Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Một số ví dụ về các phần tử
và hệ thống tự động
Bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên

Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động
Các phần tử tự động
Như đã đề cập , một HTĐK gồm các phần tử cơ bản sau:
* Phần tử cảm biến, thiết bị đo lường
* Đối tượng hay quá trình điều khiển
* Thiết bị điều khiển, các bộ điều khiển thụ động và tích cực
Các loại cảm biến, thiết bị đo lường
Biến trở tuyến tính, biến trở góc quay dùng để chuyển đổi sự dịch chuyển thành điện
áp. Ngoài ra còn có thể chuyển đổi kiểu điện cảm và điện dung... Nguyên tắc chung để
đo các đại lượng không điện như nhiệt độ, quang thông, lực, ứng suất, kích thước, di
chuyển, tốc độ... bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện. Cấu trúc
thiết bị đo gồm ba thành phần: bộ phận chuyển đổi hay cảm biến, cơ cấu đo điện và các
sơ đồ mạch trung gian hay mạch gia công tín hiệu ví dụ như mạch khuếch đại, chỉnh
lưu, ổn định. Cảm biến xenxin làm phần tử đo lường trong các hệ bám sát góc quay,
truyền chỉ thị góc quay ở cự ly xa mà không thực hiện được bằng cơ khí. Biến áp xoay
hay còn gọi là biến áp quay dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp hoặc góc quay
của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng. Biến áp xoay sin, cos để đo góc
quay của rôto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận với sin hay cos của góc
quay đó. Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay của rôto thành điện áp tỉ lệ
tuyến tính. Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tự do được sử dụng làm các bộ cảm
biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các hệ thống ổn định đường ngắm
của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn.

1/7

Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch mà ánh sáng có
thể đi qua được. Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác dụng của một nguồn sáng.
Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc
bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto là một chuỗi xung. Trên
đĩa mã có khắc hai vòng vạch, ngoài A trong B có cùng số vạch, nhưng lệch 90o (vạch
A trước B là 90o) . Nếu đĩa mã quay theo chiều kim đồng hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh
hơn chuỗi xung A là 1/2 chu kỳ và ngược lại.
Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer. Cảm biến
nhiệt độ như Pt 56?, Pt 100?, Thermocouple...
Đối tượng điều khiển
Đối tượng điều khiển có thể là thiết bị kỹ thuật, dây chuyền sản xuất, qui trình công
nghệ... là mục tiêu điều khiển của con người trong các lĩnh vực khác nhau.
Các phần tử chấp hành thường dùng trong ĐKTĐ là các loại động cơ bước, động cơ DC,
servomotor, động cơ AC, động cơ thủy lực khí nén... Động cơ bước được dùng để định
vị chính xác do có cấu trúc rôto và stato khá đặc biệt. Rôto thông thường là các nam
châm vĩnh cửu có cạnh được xẻ rãnh răng cưa suốt chu vi của rôto, để tập trung đường
sức từ tại các mũi răng. Tương tự, stato được chế tạo thông dụng có bốn bối dây quấn
xen kẽ theo các từ cực. Khi có dòng điện chạy qua một cuộn dây stato, rôto sẽ quay một
góc đến vị trí cân bằng từ thông là giao điểm của hai răng stato và rôto. Thay đổi thứ
tự các cuộn dây 1, 2, 3, 4 rôto sẽ lệch một góc là 90o. Có ba cách điều khiển động cơ
bước: điều khiển hành trình năng lượng thấp, điều khiển thường, điều khiển 1/2 bước.
Vì cuộn dây stato có điện trở thuần rất nhỏ khoảng 0,2? do vậy thường điều khiển bằng
các nguồn dòng thông dụng nhất là transistor, Fet....
Một loại đo lường điều khiển khác cũng thường gặp trong công nghiệp là hệ thống nhiệt,
ví dụ như lò nung trong dây chuyền sản xuất gạch men, lò sấy trong dây chuyền chế
biến thực phẩm, hệ thống làm lạnh trong các dây chuyền chế biến thủy sản. Yêu cầu

điều khiển đối với hệ thống nhiệt thường là điều khiển ổn định hòa hoặc điều khiển theo
chương trình. Mô hình toán của động cơ DC và lò nhiệt sẽ được trình bày ở mục 2.2.2.
Kỹ thuật giao tiếp máy tính
Thiết bị điều khiển rất đa dạng, có thể là một mạch RC, mạch khuếch đại thuật toán,
mạch xử lý hay máy tính PC. Trước đây các bộ điều khiển như PID, sớm trễ pha thường
được thực hiện bằng các mạch rời (xem mục 2.2.2.2). Gần đây do sự phát triển của lý
thuyết điều khiển rời rạc và kỹ thuật vi xử lý các bộ điều khiển trên đã được thực thi
bằng các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý hay máy tính. Hiện nay máy tính đã
khẳng định là thiết bị điều khiển đa năng và tin cậy. Phần dưới đây sẽ trình bày một số
vấn đề liên quan đến kỹ thuật giao tiếp máy tính.
2/7


Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Bộ chuyển đổi ADC và DAC
Hình : là sơ đồ Card A/D và D/A 8 bit. Trong các ứng dụng cần độ chính xác cao hơn
có thể sử dụng card A/D và D/A 12 bit.
Card giao tiếp với máy tính
Ví dụ Card giao tiếp sử dụng IC8255 gắn trên slot mở rộng của Main Board máy tính
(H.1.13).
Các loại giao thức truyền tin
RS232C serial Interface, chấu nối 25 chân dùng để truyền dữ liệu nối tiếp với tốc độ nhỏ
hơn 20.000 bits/second (năm 1969). Khoảng 1975 đến 1977 áp dụng RS-422, RS-423,
RS-449. RS-449 chấu nối 37 chân, tốc độ truyền có thể nhanh gấp năm lần so với
RS-232C.
Vào năm 1970-1975 phát triển Bus dữ liệu song song với IEEE-488.
Năm 1978 - IEEE - 583 có slots cho 25 moduls, nối trực tiếp với Bus I/O của máy tính,
nối song song tới 7 CRATES.

3/7


Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Card AD và DA 8 bit

4/7


Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Card xuất nhập

Các ứng dụng của hệ thống điều khiển tự động

5/7


Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

minh họa một hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bể.
Tốc độ dòng chảy ngõ ra qua van V1 là biến đổi, hệ thống có thể duy trì mức chất lỏng h
= const với sai số cho phép khá chính xác. Nếu mức chất lỏng trong bể không đúng, một
điện áp sai lệch được tạo ra qua khuếch đại đưa vào bộ điều khiển động cơ điều chỉnh
van V2 để khôi phục lại mức chất lỏng mong muốn bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng
chảy ngõ vào.
Trong trường hợp dòng chảy vào có tốc độ hằng số, phao có hai cặp tiếp điểm thường
đóng, thường mở để điều khiển đóng mở động cơ điện AC. Để tránh động cơ bị đóng
ngắt không dứt khoát, tạo hai mức tương ứng vùng trễ Trigger Schmidt Δh.

Hệ thống điều khiển tự động mức chất lỏng trong bể

minh họa một hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa.
Hệ thống hồi tiếp này được thiết kế định vị bệ phóng khá chính xác dựa trên các lệnh từ
biến trở R1 là tín hiệu vào được đặt ở xa hệ thống. Biến trở R2 cho tín hiệu hồi tiếp trở
về bộ khuếch đại vi sai, hoạt động như một bộ phát hiện sai lệch. Nếu có sai lệch, được
khuếch đại đưa đến động cơ, điều chỉnh vị trí trục ngõ ra tương ứng với vị trí trục ngõ
vào và sai lệch bằng 0.

Một hệ thống tự động định vị trí dùng cho
bệ phóng tên lửa

6/7


Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

Robot là một lĩnh vực rất quan trọng trong ứng dụng các HTĐK.
Vào thập niên 1960, người ta bắt đầu nhận ra Robot là một công cụ quan trọng để trợ
giúp công việc chế tạo, từ đó các ứng dụng của chúng trong nhiều hệ thống chế tạo khác
nhau đã được phát triển nhanh chóng. Lý thuyết điều khiển tự động, nguyên tắc điều
khiển thích nghi, các hàm Lyapunov… được áp dụng để có được Robot cử động theo
ý muốn hay lực cần thiết. Lĩnh vực của Robotics cũng tùy thuộc vào cách sử dụng các
cảm biến quan sát và các máy tính để lập trình cho Robot hoàn thành công việc theo yêu
cầu.
Robot đã được sáng tạo ra để thực hiện nhiều công việc khác nhau, làm cầu nối giữa các
lĩnh vực chế tạo, các nhiệm vụ vận chuyển không gian và chăm sóc y tế. Ứng dụng chủ
yếu của Robot là tự động hóa quá trình sản xuất. Robot được sử dụng trong dây chuyền
sản xuất xe hơi, là một thành phần trong tàu con thoi không gian của NASA, là bạn giúp

việc cho con người … Robot trợ giúp trong các bệnh viện, thực hiện các công việc của y
tá chăm sóc bệnh nhân. Các Robot này sử dụng các cảm biến quan sát, siêu âm và hồng
ngoại … điều khiển thang máy, tránh các vật cản dọc theo đường đi, mang các khay
thức ăn theo yêu cầu, lấy thuốc hay các vật mẫu của phòng thí nghiệm, ghi lại tình trạng
sức khỏe của người bệnh, báo cáo công việc quản lý …

7/7