Baì giảng chi tiết môn lý thuyết điều khiển tự động dùng cho nghành máy tàu biển chuong 1

CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Lịch sử phát triển
Một ngành khoa học được coi là quan trọng nhất của thế kỷ XX là điều khiển học. Điều khiển học giải
thích những quy luật chung của việc điều khiển các quá trình xảy ra trong tự nhiên, không có sự tham gia
trực tiếp của con người. Tự động học là nền tảng khoa học của điều khiển học. Ngày nay ở những nước
công nghiệp phát triển, tự động học đang giữ một vai trò đặc biệt quan trọng trong xã hội. Tự động hoá đã
và đang đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của đời sống con người, góp phần cải thiện điều kiện làm
việc và giải phóng con người khỏi những công việc lao động chân tay nặng nhọc, độc hại và nguy hiểm.
Trên thực tế các hệ thống tự động điều khiển sơ khai đã xuất hiện từ rất xa xưa trong lịch sử phát triển
của loài người. Những hệ thống tự động điều khiển đầu tiên có thể kể đến là những cơ cấu điều chỉnh
mực nước trong các đồng hồ nước xuất hiện vào khoảng 300 năm trước công nguyên ở Hy lạp, hay cơ
cấu tương tự để duy trì mức dầu trong chiếc đèn dầu xuất hiện cùng thời gian đó. Tuy nhiên lịch sử phát
triển của tự động học có thể được coi là bắt đầu từ năm 1765 khi kỹ sư người Nga I.Polzunov chế tạo ra
hệ thống tự động kín đầu tiên trên thế giới để điều chỉnh mực nước trong nồi hơi.
Bộ điều chỉnh trong hệ thống này có nhiệm vụ giữ cho mực nước trong nồi hơi không đổi. Vài năm
sau (1769) Giêm Watt ứng dụng nguyên tắc của Polzunob chế tạo ra bộ điều chỉnh tốc độ quay kiểu quả
văng ly tâm đầu tiên dùng cho máy hơi nước. Ngày nay nguyên tắc
điều chỉnh này được gọi là nguyên tắc Polzunob - Watt.
Hình 1.1: Bộ điều chỉnh mực nước nồi hơi đầu tiên
Tiếp theo sau đó một thời gian dài, sự phát triển của các hệ
thống hệ thống tự động điều chỉnh chủ yếu dựa trên cơ sở các thử
nghiệm và sáng chế. Việc cố gắng làm giảm các sai số trong hệ
thống điều chỉnh trong thời gian này đã dẫn tới hậu quả là thời gian
điều chỉnh bị kéo dài và hệ thống hoạt động không ổn định. Vì vậy
một tất yếu là lý thuyết tự động điều chỉnh được phát triển để giải quyết vấn đề ổn định của hệ thống
được thiết kế. Năm 1868 J.C Maxwell đã đặt nền móng cho lý thuyết toán liên quan tới tự động điều
chỉnh thông qua việc thiết lập phương trình vi phân mô tả một bộ điều chỉnh vòng quay. Maxwell nghiên
cứu sự ảnh hưởng của các thông số khác nhau của hệ thống tới hoạt động của nó. Cùng khoảng thời gian
đó I.A Vưsnhiegradsky nhà bác học người Nga cũng đưa ra lý thuyết toán để nghiên cứu động học của
các hệ thống điều chỉnh. Ông đã thiết lập phương trình động học của các hệ thống tự động điều chỉnh.
Tiếp theo đó vào năm 1871 Trebưseb đã chứng minh rằng có thể làm cho sai số của bộ điều chỉnh vòng

quay kiểu quả văng ly tâm do Watt chế tạo nhỏ tuỳ ý thông qua việc lựa chọn đúng hình dạng các cánh
tay đòn. Trong cuốn "Các bài toán tổng quát ổn định chuyển động" của A.M Liapunov xuất bản năm
1892, ông đã chứng minh những định lý dùng để đánh giá tính ổn định của hệ thống theo phương trình
tuyến tính gần đúng thay cho những phương trình phi tuyến tính gốc. Đây là một đánh dấu mới trong lịch
sử phát triển của lý thuyết tự động.

1


Trước thế chiến thứ hai, lý thuyết điều chỉnh và điều khiển phát triển theo hai hướng khác nhau, xu
hướng thứ nhất là nghiên cứu các hệ thống tự động điều chỉnh trong miền thời gian của các nhà khoa học
ở Liên xô và các nước Đông Âu và xu hướng thứ hai là nghiên cứu các hệ thống trong miền tần số của
các nhà khoa học ở Mỹ và các nước Tây Âu. Trong thế chiến thứ hai lý thuyết tự động được phát triển
mạnh mẽ nhằm phục vụ các mục đích quân sự. Trong những năm 50 lý thuyết thiết kế hệ thống tập trung
vào phát triển và sử dụng các phương pháp mặt phẳng phức và quỹ đạo nghiệm số. Tới những năm 80 các
máy tính số đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển đánh dấu một bước phát triển mới của tự động
hóa. Sự kiện phóng thành công vệ tinh Sputnik của Liên xô cũ mở ra kỷ nguyên chinh phục vũ trụ đã đặt
ra một thách thức mới với tự động học: thiết kế chế tạo các hệ thống điều khiển phức tạp và có độ chính
xác cao cho các tên lửa và vệ tinh. Các lý thuyết điều khiển tối ưu, điều khiển mờ... đã và đang góp phần
phát triển lý thuyết tự động mạnh mẽ hơn nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các lĩnh vực có liên
quan. Ngày nay việc nghiên cứu thiết kế và phân tích các hệ thống tự động rõ ràng là phải xem xét trong
cả miền thời gian và miền tần số.
Trong số các nhà bác học, nhà phát minh có đóng góp lớn vào quá trình phát triển tự động học như:
Vưsnhiegradski, Liapunov, Trebưseb, Andponov, Mikhainov, Huzwit, Routh, Bode v.v... phải kể đến
Vưsnhiegradski. Ông đã có công rất lớn trong việc phát triển lý thuyết tự động điều chỉnh, là người đầu
tiên chứng minh rằng các quá trình xảy ra trong bộ điều chỉnh và trong đối tượng điều chỉnh liên hệ chặt
chẽ với nhau và vì vậy phải nghiên cứu khi chúng làm việc phối hợp với nhau.
Tự động học ngày càng đan chéo và thâm nhập vào các ngành khoa học khác và ngược lại nó cũng
ngày càng phong phú thêm vì những thành tựu mới của những ngành khoa học lân cận. Ngày nay tự động
điều chỉnh và điều khiển thâm nhập sâu rộng vào nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật nói chung và ngành vận

tải biển nói riêng. Trong các hệ thống động lực tàu thuỷ vấn đề tự động điều chỉnh và điều khiển ngày
càng có ý nghĩa rất lớn, các hệ thống tự động hóa đã chứng minh được tính tin cậy và khả năng ưu việt
của chúng.
Cách đây không lâu tự động hoá diesel tàu thủy mới chỉ dừng ở việc trang bị các bộ điều chỉnh tốc độ
quay hoạt động trực tiếp, các hệ thống tín hiệu phòng ngừa và các bộ điều chỉnh nhiệt độ, áp suất nước
làm mát, dầu bôi trơn..., và chủ yếu là trang bị cho các động cơ chính còn các động cơ phụ thì thường chỉ
trang bị các bộ điều chỉnh tốc độ quay một chế độ. Những năm gần đây các hệ thống tự động điều chỉnh
và điều khiển từ xa được trang bị ngày càng rộng rãi trong hệ thống động lực tàu thủy, mức độ tự động
hóa của các hệ động lực tàu thủy ngày càng cao tiến tới khả năng tự động hóa hoàn toàn. Tự động hoá
hoàn toàn cho phép đơn giản hoá thao tác điều khiển, tăng tính cơ động của con tàu, tránh được việc phải
thực hiện nhiều thao tác, bảo đảm cho động cơ hoạt động ở chế độ tối ưu nhất (về kinh tế, an toàn, tin
cậy, tuổi thọ ...) và cuối cùng là cho phép giảm thiểu sức lao động của con người, giảm số lượng thuyền
viên. Với sự phát triển mạnh mẽ và việc ứng dụng rộng rãi các thiết bị tự động hoá trên tàu thủy như vậy,
để có thể khai thác con tàu một cách hiệu quả và an toàn, các thuyền viên, các kỹ sư máy cũng như các kỹ
thuật viên ngoài việc phải có trình độ chuyên môn cao còn cần phải được trang bị kiến thức tốt về tự động
điều chỉnh và điều khiển.

2


1.2 Những khái niệm cơ bản
Lý thuyết tự động có thể nói là một lĩnh vực mới và phức tạp. Để có thể nhanh chóng nắm bắt được
những vấn đề cơ bản trong lý thuyết tự động trước hết phải làm quen với một số các thuật ngữ, khái niệm
cơ bản như các khái niệm về hệ thống, thông tin, tín hiệu, quá trình ...
1.2.1. Điều khiển và điều chỉnh:
Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình
hay hệ thống nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình hay hệ thống đó. Điều chỉnh là
một khái niệm hẹp hơn của điều khiển. Điều chỉnh là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham
số nào đó của quá trình hay của hệ thống ổn định hoặc thay đổi theo một quy luật nào đó. Tham số này
có thể được gọi là tham số cần điều chỉnh, đại lượng cần điều chỉnh, thông số được điều chỉnh hay đại

lượng được điều chỉnh... Trong các khái niệm tiếp theo đây chúng ta sẽ sử dụng thuật ngữ "điều chỉnh" và
hiểu rằng đây cũng chỉ cả khái niệm điều khiển
1.2.2. Hệ thống:
Trong môi trường sống ta thường gặp những mối quan hệ giữa các phần tử hoặc giữa các chi tiết bên
trong của chúng. Mối quan hệ này có thể xuất hiện một cách tự nhiên, ví dụ trong cơ thể sống hoặc có thể
được tạo nên do một mục đích nào đó của con người. Những tập hợp các phần tử thực tế có mối quan hệ
với nhau một cách có mục đích để thực hiện một nhiệm vụ nào đó người ta gọi là hệ thống. Đặc biệt quan
trọng là trong các hệ thống thường xảy ra sự trao đổi các thông tin và các hệ thống này được gọi là các hệ
thống điều chỉnh, điều khiển.
1.2.2.1. Hệ thống điều chỉnh, điều khiển:
Hệ thống điều chỉnh hay điều khiển là hệ thống thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh hay điều khiển nào đó.
Hệ thống điều chỉnh có thể được phân chia thành các loại khác nhau. Để phân biệt chúng một cách tổng
quát nhất, người ta thường chia chúng thành 2 loại:
- Các hệ thống điều chỉnh tự nhiên, bao gồm cả các hệ thống điều chỉnh sinh vật hay còn gọi là cơ thể
sống.
- Các hệ thống điều chỉnh nhân tạo do con người tạo nên để phục vụ cho mục đích của mình. Các hệ
thống điều chỉnh nhân tạo lại có thể phân biệt như sau:
+ Hệ thống điều chỉnh kỹ thuật
+ Hệ thống điều chỉnh kinh tế
+ Hệ thống điều chỉnh kết hợp
Sau đây là một số ví dụ minh họa các loại hệ thống điều chỉnh khác nhau:
Loại
Hệ thống nói chung

Ví dụ minh họa
Con tàu, con người, hệ động lực...

Hệ thống điều chỉnh

Hệ thống máy phát điện được tự động hoá, con người,

Nhà nước...

Hệ thống điều chỉnh kỹ thuật

Tổ hợp máy điện được tự động hoá...

Hệ thống điều chỉnh kinh tế

Cơ quan hành chính của các xí nghiệp vận tải biển

3


Hệ thống điều chỉnh kết hợp

Con tàu được tự động hoá với việc điều khiển tự động
bằng máy tính và buồng máy không cần có người đi ca

Một hệ thống điều chỉnh gồm có hai thành phần cơ bản là đối tượng điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh.
Đối tượng điều chỉnh là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh. Thiết bị
điều chỉnh là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên
đối tượng. Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh. Nhiệm vụ cơ bản của thiết bị điều chỉnh là tác
động lên đầu vào của đối tượng điều chỉnh sao cho đại lượng cần điều chỉnh đạt được giá trị mong muốn.

Thông tin
Phần được điều chỉnh
(Đối tượng điều chỉnh)

Phần điều chỉnh
(Bộ điều chỉnh)

Tác động cơ học

Hình 1.1.2: Sơ đồ minh họa tổng quát một hệ thống điều chỉnh
Khi tác động điều chỉnh được thể hiện theo những quy luật điều chỉnh xác định thì được gọi là các
angorit điều chỉnh. Angorit điều chỉnh có thể hiểu là tập hợp các quy tắc logic và số học cùng với những
quy tắc về thủ tục mà theo đó có thể tạo ra được những tín hiệu điều chỉnh từ những tín hiệu thông tin
trong một đơn vị điều chỉnh.
1.2.2.2 Hệ thống tự động điều chỉnh:
Nếu quỏ trỡnh điều chỉnh trong hệ thống được thực hiện thông qua con người thỡ hệ thống điều chỉnh
này được gọi là hệ thống điều chỉnh không tự động (hệ thống điều chỉnh thông qua con người). Cũn nếu
quỏ trỡnh điều chỉnh được thực hiện nhờ các thiết bị kỹ thuật mà không có sự tham gia trực tiếp của con
người thỡ hệ thống điều chỉnh ấy được gọi là hệ thống tự động điều chỉnh hay một cách ngắn gọn là hệ
thống tự động. Vậy hệ thống tự động là một hệ thống tổng hợp cỏc phần tử tham gia trực tiếp và cỏc
phần tử phụ liờn quan thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh tự động một quá trình cho trước nào đó (hoặc một
quá trình biến đổi cho trước nào đó). Các phần tử này được sắp xếp có thứ tự tương tác lẫn nhau (có
nghĩa là được sắp xếp theo hướng truyền các tín hiệu).
Hệ thống tự động điều chỉnh tự động có thể là hệ thống điều chỉnh mạch hở hoặc là một hệ thống điều
chỉnh mạch kín.

Hệ thống tự động điều chỉnh mạch hở:
Hệ thống điều chỉnh hở được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:

tác động
nhiễu
Xo

Tín hiệu
chỉ huy

TBĐC

tác động
điều chỉnh
u(t)

ĐTĐC

y(t)

4


Hình 1.1.3: Sơ đồ hệ thống tự động điều chỉnh mạch hở
TBĐC: thiết bị điều chỉnh; ĐTĐC: đối tượng điều chỉnh
xo: tín hiệu vào; y(t): tín hiệu ra; u(t): tác động điều chỉnh
Ở hệ thống tự động điều chỉnh mạch hở tác động điều chỉnh u(t) được hình thành trên cơ sở giá trị định
trước của tín hiệu xo . Quy luật thay đổi của thông số cần điều chỉnh y(t) không có ảnh hưởng gì tới tác
động điều chỉnh. Tín hiệu cho trước (tín hiệu vào) có thể được đưa ra bởi con người thông qua các thiết bị
đo truyền thông tin về trạng thái của hệ thống hoặc qua một thiết bị biến đổi tín hiệu theo một chương
trình định sẵn là hàm của thời gian. Sau đây là một số ví dụ về hệ thống điều chỉnh hở:
Ví dụ 1: Một van tiết lưu có thang chia vạch chỉ báo độ mở, nhằm mục đích điều chỉnh lưu lượng
thông qua van. Trong hệ thống này việc thay đổi độ mở S của van đóng vai trò tín hiệu vào (tín hiệu cho
trước) còn lưu lượng thông qua van (Flow Rate) là đại lượng cần điều chỉnh.

Hình 1.1.4: Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng
Giả sử độ chênh áp trước và sau van là ÄP 1 không thay đổi, với một độ mở nhất định S 1 của van (xác
định trên thang chia vạch) thì lưu lượng thông qua van là F 1, chừng nào độ chênh áp trước, sau van và độ
mở của van không thay đổi thì lưu lượng thông qua van vẫn là F 1. Thay đổi tín hiệu vào (độ mở của van)
sẽ làm đại lượng được điều chỉnh thay đổi. Tuy nhiên nếu độ chênh áp trước và sau van vì một nguyên
nhân nào đó thay đổi thì với cùng một độ mở, lưu lượng thông qua van sẽ thay đổi. Nếu không thay đổi

độ mở của van thì sẽ có sự sai lệch về lưu lượng qua van. Hệ thống mạch hở này không đáp ứng được
việc duy trì lưu lượng khi có các thay đổi không định trước về độ chênh áp trước và sau van.
Ví dụ 2: Hệ thống điều khiển động cơ diesel tàu thuỷ đơn giản

Xo
TÍN HIỆU THAY
ĐỔI VÒNG QUAY

TAY GA

TÁC ĐỘNG VÀO
THANH RĂNG BCA

u(t)

bca
a

TÁC ĐỘNG
NHIỄU

ĐC DIESEL

n

Hình 1.1.5: Hệ thống điều khiển động cơ diesel đơn giản

5

Đối tượng điều khiển là động cơ diesel lai chân vịt tàu thủy. Mục đích điều khiển là thay đổi vòng
quay của động cơ theo lệnh từ buồng lái. Tín hiệu vào ở đây là sự thay đổi vị trí của tay ga khi có lệnh từ
buồng lái (ví dụ chạy tiến trung bình máy). Việc thay đổi vị trí tay ga (tay đặt tốc độ) do con người thực
hiện. Tín hiệu điều chỉnh là tín hiệu u(t) tác động vào thanh răng bơm cao áp (BCA) làm thay đổi lượng
nhiên liệu cấp vào động cơ. Thông số được điều chỉnh là vòng quay (n) của động cơ diesel lai chân vịt.
Tác động nhiễu là sự thay đổi phụ tải đối với động cơ, sự thay đổi nhiệt trị của nhiên liệu v.v... Nếu đặt
tay ga ở một vị trí nhất định và giả sử các yếu tố khác không thay đổi thì vòng quay của động cơ là n 1 và
sẽ được duy trì như vậy nếu không có bất kỳ tín hiệu nhiễu nào. Tuy nhiên giả sử nếu nhiệt trị của nhiên
liệu sử dụng hoặc phụ tải của động cơ thay đổi thì vòng quay của động cơ sẽ thay đổi.
Qua các ví dụ trên chúng ta thấy hệ thống điều chỉnh hở chỉ thích hợp với những chức năng điều khiển
đơn giản và không thể đòi hỏi độ chính xác cao với thông số được điều chỉnh (y) ở hệ thống này. Các
nhiễu loạn tác động lên hệ thống chính là nguyên nhân làm cho đại lượng được điều chỉnh sai lệch so với
mong muốn. Để giảm thiểu hoặc triệt tiêu sai lệch này cần phải đo giá trị của đại lượng được điều chỉnh
so sánh với giá trị mong muốn (giá trị cho trước) để đưa ra tác động điều chỉnh thích hợp. Đây chính là cơ
sở hoạt động của hệ thống tự động kín. Trong các hệ thống điều khiển và điều chỉnh hở nhiệm vụ đo và
so sánh thường do con người thực hiện.
-Hệ thống tự động điều chỉnh mạch kín:
Hệ thống tự động điều chỉnh mạch kín là hệ thống trong đó giá trị của đại lượng được điều chỉnh
được đo và đem so sánh với giá trị cho trước để tạo ra tác động điều chỉnh hay nói cách khác tác động
điều chỉnh được hình thành trên cơ sở độ lệch e(t) giữa giá trị cho trước và giá trị đo được của đại lượng
được điều chỉnh. Nhờ đó hệ thống tự động điều chỉnh kín có khả năng làm triệt tiêu hoặc giảm thiểu độ
chênh lệch e(t) giữa giá trị thực của đại lượng được điều chỉnh và giá trị cho trước (giá trị mà con người
mong muốn).

f(t) TÁC ĐỘNG
NHIỄU

TÍN HIỆU
CHỈ HUY

xo

e(t
))

BĐC

TÁC ĐỘNG
ĐIỀU CHỈNH

u(t)

ĐTĐC

y(t)

Hình 1.1.6: Hệ thống tự động điều chỉnh mạch kín
ĐTĐC: Đối tượng điều chỉnh; BĐC: bộ điều chỉnh

6


y(t): thông số được điều chỉnh; x o: giá trị cho trước của đại lượng được điều chỉnh; e(t): độ lệch điều
chỉnh; u(t): tín hiệu điều chỉnh; f(t): tác động nhiễu loạn trong một hệ thống tự động kín có thể phân biệt
thành các mạch cụ thể: mạch chính - trong đó có đối tượng điều chỉnh và mạch phản hồi ngược (phản hồi)
trong đó có phần tử đo đại lượng được điều chỉnh y, phần tử so sánh v.v... mạch chính tương ứng với
dòng vật chất hoặc năng lượng chủ yếu trong một quá trình cho trước và nó chính là chỗ thường xảy ra
những nhiễu có ý nghĩa nhất của quá trình này. Những nhiễu còn lại tác động đến đối tượng hoặc bộ điều
chỉnh ví dụ thay đổi nhiệt độ môi trường, thay đổi các thông số của nguồn năng lượng phụ thường được
bỏ qua. Mạch chính và mạch phản hồi còn được nghiên cứu cụ thể ở các phần sau.

Hình 1.1.7 mô tả một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh kín. Nhiệm vụ của hệ thống là duy trì áp
suất trong bình chứa không thay đổi, không phụ thuộc vào tác động nhiễu. Đối tượng điều chỉnh là bình
chứa, sự thay đổi áp suất trongbình là do ảnh hưởng của việc thay đổi độ mở f 1 và f2 của các van V1 và V2
tương ứng. Áp suất pk là đại lượng được điều chỉnh (y). Thông số này được đo và được biến đổi thành tín
hiệu khí nén chuẩn pm nhờ phần tử cảm biến (PTCB).
:

p1

l

f1

pw (u)
xo
po

BĐC

BÌNH ÁP LỰC

V2

V1

pk (y)

f2

p2

pk

(y)

pm
PTCB

Hình 1.1.7: Hệ thống tự động điều chỉnh áp suất khí nén trong bình
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hai tín hiệu pm (tương ứng với giá trị đo được của đại lượng được điều chỉnh) và p o (giá trị cho trước)
được so sánh với nhau trong bộ điều chỉnh (BĐC). Nếu chúng có giá trị không bằng nhau, có nghĩa là giá
trị thực của đại lượng được điều chỉnh y (p k) khác so với giá trị cho trước x o (po), thì bộ điều chỉnh sẽ cho
ra tín hiệu pw làm thay đổi độ mở f1 của van V1 theo hướng để áp suất pk trong bình đạt được giá trị cho
trước. Tác động điều chỉnh u ở đây có thể coi là p w hoặc là độ dịch chuyển 1 của nấm van vì giữa chúng
có mối quan hệ tuyến tính với nhau.
1.2.3. Thông tin:
Lý thuyết về điều chỉnh là khoa học bao gồm các vấn đề có liên quan đến sự tác động qua lại lẫn nhau
trên cơ sở thông tin. Một trong những định nghĩa chính xác nhất về thông tin được Wiener phát biểu như
sau: "Thông tin không phải là vật chất cũng như không phải năng lượng". Thông tin không tuân thủ các

7


định luật của năng lượng và vật chất, cùng một thông tin có thể thấy ở nhiều nơi. Thông tin (cũng như
không gian) không phải là năng lượng hay vật chất nhưng thiếu chúng thông tin không thể tồn tại được
bởi vì năng lượng hay vật chất là những phương tiện để truyền tin. Thời gian, không gian, thông tin là
những đặc tính không thể tách rời của vật chất. Trong thực tế ta biết nhiều thông tin ở đơn vị này hơn đơn
vị kia. Từ đó ta có thể rút ra kết luận: thông tin là nhân tố làm tăng hoặc giảm mức độ hiểu biết về thực tế
mà ta đang quan tâm. Những thao tác, xử lý quan trọng nhất đối với thông tin: nhận thông tin, ghi lại

thông tin, truyền thông tin, tạo ra thông tin, mã hoá thông tin, chuyển tiếp thông tin và đo số lượng thông
tin.
Trong kỹ thuật số, đại lượng đo thông tin được gọi là "bít" (Binary Imformation Theartical Unit).
Bít là đơn vị thông tin của hệ thống nhị phân, dùng để xác định lượng thông tin bất kỳ. Một bít là
lượng thông tin có trong tổ hợp 2 phần tử, các phần tử ngày có bản chất tương tự như nhau.
Tín hiệu:
Sự trao đổi thông tin giữa các đơn vị trên thực tế được thực hiện gián tiếp qua tín hiệu. Vậy tín hiệu
dùng để truyền thông tin. Tín hiệu là quá trình biến đổi của các đại lượng vật lý có thể phản ánh một
cách trung thành những thông tin con người quan tâm và truyền thông tin này trên khoảng cách nhất
định. Quá trình biến đổi của các đại lượng vật lý là một tập hợp được sắp xếp theo thứ tự trong một điều
cho trước. Tuy nhiên mọi quá trình biến đổi của một đại lượng vật lý không phải lúc nào cũng là tín hiệu
mà phụ thuộc ở một điểm có phải mọi trạng thái các quá trình biến đổi được sắp xếp theo một thứ tự một
cách có ý nghĩa thì quá trình này được gọi là tín hiệu. Bản thân tín hiệu không mang đặc điểm của năng
lượng cũng như vật chất. Khi tín hiệu được truyền đi bằng dòng năng lượng hoặc vật chất thì tín hiệu
thường là một đại lượng vật lý mô tả dòng này. Đại lượng vật lý biểu thị dòng vật chất (hoặc năng lượng)
đó được gọi là thông số thông tin của dòng, ví dụ: dòng truyền tín hiệu là dòng điện xoay chiều thì đại
lượng vật lý đặc trưng này là cường độ dòng điện, điện áp, tần số. Một trong 3 đại lượng này có thể là
thông số của thông tin nếu quá trình biến đổi chúng đều mô tả bằng các trạng thái riêng biệt được xác
định một cách có ý nghĩa. Thường trong kỹ thuật chúng ta gặp các đơn vị truyền tín hiệu là dòng electron,
dòng khí nén, dòng chất lỏng, sóng điện từ, sóng âm....Hướng truyền tín hiệu được coi là hướng truyền
thông tin. Những đặc tính cơ bản của tín hiệu:
- Loại tín hiệu
- Dạng tín hiệu (trạng thái)
- Độ lớn của tín hiệu
a. Loại tín hiệu: loại tín hiệu phụ thuộc vào bản chất vật lý của tín hiệu. Trên thực tế có thể có rất
nhiều loại tín hiệu: cường độ dòng điện, điện áp, tần số, điện trở, lực, áp suất, dung tích điện, dịch chuyển
theo đường thẳng, dịch chuyển xoay, nhiệt độ...
b. Dạng tín hiệu: Dạng tín hiệu là quá trình thay đổi giá trị của tín hiệu theo thời gian. Tín hiệu có thể
được phân loại theo dạng đặc thù cụ thể:
Phân loại tín hiệu dựa trên trạng thái của chúng:

8


- Tín hiệu dạng liên tục: các thông số của thông tin có thể nhận bất kỳ các giá trị trong giới hạn xác
định, các tín hiệu này là hàm liên tục theo thời gian.
- Tín hiệu rời rạc (ngắt quãng, không liên tục): các thông số của thông tin phụ thuộc vào tập hợp rời
rạc và chỉ thay đổi trong một khoảng thời gian ngắt quãng chọn trước. Tín hiệu rời rạc có thể là:
+ Tín hiệu dạng xung
+ Tín hiệu dạng nhiều trạng thái
+ Tín hiệu dạng số
Tín hiệu dạng xung: có thể là các tín hiệu xung với sự thay đổi biên độ, độ rộng của xung và sự thay
đổi pha xuất hiện. Hình vẽ 1.1.8 dưới đây mô tả một số dạng tín hiệu xung.

y

y

y

t

t

t

Hình 1.1.8: Tín hiệu xung với sự thay đổi biên độ, độ rộng và pha
Tín hiệu xung nhiều trạng thái: Đây cũng là một dạng tín hiệu không liên tục mà trong đó số lượng tín
hiệu khác nhau trong một mức độ nhất định là một
số hữu hạn. Ứng với mỗi một mức của xung thông thường là một trạng thái xác định của phần tử thực

hiện.

S

S
L 0 L 0 L

L 0
t

0
L

L
t

Hình 1.1.9: Tín hiệu xung 2 trạng thái (0,L) và 3 trạng thái (-L,0,L)
Tín hiệu số: được biểu thị dưới dạng các chuỗi xung. Chúng có thể là những tín hiệu có số lượng các
giá trị xác định. Người ta thường chia thành hai loại chủ yếu: loại đã được mã hoá và loại tín hiệu lượng
tử.
Tín hiệu lượng tử có độ lớn được thể hiện dưới dạng lặp lại các giá trị nhiều lần và đánh giá thông qua
đơn vị lượng tử của mức, ví dụ về tín hiệu lượng tử được biểu thị trên hình 1.1.10 dưới đây với k là đơn
vị lượng tử.

9


y
10k
8k

6k
4k
2k
t
Hình 1.1.10: Tín hiệu lượng tử
Tín hiệu số mã hoá có độ lớn được biểu thị dưới dạng xung sắp xếp theo mã số quy định. Phương pháp
mã hoá có rất nhiều loại, sau đây là một số loại:
- Khai triển các xung theo thì (hệ thập phân mã hoá theo nhị phân)
- Số lượng tín hiệu nhị phân trong một thì
- Sắp xếp theo thứ tự trong ứng với các giá trị của các tín hiệu theo mức độ quan trọng.
Các dạng tín hiệu này thường được ứng dụng trong các máy tính số.
c. Độ lớn của tín hiệu: Độ lớn của tín hiệu phụ thuộc vào cường độ mà tín hiệu này phản ánh thông tin.
Cường độ phản ánh thông tin của tín hiệu lớn thì độ lớn của tín hiệu cũng lớn (xét trong quan hệ tương
đối).
Phần tử tự động (hay còn gọi là khâu):
Phần tử tự động là một nhóm các thiết bị, một thiết bị sinh công, hoặc một thiết bị đo có trong hệ thống
tự động mà có thể phân biệt được tín hiệu vào và tín hiệu ra. Bằng sơ đồ khối người ta biểu thị một phần
tử dưới dạng một khối riêng có các đường mũi tên ký hiệu đường vào và hướng truyền đi của tín hiệu.
Trong trường hợp đơn giản nhất các phần tử chỉ có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra. Tuy nhiên trên
thực tế các phần tử có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra.

x

PHẦN TỬ
TỰ ĐỘNG

y

y1

x1
xn

PHẦN TỬ
TỰ ĐỘNG

ym

Hình 1.1.11: Sơ đồ khối biểu thị phần tử tự động với một tín hiệu vào, ra và nhiều tín hiệu vào, ra
Đối với các phần tử tự động, thông thường x được ký hiệu là tín hiệu vào và y là tín hiệu ra. Ngoài ra
tùy trường hợp cụ thể các tín hiệu vào và ra còn có thể được biểu thị bằng những ký hiệu thường dùng để
ký hiệu các đại lượng vật lý quen thuộc ví dụ như điện áp U, lực f, cường độ dòng điện I v.v...
Hình vẽ dưới đây là ví dụ về một số phần tử:

10


x

l1

y

l2

R1
f1

f2

p1

pk

R2

U1

U2

p2
Hình 1.1.12: Một số phần tử tự động

Trong ví dụ trên ta thấy chiều dài tay đòn 11, 12 các điện trở R1, R2 tiết diện các cửa f1, f2 là những hằng
số. Các đại lượng không đổi này không thể dùng để truyền thông tin, chúng không phải là những tín hiệu
vào mà chỉ là những thông số cấu trúc của phần tử.
1.2.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh
Một hệ thống tự động điều chỉnh dù phức tạp đến đâu cũng bao gồm hai khối cơ bản: đó là đối tượng
điều chỉnh và bộ điều chỉnh.
Sơ đồ khối tổng quát, đơn giản nhất của một hệ thống tự động điều chỉnh được thể hiện dưới đây:

f
§T§C

y

u
TB§C
xo
Hình 1.1.13: Sơ đồ tổng quát nhất của một hệ thống tự động điều chỉnh

ĐTĐC: đối tượng điều chỉnh; BĐC: bộ điều chỉnh; y: đại lượng được điều chỉnh; u: tác động điều
chỉnh; f: tác động nhiễu; xo: giá trị cho trước.
Biểu diễn một cách cụ thể hơn sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống tự động điều chỉnh thường có
các phần tử như trong hình 1.1.14:
f
ĐTĐC

u

y
PTCB
PTSS

PTTH

BKĐ

BNTH

BĐC
BTTHCT

xo

Tín hiệu
chỉ huy

Hình 1.1.14: Sơ đồ tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh

11

ĐTĐC: đối tượng điều chỉnh; BĐC: bộ điều chỉnh; PTCB: phần tử cảm biến; BTTHCS: bộ tạo tín hiệu
cơ sở (tạo ra giá trị cho trước từ tín hiệu chỉ huy); PTSS: phần tử so sánh; BNTH: bộ nắn tín hiệu; BKĐ:
bộ khuyếch đại; PTTH: phần tử thực hiện; y: đại lượng được điều chỉnh; u: tác động điều chỉnh; f: tác
động nhiễu; xo: giá trị cho trước.
Nhìn vào sơ đồ trên ta có thể hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động điều chỉnh. Thực vậy
phần tử cảm ứng sẽ đo giá trị của đại lượng được điều chỉnh và đưa tín hiệu này đến phần tử so sánh.
Phần tử so sánh sẽ so sánh tín hiệu đó với tín hiệu cho trước từ bộ tạo tín hiệu cơ sở để tạo ra tín hiệu độ
lệch. Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ nắn tín hiệu và được khuyếch đại lên khi qua bộ khuếch đại và
tác động lên phần tử thực hiện. Phần tử thực hiện sẽ tạo ra tác động điều chỉnh, tác động lên cơ cấu điều
chỉnh để làm thay đổi đại lượng điều chỉnh theo ý muốn của con người (ý muốn của con người được thể
hiện bằng tín hiệu chỉ huy). Dựa vào sơ đồ tổng quát ta thấy một hệ thống tự động điều chỉnh là một hệ
thống kín gồm nhiều phần tử có mối liên hệ mật thiết với nhau. Khi các phần tử làm việc hệ thống có khả
năng duy trì không đổi hay làm thay đổi theo quy luật nào đó, theo ý muốn của con người, một hay nhiều
đại lượng của đối tượng điều chỉnh, bất kể tác động nhiễu loạn nào tác động lên đối tượng điều chỉnh. Ở
đây đại lượng điều chỉnh hay còn gọi là thông số được điều chỉnh là một đại lượng vật lý có thể đo lường
trực tiếp hay gián tiếp và bản thân nó cần phải được điều chỉnh tự động, ví dụ tốc độ quay của động cơ,
mực nước trong nồi hơi, nhiệt độ nước làm mát trong động cơ v.v...
Tác động nhiễu loạn ở đây là những tác động ngẫu nhiên độc lập với quá trình điều chỉnh, nhưng lại
tác động trực tiếp lên đối tượng điều chỉnh làm thay đổi đại lượng được điều chỉnh. Tác động nhiễu loạn
tác động trực tiếp lên đối tượng điều chỉnh và là nguyên nhân chính làm cho đại lượng điều chỉnh thay
đổi gọi là tác động nhiễu loạn chính. Người ta còn phân biệt tác động nhiễu loạn bên ngoài và tác động
nhiễu loạn bên trong. Tác động nhiễu loạn xuất hiện ngẫu nhiên từ bên ngoài, tác động lên hệ thống tự
động điều chỉnh nhưng không làm thay đổi các thông số cấu trúc bên trong của hệ thống gọi là tác động
nhiễu loạn bên ngoài. Còn tác động nhiễu loạn tác động trực tiếp lên hệ thống và làm thay đổi thông số
cấu trúc bên trong hệ thống gọi là tác động nhiễu loạn trong. Ví dụ, tín hiệu điều khiển do con người tác
động vào thiết bị cho trước hay tác động thay đổi vị trí tay ga của bộ điều tốc là nhiễu loạn bên trong.
Trong hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay của động cơ diesel lai chân vịt thì phụ tải tác dụng của chân
vịt là tác động nhiễu loạn chính và là tác động nhiễu loạn ngoài.

1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống TĐĐC và các định nghĩa cơ bản
a. Sơ đồ chức năng
Một hệ thống tự động điều chỉnh bao gồm nhiều phần tử phức tạp như: phần tử cảm ứng, phần tử so
sánh, phần tử khuếch đại v.v... các phần tử này hoạt động theo các nguyên tắc khác nhau (cơ, điện, khí
nén, thuỷ lực...), cấu tạo của chúng do đó cũng khác nhau, nhưng hoạt động của chúng lại liên quan chặt
chẽ với nhau. Chính vì vậy khi khảo sát một hệ thống tự động điều chỉnh trước hết cần phân tích chức
năng của từng thiết bị trong hệ thống và tính chất các mối liên hệ giữa chúng. Để cho việc khảo sát hệ
thống tự động điều chỉnh được thuận lợi người ta thường lập sơ đồ chức năng của hệ thống. Một cách đơn

12


giản chúng ta có thể hiểu sơ đồ chức năng là dạng sơ đồ khối biểu thị chức năng của từng thiết bị, từng
phần tử và tính chất của các mối liên kết giữa các phần tử trong một hệ thống tự động điều chỉnh.
Ví dụ trong hình vẽ dưới đây cho ta thấy hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ dầu đốt FO trước khi
đưa vào động cơ.
1

4

HƠI VÀO
BÀU HÂM

VAN
ĐIỀU
CHỈNH
2

3

VAN
CHẶN

TỚI BÌNH
NGƯNG HƠI

5
BẦU CẢM BIẾN
NHIỆT ĐỘ DẦU

VAN ĐIỀU
CHỈNH BẰNG
TAY

BẦU HÂM DẦU
DẦU VÀO
BẦU HÂM

DẦU RA KHỎI
BẦU HÂM

Hình 1.2.1: Hệ thống hâm dầu nặng (FO)
1.

Màng van

2.

Lò xo (phần tử cho trước)

3.

Đai ốc hiệu chỉnh lực căng ban đầu của lò xo (tín hiệu điều khiển)

4.

Cần van (phần tử so sánh và cũng là phần tử thực hiện)

5.

Nấm van (cơ cấu điều chỉnh)

Ngoài các bộ phận nêu trên còn có những bộ phận khác nữa cũng góp phần vào quá trình điều chỉnh,
mỗi bộ phận trong hệ thống được gọi là một phần tử. Như vậy ta thấy một hệ thống tự động bao gồm
nhiều phần tử hợp lại, mỗi phần tử có một chức năng riêng và chúng có quan hệ mật thiết với nhau.
Người ta cũng có thể tạo hệ thống với chức năng tương tự như trên dùng các phần tử, thiết bị điện. Để
tiện lợi cho quá trình nghiên cứu, phân tích và thiết kế người ta thường biểu thị các hệ thống tự động bằng
sơ đồ chức năng tổng quát sau đây:
Tín hiệu
chỉ huy

PTCT

xo

PTSS

e(t)

Tác động

nhiễu

BCTH
PTTH

PTKĐ
(-)

f

u(t)
ĐTĐC

y(t)

(+)
PTPHP

PTCB

y(t)

Hình 1.2.2: Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh
b. Những định nghĩa cơ bản
* Đối tượng điều chỉnh (ĐTĐC): Là một thiết bị hay tổ hợp các thiết bị có một hay nhiều thông số
cần được giữ không đổi hoặc thay đổi theo quy luật mong muốn của con người, toàn bộ hoạt động của

13

hệ thống tự động nhằm thực hiện mục đích đó. Các thông số cần được giữ không đổi hay thay đổi theo
quy luật mong muốn được gọi là đại lượng được điều chỉnh, thông số được điều chỉnh hay còn gọi là đại
lượng ra của hệ thống ký hiệu là y(t).
* Phần tử cảm biến (PTCB): hay còn gọi là phần tử đo (phần tử cảm ứng) là phần tử đo trực tiếp hay
gián tiếp một thông số nào đó của đối tượng điều chỉnh và biến đổi nó thành tín hiệu phù hợp đảm bảo
cho bộ điều chỉnh hoạt động thực hiện mục đích điều chỉnh. Người ta thường đo giá trị của đại lượng cần
điều chỉnh hoặc đo tác động nhiễu loạn chủ yếu (f). Nếu phần tử cảm biến làm nhiệm vụ đo giá trị của đại
lượng được điều chỉnh y(t) thì ta sẽ được hệ thống tự động khép kín và phần tử cảm biến này là phản hồi
chính của hệ thống. Phần tử đo không thể thiếu được đối với hệ thống tự động điều chỉnh kín.
* Phần tử cho trước(PTCT): là phần tử tạo ra những tín hiệu đưa vào hệ thống làm giữ nguyên hoặc
thay đổi giá trị của đại lượng được điều chỉnh theo ý muốn của con người (ý muốn của con người được
thể hiện qua tín hiệu chỉ huy đưa vào phần tử cho trước). Tín hiệu do phần tử này tạo ra được gọi là tín
hiệu cho trước, tín hiệu đặt trước hoặc giá trị cho trước, giá trị đặt (đối với hệ thống điều chỉnh không đổi)
và gọi là tín hiệu điều chỉnh (đối với hệ thống điều chỉnh theo chương trình). Tín hiệu cho trước thường
được ký hiệu là xo và nó chính là tín hiệu vào của hệ thống.
* Phần tử so sánh (PTSS): là phần tử thực hiện nhiệm vụ so sánh tín hiệu cho trước x o với tín hiệu ra
của phần tử cảm biến (xrph) để tạo ra tín hiệu độ lệch. Tín hiệu độ lệch này còn được gọi là độ sai ứng ký
hiệu là e(t).
e(t) = xo + xrph
Chú ý: Để so sánh được thì xo và xrph phải có cùng bản chất vật lý.
* Phần tử khuếch đại (PTKĐ): là phần tử làm tăng thêm năng lượng cho các tín hiệu, ví dụ độ lệch e(t)
hoặc tác động điều chỉnh u(t) để các tín hiệu này đủ độ lớn thực hiện mục đích điều chỉnh.
Thông số đặc trưng cơ bản của phần tử khuếch đại là hệ số khuếch đại K.
K
=

Công suất của tín hiệu ra
Công suất của tín hiệu vào

* Phần tử thực hiện (PTTH): là phần tử tạo ra tác động trực tiếp lên đối tượng thông qua cơ cấu điều

chỉnh để thực hiện mục đích điều chỉnh, tác động này gọi là tác động điều chỉnh và ký hiệu là u(t).
* Cơ cấu điều chỉnh (CCĐC): là một chi tiết nằm trong đối tượng điều chỉnh - nó có nhiệm vụ nhận tác
động điều chỉnh u(t) và làm cho đại lượng được điều chỉnh y(t) thay đổi theo ý muốn. Ví dụ: động cơ
diesel tàu thuỷ là đối tượng điều chỉnh có cơ cấu điều chỉnh là hệ thống thanh răng bơm cao áp, hệ thống
tự động điều chỉnh mức nước nồi hơi có cơ cấu điều chỉnh là van tự động cấp nước.
* Phần tử phản hồi (PTPH): (hay còn gọi là liên hệ ngược) đó là một phần tử truyền thông tin và khép
kín hệ thống. Trong các hệ thống tự động ta thường gặp hai loại phần tử phản hồi:
- Phần tử phản hồi chính: là phần tử đo giá trị của thông số được điều chỉnh và truyền thông tin đó đến
phần tử so sánh để so sánh với tín hiệu cho trước.

14


- Phần tử phản hồi phụ (PTPHP): là phần tử đưa tín hiệu ra của một phần tử nào đấy trở về đầu vào của
một phần tử đứng trước nó hoặc đưa về đầu vào của chính phần tử đó. Phần tử phản hồi phụ được sử
dụng để nâng cao độ chính xác và chất lượng điều chỉnh.
Dựa vào tính chất của tín hiệu phản hồi, người ta lại chia ra phản hồi âm và phản hồi dương.
- Phản hồi dương (hay liên hệ ngược dương): là phản hồi tạo ra tín hiệu x rph cùng chiều (cùng dấu) với
tác động điều chỉnh u(t). Khi đó ta có khái niệm về liên hệ ngược dương có thể biểu thị bằng mối liên hệ
sau:
e(t) = xo + xrph
Đặc điểm cơ bản của liên hệ ngược dương là làm tăng tác động nhiễu đối với hệ thống. Hình 1.2.3 là ví
dụ mô tả hệ thống tự động điều chỉnh có liên hệ ngược dương:

2
3
1

pz = const

Hình 1.2.3: Hệ thống tự động điều chỉnh với liên hệ ngược dương
1: Bình chứa khí nén; 2: phần tử cảm biến áp suất kiểu hộp xếp; 3: thanh truyền liên hệ ngược; 4: tấm
chắn; 5: chốt xoay.
Khi áp suất trong bình chứa tăng lên thì hộp xếp bị giãn ra đẩy đầu trên của thanh truyền liên hệ ngược
3 đi sang trái. Thanh truyền 3 quay quanh chốt 5 làm đầu bên dưới của nó đi sang phải, tấm chắn 4 được
gắn ở đầu dưới thanh truyền tiến lại gần và che bớt ống thoát khí làm cho khí vào bình nhiều hơn và áp
suất trong bình càng tăng lên. Trong trường hợp áp suất trong bình giảm thì do tác dụng của liên hệ ngược
tấm chắn rời xa ống thoát làm áp suất càng giảm. Như vậy khi áp suất trong bình chứa tăng hoặc giảm
(do nhiễu gây nên) thì sau đó áp suất trong bình chứa không giữ ở trạng thái cân bằng ổn định. Hoạt động
của liên hệ ngược này đã làm tăng giá trị nhiễu loạn và mang tính chất khuyếch đại nhiễu loạn. Liên hệ
ngược dương thường được sử dụng cho các bộ khuếch đại trong các máy phát điện từ, trong các quá trình
phản ứng hạt nhân (liên hệ ngược dương kích thích phản ứng dây chuyền nhiệt hạch phát triển rất
mạnh)...
- Phản hồi âm (hay liên hệ ngược âm): là phản hồi tạo ra tín hiệu ngược chiều (ngược dấu) với tín hiệu
điều chỉnh u(t) có thể biểu thị phản hồi âm bằng mối quan hệ:
e(t) = xo - xrph
Liên hệ ngược âm có tính chất làm ổn định sự hoạt động của hệ thống tự động. Các hệ thống có liên hệ
ngược âm sẽ làm giảm tác động của nhiễu loạn của hệ thống. Hay có thể nói một cách tổng quát liên hệ
ngược âm có khả năng đưa hệ thống trở lại trạng thái cân bằng dù có sự tác động của nhiễu như thế nào

15


chăng nữa không cần sự hỗ trợ của con người từ bên ngoài. Do có tính chất làm hệ thống ổn định như vậy
nên liên hệ ngược âm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật chẳng hạn trong các hệ thống điều chỉnh mức
nước, áp suất trong bình chứa, vòng quay của tua bin hơi, vòng quay của động cơ v.v... Trong ví dụ ở
hình 1.1.17 trên nếu ta dịch chốt xoay 5 lên trên đầu trên A của thanh truyền 3 thì ta sẽ được hệ thống tự
động điều chỉnh với liên hệ ngược âm. Khi đó nếu áp suất trong bình chứa tăng thì tấm chắn sẽ dịch ra xa
ống thoát làm khí nén thoát ra ngoài nhiều hơn, áp suất trong bình chứa sẽ giảm xuống. Trạng thái cân
bằng được thiết lập khi áp suất trong bình chứa cân bằng với lực đàn hồi của hộp xếp, khi đó thanh truyền

sẽ cố định vị trí của tấm chắn.
Hình 1.1.18 minh họa một ví dụ khác về hệ thống tự động điều chỉnh mức nước với liên hệ ngược âm.
Đây là hệ thống tương tự như hệ thống tự động điều chỉnh mức nước nồi hơi đầu tiên của Polzunov.
Mức nước trong két chứa tăng sẽ làm van cấp nước đóng bớt lại và ngược lại, mức nước trong két
chứa giảm thì van cấp nước sẽ mở to ra. Tùy theo lưu lượng nước thoát, hệ thống quả phao, thanh truyền,
chốt xoay sẽ xác định độ mở của van cấp để duy trì mức nước trong két chứa không đổi

thanh truyÒn

qu¶ phao
c¶m biÕn
møc nuíc

nuíc cÊp

van cÊp nuíc
van tho¸t
nuíc
nuíc tho¸t
KÐT CHøA

Hình 1.2.4: Hệ thống tự động điều chỉnh với liên hệ ngược âm
Để phân biệt phản hồi âm và phản hồi dương trên sơ đồ chức năng hoặc sơ đồ cấu trúc, tín hiệu ra của
phần tử phản hồi được đánh dấu (+) là phản hồi dương và dấu (-) là phản hồi âm.
Dựa vào tính chất hoạt động của phần tử phản hồi người ta còn phân loại:
- Phản hồi cứng (liên hệ ngược cứng)
- Phản hồi mềm (liên hệ ngược mềm)
Phản hồi cứng là phần tử phản hồi mà mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra được biểu thị bằng
biểu thức:
xrph = Kp . xvph

xrhp: tín hiệu ra của phần tử phản hồi; xvph: tín hiệu vào của phần tử phản hồi; Kp: hệ số truyền của phần
tử phản hồi.

16


Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của phản hồi cứng là mối quan hệ tỷ lệ do đó đặc điểm cơ bản
của nó là khả năng hoạt động ở cả chế độ động và chế độ tĩnh của hệ thống.
Phản hồi mềm có mối quan hệ giữa tín hiệu ra và vào được biểu thị bằng biểu thức:

x rph = K p .

dx vph
dt

Tín hiệu ra của phản hồi mềm tỷ lệ với vận tốc thay đổi của tín hiệu vào phản hồi do đó đặc điểm cơ
bản của phản hồi mềm là nó chỉ hoạt động ở chế độ động khi có sự thay đổi của tín hiệu vào phản hồi. Ở
chế độ tĩnh khi tín hiệu vào của phần tử phản hồi không thay đổi theo thời gian thì x rph = 0 hay nói một
cách khác ở chế độ tĩnh phần tử phản hồi mềm không cho tín hiệu ra.
1.4 Nguyên tắc điều chỉnh và điều khiển tự động
Các hệ thống tự động điều chỉnh và điều khiển được xây dựng dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau:
- Nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh
- Nguyên tắc điều chỉnh theo tác động nhiễu
- Nguyên tắc điều chỉnh liên hợp
- Nguyên tắc điều chỉnh thích nghi

1.4.1 Nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh
TÁC ĐỘNG
NHIỄU
TÍN HIỆU

CHỈ HUY

BĐC

TÁC ĐỘNG
ĐIỀU CHỈNH
U(t)

ĐTĐC

Y(t)

Hình 1.4.1: Hệ thống tự động điều chỉnh theo nguyên lý độ lệch
Hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động theo nguyên tắc này gọi là hệ thống tự động điều chỉnh theo
nguyên tắc độ lệch hay còn gọi là nguyên tắc liên hệ ngược. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống theo
nguyên tắc độ lệch được biểu diễn dưới đây.
Trong hệ thống có thiết bị đo và so sánh trị số thực tế của đại lượng được điều chỉnh y(t) với giá trị cho
trước và tạo ra tác động điều chỉnh trên cơ sở sai lệch giữa hai giá trị này để đưa đại lượng được điều
chỉnh tới giá trị cho trước đó. Như vậy trong hệ thống này, phần tử cảm ứng đóng vai trò là một phần tử
phản hồi chính khép kín hệ thống.
Ưu điểm:
- Nó có thể thực hiện được những quy luật biến đổi khác nhau đối với đại lượng được điều chỉnh như
duy trì không đổi, thay đổi theo chương trình, tuỳ động v.v...

17


- Nó là nguyên tắc có thể nói là vạn năng và được áp dụng rất có kết quả, vì nó cho phép điều chỉnh
được những đối tượng không ổn định, biến đổi đại lượng được điều chỉnh theo quy luật mong muốn với
sai lệch của đại lượng được điều chỉnh tương đối nhỏ bất kể nguyên nhân gây ra sai lệch đó.

- Nguyên tắc này rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật.
- Nguyên tắc liên hệ ngược không những là đặc điểm của các hệ thống kỹ thuật mà còn là đặc điểm
của những cơ thể sống, đặc biệt là con người.
Nhược điểm:
Thời gian điều chỉnh chậm: Nguyên nhân là do hệ thống chỉ tạo ra tác động điều chỉnh khi có độ

-

lệch giữa đại lượng được điều chỉnh và giá trị cho trước (hệ thống phản ứng từ hậu quả).
-

Có khả năng xuất hiện những dao động không tắt dần trong hệ thống điều chỉnh.

-

Đôi khi cần cung cấp thêm vào hệ thống nguồn năng lượng phụ trợ do đó hệ thống trở nên phức

tạp hơn.
1.4.2 Nguyên tắc điều chỉnh theo tác động nhiễu:
Là nguyên tắc mà tác động điều chỉnh được hình thành trên cơ sở kết quả đo nhiễu loạn tác dụng vào
đối tượng điều chỉnh (thường là nhiễu loạn chính). Nguyên tắc này còn được gọi là nguyên tắc bù trừ
nhiễu.
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động theo nguyên tắc này được thể hiện sau
đây:
TÁC ĐỘNG
NHIỄU

BĐC

TÁC ĐỘNG

ĐIỀU CHỈNH
U(t)

ĐTĐC

Y(t)

TÍN HIỆU
CHỈ HUY

Hình 1.4.2: Hệ thống tự động điều chỉnh theo nguyên lý bù trừ nhiễu
Như ta thấy hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động theo nguyên tắc này là hệ thống mạch hở.
Ưu điểm:
-

Tác động điều chỉnh nhanh do hệ thống phản ứng trực tiếp với nguyên nhân gây ra sự thay đổi

của đại lượng được điều chỉnh.
Nhược điểm:
-

Khả năng chọn lọc tác động nhiễu chính khi thiết kế hệ thống vì không phải lúc nào cũng có thể

đo và xét đến tất cả các nhiễu loạn tác động lên đối tượng điều chỉnh. Chính vì vậy hệ thống hoạt động
theo nguyên tắc này thường có tính ổn định kém và kém chính xác.
-

Việc đo và xác định nhiễu loạn thường phức tạp và khó khăn.

1.4.3 Nguyên tắc điều chỉnh liên hợp:

18


Nguyên tắc điều chỉnh liên hợp kết hợp hai nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch và điều chỉnh theo
nhiễu. Tác động điều chỉnh của hệ thống theo nguyên tắc điều chỉnh liên hợp được hình thành dựa trên sự
tổng hợp của hai tín hiệu: độ lệch của đại lượng được điều chỉnh và kết quả đo nhiễu loạn tác dụng lên
đối tượng điều chỉnh.
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống tự động điều chỉnh theo nguyên tắc điều chỉnh liên hợp như hình vẽ
sau:
TÁC ĐỘNG
NHIỄU

TÍN HIỆU
CHỈ HUY

BĐC

TÁC ĐỘNG
ĐIỀU CHỈNH
U(t)

ĐTĐC

Y(t)

Hình 1.4.3: Hệ thống tự động điều chỉnh theo nguyên tắc liên hợp
Ưu điểm:
-

Hệ thống theo nguyên tắc điều chỉnh liên hợp thường đạt độ chính xác cao, hoạt động ổn định và

nhạy. Các nhược điểm của hai nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch và theo nhiễu được khắc phục.
Nhược điểm:
-

Hệ thống phức tạp, khó chế tạo do đó giá thành cao.

-

Việc xác định nhiễu chính và đo nhiễu rất khó khăn và phức tạp.

1.4.4 Nguyên tắc điều chỉnh thích nghi
Nguyên tắc điều chỉnh thích nghi là nguyên tắc mà tác động điều chỉnh được hình thành trên cơ sở
phân tích, tính toán sự biến đổi của đối tượng điều chỉnh, tác động của nhiễu loạn và tác động chủ đạo (tín
hiệu điều khiển do con người đưa ra thông qua thiết bị tạo tín hiệu cho trước). Hệ thống tự động điều
chỉnh hoạt động theo nguyên tắc thích nghi còn gọi là hệ thống tự động tự chỉnh.
Hệ thống tự động tự chỉnh có rất nhiều ưu điểm đáng được ứng dụng ngày càng nhiều trong kỹ thuật.
Tuy nhiên hệ thống tự động điều chỉnh thích nghi là hệ thống phức tạp, khó chế tạo, giá thành cao và đòi
hỏi người sử dụng phải có trình độ cao.
Cho tới nay, trong lĩnh vực tự động hoá hệ động lực tàu thuỷ, các hệ thống tự động điều chỉnh chủ yếu
được xây dựng theo 3 nguyên tắc đầu.
Câu hỏi ôn tập:
1. Nêu các khái niệm cơ bản về hệ thống tự động điều chỉnh và điều khiển
2. Trình bày về sơ đồ chức năng của hệ thống TĐĐC và các định nghĩa cơ bản
3. Trình bày về nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh
4. Trình bày về nguyên tắc điều chỉnh theo tác động nhiễu
5. Trình bày về nguyên tắc điều chỉnh thích nghi

19