy hệ số khuếch đại của toàn bộ mạch khi chọn điện trở R
1
=50
là:

50
50.10).810(
05
R.I
U
U
U
K

3
1
ra
v
ra
=


=


=


=

(1.11)
Chọn hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại thứ nhất OP1 là K
1
=-10, khi
đó từ biểu thức hệ số khuếch đại của OP1 ta có :
10
R
R
K
3
5
1
==

14
0
8
9
10
2,5
5
U(V)
I(mA)
Hỡnh 1.11: Đặc tính của bộ chuyển đổi I/U
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Ta chọn R
5
=100K, R
3
=10K. Khi đó ta cũng có R
4
=R
5
=100K và
R
2
=R
3
=10K.
Hệ số khuếch đại của OP2 sẽ là K
2
=K/K
1
=-5.

Khi đó ta chọn R
6
=10K, R
7
=40K, R
8
=1K, R
9
=100K, R
10
=40K và
RB1=20K, RB2=20K.
Nh vậy khi dòng điện vào bằng 8mA ta cần điều chỉnh biến trở RB1 sao
cho U
ra
=0V và khi dòng điện vào bằng 10mA ta cần điều chỉnh biến trở RB2
sao cho điện áp ra là +5V. Khi hệ thống hoạt động, dòng điện thay đổi trong
khoảng từ 8mAữ10mA thì điện áp ra sẽ thay đổi trong khoảng từ 0ữ5V đa
vào.
Sau õy l bng túm tt cỏc thụng s ca cỏc phn t trong mch I/U:
STT Tờn phn t Giỏ tr Ghi chỳ
1 R
1
50
15
Hỡnh 1.12: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi I/U
+1 2V
+1 2V
+1 2V
+1 2V

-1 2V
-1 2V
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
13
2
13
2
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
VR1 R9
VR2
R4
R2

R1
R3
R8 R7
R10
R6
R5
Ura
I1
I2
OP1
OP2
A
B
U1
Website: Email : Tel : 0918.775.368
2 R
2
10k
3 R
3
10k
4 R
4
100k
5 R
5
100k
6 R
6
10k

7 R
7
40k
8 R
8
1k
9 R
9
100k
10 R
10
40k
11 VR
1
20k Điều chỉnh điện áp U
ra
=0 khi I=8mA
12 VR
2
20k Điều chỉnh điện áp U
ra
=5V khi I=10mA
13 OP1 LM741
14 OP2 LM741
2.2.5. Bộ chuyển đổi U/I
Hai van khí nén V
1
, V
2
(hình 1.6) được điều khiển bằng áp suất khí

nén. Trong khi đó, tín hiệu điều khiển từ máy tính, qua card MF604 lại là tín
hiệu điện áp. Do đó để điều khiển được hai van V
1
và V
2
cần phải biến đổi từ
tín hiệu điện áp sang tín hiệu áp suất khí nén, sử dụng bộ chuyển đổi U/I và
bộ chuyển đổi I/P để thực hiện điều này.
Bộ chuyển đổi U/I có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện áp đưa ra từ
card MF604 thành tín hiệu dòng điện. Trong thực tê, tín hiệu dòng điện
thường được sử dụng biến thiên trong khoảng 4÷20mA. Điện áp đưa vào bộ
chuyển đổi trong khoảng 0÷5V. Như vậy bộ chuyển đổi U/I phải chuyển đổi
điện áp trong khoảng 0÷5V thành dòng điện tương ứng trong khoảng
4÷20mA.
16
4
0
12
20
I(mA)
2,5
5
U(V)
Hình 1.13: §Æc tÝnh cña bộ chuyÓn ®æi U/I
Hình 1.14: S¬ ®å nguyªn lý m¹ch chuyÓn ®æi U/I
+1 2V
+1 2V
+1 2V
-1 2V
+

-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
13
2
13
2
C828
3
2
1
VR1
R1
VR2 R3
R5
R4
Uv
D
R2 Ira1
Ira2T
Website: Email : Tel : 0918.775.368
M¹ch chuyÓn ®æi U/I sö dông khuÕch ®¹i thuËt to¸n LM741. §iÖn ¸p cÇn
chuyÓn ®æi U
v

®îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p do nguån cung cÊp ®Æt lªn R
1
. Khi đó:
R
4
I
ra
=U
v
+U
offset
(1.12)
 R
4
=∆U
v
/∆I
ra
(1.13)
Từ đó ta có:
Ω=
−
−
=
−
5,312
10).420(
05
R
3

4
Chọn VR
1
=20k, R
1
=100k, R
2
=100k, R
3
=1k, VR
2
=10k và R
5
=100k
Hiệu chỉnh VR
1
sao cho khi U
v
=5V thì I
ra
=20mA
Hiệu chỉnh VR
2
sao cho khi U
v
=0 thì I
ra
=4mA
Thông số các phần tử trong mạch nguyên lý bộ chuyển đổi I/U được cho
trong bảng sau:

STT Tên phần tử Giá trị Ghi chú
1 R1 100k
17
Website: Email : Tel : 0918.775.368
2 R2 100k
3 R3 1k
4 R4
312,5
5 R5 100k
6 VR1 20k iu chnh dũng I
ra
=20mA khi U
v
=5V
7 VR2 10k iu chnh dũng I
ra
=4mA khi U
v
=0
2.2.6. B chuyn i I/P
Phần tử chuyển đổi I/P có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu dòng điện từ bộ
chuyển đổi U/I sang tín hiệu áp suất khí nén để điều khiển sự đóng mở của van
khí nén để điều khiển lu lợng của hai dòng nớc nóng và lạnh. Sơ đồ cấu trúc
của phần tử chuyển đổi I/P đợc mô tả trên hình 1.15. Nguyên lý hoạt động của
bộ chuyển đổi nh sau:
Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây 1, cuộn dây bị nam châm 2 hút
xuống. Qua đòn 3, mỏ phun nắp đậy 4 bị tác động (nắp đậy đóng lại) làm cho
áp suất trong buồng A tăng lên. áp suất qua xi phông 6 tác động ngợc trở lại
đòn 3 sao cho mômen lực đẩy phản hồi của xiphông cân bằng với lực hút của
nam châm. Kết quả là áp suất ra P

ra
tỷ lệ với dòng điện vào. áp suất khí nén ra
sẽ thay đổi trong khoảng từ 0,2ữ1kg/cm
2
(atm). Tại thời điểm ban đầu ta điều
chỉnh vít 5 sao cho áp suất ra p
r
=0,2kg/cm
2
, dòng điện tơng ứng lúc đó là
0mA. Đây chính là giới hạn dới của chuyển đổi I/P. Giới hạn trên cũng đợc
điều chỉnh bởi R
1
sao cho khi dòng điện bằng 20mA thì áp suất ra là 1kg/cm
2
.
18
Hỡnh 1.15: Sơ đồ nguyên lý b chuyển đổi I/P
VR
R
2
1
3
4
5
6
7
Website: Email : Tel : 0918.775.368
19
Website: Email : Tel : 0918.775.368

Chng 2:
Gii thiu chung v card ghộp ni MF604
Trong thực tế các đối tợng là đối tợng nhiều chiều (đối tợng có nhiều tín
hiệu vào và nhiều tín hiệu ra) và các tín hiệu đều tồn tại dới dạng tín hiệu tơng
tự. Để điều khiển một đối tợng khi sử dụng máy tính đòi hỏi phải có một thiết
bị đảm nhiệm việc chuyển đổi từ tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số và ngợc lại
để máy tính có thể thu thập thông tin, xử lý và đa ra quyết định điều khiển đối
tợng đó một cách thuận tiện nhất.
Card vo/ra a chc nng MF604 c thit k kt ni gia mỏy
tớnh vi tớn hiu thc. Nú bao gm b bin i A/D 12bit, 4 b bin i D/A
12bit c lp nhau vi tn s bin i l 100kHz, 8 u vo tng t, u
vo/ra s 8bit, 4 u ra tng t, 4 encoder v 5 timer/counter. Card ny
c thit k cho d liu chun, iu khin v ti u húa cỏc ỳng dng s
dng Real Time Toolbox. Tt c cỏc kờnh vo/ra tng t (s) c chn
bi phn mm.

20
Hỡnh 2.1: Card MF604
i tng
iu khin
nhiu chiu
Hỡnh 2.2: S iu khin s dng card MF604 v mỏy tớnh
Website: Email : Tel : 0918.775.368
1. Định địa chỉ card
MF604 được cắm vào Slot ISA 8bit của máy tính. Địa chỉ của card
được thiết lập bởi 4 khóa DIP SW1: SW1-1, SW1-2, SW1-3, SW1-4. Sau
đây là bảng mô tả sự sắp xếp của vùng địa chỉ vào ra của máy tính PC (theo
tài liệu Kỹ thuật ghép nối – Ngô Diên Tập):
Địa chỉ vào/ra(Hex) Chức năng
000-00F Bộ điều khiển DMA1 (8232)

020-021 Bộ điều khiển ngắt (8259)
040-043 Bộ phát thời gian (8254)
060-063 Bộ kiểm tra bàn phím (8242)
070-07F Đồng hồ thời gian thực (MC 146818)
080-09F Thanh ghi trang DMA (LS670)
0A0-0BF Bộ điều khiển ngắt 2 (8259)
0C0-0DF Bộ điều khiển DMA2 (8237)
0E0-0EF Dự trữ cho bản mạch chính
0F0-0FF Bộ đồng xử lý 80*87
1F0-1F8 Bộ điều khiển đĩa cứng
200-20F Cổng dùng cho trò chơi
278-27F Cổng song song 2 (LPT2)
2B0-2DF Card EGA2
2E8-2EF Cổng nối tiếp 4 (COM4)
2F8-2FF Cổng nối tiếp 2 (COM2)
300-31F Card mở rộng của người dùng
320-32F Bộ điều khiển đĩa cứng
360-36F Cổng nối mạng (LAN)
378-37F Cổng song song 1 (LPT1)
380-38F Cổng nối tiếp đồng bộ 2
3A0-3AF Cổng nối tiếp đồng bộ 1
3B0-3BF Màn hình đơn sắc
3C0-3CF Card EGA
3E8-3EF Cổng nối tiếp 3 (COM3)
3F0-3F7 Bộ điều khiển đĩa mềm
3F8-3FF Cổng nối tiếp 1 (COM1)
21
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Bảng sau đây sẽ mô tả cách địa chỉ bởi 4 khóa DIP SW1:
Địa chỉ mặc định của card là 300H, có nghĩa là chỉ có khóa SW1-1

khóa (OFF), các khóa còn đều mở (ON).
2. Sơ đồ chân
Card MF604 gồm hai phần: phần chính và phần mở rộng (X1 và X2). Tuy
nhiên trong đồ án này chỉ nêu phần chính của card MF604.
Các chân của card được thiết kế theo kiểu D-type gồm 37 chân, cụ thể như
sau:
AD0-AD7 Các đầu vào tương tự
DA0-DA3 Các đầu ra tương tự
DIN0-DIN7 Các đầu vào số (tương thích với TTL)
DOUT0-DOUT7 Các đầu ra số (tương thích với TTL)
22
Website: Email : Tel : 0918.775.368
IRC0-IRC3 Quadrature encoder A, B và các chỉ số đầu vào
T0IN-T3IN Timer/counter đầu vào và xung clock vào
T0OUT-T3OUT Timer/counter đầu ra
+12V Nguồn +12V
-12V Nguồn -12V
+5V Nguồn +5V
AGND Đầu nối đất (cho tín hiệu tương tự)
GND Đầu nối đất (cho tín hiệu số)
23
Website: Email : Tel : 0918.775.368
Với đối tượng điều khiển nhiều chiều thí nghiệm có 2 đầu vào và 2
đầu ra tương tự thì chỉ sử dụng 2 đầu vào tương tự, 2 đầu ra tương tự và một
đầu nối đất (của tín hiệu tương tự) của card để điều khiển. Đó là các chân:
chân 1 (AD0), chân 3 (AD2), chân 21 (DA1), chân 24 (DA3), chân 22
(AGND). Các chân còn lại để ngỏ.
24
Website: Email : Tel : 0918.775.368
3. Sử dụng MF604 trong điều khiển

MF604 gồm 32 thanh ghi đánh địa chỉ theo chế độ địa chỉ tức thì theo
địa chỉ của card (chọn bởi các khóa SW1).
3.1. Bộ biến đổi A/D
Tất cả các chức năng của ADC được xác định bởi 4 thanh ghi:
• Thanh ghi điều khiển ADCTRL được sử dụng để chọn kênh vào, dải
điện áp vào, và bắt đầu biến đổi. Các bít của nó như sau:
RNG và BIP dùng để chọn dải điện áp đầu vào:
A0,A1,A2 dùng để chọn kênh vào:
• Thanh ghi trạng thái ADSAT:
• Thanh ghi dữ liệu ADLO và ADHI:
25