NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA ĐIỀU KHIỂN SỐ

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
CỦA ĐIỀU KHIỂN SỐ
1.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển số
•Hệ thống điều khiển liên tục: tất cả các tín
hiệu truyền trong hệ thống đều là các tín
hiệu liên tục.
•Hệ thống điều khiển số: có ít nhất một tín
hiệu truyền trong hệ thống là tín hiệu
xung, số.
Ví dụ hệ thống điều khiển liên tục
– điều khiển tốc độ ĐM
đl
R
ω
(-)
ω*
ω
u
đk
α
PI
liên tục
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển liên tục
TBĐK ĐTĐK
(-)
x(t) e(t)
u(t) y(t)
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số
TBĐK
số
ĐTĐK

(-)
x
*
e
*
u
*
y(t)
D/A
A/D
y
*
máy tính
TBĐK số: phần mềm
Máy tính: hệ thống
vi xử lý, vi điều
khiển, PC, …
Hệ thống điều khiển số ĐM
đl
u
đk
α
D/A
A/D
TBĐK
số
ĐTĐK
(-)
x
*

e
*
u
*
y(t)
D/A
A/D
y
*
(t)
máy tính
Hệ thống điều khiển liên tục ĐM
đl
R
ω
(-)
ω*
ω
u
đk
α
PI
liên tục
TBĐK ĐTĐK
(-)
x(t) e(t)
u(t) y(t)
•Hệ thống điều khiển liên tục: phần cứng. Sơ đồ
nguyên lý của hệ thống và sơ đồ khối tương tự như
nhau.

•Hệ thống điều khiển số: phần mềm. Sự khác nhau
giữa nguyên lý của hệ thống và sơ đồ khối. Nhắc đến
hệ thống điều khiển số là nói đến cả phần cứng và phần
mềm.
Chức năng của máy tính: tính toán, xác định các tín
hiệu Æ xử lý tín hiệu số
TBĐK
số
ĐTĐK
(-)
x
*
e
*
u
*
y(t)
D/A
A/D
y
*
(t)
máy tính
1.2 Lấy mẫu (lượng tử hóa) tín hiệu
3 nguyên tắc lượng tử hóa
1. Lượng tử hóa theo thời gian: Lấy mẫu tín hiệu vào những thời điểm
định trước, cách đều nhau một chu kỳ lấy mẫu T. Giá trị thu được là
những giá trị của tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu.
0T
1T

2T 3T 4T 5T 6T 7T
f(t)
t
Ví dụ: đo mực nước sông.
Đo mùa khô. Đo mùa nước
dâng
2. Lượng tử hóa theo mức: Lượng tử hóa tín hiệu khi tín hiệu đạt những giá trị
định trước.
f(t)
t
Ví dụ: đo mực nước sông theo mức báo động
3. Lượng tử hóa hỗn hợp: Lấy mẫu tín hiệu vào những thời điểm định
trước, cách đều nhau một chu kỳ lấy mẫu T. Giá trị thu được bằng
mức định trước, có sai số bé nhất so với giá trị thực của tín hiệu tại
thời điểm lấy mẫu.
0T
1T
2T 3T 4T 5T 6T 7T
f(t)
t
Ví dụ đọc số đo
Trong kỹ thuật, đại đa số các trường hợp đều
sử dụng phương pháp lượng tử hóa theo thời
gian.
Chỉ xét đến lượng tử hóa theo thời gian
với chu kỳ lấy mẫu T
1.3 Nguyên lý cấu trúc các bộ biến đổi tín hiệu
1. Bộ biến đổi D/A
Chức năng: biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu liên tục
D/A

f
*
f
4 bit
0
1
0
1
Nguyên lý cấu trúc
2R
4R
a
1
a
2
2
n
R
a
n
R
-u
ref
u
r
-
+
u
1
u

2
u
n
u
i
= -a
i
u
ref
∑
∑∑
=
−
==
=
=−=
n
i
in
i
n
ref
n
i
i
refi
n
i
i
i

r
a
u
ua
R
u
Ru
1
11
2
2
22
()
12 10
12 1
22 22
2
ref
nn
nn
n
u
aa aa
−−
−
=++⋅⋅⋅++
•Số lượng bit n.
• Giá trị cực đại điện áp đầu ra u
rmax
• Độ phân giải

• Độ tuyến tính
•Tần số làm việc
max
21
2
n
rref
n
uu
−
=
2
ref
n
u
2. Bộ biến đổi A/D
Chức năng: biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số
A/D
ff
*
Nguyên lý cấu trúc
Bộ đếm
D/A
a
1
a
n
CLK
-
+

f
• Tính phức tạp
•Tốc độ
• Giá thành
1.4 Vấn đề chuyển đổi tín hiệu
1. A/D
A/D
ff
*
0T
1T
2T 3T 4T 5T 6T 7T
T
ff
*
f(t)
t
f
ff*
Nhắc lại hàm bậc thang đơn vị và xung Dirac
t
1
00
1( )
10
t
t
t
⋅⋅⋅ <
⎧

=
⎨
⋅⋅⋅ ≥
⎩
1( )
()
dt
t
dt
δ
=
S
Kδ(t)
= K
t
Κδ(t)
S
δ(t)
= 1
t
δ(t)
00
()
0
t
t
t
δ
⋅⋅⋅ ≠
⎧

=
⎨
∞⋅⋅⋅ =
⎩
K
1
f(t)
t
f
1
f
2
0T
1T
2T 3T 4T 5T 6T 7T
Định lý Nyquist: Chu kỳ lấy mẫu T của bộ biến đổi A/D phải có giá trị
trong đó f
max
là tần số cực đại của sóng điều hòa hình sin tín hiệu đầu vào.
max
2
1
f
T ≤
Ví dụ: f(t) = cos
2
(100πt) T
max
= ?
0 0.005 0.01 0.015 0.02

0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
][005.0
200
1
][100
1
)100.2cos(1
100cos
maxmax
2
sTHzf
t
t
==⇒=
+
=
π
π
T=0.01
Cho tín hiệu
f(t)
1
T
max
= ?

t
0
0.5
1.0 1.5 2.0
[]
∑
∞
=
−
−
+=
1
2)12(sin
)12(
4
2
1
)(
n
tn
n
tf
π
π
!!!!!0
)12(2
1
lim
max
=

−
=
∞→
n
T
n
Î Lọc tín hiệu
Bộ lọc thông thấp A/D
f
L
(t) f
L
*
(t)
f(t)
∞→n
N
max
[]
max
1
14
() sin(2 1)2
2(21)
N
n
ft n t
n
π
π

=
=+ −
−
∑
max
max
1
2(2 1)
T
N
=
−
Sai số ???
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
N
max
= 50
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-0.5
0
0.5
1
1.5

2
2.5
N
max
= 40
Ví dụ: động cơ điện một chiều
1+p
K
c
đ
τ
T
Y(p) Y
*
(p)
X(p)
)/1(
1
)()(
22
c
cđ
c
đ
K
j
K
jGA
τω
τ

ωτ
ωω
+
=
+
==
Modun
Pha
( ) arctg( )
c
ϕ ωτω
=
L(ω)=20lgA(ω)
[dB]
-20dB/dec
f
c
= 1/2πτ
c
20lgK
đ
lgω [dec]
!!!!!!!!0
maxmax
=⇒∞= Tf
max
210
cc
ff f< <
max

11
20 4
cc
T
ff
<<
1
22
c
c
c
f
ω
π πτ
==
max
10 2
cc
T
π π
τ τ
<<