Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động

-i-

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN ĐỨC QUÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM
CARD ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC TRONG
ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG
HÓA

Thái Nguyên – 2016


- ii -

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Đức Quân
Sinh ngày: 26 tháng 03 năm 1986
Học viên lớp cao học khoá 16 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên –
Đại học Thái Nguyên.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Trần Đức Quân


- iii -

LỜI CẢM ƠN

Đề tài luâ ̣n văn thạc si ̃ được hoàn thành tại Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên. Có được bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp,
Khoa Điện, Phòng Đào tạo, và đặc biệt là thầ y giáo TS. Đỗ Trung Hải, Trưởng
khoa Điện đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa
học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài
“Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong
điều khiển hệ truyền động”.
Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học đã trực
tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật
điều khiển và Tự động hóa cho bản thân tôi trong những năm tháng qua.
Tuy nhiên, do có sự hạn chế về kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy
giáo, cô giáo và các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể và cá nhân TS Đỗ
Trung Hải đã hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận
văn.
Trân trọng cám ơn./.
Học viên

Trần Đức Quân

- iv -

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... ix
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... ix
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ ix
3. Dự kiến các kết quả đạt được ............................................................................... ix
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... ix
5. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................... ix
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ................ 1
1.1. Cơ sở lý thuyết về đo lường ............................................................................... 1
1.1.1. Khái niệm đo lường ...................................................................................... 1
1.1.2. Lý thuyết đo lường cơ sở .............................................................................. 2
1.1.3. Lý thuyết đo lường ứng dụng ....................................................................... 3
1.1.4. Phân loại và cách thức thực hiện phép đo .................................................... 4
1.1.5. Các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo ........................................................... 5
1.2. Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu ........................................................................ 9
1.3. Tổng quan về điều khiển tự động .................................................................... 11
1.3.1. Lịch sử ra đời .............................................................................................. 11
1.3.2. Các khái niệm cơ bản về điều khiển ........................................................... 12
1.3.3. Những nguyên tắc điều khiển cơ bản ......................................................... 16
1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 18
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 19
2.1. Thiết kế phần cứng ........................................................................................... 19
2.1.1. Yêu cầu về thiết kế phấn cứng .................................................................... 19
2.1.2. Khối vi xử lý trung tâm............................................................................... 20
2.1.3. Khối xử lý tín hiệu tương tự ....................................................................... 24
2.1.4. Khối xử lý tín hiệu số ................................................................................. 25

2.1.5. Khối mạch nguồn nuôi................................................................................ 26
2.1.6. Card điều khiển hoàn chỉnh ........................................................................ 26
2.2. Phần mềm cho vi xử lý trung tâm AT91SAM3X8E ....................................... 27
2.2.1. Ngôn ngữ lập trình cho AT91SAM3X8E ................................................... 27
2.2.2. Thuật toán chương trình chính .................................................................... 28
2.2.3. Thuật toán chương trình con xử lý dữ liệu từ Matlab/Simulink ................. 29
2.3. Phần mềm cho Matlab – Simulink ................................................................... 30
2.3.1. Khối cài đặt – CardTNUT Setup ................................................................ 31
2.3.2. Khối đọc tín hiệu tương tự .......................................................................... 32
2.3.3. Khối xuất tín hiệu tương tự ......................................................................... 32
2.3.4. Khối đọc tín hiệu số .................................................................................... 33
2.3.5. Khối xuất tín hiệu số ................................................................................... 33
2.3.6. Khối xuất tín hiệu PWM ............................................................................. 33


-v-

2.3.7. Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder ............................................ 34
2.3.8. Khối xuất tín hiệu điều khiều động cơ servo một chiều ............................. 34
2.3.10. Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits ......................... 35
2.3.11. Khối ghép nối module điều khiển 32 servo .............................................. 35
2.3.12. Khối xuất xung điều khiển Thyristor ........................................................ 36
2.3.13. Khối giao tiếp nối tiếp .............................................................................. 36
2.3.14. Khối bộ điều khiển PID online ................................................................. 37
2.3.15. Khối cài đặt tham số bộ điều khiển PID trên Card ................................... 37
2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 38
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM ................................................................................ 39
3.1. Hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập ......................................... 39
3.1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập ......... 39
3.1.2. Tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập .................... 40

3.1.3. Thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều ..................... 44
3.2. Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot) .................................................... 45
3.2.1. Giới thiệu về hệ chuyển động robot nhện ................................................... 45
3.2.2. Thuật toán điều khiển di chuyển robot nhện .............................................. 46
3.2.3. Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện ........................................ 52
3.2.4. Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện .................... 54
3.3. Hệ thống điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ....................................... 55
3.3.1. Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung ..................................................... 55
3.3.2. Cấu tạo của robot đi theo quỹ đạo mê cung................................................ 55
3.3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot đi theo quỹ đạo mê cung ......................... 56
3.3.4. Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ................................... 57
3.3.5. Thực nghiệm ............................................................................................... 58
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 61
Kết luận ................................................................................................................... 61
Kiến nghị ................................................................................................................. 62


- vi -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

ADC

Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số

2

DAC

Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự

3

TBĐK

Thiết bị điều khiển

4

ĐTĐK

Đối tượng điều khiển Bộ điều khiển

5

TBĐL

Thiết bị đo lường

6

DC

Direct current, dòng điện một chiều

7

AC

Alternating current, dòng điện xoay chiều

8

PWM

9

RISC

10

CPU

Central Processing Unit, bộ xử lí trung tâm

11

JTAG

Joint Test Action Group, chuẩn nạp chương trình vi xử lý

12

SWD

Serial Wire Debug, chuẩn nạp chương trình vi xử lý

Pulse-width modulation, điều chế độ rộng xung
Reduced instruction set computing, máy tính với tập lệnh
đơn giản hóa

Direct memory access, kỹ thuật chuyển dữ liệu từ bộ nhớ đến
113

DMA

ngoại vi hoặc từ ngoại vi đến bộ nhớ mà không yêu cầu đến
sự thực thi của CPU.


- vii -

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1. 1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ................................................ 14
Hình 1. 2. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám ................... 16
Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu ................. 16
Hình 1. 4. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu ................. 17
Hình 1. 5. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển thích nghi ............................... 17
Hình 2. 1. Mô hình khối mạch điều khiển ................................................................20
Hình 2. 2. Bộ vi xử lý Cortex-M3 .............................................................................22
Hình 2. 3. Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm .................................................................23
Hình 2. 4. Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tương tự .........................................24

Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tương tự ..........................................25
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số ...........................................25
Hình 2. 7. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi ...........................................................26
Hình 2. 8. Card điều khiển sau khi gia công .............................................................26
Hình 2. 9. Giao diện phần mềm Atmel Studio ..........................................................27
Hình 2. 10. Lưu đồ thuật toán chương trình chính ....................................................28
Hình 2. 11. Lưu đồ thuật toán chương trình con xử lý dữ liệu từ Simulink .............29
Hình 2. 12. Thư viện CardTNUT được cài vào Simulink.........................................31
Hình 2. 13. Khối CardTNUT Setup ..........................................................................31
Hình 2. 14. Khối đọc tín hiệu tương tự .....................................................................32
Hình 2. 15. Khối xuất tín hiệu tương tự ....................................................................32
Hình 2. 16. Khối đọc tín hiệu số ...............................................................................33
Hình 2. 17. Khối xuất tín hiệu số ..............................................................................33
Hình 2. 18. Khối xuất tín hiệu PWM ........................................................................33
Hình 2. 19. Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder .......................................34
Hình 2. 20. Khối điều khiều động cơ servo ..............................................................34
Hình 2. 21. Khối điều khiển module 16PWM ..........................................................35
Hình 2. 22. Khối ghép nối module 32 servo .............................................................35
Hình 2. 23. Khối xuất xung điều khiển Thyristor .....................................................36
Hình 2. 24. Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp .................................................................36
Hình 2. 25. Khối PID online .....................................................................................37
Hình 2. 26. Khối cài đặt tham số PID ....................................................................... 37
Hình 3. 1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều ................................ 39
Hình 3. 2. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập . 40


- viii -

Hình 3. 3. Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) ............................................................. 41
Hình 3. 4. Dữ liệu tín hiệu tốc độ quay động cơ (vòng/phút) ................................... 42

Hình 3. 5. Đánh giá mô hình nhận dạng ................................................................... 43
Hình 3. 6. Cấu trúc điều khiển hệ thống động cơ một chiều trên Matlab/Simulink . 44
Hình 3. 7. Đáp ứng hệ truyền động động cơ một chiều ............................................ 45
Hình 3. 8. Hình vẽ mô tả robot nhện ......................................................................... 46
Hình 3. 9. Lưu đồ thuật toán động tác Đứng tại vị trí cơ bản ................................... 47
Hình 3. 10. Lưu đồ thuật toán động tác Tiến ............................................................ 48
Hình 3. 11. Lưu đồ thuật toán động tác Quay trái .................................................... 50
Hình 3. 12. Lưu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải ........................... 51
Hình 3. 13. Giao diện điều khiển Robot nhện ........................................................... 52
Hình 3. 14. Cấu trúc điều khiển Robot nhện trên Simulink ...................................... 53
Hình 3. 15. Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện ............................. 53
Hình 3. 16. Mô hình robot nhện ................................................................................ 54
Hình 3. 17. Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung ................................................ 55
Hình 3. 18. Cấu tạo robot đi theo quỹ đạo mê cung ................................................. 55
Hình 3. 19. Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot đi theo quỹ đạo mê cung................... 56
Hình 3. 20. Sơ đồ nguyên lý mạch đệm .................................................................... 56
Hình 3. 21. Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 ....................................................... 57
Hình 3. 22. Minh họa robot đi theo quỹ đạo mê cung .............................................. 58
Hình 3. 23. Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ..................... 58
Hình 3. 24. Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung .............................. 58
Hình 3. 25. Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) ............................ 59
Hình 3. 26. Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) ........................ 60


- ix -

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, có rất nhiều thuật toán điều

khiển từ kinh điển đến hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý khối lượng
công việc lớn, tính toán phức tạp. Matlab là một phần mềm có khả năng tính
toán và thực hiện tốt các thuật toán điều khiển. Kết hợp Matlab và Card thu
thập dữ liệu sẽ tạo ra bộ điều khiển rất linh hoạt, có khả năng thực hiện các
thuật toán điều khiển trong lĩnh vực điều khiển tự động thể hiện qua các báo
cáo [3], [8], [12], [13], [14], tuy nhiên giá thành card của các hãng thường rất
cao. Do đó đề xuất thiết kế card có khả năng thu thập và xuất tín hiệu ra đối
tượng điều khiển để kiểm chứng các thuật toán điều khiển để phục vụ cho công
tác giảng dạy và nghiên cứu là cần thiết. Qua luận văn này sẽ giúp tôi có cơ sở và
phương tiện để tiếp tục con đường nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển và tự động
hóa tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên
cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều
khiển hệ truyền động”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính trong điều khiển thời
gian thực (giao tiếp bằng phần mềm MatLab).
3. Dự kiến các kết quả đạt được
Card điều khiển.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về đo lường, chuyển đổi tín hiệu.
- Nghiên cứu lý thuyết phân tích, thiết kế mạch xử lý tín hiệu số, giao
tiếp với Matlab.
- Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1. Cơ sở lý thuyết về đo lường và điều khiển
Chương 2. Thiết kế card điều khiển
Chương 3. Thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị.

-1-

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
1.1. Cơ sở lý thuyết về đo lường [1]
1.1.1. Khái niệm đo lường
Theo – D.I.Mendeleev thì: “Khoa học bắt đầu từ khi người ta biết đo. Một
khoa học chính xác sẽ không có ý nghĩa nếu thiếu đo lường”. Ngay từ thời xa xưa
con người đã chú ý đến khái niệm đo lường, đó là một ngành khoa học chuyên
nghiên cứu các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau. Và đã được các nhà
khoa học ở mọi lĩnh vực quan tâm. Đối với mỗi quốc gia việc phát triển đo lường
bao giờ cũng phải bao gồm 2 lĩnh vực của đo lường đó là đo lường pháp quyền và
đo lường khoa học.
- Đo lường pháp quyền liên quan đến vấn đề sau:
+ Xây dựng hệ thống pháp luật về đo lường.
+ Xây dựng các tổ chức về đo lường để quản lý công tác đo lường trong cả
nước.
+ Xây dựng hệ thống chuẩn về đo lường.
+ Kiểm định phương tiện đo.
Đo lường pháp quyền là một lĩnh vực lớn đặt ra cho mỗi quốc gia để mọi
hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng và đời sống xã hội luôn được
đảm bảo về chất lượng và số lượng trong sản xuất thương mại cũng như trong
giao dịch quốc tế. Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày một phát triển với
nhiều các phát minh sáng giá thì mỗi chúng ta nên quan tâm đến lĩnh vực đo lường
thứ hai đó là Đo lường khoa học.
Trong đo lường khoa học người ta chú ý đến vị trí và nội dung của đo lường
trong hệ thống các ngành khoa học hiện đại: tập trung phân tích các ý tưởng,
nguyên lý và phương hướng khoa học của nó được đặt dưới cái tên chung là “Lý

-2-

thuyết đo lường”. Để hiểu rõ nội dung của đo lường khoa học trước tiên ta phải
hiểu đo lường là gì và cơ sở để hình thành lý thuyết đo lường?
Đo lường như là một phương pháp đánh giá về định lượng của đối tượng
vật chất và phi vật chất có tính biện chứng toàn diện, từ đó hình thành các hướng
khác nhau của lý thuyết đo lường.
Ví dụ, trong vật lý lượng tử khi thực hiện phép đo cần phải quan tâm đến
việc đo các đại lượng có kích thước nhỏ, điều này hình thành lý thuyết đo lường
cơ học lượng tử. Hay trong xã hội, tâm lý học, kỹ thuật hệ thống, điều khiển
học…phải quan tâm đến đại lượng phi vật lý cần đo, điều này hình thành lý thuyết
đo lường tâm lý. Trong đo lường học (metrology) người ta quan tâm đến sai số từ
đó hình thành lý thuyết về sai số. Sai số cũng được coi là một dạng nhiễu trong
kênh đo lường và từ đó hình thành lý thuyết đo lường thông tin. Việc nghiên cứu
về phép đo như là một phương pháp nào đó để nhận được kết quả bằng số về giá
trị của một đại lượng cần đo nào đó (vật lý hay phi vật lý) từ đó hình thành lý
thuyết đo lường angôrit. Như vậy lý thuyết đo lường là một khái niệm rất rộng nó
bao quát nhiều lĩnh vực, nhiều hướng phát triển và mỗi hướng tuỳ thuộc vào điều
kiện cụ thể của nó mà hình thành lý thuyết đo lường.
1.1.2. Lý thuyết đo lường cơ sở
Lý thuyết đo lường cơ sở là những vấn đề nền tảng của đo lường. Nó chính
là gốc để phát triển khoa học chính xác như vật lý, toán học, phi vật lý. Trong lĩnh
vực này quan tâm đến những đặc tính chung nhất, những quy luật của phép đo
như là một phương pháp đánh giá định lượng các thông số của thế giới đối tượng.
Những phát minh về quy luật của phép đo luôn đem lại ảnh hưởng có tính quyết
định đến nền khoa học chính xác. Ví dụ, trong vật lý hiện đại phát minh nổi tiếng
trong lĩnh vực đo lường là hệ thức bất định của Werner Heisenberg (Đức) về
nguyên tắc nó hạn chế độ chính xác của phép đo lường cơ lượng tử trong vật lý
lượng tử. Trong toán học cũng vậy những phát minh toán học sẽ hỗ trợ cho quá
trình đo lường một cách hiệu quả. Ví dụ việc phát minh ra phương pháp biến đổi

-3-

Furiê nhanh đã giúp các nhà đo lường phân tích phổ một tín hiệu đo với một dải
tần ngày càng cao và xác định được hàm mật độ phổ một cách nhanh chóng, mở
ra một phương pháp đo lường hiện đại, đó là đo lường toán học logic mà cốt lõi
của nó là đo lường angôrit trong đó bao hàm cả việc gia công kết quả đo lường.
Đối với các đại lượng đo phi vật lý, lý thuyết đo lường cơ sở chú ý đến việc xác
định các đặc trưng phi vật lý (ví dụ lượng thông tin hay các đặc trưng thống kê…)
những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đại lượng phi
vật lý mà ta gọi đó là đo lường tâm lý.
1.1.3. Lý thuyết đo lường ứng dụng
Lý thuyết đo lường ứng dụng tập trung nghiên cứu các phép đo trong thực
tế, các bài toán cụ thể được đặt ra cho kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo lường nói
riêng. Ví dụ việc nghiên cứu chế tạo các chuẩn đơn vị đo lường (trước đây là hệ
một, hệ tuyệt đối Gause và ngày nay là hệ đo lường quốc tế SI Système
International d'unités) để đảm bảo sự thống nhất đo lường trên toàn thế giới. Xung
quanh bài toán đó trong khoa học ngày nay hình thành một lĩnh vực được gọi là
đo lường học (Metrology).
Đo lường học là một môn khoa học về các phép đo, về phương pháp và
phương tiện đo để đảm bảo cho các quá trình đo được thống nhất và các phương
pháp nhằm đạt được độ chính xác yêu cầu.
Đo lường học đóng vai trò to lớn trong việc xây dựng phương pháp thiết bị
đo và giải quyết hầu hết các bài toán đặt ra của kỹ thuật đo lường. Khoa học và
kỹ thuật ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thành tựu của máy tính và điều
khiển học kỹ thuật trong đo lường đã làm xuất hiện một lĩnh vực mới trong đo
lường ứng dụng đó là đo lường tự động.
Nội dung của đo lường tự động đó là con người ít can thiệp vào các thao
tác đo lường và xử lý thông tin mà hầu như các thao tác này là hoàn toàn tự động.

Sự xuất hiện của các thiết bị đo thông minh, các hệ thống thông tin đo lường và


-4-

điều khiển thông minh, việc truyền tín hiệu đi xa bằng kỹ thuật số và các phương
tiện hiện đại như cáp quang hay vô tuyến đã tạo ra các hệ thống đo và điều khiển
từ xa rất hiệu quả và tiện lợi. Như vậy lý thuyết đo lường ứng dụng hiện đại bao
gồm hai hướng phát triển hỗ trợ cho nhau là: đo lường học và đo lường tự động.
Cả hai đều phản ánh quá trình quan trọng nhất trong kỹ thuật đo lường đó là quá
trình vật lý (sử dụng những thành tựu của vật lý để hoàn thiện thiết bị đo và quá
trình tự động hoá. Sử dụng các phương pháp đo tự động trong điều khiển sản xuất
công nghiệp).
Cùng với đo lường cơ sở, đo lường ứng dụng ngày càng phát triển tạo thành
ngành kỹ thuật đo lường là một ngành khoa học công nghệ cao, nó có mặt ở khắp
mọi nơi, ở mọi lĩnh vực của kinh tế quốc dân và đời sống xã hội. Sự phát triển của
nó có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển khoa học – kỹ thuật, đưa lại lợi ích to
lớn cho xã hội.
1.1.4. Phân loại và cách thức thực hiện phép đo
Để thực hiện một phép đo ta có thể thực hiện nhiều cách đo khác nhau, ta
có thể phân biệt các cách đo sau đây:
- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo
duy nhất. Cách đo này cho kết quả ngay. Dụng cụ đo được sử dụng thường tương
ứng với đại lượng cần đo. Ví dụ: đo điện áp dựng Vônmét thì trên mặt thang đo
đã khắc độ sẵn bằng vôn. Trên thực tế chủ yếu dựng phương pháp này.
- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả
của nhiều phép đo dựng cách đo trực tiếp. Ví dụ: khi đo dòng điện ta dùng Vônmét
và Ômmét sau đó dựng định luật Ôm để suy ra kết quả: I = U/R. Tuy nhiên cách
đo này thường mắc phải sai số lớn là tổng các sai số của các phép đo trực tiếp.
- Đo thống kê: để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi người ta

phải sử dụng cách đo thống kê tức là phải tiến hành đo nhiều lần, sau đó lấy giá


-5-

trị trung bình. Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc
khi cần kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo.
- Đo so sánh: là cách đo mà kết quả đạt được khi ta tiến hành so sánh đại
lượng cần đo với mẫu. Cách đo này hiện nay được dựng khá phổ biến vì nó có độ
chính xác khá cao.
Tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể khác nhau mà chúng ta lựa chọn một
phép đo sao cho phù hợp. Lựa chọn được một phép đo tốt và phù hợp sẽ đem lại
cho bạn một kết quả với độ chính xác cao.
1.1.5. Các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo
Để hiểu rõ hơn về ngành kỹ thuật đo lường ta nên quan tâm tới các đặc
trưng của nó. Đó là các yếu tố cần thiết không thể thiếu được trong kỹ thuật đo.
Những đặc trưng đó bao gồm: các đại lượng cần đo, điều kiện đo, phương pháp
đo, thiết bị đo, người quan sát hay các thiết bị thu nhận kết quả đo.
1.1.5.1. Đại lượng đo
Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo. Theo tính chất thay
đổi của đại lượng đo có thể chia chúng thành hai loại đó là: đại lượng đo tiền định
và đại lượng đo ngẫu nhiên.
- Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo
thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số của chúng chưa cần phải đo.
Đại lượng đo tiền định thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay
xung vuông. Các thông số cần được đo thường là: biên độ, tần số, góc pha, … của
tín hiệu đo.
- Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian
không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì ta
đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế số các đại lượng đo

đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng suốt
thời gian tiến hành một phép đo đại lượng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo


-6-

quy luật đã biết (tức là đại lượng đo tiền định) hoặc tín hiệu phải thay đổi chậm.
Vì thế nếu đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh sẽ không thể đo được
bằng các phép đo thông thường. Trong trường hợp này ta phải sử dụng một
phương pháp đo đặc biệt đó là đo lường thống kê.
Theo cách biến đổi đại lượng đo mà ta có thể chia thành đại lượng đo liên
tục hay đại lượng đo tương tự (analog) và đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo
số (digital):
- Đại lượng đo tương tự (analog): là biến đổi nó thành một đại lượng đo
khác tương tự nó. Ứng với đại lượng đo này người ta thường chế tạo ra các dụng
cụ đo tương tự. Ví dụ: một Ampemet có kim chỉ tương ứng với cường độ dòng
điện.
- Đại lượng đo số (digital): là biến đổi từ các đại lượng tương tự thành đại
lượng số. ứng với đại lượng đo này người ta cũng chế tạo ra các dụng cụ đo số.
Theo bản chất của đại lượng đo ta có thể chia thành:
- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mà bản thân nó mang năng
lượng. Ví dụ: sức điện động, điện áp, dòng điện…vv.
- Các đại lượng đo thông số: đó là thông số của mạch điện như: điện trở,
điện cảm, điện dung…vv.
- Các đại lượng đo phụ thuộc vào thời gian như: chu kỳ tần số góc pha…
- Các đại lượng đo không điện: để đo được bằng phương pháp điện nhất
thiết phải biến đổi chúng thành các đại lượng điện thông qua các bộ cảm biến.
Thông qua các bộ cảm biến mà ta nhận được tín hiệu Y tỷ lệ với đại lượng cần đo
X khi đó ta có:
Y = f(X)

(1.1)

Ta biết rằng tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng
đo vì thế người ta có thể coi tín hiệu đo chính là đại lượng đo.


-7-

1.1.5.2. Điều kiện đo
Thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng
đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả
đo và ngược lại khi dựng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối
tượng đo. Ngoài ra, ta phải chú ý đến môi trường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến
kết quả của phép đo. Những yếu tố của môi trường là: nhiệt độ, độ ẩm của không
khí, từ trường bên ngoài, độ rung, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi
bẩn... Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều
kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố
bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy
định, đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn được ghi trong các
đặc tính kỹ thuật của nó. Trong thực tế ta thường phải tiến hành đo nhiều đại lượng
cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đo đi xa, tự động ghi lại và gia công thông
tin đo. Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để tổ chức các phép
đo cho tốt nhất.
1.1.5.3. Đơn vị đo
Để cho nhiều nước có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất người ta
đã thành lập hệ thống đơn vị đo quốc tế SI – 1960 đã được thông qua ở hội nghị
quốc tế về mẫu và cân. Hệ đo lường quốc tế (viết tắt là SI từ tiếng Pháp) là hệ đo
lường được sử dụng rộng rãi nhất. Nó được sử dụng trong mọi hoạt động kinh tế,
thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các nước trên thế

giới.Trong hệ thống đó các đơn vị được xác định như sau:
- Đơn vị chiều dài một (m).
- Đơn vị khối lượng là kilogam (kg).
- Đơn vị thời gian là giây (s).
- Đơn vị cường độ dòng điện là ampe (A).
- Đơn vị nhiệt độ là kelvin (K).


-8-

- Đơn vị cường độ ánh sáng là nền candela (Cd).
- Đơn vị số lượng vật chất là mol (mol).
Đó là 7 đơn vị cơ bản. Ngoài ra còn có các đơn vị dẫn xuất cùng với một
bộ các tiền tố được suy ra từ các đơn vị cơ bản này.
1.1.5.4. Phương pháp đo
Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc
vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố đo như đại lượng đo lớn
hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu... Phương pháp đo có thể có nhiều nhưng
người ta đã phân thành 2 loại:
- Phương pháp đo biến đổi thẳng.
- Phương pháp đo so sánh.
Các phương pháp này đã được chế tạo thành các thiết bị đo để sử dụng
trong thực tế.
1.1.5.5. Người quan sát
Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi
đo là phải nắm được phương pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng,
kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị đo cho phù hợp
với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh. Biết điều
khiển quá trình đo để có được kết quả như mong muốn sau cùng là nắm được các
phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công (có thể bằng tay hay sử

dụng máy tính) số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt
yêu cầu hay chưa, có cần thiết phải đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo
phương pháp đo lường thống kê.
1.1.5.6. Kết quả đo
Kết quả đo ở một mức độ nào đó có thể coi là chính xác. Một giá trị như
vậy được coi là giá trị ước lượng của đại lượng đo. Nghĩa là giá trị được xác định


-9-

bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều
kiện nào đó có thể coi là thực. Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá
trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo: đú là hiệu giữa giá trị thực
và giá trị ước lượng. Sai số của phép đo có vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo
lường. Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không. Có rất nhiều
nguyên nhân gây nên sai số của phép đo như:
- Nguyên nhân đầu tiên phải kể đến là do phương pháp đo chưa hoàn thiện,
chưa phù hợp với điều kiện thực tế.
- Do có sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài các điều
kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn.
- Ngoài ra còn một số các yếu tố khác nữa như: sử dụng các dụng cụ đo
không đảm bảo độ chính xác, do cách đọc của người quan sát hoặc do cách đặt
dụng cụ không chính xác…
Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự
ghi, để ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian. Việc gia công
kết quả đo theo một thuật toán (angôrit) nhất định bằng máy tính hay bằng tay để
đạt được kết quả như mong muốn.
1.2. Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu [7], [15]
Tín hiệu (một dòng thông tin được chuyển tải thông qua một đại lượng vật
lý nào đó, thường là điện áp hay dòng điện) có thể được xử lý theo một trong hai

cách: xử lý tương tự và xử lý số. Ví dụ việc lọc thông thấp một tín hiệu dòng
điện, giải pháp tương tự sẽ dùng một mạch lọc (tích cực hay thụ động) để làm suy
giảm các thành phần tần số không mong muốn và giữ lại các thành phần được
quan tâm ở ngõ ra, trong khi giải pháp số sẽ chuyển tín hiệu dòng điện thành một
chuỗi các giá trị tương ứng tại những thời điểm rời rạc, sử dụng các cơ cấu tính
toán số để thực hiện việc lọc tần số, sau đó tái tạo lại tín hiệu đã được lọc ở ngõ
ra. Việc chuyển đổi các giá trị tương tự thành chuỗi giá trị số được thực hiện bằng


- 10 -

các bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC-Analog to Digital Converter), và việc
chuyển đổi ngược lại được thực hiện bằng các bộ chuyển đổi số-tương tự (DACDigital to Analog Converter).
Như vậy, các hệ thống xử lý tương tự tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán
tương tự để thực hiện việc xử lý các tín hiệu tương tự, còn các hệ thống xử lý số
tín hiệu lại thực hiện việc xử lý các tín hiệu tương tự thông qua các cơ cấu tính
toán số. Một điều cần nói là các thuật ngữ 'tương tự' và 'số' không thể hiện bản
chất của việc xử lý, thuật ngữ chính xác hơn là 'liên tục' và 'rời rạc' (theo thời gian
và phạm vi biến đổi của tín hiệu). Chúng ta có các hệ thống xử lý liên tục tín hiệu
với các cơ cấu tính toán tác động lên các tín hiệu liên tục (có độ lớn thay đổi một
cách liên tục) đối lập với các hệ thống xử lý rời rạc tín hiệu sử dụng các cơ cấu
tính toán tác động lên các tín hiệu rời rạc (có độ lớn thay đổi một cách rời rạc tại
những thời điểm rời rạc). Tuy nhiên kể từ đây trở đi, nhóm tác giả vẫn dùng các
thuật ngữ phổ thông là 'tương tự' và 'số' để thuận tiện cho người đọc.
Việc xử lý số tín hiệu xem ra có vẻ phức tạp hóa vấn đề, nếu dựa vào ví dụ
đơn giản trên để đánh giá. Tuy nhiên, có một số lý do khiến việc xử lý số tín hiệu
vẫn được sử dụng:
- Tính linh hoạt: dữ liệu có thể được lấy mẫu và xử lý sau đó, cũng có thể
áp dụng nhiều thuật toán lên cùng một dữ liệu để tìm ra thuật toán thích hợp nhất.
Độ phức tạp của thuật toán hầu hết chỉ bị giới hạn bởi bộ nhớ và tốc độ của bộ xử

lý, cũng như các thuật toán có thể được tạo sẵn để tự động thích nghi với môi
trường.
- Tính lập trình: Nhiều bộ xử lý ngày nay có thể được cấu hình lại (bằng
cách lập trình phần mềm) để thực hiện nhiều tác vụ xử lý số tín hiệu khác nhau.
Chỉ cần thay đổi phần mềm để thực hiện một thuật toán khác. Điều này cũng có
nghĩa là chỉ cần một số lượng linh kiện tối thiểu để thực hiện các thuật toán xử lý
rất phức tạp.


- 11 -

- Tính lặp lại: Các chức năng của các hệ thống số dựa trên phần mềm hay
phần cứng bên ngoài, do đó có thể lặp lại nhiều lần các thao tác đã được thực hiện.
- Tính ổn định: Dữ liệu được lưu trữ và xử lý bằng phần cứng số do đó
những ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ và sự lão hóa của linh kiện gặp
phải trong xử lý tương tự là không có.
- Nén dữ liệu: Dữ liệu có thể được nén để truyền đi với những khoảng cách
xa, tiết kiệm được chi phí truyền dữ liệu mà vẫn đảm bảo thông tin đầy đủ đến
được điểm nhận.
- Chi phí: Ứng dụng của các bộ xử lý số tín hiệu ngày càng trải rộng, và
trong nhiều trường hợp, chi phí của việc hiện thực thuật toán số nhỏ hơn chi phí
cho thuật toán tương tự.
Hai thành phần cần thiết để một hệ thống xử lý số tín hiệu có thể giao tiếp
với thế giới thực là DAC và ADC.
1.3. Tổng quan về điều khiển tự động [4]
1.3.1. Lịch sử ra đời
Điều khiển tự động có lịch sử phát triển từ trước công nguyên, bắt đầu từ
đồng hồ nước có phao điều chỉnh của Ktesibios ở Hy Lạp. Hệ điều chỉnh nhiệt độ
đầu tiên do Cornelis Drebbel (1572 - 1633) người Hà Lan sáng chế. Hệ điều chỉnh
mức đầu tiên là của Ivan Polzunov (1728 - 1766) người Nga. Hệ điều chỉnh tốc

độ được ứng dụng trong công nghiệp đầu tiên là của James Watt (1736 - 1819).
Thời kỳ trước năm 1868 là thời kỳ chế tạo những hệ tự động theo trực giác.
Các công trình nghiên cứu lý thuyết bắt đầu từ Maxwell, đề cập đến ảnh hưởng
của thông số đối với chất lượng của hệ, I.A Vysnhe gradsku với công trình toán
học về các bộ điều chỉnh. Chiến tranh thế giới thứ 2 đã đòi hỏi sự phát triển về lý
thuyết và ứng dụng để có những máy bay lái tự động, những hệ điều khiển vị trí
của các loại pháo, điều khiển tự động của các rađa…vv.


- 12 -

Những năm 1950, các phương pháp toán học và phân tích đã phát triển và
đưa vào ứng dụng nhanh chóng. Ở Mỹ thịnh hành hướng nghiên cứu trong miền
tần số với các công trình ứng dụng của Bode, Nyquist và Black ở các trung tâm
thí nghiệm điện tín. Trong khi ấy, ở Liên Xô (cũ) chú trọng lĩnh vực lý thuyết điều
khiển và ứng dụng trong miền thời gian.
Từ những năm 1980, máy tính số bắt đầu được sử dụng rộng rãi, cho phép
điều khiển với độ chính xác cao các đối tượng khác nhau. Với sự ra đời của vệ
tinh, thời đại vũ trụ bắt đầu thì các hệ điều khiển ngày càng phức tạp hơn và đòi
hỏi chất lượng ngày một cao. Các phương pháp của Liapunoi, Minorsky cũng như
lý thuyết điều khiển tối ưu hiện đại của L.S Pontryagin (Liên Xô cũ) đã có ý nghĩa
rất lớn. Các nguyên tắc điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển
mờ, các “Hệ thông minh”…vv đã ra đời và được áp dụng có hiệu quả vào thực
tiện. Rõ ràng là trong việc phân tích và tổng hợp các hệ điều khiển hiện nay, việc
sử dụng đồng thời miền tần số và miền thời gian là rất cần thiết.
Ở Việt Nam, từ những năm 1960, đảng và nhà nước ta đã quan tâm đến
việc đào tạo cán bộ và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này. Hiện nay, công
nghệ tự động là một trong những hướng phát triển công nghệ mũi nhọn của đất
nước trong tế kỷ 21. Nghị quyết 27CP của chính phủ về “Chương trình tự động
hoá quốc gia” đã khẳng định vai trò quan trọng của ngành công nghệ này. Những

công trình công nghiệp lớn và trọng điểm hiện nay đều được tự động hoá - tự động
điều khiển ở mức độ tương đối cao và chủ yếu là do các chuyên gia nước ngoài
đảm nhiệm.
1.3.2. Các khái niệm cơ bản về điều khiển
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền kinh tế
quốc dân, của khoa học kỹ thuật, của nền đại công nghiệp…vv. Bất cứ ở vị trí
nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều
khiển. Nó là khâu quan trọng cuối cùng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt
động của chúng ta.


- 13 -

Nền đại công nghiệp hiện nay càng ngày càng được nâng cao mức độ tự
động hoá với mục đích nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải
phóng con người ra khỏi những vị trí làm việc độc hại cho sức khoẻ…vv. Để tiếp
cận với nền đại công nghiệp có trình độ tự động hoá cao, mỗi chúng ta ngoài
những kiến thức cơ bản về chuyên môn của mình, cần phải trang bị một số kiến
thức cơ bản về điều khiển tự động.
Trong khoa học tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ
gọi là điều khiển học. Vậy câu hỏi đặt ra là: Điều khiển học là gì?
- Điều khiển học: là khoa học chuyên nghiên cứu về các quá trình thu thập,
xử lý tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công
nghệ, môi trường thiên nhiên,…vv. Điều khiển học chia ra nhiều lĩnh vực khác
nhau gồm điều khiển học toán học, điều khiển học sinh học, điều khiển học kỹ
thuật, điều khiển học kinh tế…vv.
- Điều khiển học kỹ thuật: là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử
lý tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật. Cơ sở lý thuyết
của điều khiển học kỹ thuật là lý thuyết điều khiển tự động.
Khái niệm điều khiển: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý

thông tin và tác động lên hệ thống theo một nguyên tắc, một quy luật nào đó để
đáp ứng đầu ra của hệ thống thoả mãn được các yêu cầu đặt trước.
Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con
người.
Lý thuyết điều khiển tự động là cơ sở lý thuyết dựa trên toán học nghiên
cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động và các quy luật của các quá trình xảy
ra trong hệ để từ đó xây dựng được các hệ tối ưu hoặc gần tối ưu đồng thời nghiên
cứu quá trình tĩnh và động của hệ thống đó.
Dựa vào những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động,
chúng ta có thể lựa chọn được cấu trúc hợp lý của hệ thống và xác định được trị


- 14 -

số tối ưu của các thông số của hệ thống đồng thời đánh giá được tính ổn định và
các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống trong quá trình điều khiển.
Hệ thống điều khiển là hệ thống được ghép bởi các thiết bị kỹ thuật nhằm
mục đích gia công quy luật biến đổi của tín hiệu đầu vào để tạo thành quy luật
biến đổi của đại lượng vật lý đầu ra cần điều khiển nhằm thoả mãn các yêu cầu
đặt trước.
Một hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình
điều khiển được gọi là hệ thống điều khiển tự động.
Một cách tổng quát hệ thống điều khiển tự động chủ yếu gồm 3 phần: thiết
bị điều khiển (TBĐK), đối tượng điều khiển (ĐTĐK)và thiết bị đo lường (TBĐL).
Được mô tả như hinh vẽ:
d(t)
r(t)

e(t)
f(t)

TBĐK

y(t)

u(t)
ĐTĐK

(-)

TB ĐL
Hình 1. 1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ

Trong đó:

r(t): Tín hiệu đầu vào (tín hiệu đặt),
y(t): Tín hiệu đầu ra,
u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng,
d(t): Tín hiệu nhiễu loạn tác động vào hệ thống.

- ĐTĐK: Đối tượng điều khiển (Cơ cấu chấp hành), có thể là các thiết bị
kỹ thuật, dây chuyền sản xuất, quy trình công nghệ… là mục tiêu điều khiển của
con người trong các lĩnh vực khác nhau.


- 15 -

Các phần tử chấp hành thường dùng trong điều khiển tự động là các loại
động cơ bước, động cơ DC, động cơ servo, động cơ AC, động cơ thuỷ lực khí
nén…

Một loại đối tượng điều khiển cũng thường gặp khác trong công nghiệp là
hệ thống nhiệt, ví dụ như: lò nung trong dây truyền công nghiệp sản xuất gạch
men lò sấy trong dây chuyền chế biến thực phẩm, hệ thống làm lạnh trong dây
truyền chế biến thuỷ sản. Yêu cầu điều khiển đối với hệ thống nhiệt thường là
điều khiển ổn định nhiệt độ hoặc điều khiển theo chương trình.
- TBĐK: Thiết bị điều khiển, là thiết bị gia công tín hiệu điều khiển, nó có
nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động lên ĐTĐK theo một quy luật nào đó
để thoả mãn các yêu cầu công nghệ.
- TBĐL: là thiết bị gia công tín hiệu phản hồi để đưa trở lại đầu vào của hệ
thống.
Thông thường các tín hiệu phản hồi lấy về là các tín hiệu không điện như:
tốc độ quay, nhiệt độ, lực, ứng suất, quang thông… Do đó cần phải có các thiết bị
đo các tín hiệu đó và chuyển thành các tín hiệu điện tương ứng với tín hiệu đầu
vào của hệ thống.
Cấu trúc của thiết bị đo gồm có 3 phần chính: bộ phận chuyển đổi hay cảm
biến, cơ cấu đo điện, và các sơ đồ mạch khuếch đại trung gian hay mạch gia công
tín hiệu như mạch khuếch đại, chỉnh lưu ổn định.
Các thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical
Tachometer... Cảm biến nhiệt độ như Pt 56, Pt 100,Themorcouple…
Ngoài các thiết bị kể trên, để lấy tín hiệu phản hồi tốc độ và dòng điện người
ta còn sử dụng hệ thống máy phát tốc và máy biến dòng.


- 16 -

1.3.3. Những nguyên tắc điều khiển cơ bản
1.3.3.1. Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển u(t) được thành lập dựa trên sự sai
lệch của lượng ra thực tế (y(t)) so với lượng ra yêu cầu (tín hiệu đặt ở đầu vào r(t))
u(t) = f[r(t),y(t)] = f[e(t)]

(1.2)

Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch như sau:
r(t)

e(t)

TBĐK

y(t)

u(t)
ĐTĐK

(-)

TB ĐL
Hình 1. 2. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám

1.3.3.2. Nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu loạn (bù nhiễu)
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển u(t) được thành lập theo tín hiệu nhiễu
tác động với mục đích để khử nhiễu ở đầu ra:
u(t) = f[d(t)]

(1.3)

Những hệ thống được xây dựng theo nguyên tắc này là những hệ thống hở
(không có phản hồi). Sơ đồ cấu trúc như sau:
TBĐK

TB1

d(t)
TB2

y(t)

u(t)
ĐTĐK

Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu

Trong đó:

TB1: là thiết bị để đo tín hiệu nhiễu,
TB2: là thiết bị để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t).