Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Tác giả (chủ biên) PHẠM THỊ THÙY DUNG

GIÁO TRÌNH
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
(Lưu hành nội bộ)

Hà Nội năm 2012


Tuyên bố bản quyền
Giáo trình này sử dụng làm tài liệu giảng dạy nội bộ trong
trường cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội
Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội không sử dụng và
không cho phép bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào sử dụng giáo trình
này với mục đích kinh doanh.
Mọi trích dẫn, sử dụng giáo trình này với mục đích khác hay ở
nơi khác đều phải được sự đồng ý bằng văn bản của trường Cao đẳng
nghề Công nghiệp Hà Nội

2


LỜI NÓI ĐẦU
Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề...
thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc
dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo
trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế.
Nội dung của giáo trình “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” đã được
xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với
những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự

nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,.
Giáo trình nội bộ này do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm nhiều năm làm
công tác trong ngành đào tạo chuyên nghiệp. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn,
dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề
cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào
tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của
chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề.
Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc
chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý
kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành.
Xin trân trọng cảm ơn!
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

BÀI 1. KHÁI NIỆM CHUNG
1. Khái niệm chung
Điều khiển học (Cybernetic): Ngành khoa học nghiên cứu các quá trình điều
khiển và truyền thông trong các hệ thống gọi là điều khiển học. Tuỳ theo đặc điểm
của đối tượng nghiên cứu, điều khiển học được chia thành: điều khiển học kỹ thuật,
điều khiển học kinh tế, điều khiển học sinh học,...Trong các ngành kể trên, điều
khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, là ngành phát triển nhất hiện nay. Trong
tài liệu này, chúng ta chỉ đề cập đến các vấn đề của điều khiển học kỹ thuật.
Tín hiệu : Thông tin trong hệ thống điều khiển được thể hiện bằng các tín hiệu.
Các tín hiệu có thể là dòng điện, điện áp, lực, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí, vận
3


tốc,… Mỗi phần tử điều khiển nhận tín hiệu vào từ một số phần tử của hệ thống và
tạo nên tín hiệu ra đưa vào phần tử khác. Hệ thống cũng giao tiếp với môi trường
bên ngoài thông qua các tín hiệu vào, ra của nó. Thay vì tên gọi tín hiệu vào, tín
hiệu ra người ta còn sử dụng khái niệm tác động và đáp ứng với nghĩa là: khi tác

động vào hệ thống một tín hiệu vào thì hệ thống sẽ có đáp ứng là tín hiệu ra. Thông
thường tín hiệu được biểu diễn toán học bằng hàm số của thời gian. Trong sơ đồ hệ
thống, các tín hiệu vào, ra thường được biểu diễn bằng các mũi tên như trên hình
1.1.

Hệ thống điều khiển đơn giản
Điều khiển theo mạch hở: là điều khiển theo tác động đặt trước (hay điều
khiển theo chương trình), tức là nhiệm vụ điều khiển đặc trưng bởi lượng vào
x(t) đã được định sẵn trước bằng cơ cấu đặt hoặc cơ cấu chương trình, kết quả
điều khiển chỉ phụ thuộc vào nhiệm vụ điều khiển.

Hình 1:
Sơ đồ khái quát hệ điều khiển theo mạch hở
Ưu điểm: Điều khiển theo mạch hở có ưu điểm là hệ điều khiển có cấu trúc
đợn giản.
Nhược điểm: độ chính xác không cao và không thể can thiệp vào kết quả
điều khiển.
Ứng dụng: phạm vi ứng dụng rất hạn chế
Điều khiển theo nguyên lý mạch kín hay điều khiển có phản hồi là quá trình
điểu khiển sử dụng thông tin qua mạch phản hồi tạo thành mạch vòng kín trong
hệ thống
Quá trình điều khiển có sử dụng thông tin về kết quả điều khiển thông qua
mạch phản hồi để tạo tín hiệu (tác động điều khiển) của CCĐK, do đó tạo thành
một mạch vòng kín trong hệ thống điều khiển, được gọi là hệ thống điều khiển
theo mạch kín hay điều khiển có phản hồi.
4


Sơ đồ khái quát hệ thống điều khiển theo mạch kín được trình bày trên hình
1.5

Hệ thống điều khiển theo mạch kín thực chất là hệ thống ĐKTĐ, vì ở đây
quá trình điều khiển xảy ra mà không có sự tham gia trực tiếp của con người và
quá trình điều khiển hoàn toàn do các thiết bị thực hiện.
Mạch phản hồi đưa tín hiệu ra trở lại đầu vào, như trên hình 1.4 là mạch
phản hồi chính, để phân biệt với các mạch phản hồi khác có thể có trong các hệ
thống ĐKTĐ, đó là các mạch phản hồi phụ hay mạch phản hồi hiệu chỉnh sê
được xét ở các phần sau của sách này. Mạch phản hồi chính là mạch phản hồi
xác định nguyên lý làm việc của hệ thống ĐKTĐ. Mạch phản hồi trên sơ đồ
hình1.5 là mạch phản hồi gián tiếp vì được thực hiện thông qua cơ cấu đo lường
và còn có tên gọi là phản hồi khác đơn vị, vì CCĐL tạo ra toán tử biến đổi tín
hiệu khác 1. Trong thực tế có các hệ thống ĐKTĐ, do bản chất vật lý và tỷ lệ
giống nhau giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào, phản hồi chính trong hệ là phản hồi
trực tiếp, có nghiã là lượng ra được đưa về trực tiếp so sánh với lượng vào không
thông qua CCĐL. Phản hồi trực tiếp còn gọi là phản hồi đơn vị, vì toán tử truyền
tín hiệu của mạch phản hồi bằng 1. Hình 1.6 trình bày sơ đồ khái quát hệ thống
ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp.

Hình 1:
Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển theo
nguyên lý mạch kín (có phản hồi)

5


BÀI 2. ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH
1. Điều khiển
Điều khiển là sự tổ chức một quá trình nào đó tiến triển theo một quy luật
nào đó nhằm thực hiện một mục đích nhất định.
Hệ thống điều khiển: là tập hợp các linh kiện, máy móc theo một trình tự cần
thiết để thực hiện nhiệm vụ điều khiển được gọi là hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển trực tiếp hoặc điều khiển không trực tiếp
Hệ thống điều khiển có thể là hệ thống điều khiển trực tiếp hay không trực
tiếp.
Hệ thống điều khiển trực tiếp là hệ thống điều khiển không có quá trình
khuếch đại tín hiệu (ở đây cần hiểu là tín hiệu từ cơ cấu đo lường). Tín hiệu từ cơ
cấu đo lường trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành.
Hệ thống điều khiển không trực tiếp (gián tiếp) là hệ thống điều khiển trong
đó tín hiệu từ cơ cấu đo lường được khuếch đại nhờ nguồn năng lượng bên ngoài
đưa đến để cho cơ cấu chấp hành hoạt động.
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống mà quá trình điều khiển được thực
hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con.
Sơ đồ nguyên lý là sơ đồ mô tả đến chi tiết các phần tử có trong hệ thống mà
qua đó chúng ta có thể hiểu được tương đối cặn kẽ nguyên lý tác động của hệ
thống ĐKTĐ.
Sơ đồ nguyên lý bao gồm sơ đồ nguyên lý chi tiết và sơ đồ nguyên lý đơn
giản
Sơ đồ khối là sơ đồ trên đó diễn tả các phần tử tạo nên hệ thống dưới dạng
các khối ô vuông riêng biệt, trong đó chỉ rõ tên gọi của từng khối và các mối liên
hệ giữa các khối đó dưới dạng các mũi tên chiều truyền tín hiệu trong hệ thống.
Sơ đồ chức năng là sơ đồ khối nhưng trong đó mỗi khối được chỉ rõ chức
năng mà mỗi khối thực hiện trong hệ thống đó (như chức năng đo lường, biến
đổi, khuếch đại, hiệu chỉnh, chấp hành, v.v...).

Hình 1:

Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển tự động
6


Thiết bị hay cơ cấu điều khiển (CCĐK) còn gọi là bộ điều khiển (controller)

là tập hợp các phần còn lại của hệ thống có nhiệm vụ thực hiện quá trình điều
khiển, tạo ra tác động điều khiển tác động trực tiếp lên ĐTĐK để bảo đảm quá
trình cần điều khiển xảy ra theo quy luật mong muốn
Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) là thiết bị kỹ thuật mà trong đó xảy ra quá
trình cần điều khiển (thí dụ như mà ở đó cần duy trì nhiệt độ, mà ở đó cần điều
khiển toạ độ của các dao cắt, của nó, động cơ mà chúng ta cần điều chỉnh tốc độ
hay góc quay của nó, v.v...).
VD: lò nhiệt, máy công cụ, máy bay cần điều khiển đường bay, anten rađa
cần điều khiển góc quay
Đối với một hệ thống ĐKTĐ bao giờ cũng có thể chỉ ra đầu vào và đầu ra
của hệ. ở đầu vào có đặt tín hiệu vào hay lượng vào của hệ.
Các tín hiệu tác động:
Tác động nhiễu: là các tác động gây ra sự sai lệch của kết qủa điều khiển,
tức là làm cho kết quả điều khiển (lượng ra) thay đổi không theo quy luật mong
muốn.
Phân loại:
Nhiễu nội tại (nhiễu bên trong): do thay đổi các tham số nguồn nuôi, điện
áp…
Nhiễu bên ngoài: sự thay đổi tốc độ gió, áp suất khí quyển tác động lên các
đối tượng bay, sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, sự nhấp nhô của mặt đường
tác động lên hệ ổn định tháp pháo của xe tăng
Các nguyên lý cơ bản xây dựng các hệ thống ĐKTĐ.
Các hệ thống ĐKTĐ được xây dựng trên các nguyên lý cơ bản sau đây.

Hình 1.6. Sơ đồ khái quát hệ thống ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp (phản
hồi đơn vị).
Nguyên lý điều khiển theo sai lệch.
Hệ thống điều khiển theo nguyên lý sai lệch, hay nguyên lý phản hồi leeh
tho^’ng` he^. nhờ có mạch phản hồi, trong hệ thống luôn có quá trình so sánh
thông tin giữa nhiệm vụ điều khiển (tín hiệu vào) và kết quả điều khiển (tín hiệu

7


ra) của hệ. Nếu giữa chúng tồn tại sai lệch thì CCĐK sẽ tạo ra tín hiệu điều
khiển tác động lên ĐTĐK theo hướng để khử bỏ sai lệch đó. Nhờ đó mà ĐTĐK
luôn duy trì được quy luật biến đổi mong muốn. Nguyên lý này còn có tên gọi là
nguyên lý Polzunov-Watt, theo tên của hai nhà kỹ thuật Nga và Anh là những
người đầu tiên sáng chế ra các hệ thống ĐCTĐ mực nước và tốc độ quay của
máy hơi nước (thế kỷ XVIII).
Nguyên lý điều khiển theo nhiễu loạn hay điều khiển theo nguyên lý bù
nhiễu.
Bản chất của nguyên lý điều khiển theo nhiễu (hay nói đầy đủ hơn là điều
khiển theo nguyên lý bù nhiễu) là ở chỗ: các nhiễu đo được (thường là các nhiễu
chính tác động lên ĐTĐK) được biến đổi thành các tác động điều khiển (thông
qua CCĐK) tác động lên ĐTĐK với mục đích bù trừ ảnh hưởng của chúng lên
kết quả điều khiển. Khi điều khiển theo nguyên lý này mục đích đạt tới là bù trừ
hoàn toàn tác động của một nhiễu nhất định. Hệ thống ĐKTĐ trong trường hợp
này được coi là bất biến (không phụ thuộc) đối với tác động nhiễu đó.
Nguyên lý điều khiển theo nhiễu còn có tên gọi là nguyên lý Pônsêlê (tên
một nhà kỹ thuật Pháp người đầu tiên sử dụng nguyên lý này trong kỹ thuật).
Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ làm việc theo nguyên lý bù nhiễu
trình bày trên hình 1.8.
Nhiễu
f(t)

CCĐL
nhiễu

x(t)

u*(t)

CCĐK

ĐTĐK

y(t)

Sơ đồ khái quát của hệ thống ĐKTĐtác động theo nguyên lý bù nhiễu.
VD: Hệ thống điều khiển và ổn định đường bay của tên lửa phòng không với
các bộ cảm biến đo áp suất khí quyển, đo tốc độ của gió, đo gia tốc quá tải, đo
góc xoay và tốc độ xoay của tên lửa, v.v... đưa vào hệ thống điều khiển để ổn
định đường bay của tên lửa.
Nhược điểm: chỉ bù trừ một hoặc một vài nhiễu cơ bản và đo được, không
ngăn chặn được ảnh hưởng của các nhiễu thứ yếu, không đo được.
Ưu điểm: tính bất biến không phải là tuyệt đối bởi vì còn phụ thuộc vào tính
ổn định của các tham số ở CCĐK và ĐTĐK, mức độ chính xác và sự ổn định các
tham số của mạch bù trừ.
8


Ứng dụng: hệ thống ĐKTĐ xây dựng theo nguyên lý bù nhiễu ít khi sử dụng
một cách độc lập.
Nguyên lý điều khiển hỗn hợp.
Hệ thống xây dựng theo nguyên lý điều khiển hỗn hợp là hệ thống kết hợp
nguyên lý điều khiển theo mạch hở và theo mạch kín, tức là kết hợp điều khiển
theo sai lệch và điều khiển theo nhiễu.
Sơ đồ khối khái quát của hệ thống trình bày trên hình 1.9.

CCĐL

nhiễu
SS

x(t)
-

(t)

CCĐK

u*(t)

Nhiễu
f1 f2 fn(t)
...

ĐTĐK

y(t)

z(t)
CCĐL

Phản hồi chính

Hình 1.9. Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp.

Hệ thống hỗn hợp tận dụng được các ưu điểm của hai nguyên lý trên: nhờ
mạch bù nhiễu sẽ khắc phục ảnh hưởng của các tác động nhiễu chủ yếu và nhờ
có mạch phản hồi sẽ thực hiện quá trình điều khiển và hạn chế tác động của các

nhiễu còn lại.
Các nguyên lý điều khiển trên gọi là hệ thống ĐKTĐ kinh điển
Một số nguyên lý điều khiển mới: điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững,
nguyên lý điều khiển mờ, nguyên lý điều khiển nơ-ron.
Phân loại các hệ thống điều khiển tự động.
Các hệ thống ĐKTĐ còn khác nhau trên rất nhiều khía cạnh: đặc điểm
truyền tín hiệu, tính chất của các tác động, số lượng tín hiệu vào và ra, bản chất
toán học của hệ thống và nhiều đặc tính khác. Tính chất đa dạng của các hệ
thống ĐKTĐ đòi hỏi phải phân loại để có thể có phương pháp khảo sát, nghiên
cứu thích hợp và đề ra các phương pháp tính toán, thiết kế chúng. Việc phân loại
được tiến hành theo các dấu hiệu phân loại khác nhau.
Phân loại theo nguyên lý xây dựng.
Các hệ thống ĐKTĐ có thể phân chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ theo
mạch hở, hệ thống ĐKTĐ theo mạch kín và hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp
9


Phân loại theo tính chất của tác động đầu vào.
Tuỳ thuộc vào tính chất của tác động đầu vào x(t) các hệ thống ĐKTĐ có thể
phân thành 3 loại sau;
Hệ thống điều khiển theo hằng số hay còn gọi là các hệ thống tự ổn định là
hệ thống có lượng vào x(t) không thay đổi (const).
Nhiệm vụ của của hệ thống ĐKTĐ là duy trì một hoặc một vài đai lượng vật
lý ở giá trị không đổi. Đây là các hệ thống ĐCTĐ.
VD: Các hệ thống ĐCTĐ tốc độ các loại động cơ, các hệ thống ĐCTĐ điện
áp, tần số của máy phát, các hệ thống ĐCTĐ nhiệt độ, áp suất, nồng độ dung
dịch trong các ngành sản xuất công nghệ, v.v...
Hệ thống điều khiển theo chương trình là các hệ thống ĐKTĐ có lượng vào
x(t) là các hàm đã biết trước dưới dạng các chương trình điều khiển.
VD: Các hệ điều khiển đường bay định trước của máy bay không người lái,

hệ thống điều khiển tự động các máy công cụ: bào, phay, tiện với chương trình
định trước trong bộ nhớ của máy tính số (máy CNC).
Hệ thống ĐKTĐ bám, gọi tắt là hệ bám là các hệ thống ĐKTĐ có lượng vào
x(t) là các hàm không biết trước và thay đổi theo quy luật bất kỳ.
Nhiệm vụ của hệ thống ĐKTĐ là bảo đảm lượng ra y(t) phải "bám" theo sự
thay đổi của lượng vào x(t).
VD: Các hệ như vậy là hệ bám đồng bộ góc dùng hệ thống xen-xin của các
khí tài hay của các máy công cụ, các hệ thống bám vô tuyến điện tử của các đài
ra-đa, v.v...
Phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống ĐKTĐ.
Theo dạng (hay phương pháp biến đổi và truyền) tín hiệu trong hệ thống
ĐKTĐ, chúng ta có hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục và hệ thống ĐKTĐ tác
động gián đoạn.
Hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các
phần tử của hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Hệ thống ĐKTĐ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ thống ĐKTĐ gián đoạn,
hay hệ rời rạc) là các hệ có chưa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có
lượng vào là một hàm liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.
Tuỳ thuộc vào tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể
phân chia thành: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiẻu rơ-le và hệ thống
ĐKTĐ số.
Hệ thống ĐKTĐ xung là hệ có sự gián đoạn của tín hiệu thay đổi xảy ra qua
những khoảng thời gian xác định (còn gọi là gián đoạn theo thời gian).
10


Hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ-le là hệ trong đó sự gián đoạn của tín hiệu xảy ra
khi tín hiệu vào đi qua những giá trị ngưỡng nào đó (còn gọi là gián đoạn theo
mức).
Hệ thống ĐKTĐ số là các hệ thống ĐKTĐ có chứa các phần tử gián đoạn

có tín hiệu ra dưới dạng mã số, tức là tín hiệu gián đoạn cả theo thời gian cả theo
mức. Đ
VD: Các hệ thống hoàn chỉnh dưới dạng bộ vi xử lý P, bộ xử lý tín hiệu số
DSP, hoặc toàn bộ máy tính số. Các hệ số đều có thể chứa các bộ biến đổi tương
tự-số (A-D converter) và số-tương tự (D-A converter).
Phân loại theo dạng phương trình động học mô tả hệ thống ĐKTĐ.
Về mặt toán học, các hệ thống ĐKTĐ hay các phần tử của chúng đều có thể
mô tả bằng các phương trình toán học: phương trình tĩnh và phương trình động.
Dựa vào tính chất các phương trình các các hệ thống ĐKTĐ được phân biệt
thành các hệ thống ĐKTĐ tuyến tính và các hệ thống ĐKTĐ không tuyến tính
(phi tuyến).
Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính là các hệ được mô tả bằng các phương trình
toán học tuyến tính: phương tĩnh dưới dạng y = f(x) hoặc phương trình động là
các phương trình vi phân hoặc sai phân là các phương trình tuyến tính.
Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính có tham số không thay đổi hay hệ thống ĐKTĐ
dừng.
VD : Hệ thống điều khiển và ổn định đường bay của các thiết bị bay.
Hệ thống ĐKTĐ không tuyến tính là các hệ thống ĐKTĐ được mô tả bằng
các phương trình toán học không tuyến tính. Đó là các hệ có chứa các phần tử
phi tuyến điển hình.
VD : Hệ có chứa các phần tử rơ-le.
Phân loại theo số lượng đại lượng cần điều khiển.
Tuỳ thuộc vào số lượng đại lượng cần điều khiển hay điều chỉnh (lượng ra
của hệ) chúng ta có hệ một chiều và hệ nhiều chiều.
Hệ thống ĐKTĐ một chiều chỉ có một đại lượng cần điều khiển.
Hệ thống ĐKTĐ nhiều chiều là hệ có từ hai đại lượng cần điều khiển trở
lên.
VD: Hệ nhiều chiều là hệ thống ĐCTĐ máy phát điện xoay chiều, nếu hệ
cùng một lúc ổn định cả hai tham số là điện áp và tần số phát ra của máy phát. ở
đây chúng ta có hệ ĐCTĐ hai chiều.

2. Điều chỉnh
11


Điều chỉnh là quá trình điều khiển, khi nhiệm vụ của điều khiển là bảo đảm
duy trì một hoặc một vài đại lượng vật lý cụ thể nào đó không thay đổi hoặc biến
đổi theo một quy luật nhất định.
Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ.
Sơ đồ chức năng tổng quát của các hệ thống ĐKTĐ biểu diễn các phần tử
trong hệ thống liên kết với nhau theo một trình tự nhất định. Các phần tử đều
được tạo thành từ các linh kiện, máy móc, thiết bị khác nhau và có bản chất vật
lý khác nhau, nhưng có thể có nhiệm vụ (chức năng) giống nhau.
f(t)
11

1

2

x(t)

(t)

3

4

5

+

6

7

8

y(t)

+

z(t)

9

Phản hồi
hiệu chỉnh

Phản hồi chính

10

Hình 1.9. Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp
Phần tử 1 : cơ cấu đặt hay cơ cấu chương trình có nhiệm vụ tạo ra quy luật
thay đổi mong muốn của tín hiệu vào x(t), tức là tạo nhiệm vụ điều khiển.
VD : Chương trình điều khiển từ máy tính, chiết áp, thiết bị cơ, điện – điện
tử.. v.v...)
Phần tử 2 + 5 : Cơ cấu so sánh và cơ cấu cộng có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu
sai lệch hoặc có chức năng cộng các tín hiệu.
Giải thích chi tiết trường hợp nào là cơ cấu cộng và trường hợp nào là cơ cấu
sai lệch

Phần tử 3 + 6 là Cơ cấu khuếch đại thực hiện chức năng khuếch đại sơ bộ
(cơ cấu 3) và khuếch đại công suất (cơ cấu 6) tín hiệu và đôi khi có cả chức
năng biến đổi tín hiệu (từ một chiều thành xoay chiều hay ngược lại) cho phù
hợp với phần tử đứng sau nó.
VD : các bộ khuếch đại điện tử, bán dẫn, khuếch đại thuật toán; còn khuếch
đại công suất có thể là các bộ khuếch đại từ, khuếch đại rơ le, khuếch đại máy
điện, khuếch đại thuỷ lực, khuếch đại khí nén.
12


Phần tử 4 + 9 : Các cơ cấu hiệu chỉnh có chức năng làm tốt hơn chất lượng
qúa trình điều khiển bằng cách tạo ra các định luật điều khiển khác nhau trong
hệ thống.
 Phần tử hiệu chỉnh nối tiếp (4) vì nó được mắc nối tiếp với các phần tử
trong mạch chính hay mạch thẳng của hệ thống và
 Phần tử hiệu chỉnh song song 9 dưới dạng liên hệ phản hồi phụ (hay phản
hồi bộ phận, phản hồi hiệu chỉnh) để phân biệt với liên hệ phản hồi chính
tồn tại là do nguyên lý làm việc cuả hệ thống ĐKTĐ.
Phần tử 7 : Cơ cấu chấp hành (CCCH) có chức năng tạo ra tác động điều
khiển tác động tực tiếp lên đối tượng điều khiển nhằm bảo đảm sự thay đổi của
quy luật điều khiển mong muốn.
VD : Các động cơ chấp hành, như các động cơ điện một chiều, động cơ điện
xoay chiều hai pha hoặc ba pha, động cơ thuỷ lực hay khí nén. Cơ cấu châp
hành công suất lớn còn có tên gọi là thiết bị sec-vô hay động cơ sec-vô.
Phần tử 10 : Cơ cấu đo lường-biến đổi (bộ cảm biến) dùng để nhận thông
tin về kết quả điều khiển và biến đổi chúng về dạng tín hiệu phản hồi z(t) phù
hợp để có thể so sánh với tín hiệu vào x(t).
Phần tử 11 Cơ cấu đo lường nhiễu loạn 11, như đã nói ở trên, dùng để đo
nhiễu và tạo tín hiệu bù trừ sai số do nhiễu gây ra trong điều khiển bất biến. Cơ
cấu này chỉ tồn tại khi hệ thống có điều khiển hỗn hợp.

13


BÀI 3. CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN
Mục tiêu:
- Mô tả được các phương pháp điều khiển
- Ứng dụng trong mạch điều khiển
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập.
1. Điều khiển tùy động
Nguyên tắc điều khiển thể hiện đặc điểm lượng thông tin và phương thức hình
thành tác động điều khiển trong hệ thống. Có ba nguyên tắc điều khiển cơ bản:
nguyên tắc giữ ổn định, nguyên tắc điều khiển theo chương trình và nguyên tắc điều
khiển thích nghi. Khi thiết kế hệ thống ta dựa vào mục tiêu điều khiển, yêu cầu chất
lượng và giá thành để chọn nguyên tắc điều khiển phù hợp nhất
1.3.1 Nguyên tắc giữ ổn định : Nguyên tắc này nhằm giữ tín hiệu ra ổn định và
bằng giá trị hằng số định trước. Có ba nguyên tắc điều khiển giữ ổn định :
· Điều khiển bù nhiễu
Nguyên tắc này được dùng khi các tác động bên ngoài lên ĐTĐK có thể kiểm
tra và đo lường được, còn đặc tính của ĐTĐK đã được xác định đầy đủ. Bộ điều
khiển sử dụng giá trị đo được của nhiễu để tính toán tín hiệu điều khiển u(t).
Nguyên tắc điều khiển này có ý nghĩa phòng ngừa, ngăn chặn trước. Hệ thống
có khả năng bù trừ sai số trước khi nhiễu thực sự gây ảnh hưởng đến tín hiệu ra.
Tuy nhiên, vì trong thực tế không thể dự đoán và kiểm tra hết mọi loại nhiễu nên
với
các hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng cao.

Điều khiển san bằng sai lệch
Nguyên tắc này được dùng khi các tác động bên ngoài không kiểm tra và đo
lường được, còn đặc tính của ĐTĐK thì chưa được xác định đầy đủ.

Tín hiệu ra y(t) được đo và phản hồi về so sánh với tín hiệu vào r(t). Bộ điều
khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t), điều chỉnh lại
tín hiệu ra theo hướng làm triệt tiêu sai lệch.
Nguyên tắc điều khiển này có tính linh hoạt, thử nghiệm và sửa sai. Hệ thống có
khả năng làm triệt tiêu ảnh hưởng của các nhiễu không biết trước và/hoặc không đo
được. Nhược điểm của nó là tác động hiệu chỉnh chỉ hình thành sau khi độ sai lệch
đã tồn tại và được phát hiện, tức là sau khi tín hiệu ra đã thực sự bị ảnh hưởng. Các
14


quá trình trễ trong hệ làm cho tín hiệu ra không giữ được ổn định một cách tuyệt đối
mà thường có dao động nhỏ quanh giá trị xác lập.

Hệ thống điều khiển san bằng sai lệch
Điều khiển phối hợp
Để nâng cao chất lượng điều khiển, có thể kết hợp nguyên tắc bù nhiễu và
nguyên tắc san bằng sai lệch. Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ sai số
tạo
ra bởi các nhiễu đo được, còn mạch điều khiển phản hồi sẽ hiệu chỉnh tiếp các
sai
số tạo ra bởi các nhiễu không đo được.

Hệ thống điều khiển phối hợp
2. Điều khiển theo chương trình
Khi tín hiệu vào r(t) không thay đổi theo thời gian ta
có hệ thống ổn định hoá hay hệ thống điều chỉnh. Mục tiêu điều khiển của hệ
này là giữ cho sai số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra càng nhỏ càng tốt.
Hệ thống điều khiển ổn định hoá được ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và
công nghiệp, điển hình là các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, điện áp, tốc độ, áp
suất, lưu lượng, mức nước, nồng độ, độ pH, ...

Hệ thống điều khiển theo chương trình : Nếu tín hiệu vào r(t) là một hàm định
trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị tín hiệu
vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình. Ứng dụng điển hình của
loại này là các hệ thống điều khiển máy CNC, robot công nghiệp
Hệ thống theo dõi: Nếu tín hiệu vào r(t) là một hàm không biết trước theo thời
gian, yêu cầu điều khiển để đáp ứng y(t) luôn bám sát được r(t), ta có hệ thống theo
dõi. Điều khiển theo dõi thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển pháo
phòng không, rađa, tên lửa, tàu ngầm,...
- Hệ thống điều khiển thích nghi : Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc điều khiển
thích nghi.

15


Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được
phát ra do một chương trình định sẵn tác động vào thiết bị điều khiển.
Ở đây x(t) là một hàm định trước (chương trình), yêu cầu tín hiệu ra y(t) của
hệ thống phải sao chép lại các giá trị của x(t). Tức là hệ phải thực hiện đúng các
hoạt động theo chương trình đã lập.
Ví dụ: Hệ thống gia công điều khiển số trong máy CNC, hệ thống thu thập và
truyền số liệu...
Nguyên tắc này giữ cho tín hiệu ra thay đổi đúng theo một hàm thời gian
(chương trình) định trước.
1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi (tự chỉnh định)
Khi cần điều khiển các đối tượng phức tạp, có thông số dễ bị thay đổi do ảnh
hưởng của môi trường, hoặc nhiều đối tượng đồng thời mà phải đảm bảo cho một
tín hiệu có giá trị cực trị, hay một chỉ tiêu tối ưu nào đó... thì các bộ điều khiển với
thông số cố định không thể đáp ứng được, khi đó ta phải dùng nguyên tắc thích
nghi. Sơ đồ hệ thống thích nghi như hình 1.7. Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số
của bộ điều khiển sao cho hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường.

Hệ thống điều khiển thích nghi
2.1 Điều khiển theo thời gian
2.2 Điều khiển theo trình tự
2.3 Điều khiển theo sơ đồ đường
2.4 Điều khiển theo chương trình có nhớ
Kết hợp với PLC điều khiển

16


BÀI 4. ĐIỀU CHỈNH
Mục tiêu:
- Mô tả được các phương pháp điều chỉnh
- Ứng dụng điều chỉnh trong thực tế
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập.
1. Các đại lượng và các phạm vi trong mạch điều khiển.
2. Các phương pháp điều chỉnh
3. Mạch ứng dụng trong thực tế.

Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín

Sơ đồ HTĐK AC vòng kín

17


BÀI 5. TÍN HIỆU
Mục tiêu:
- Phân biệt các dạng tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập.
1. Tín hiệu Analog
Analog: tín hiệu tương tự có dạng đồ thị biểu diễn tín hiệu analog là một đường
liên tục (ví dụ sin,cos,hoặc đường cong lên xuống bất kỳ)

Tín hiệu tương tự hình sin
R2

i2

i1

R1

u1

2. Tín hiệu Digital
Digital:tín hiệu số chỉ bao gồm hai mức cao và thấp
18

+

u2


Tín hiệu dạng số

3. Các tín hiệu liên tục và gián đoạn
3.1 Tín hiệu liên tục
Hệ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các phẩn tử của

hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Tín hiệu dưới dạng hàm liên tục có thể là tín hiệu một chiều (chưa biến
điệu) hoặc tín hiệu xoay chiều (đã được biến điệu) tương ứng chúng ta có hệ
ĐKTĐ một chiều (DC) và hệ thống ĐKTĐ xoay chiều (AC) (thí dụ hệ thống
bám đồng bộ công suất nhỏ dùng động cơ chấp hành 2 p ha).
3.2 Tín hiệu gián đoạn
Hệ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ gián đoạn hay hệ rời rạc) là các hệ có
chứa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có lượng vào là một hàm
liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.
Tuỳ theo tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể phân
chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ le và hệ
thống ĐKTĐ số.
Nếu sự gián đoạn của tín hiệu ra xẩy ra qua những thời gian xác định (ta
gọi là gián đoạn theo thời gian) khi tín hiệu vào thay đổi, thì ta có hệ ĐKTĐ
xung.
Nếu sự gián đoạn của tín hiệu xẩy ra khi tín hiệu vào qua những giá trị
ngưỡng xác định nào đó (chúng ta gọi là gián đoạn theo mức), thì có thể
ĐKTĐ kiểu rơle. Hệ rơle thực chất là hệ phi tuyến, vì đặc tính tĩnh của nó là
hàm phi tuyến. Đây là đối tượng nghiên cứu của một phần quan trọng trong lý
thuyêt ĐK .
19


Nếu phần tử gián đoạn có tín hiệu ra dưới dạng mã số (gián đoạn cả theo
mức và cả theo thời gian), thì ta có hệ ĐKTĐ số. Hệ thống ĐKTĐ số là hệ
chứa các thiết bị số (các bộ biến đổi A/D, D/A, máy tính điện tử (PC), bộ vi
xử lý.

20

BÀI 6. CÁC QUAN HỆ TRONG SƠ ĐỒ LUỒNG TÍN HIỆU
Mục tiêu:
- Ký hiệu và sơ đồ khối
- Nhận biết các khối chức năng trong mạch điều chỉnh
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập.
1. Khái niệm
Phép biến đổi Laplace
Cho hàm f(t) là hàm xác định với t ≥ 0, biến đổi Laplace của f(t) là:


F ( s )  L  f (t ) 



f (t )e  st dt

0

Trong đó: s: Biến phức (Laplace) s =σ + jω
L: Toán tử Laplce
F(s): Hàm ảnh của f(t) qua phép biến đổi Laplace
Tính chất:
Tính tuyến tính:
Nếu hàm f1(t) và f2(t) có phép biến đổi Laplace tương ứng là L1  f1 (t )  F1 ( s) và
L 2  f 2 (t )  F2 ( s ) thì: L a1 f1 (t )  a2 f 2 (t )  a1 F1 (s )  a2 F2 ( s )

Ảnh của đạo hàm
Nếu hàm f(t) có phép biến đổi Laplace là L  f (t )  F ( s) thì
 df (t ) 

+

L
  sF ( s )  f (0 ) trong đó f(0 ) là điều kiện đầu
 dt 
 df (t ) 
  sF (s )
 dt 

Nếu f(0+) = 0 thì L 
Ảnh của tích phân

t



0



Nếu hàm f(t) có phép biến đổi Laplace L  f (t )  F ( s) thì: L   f ( )d  

F (s)
s

Nếu f(t) được là hàm trễ một khoảng thời gian T ta có hàm f(T – τ) là:
L  f (t  T )  e Ts L  f (t )  e Ts F (s )

Biến đổi Laplcace một số hàm cơ bản
1-Tín hiệu bậc thang đơn vị:

Là loại tín hiệu thường dùng trong các hệ thống
điều khiển tự động ổn định hóa. Tín hiệu có dạng:

1

0 khi t  0
u(t)= 1(t )  
1 khi t  0

0

x(t)

(2.1)
21

t


Theo định nghĩa phép biến đổi Laplace ta có


L u (t ) 


 st

 u (t ).e dt 
0

 L u (t ) 



e  st dt 

0

 e e 0 
e  st 
 


s 0
s 
 s

1
s

2-Tín hiệu xung đơn vị:

x(t)

0 khi t  0
d
x(t)=  (t )  1(t )  
dt
 khi t  0

(2.2)

(t)

Hàm  (t ) có tính chất:

  (t )dt  1


0

Theo

định
0



L  f (t ) 

  (t ).e

 st

0

nghĩa:
0

dt    (t ).e st dt    (t ).e 0 dt  1

0

0

3-Tín hiệu tăng dần đều:

x(t)

t khi t  0
u (t )  t. f (t )  
0 khi t  0

(2.3)

Theo định nghĩa ta có:


L  f (t ) 


0

L t. f (t ) 

0

t

0

 t.e  st e  st  
f (t ).e dt   t. f (t ).e  st dt   
 2 
s
s  0

0
 st

1
s2

4-Tín hiệu xung vuông:

x(t)

1
x(t )  [1(t )  1(t  T )]
T

(2.4)

1/T

0

3-Tín hiệu điều hoà:
sin  t khi t  0
0 khi t  0

f(t)= sin(t ).u (t )  

ta có theo công thức Euler sin t 
theo

t

định

nghĩa

e jt  e  jt
2j

ta
22

có:

T

t




L sin(t ).u (t ) 


0

L sin(t ).u (t ) 

e jt  e  jt  st
1  1
1 
e dt 



2j
2 j  s  j s  j 


s  2
2

Một số hàm biến đổi Laplace cơ bản
f(t)

F(s)
1

 (t )

1
s
1
s2

1
T
1 2
t
2

1
s3
1
sa
1
(s  a )2

e  at

t.e  at
1 2  at
t .e
2

1
( s  a )3

1  e  at

a
s ( s  a)

1
(at  1  e  at )

a

a
s (s  a )

e  at (1  at )

s
(s  a )2

2

a
a  s2
s
2
s  a2
a
(s  a )2  c 2

sin at

2

cos at

e  at . sin ct

sa
(s  a )2  c 2

e  a cos ct

Hàm truyền
23


Hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến
đổi tín hiệu vào khi điều kiện bằng 0

Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tự động
d n Y(t )
d n 1Y(t )
d n 2 Y(t )
dY(t )

a

a
 ....  an 1
 an (t )
1
2
n
n 1
n 2
dt
dt
dt
dt

d m x(t )
d m1 X (t )
d m  2 X (t )
dX (t )
 b0

b

b
 ....  bm 1
 bm (t )
1
2
m
m 1
m 2
dt
dt
dt
dt
a0

Trong đó ai (i  0, n) và b j (i  0, m) là thông số của hệ thống ( a j  0, b j  0 )
Giả sử điều kiện ban đầu bằng 0, biến đổi 2 vế ta có:
(a0 s n  a1s n 1  a1s n 1....  an 1s+a n ).Y ( s )  (b0s m  b1s m 1  b1s m 1 ....  bm1s+b m ). X (s )



Y ( s ) (b0 s m  b1sm 1  b1s m1....  bm1s+b m )


X ( s ) (a0s n  a1sn 1  a1s n 1....  an 1s+a n )

G( s) 

Y ( s ) (b0s m  b1s m1  b1s m1....  bm 1s+b m )

X ( s ) (a0sn  a1sn 1  a1s n 1 ....  an 1s+a n )

Đại số sơ đồ khối
Sơ đồ khối của một hệ thống là hình vẽ mô tả chức năng của các phần tử và sự
tác động qua lại giữa các phần tử trong hệ thống. Sơ đồ khối bao gồm khối chức
năng, bộ tổng và bộ rẽ nhánh
Khối chức năng: tín hiệu ra của khối chức năng bằng tích tín hiệu vào và hàm
truyền
Điểm rẽ nhánh: Là điểm tại đó các tín hiệu đều bằng nhau
Bộ tổng: Tín hiệu ra của bộ tổng bằng tổng đại số các tín hiệu vào
Thí dụ sơ đồ cấu trúc của một hệ thống ĐKTĐ
Các quy tắc biến đổi sơ đồ khối:( Đại số sơ đồ khối).
* Đại số sơ đồ khối là thuật toán để xác định hàm truyền đạt của hệ thống khi
biết được hàm truyền đạt của các phần tử thành phần. Nó bao gồm: Thuật toán
để xác định hàm truyền đạt của các phần tử mắc nối tiếp, mắc song song, mạch
phản hồi và nguyên lí chuyển đổi tín hiệu.
1.4.3.1. Các phép biến đổi tương đương.
* Hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp.

24


Hệ thống gồm các phần tử được gọi là mắc nối tiếp nếu: Tín hiệu ra của
phần tử trước là tín hiệu vào của phần tử sau. Do đó, tín hiệu vào của hệ thống là

tín hiệu vào của phần tử đầu tiên, tín hiệu ra của phần tử cuối cùng là tín hiệu ra
y1
yn-1
của hệ thống. x = x1
W1
W2
Wn
x2
xn
yn = y
……
Hình 1-9
Do đó:
n

Yn = WnXn = WnWn-1Yn-1 = ... =



W1 X . Suy ra: W ( p ) 

i 1

n
Y ( p)
  Wi ( p)
X ( p) i 1

(1.35)
Kết luận: Hàm truyền đạt của hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp bằng tích

số hàm truyền đạt của các phần tử thành phần.
* Hệ thống gồm các phần tử mắc song song.
Hệ thống gồm các phần tử mắc song song nếu tín hiệu vào của hệ thống là
tín hiệu vào của các phần tử thành phần, tín hiệu ra của hệ thống bằng tổng đại
số tín hiệu ra của các phần tử thành phần:
X =X1
X =X2
X

W
W

Y1
Y2

Y



.............................
X =X3

W

Yn

Hình 1-10
Ta có: Y1 = W1X1 = W1X
n

Y2 = W2X2 = W2X

Suy ra: Y =

n

Y  
i

i 1

WiX

i 1

…………………..
Yn = WnXn = WnX
Vậy: W ( p) 

n
Y ( p)
  Wi ( p )
X ( p) i 1

(1-36)
Kết luận: Hàm truyền của hệ thống gồm các phần tử mắc song song bằng tổng
đại số hàm truyền của các phần tử thành phần.
* Hệ thống có mạch mắc phản hồi.
25