Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng phục vụ thực hành thí nghiệm tại khoa cơ khí

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG
THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM
TẠI KHOA CƠ KHÍ

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

ThS. TRẦN NGỌC HẢI
HỒ TRỌNG QUÂN
NGUYỄN PHƯỚC MINH
Số thẻ sinh viên : 101120311
101120356
Lớp: 12CDT1
12CDT2

Đà Nẵng, 2017


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

LỜI NÓI ĐẦU
Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, ngoài việc học tập lý thuyết từ giáo trình, bài
giảng cũng như sách vở thì việc thực hành, thí nghiệm thực tế cũng thực sự quan
trọng. Nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những kiến thức mà chúng ta đã được học ở
trên giảng đường. Ngoài ra việc thực hành, thí nghiệm cịn giúp nâng cao tay nghề kĩ
thuật của sinh viên trường Bách Khoa nói chung và ngành Cơ khí nói riêng. Chính vì
thế, những giờ học thực hành, thí nghiệm là vơ cùng hữu ích đối với mọi sinh viên.
Trong quá trình học tập, chúng em đã được tiếp xúc với rất nhiều trang thiết bị,
máy móc hiện đại mà nhà trường đã trang bị khoa Cơ khí. Tuy nhiên, sau một thời
gian tìm hiểu, chúng em nhận thấy hệ thống truyền động và điều khiển tự động thủy
lực chuyển động thẳng đã không hoạt động được vì lý do bo mạch kết nối máy tính và
chương trình điều khiển đã khơng cịn phù hợp với thực tế. Hiện nay, hệ thống này đã
có tuổi đời khá lâu và hiếm khi được sử dụng. Chính vì thế, hệ thống đã khơng cịn
được hồn chỉnh và có thế tiếp tục sử dụng được nữa. Vì những lý do trên, chúng em
đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẰNG PHỤC VỤ THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM
TẠI KHOA CƠ KHÍ”.
Do hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức nên đề tài khơng thể tránh khỏi
thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của q Thầy giáo.
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Ngọc Hải
cùng các Thầy giáo khoa Cơ khí đã giúp chúng em hồn thành đồ án một cách hoàn
chỉnh nhất.
Đà Nẵng, ngày 26 tháng 5 năm 2017
Sinh viên: Hồ Trọng Quân – Nguyễn Phước Minh

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

i

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

CAM ĐOAN
Chúng em cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phục hồi hệ thống
điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng phục vụ thực hành, thí nghiệm tại khoa
Cơ khí” là cơng trình nghiên cứu của riêng chúng em dưới sự hướng dẫn, cung cấp các
số liệu kỹ thuật và nội dung yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Th.S Trần Ngọc Hải.
Các kết quả nghiên cứu được tổng hợp nhiều tài liệu tại phịng thí nghiệm truyền động
và điều khiển thủy khí thuộc Bộ mơn Chế tạo máy, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách
khoa. Các số liệu được trình bày trong bản đồ án là trung thực, rõ ràng và được kiểm
duyệt của Thầy giáo hướng dẫn.
Chúng em và giáo viên hướng dẫn xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam
đoan trên.
Sinh viên
Hồ Trọng Quân – Nguyễn Phước Minh

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

ii

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................. i
CAM ĐOAN ...............................................................................................................ii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .... 1
1.1. Giới thiệu về các hệ thống điều khiển ................................................................................... 1
1.1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................. 1
1.1.2. Lịch sử của điều khiển tự động. .................................................................................... 3
1.1.3. Các nguyên tắc và phân loại hệ thống điều khiển .......................................................... 4

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
THỦY LỰC .............................................................................................................. 14
2.1.

Cơ sở lý thuyết về truyền động và điều khiển tự động ...................................................14

2.1.1.

Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động ................................................................14

2.1.2.

Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động ............................................................18

2.1.3.

Chức năng và hàm truyền của bộ điều khiển PID ....................................................24

2.2.

Lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực.......................................................................26

2.2.1.

Phương pháp phân tích và tính tốn các thơng số cơ bản trong mạch thủy lực .......26

2.2.2. Phương pháp phân tích và tính tốn van trượt điều khiển .............................................28
2.2.3. Độ đàn hồi của dầu, độ cứng thủy lực và tần số riêng ....................................................31
2.2.4. Các phần tử điều khiển cơ bản trong hệ điều khiển tự động thủy lực ............................34
2.2.5. Quy luật thay đổi áp suất .................................................................................................44
2.2.6. Quy luật thay đổi vận tốc .................................................................................................46
2.2.7. Quá trình ma sát ..............................................................................................................47
2.2.8. Thời gian đáp ứng của hệ ................................................................................................48
2.2.9. Sai số điều khiển của hệ ...................................................................................................48

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN THỦY LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP .................................................... 50
3.1. Tổng quan về hệ thống thủy lực trong công nghiệp .................................................................50
3.1.1. Giới thiệu tổng quan ........................................................................................................50
3.1.2. Cấu trúc của hệ thống thủy lực ........................................................................................50
3.1.3. Các ứng dụng cơ bản của thủy lực ...................................................................................51
3.2. Ứng dụng của truyền động thủy lực trong cơng nghiệp ...........................................................51
3.2.1. Mục đích..........................................................................................................................51
3.2.2. Các sơ đồ thủy lực ...........................................................................................................51

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY LỰC TRÊN BÀN THỰC
HÀNH, THÍ NGHIỆM ............................................................................................ 56
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

iii

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

4.1.Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ chuyển động thẳng ........................................ 56
4.1.1. Khái niệm .......................................................................................................................56
4.1.2. Van điều chỉnh áp suất.....................................................................................................58
4.1.3. Van servo ........................................................................................................................63
4.1.4. Van một chiều ..................................................................................................................66
4.1.5. Thiết bị phụ trong van thủy lực ........................................................................................67
4.2. Lựa chọn các phần tử thủy lực ................................................................................................69
4.3. Tính tốn, thiết kế hệ thống thủy lực chuyển động thẳng .........................................................70
4.3.1. Xy lanh thủy lực ...............................................................................................................70
4.4. Tính tốn thiết kế bàn ..........................................................................................................78
4.4.1. Thiết kế bàn lắp đặt .........................................................................................................78
4.4.2. Lựa chọn và tính tốn một số bộ phận chính của hệ thủy lực ............................................79

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ
THỦY LỰC CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ................................................................ 87
5.1. Mô hình tính tốn và điều khiển hệ thống trên lý thuyết ....................................................87
5.1.1. Mơ hình tốn và điều khiển hệ thống .............................................................................87
5.1.2. Khảo sát trường hợp tổng quát .......................................................................................88
5.1.3. Giới thiệu bộ điều khiển PID mờ ......................................................................................90
5.1.4. Giới thiệu phần mềm MATLAB .......................................................................................92
5.2. Khảo sát thực nghiệm .............................................................................................................95
5.2.1. Đặc tính kỹ thuật của một số bộ phận điều khiển ..............................................................95
5.2.2. Khảo sát đặc tính động lực học của hệ thống ...................................................................96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 100

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

iv

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển vịng hở......................................................................... 1
Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vịng kín.................................................. 2
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển đa biến .......................................................................... 2
Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ..................................................................... 2
Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu ....................................................... 5
Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch .......................................... 5
Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp....................................................... 5
Hình 1.8 Sơ đồ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DC vịng kín ............................................ 7
Hình 1.9 Sơ đồ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AC vịng kín ............................................ 8
Hình 1.11 Sơ đồ khối HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN tên lửa............................................ 8
Hình 1.12 Nguyên tắc tự chỉnh định............................................................................. 9
Hình 1.13 Hệ thống điều khiển tự động mức chất lỏng trong bể ................................. 11
Hình 1.14 Hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa.............................................. 12
Hình 1.15 Một số hệ thống điều khiển vịng kín cơ bản ............................................. 12
Hình 1.16 Hệ thống điều khiển tay lái ơ tơ ................................................................. 12
Hình 1.17 Một hệ thống điều khiển bằng máy tính ..................................................... 13
Hình 2.1 Sơ đồ chức năng của hệ điều khiển tự động ................................................. 14

Hình 2.2 .Sơ đồ khối các phần tử của hệ thống điều khiển tự động ............................ 14
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống hở ....................................................................................... 15
Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển hệ kín .............................................................................. 15
Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn quá trình động lực học của hệ............................................. 16
Hình 2.6 Đáp ứng quá độ của tín hiệu bậc thang ....................................................... 18
Hình 2.7 Đáp ứng quá độ xung .................................................................................. 18
Hình 2.8 Đáp ứng quá độ của hàm tuyến tính (hàm dốc) ........................................... 18
Hình 2.9 Đáp ứng q độ của hàm điều hồ .............................................................. 18
Hình 2.10 Đặc trưng về tính ổn định của hệ điều khiển tự động ................................. 19
Hình 2.11 Sơ đồ phân tích chất lượng hệ điều khiển tự động ..................................... 21
Hình 2.12. Đặc tính của đáp ứng q độ .................................................................... 23
Hình 2.13 Sơ đồ cắt mẩu để chuyển tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc ................. 23
Hình 2.14 Sơ đồ ghép bộ điều khiển PID với mạch điều khiển của hệ thống ............. 25
Hình 2.15 Đáp ứng của hệ khi sử dụng phương pháp ................................................ 25
Hình 2.16 Sơ đồ ghép nối tiếp và ghép song song ...................................................... 27
Hình 2.17 Đồ thị quan hệ giữa Q và x, Q và i của van trượt điều khiển ...................... 28
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

v

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

Hình 2.18 Sơ đồ tính tốn lực chiều trục của con trượt điều khiển ............................. 29
Hình 2.19 Đồ thị quan hệ Q - x và Q - i của van trượt ................................................ 30
Hình 2.20 Sơ đồ mạch thủy lực có kết cấu đối xứng .................................................. 31
Hình 2.21 Mơ hình nghiên cứu độ đàn hồi của dầu .................................................... 32

Hình 2.22 Mơ hình dao động của hệ thủy lực............................................................. 33
Hình 2.23 Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp ........................... 35
Hình 2.24 Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp .......................... 35
Hình 2.25 Cấu tạo và ký hiệu của van tỷ lệ ................................................................ 36
Hình 2.26 Cấu tạo của van tỷ lệ hiệu suất cao loại 4 vị trí 4 cửa................................. 36
Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo .............. 37
Hình 2.28 Bản vẽ thể hiện kết cấu và kí hiệu của van servo ....................................... 37
Hình 2.29 Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí con trượt của van .................................. 38
Hình 2.30 Đặc tính động lực học của con trượt của van ............................................ 38
Hình 2.31 Sơ đồ của mơđun khuếch đại ..................................................................... 39
Hình 2.32 Đặc tính của hệ số khuếch đại ................................................................... 40
Hình 2.33 Đặc tính của cảm biến ............................................................................... 41
Hình 2.34 Sơ đồ ngun lý của cảm biến vị trí........................................................... 42
Hình 2.35Thước đo số theo nguyên tắc quang điện .................................................... 43
Hình 2.36 Sơ đồ của cảm biến điện trở đo góc và ứng dụng của nó........................... 43
Hình 2.37 Sơ đồ của máy phát tốc (tacs- gen) ............................................................ 44
Hình 2.38 Mơ hình nghiên cứu quy luật thay đổi áp suất ........................................... 45
Hình 2.39 Sơ đồ khảo sát quy luật thay đổi vận tốc .................................................... 46
Hình 2.40 Quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc ........................................................... 47
Hình 3.1 Quá trình biến đổi về truyền tải năng lượng ................................................. 50
Hình 3.2 Máy dập thủy lực điều khiển bằng tay. ........................................................ 51
Hình3.3 Cơ cấu rót tự động cho quy trình cơng nghệ đúc .......................................... 52
Hình 3.4 Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu rót phơi tự động ............................................... 52
Hình 3.6 Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ chi tiết được sơn trong lò sấy ........................ 53
Hình 3.7 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia cơng ................................................................. 53
Hình 3.8 Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia cơng ................................. 53
Hình 3.9 Máy khoan bàn............................................................................................ 54
Hình 3.10 Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt gia cơng .......................................... 54
Hình 4.1 Hệ thống điều khiển bằng thủy lực .............................................................. 56
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. .................................................................. 56

Hình 4.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực. ................................................ 57
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

vi

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

Hình 4.5 Kết cấu kiểu van con trượt........................................................................... 59
Hình 4.6 Sơ đồ kết cấu van an tồn ............................................................................ 60
Hình 4.7 Kết cấu của van giảm áp.............................................................................. 61
Hình 4.8 Kết cấu van cản .......................................................................................... 62
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý rơle áp suất ....................................................................... 63
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo .............. 64
Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo .................................................. 65
Hình 4.12 Sơ đồ kết cấu và ký hiệu của van servo ..................................................... 66
Hình 4.13 Kết cấu van bi một chiều. .......................................................................... 67
Hình 4.14 Sơ đồ kết cấu ắcqui dầu (ắcqui khí nén).................................................... 69
Hình 4.15 Ký hiệu và nguyên lý kết cấu ắc quy thủy lực (ắcqui lị xo) ...................... 69
Hình 4.16 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động thẳng ................................................... 70
Hình 4.17 Sơ đồ tính tốn xy lanh ............................................................................. 71
Hình 4.18 Hành trình tiến tới của pittơng. .................................................................. 72
Hình 4.19 Hành trình lùi về của pittơng ..................................................................... 75
Hình 4.20 Sơ đồ kiểm tra ổn định xylanh lực. ........................................................... 76
Hình 4.21 Bàn thực hành thủy lực chuyển động thẳng. .............................................. 79
Hình 4.22 Sơ đồ cấu tạo của bơm bánh răng. ............................................................. 80
Hình 4.23 Sơ đồ cấu tạo lưới lọc thơ. ......................................................................... 81

Hình 4.24 Sơ đồ cấu tạo lọc tinh. ............................................................................... 82
Hình 4.25 Sơ đồ kết cấu bể dầu................................................................................. 84
Hình 4.26 Mối nối ống thẳng cuối có ống nong ......................................................... 86
Hình 4.27 Một số loại ống nối bằng ren vít ................................................................ 86
Hình 5.1 Mơ hình nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động tịnh
tiến ứng dụng van servo ............................................................................................. 87
Hình 5.2 Sơ đồ tính tốn của xylanh thủy lực............................................................ 88
Hình 5.3 Sơ đồ khối của hàm truyền x(s)/E(s)........................................................... 89
Hình 5.4 Sơ đồ khối của hàm truyền x(s)/U(s) .......................................................... 90
Hình 5.4 Sơ đồ cấu trúc một bộ điều khiển mờ .......................................................... 91
Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ ................................................................... 91
Hình 5.6 Giao diện phần mềm MATLAB .................................................................. 92
Hình 5.7 Bộ điều khiển mờ ........................................................................................ 93
Hình 5.8 Mơ hình hệ thống điều khiển dùng bộ điều khiển mờ .................................. 94
Hình 5.10Đồ thị khảo sát động lực học của hệ thống khi có tải .................................. 97
Hình 5.11 Khảo sát động lực học của hệ thống khi không tải ..................................... 98
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

vii

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 5.1 Kết quảkhảo sát đáp ứng của đồ thị khi có tải ............................................. 97
Bảng 5.2 Kết quả khảo sát đáp ứng của đồ thị khi không tải ...................................... 98

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

viii

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Nghiên cứu phục hồi hệ thống điều khiển tự động thủy lực chuyển động thẳng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
HTĐK

: Hệ thống điều khiển

LVDT

: Cảm biến vị trí

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

ix

Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG
1.1. Giới thiệu về các hệ thống điều khiển

1.1.1. Giới thiệu chung
1.1.1.1. Giới thiệu
Một hệ thống điều khiển (control system) là một liên kết của nhiều thành phần,
tạo nên một cấu hình hệ thống có khả năng đáp ứng một u cầu nhất định. Cơ sở để
thực hiện việc phân tích một hệ thống là kiến thức nền tảng cung cấp bởi lý thuyết hệ
thống tuyến tính, trong đó giả thiết mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống là
mối quan hệ nhân-quả. Một thành phần hay quá trình (process) cần được điều khiển có
thể biểu diễn bằng một khối có đầu vào và đầu ra. Quan hệ vào - ra thể hiện mối quan
hệ nhân - quả của q trình, trong đó tín hiệu vào được xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu
ra, thường là với cơng suất đã được khuyếch đại. Một hệ thống điều khiển kiểu vòng
hở (open-loop) sử dụng một bộ điều khiển nhằm điều khiển một quá trình đáp ứng một
yêu cầu xác định trước. Trái với các hệ thống điều khiểnvòng hở, một hệ thống điều
khiển kiểu vịngkín (closed-loop) sử dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu ra thực sự
để so sánh với đáp ứng đầu ra được mong muốn cho quá trình cần điều khiển. Giá trị
đo này được gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal).
Hệ thống điều khiển phản hồi là một hệ thống điều khiển có khuynh hướng duy
trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên của hệ thống bằng các
phép so sánh giữa các giá trị này, sử dụng sự sai khác như một phương thức điều
khiển.
Hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop) sử dụng một bộ điều khiển nhằm điều
khiển một quá trình đáp ứng một yêu cầu xác định trước.
Đáp ứng mong
muốn

Bộ điều
khiển

Quá trình

Ra

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển vịng hở

Hệ thống điều khiển kiểu vịng kín (closed-loop) sử dụng thêm một giá trị đo của
tín hiệu ra thực sự để so sánh với đáp ứng đầu ra được mong muốn cho quá trình cần
điều khiển. Giá trị đo này được gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal).

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

1

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Hình 1.2 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vịng kín

Hệ thống điều khiển đa biến là khi các hệ thống trở nên phức tạp, chúng ta cần
xem xét tới mối quan hệ giữa nhiều biến cần điều khiển của hệ thống. Những hệ thống
như vậy được gọi là hệ thống điều khiển đa biến (multi-variable control system ).

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển đa biến

1.1.1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

r(t)

u(t)

e(t)

Bộ điều khiển

c(t)

Đối tượng

Cht (t)

Cảm biến

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Trong đó:
- r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn.
- c(t) (controlled output): tín hiệu ra.
- cht(t): tín hiệu hồi tiếp.
- e(t) (error): sai số.
- u(t) : tín hiệu điều khiển.
Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều
khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều
khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thơng tin, bộ
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

2

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải

điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng
điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển.
1.1.1.3. Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động
- Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thơng số. Bài tốn
đặt ra là trên cơ sở những thơng tin đã biết tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất
lượng của hệ. Bài tốn này ln giải được.
- Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Bài toán
đặt ralàthiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng.
Bài tốn nói chung là giải được.
- Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Vấn đề đặt ra
là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống. Bài tốn này khơng phải lúc nào cũng
giải được.
1.1.2. Lịch sử của điều khiển tự động.
Hệ thống phản hồi đầu tiên được phát minh ở châu Âu là thiết bị khống chế nhiệt
độ của Cornelis Drebbel (1572 – 1633) ở Hà Lan. Dennis Papin (1647 – 1712) phát
minh ra thiết bị điều chỉnh áp suất cho nồi hơi vào năm 1681. Đây là một dạng thiết bị
an toàn, tương tự như van an toàn của nồi áp suất.
Thiết bị điều khiển phản hồi tự động đầu tiên được sử dụng trong một hệ thống
công nghiệp được ghi nhận là thiết bị điều tốc do James Watt phát triển vào năm 1769,
dùng để điều khiển tốc độ của động cơ hơi nước.
Theo người Nga thì hệ thống phản hồi đầu tiênlà một thiết bịđiều chỉnh mức
nước,doI. Polzunov phát minh vào năm 1765. Thiết bị này đo mức nước trong nồi hơi
và điều khiểnviệc đóng mở van cấp nước.
Năm 1868, J.C. Maxwell là người đã thiết lập một lý thuyết toán học liên quan
tới lý thuyết điều khiển, sử dụng mơ hình phương trình vi phân để giải thích các vấn đề
về tính thiếu ổn định mà thiết bị điều tốc của James Watt gặp phải. Nghiên cứu của
Maxwell quan tâm tới ảnh hưởng của các tham số của hệ thống tới hiệu suất của hệ
thống.Cũng trong khoảng thời gian đó, nhà khoa học Nga I.A. Vyshnegradskii đã thiết
lập một lý thuyết toán học về các thiết bị điều chỉnh.
Từ giai đoạn trước chiến tranh thế giới thứ II, lý thuyết và kỹ thuật điều khiển

phát triển theo hai xu hướng khác nhau. Tại Mỹ và Tây Âu, một trong những động lực
chính thúc đẩy các ứng dụng của phản hồi là sự phát triển các hệ thống điện thoại và
các bộ khuyếch đại phản hồi điện tử, thực hiện bởi Bode, Nyquist và Black tại Bell
Telephone Laboratories (Bell Labs – thành lập bởi AT&T vào năm 1925, từ năm 1996
trở thành một bộ phận của Lucent Technologies). Đặc trưng của xu hướng này là sử
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

3

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


dụng các phương pháp trong miền tần số, chủ yếu để mô tả hoạt động của các bộ
khuyếch đại phản hồi bằng các biến tần số như dải thông. Xu hướng thứ hai diễn ra ở
Liên bang Xô viết, nơi mà lý thuyết điều khiển là lĩnh vực thống lĩnh bởi nhiều nhà
toán học và cơ học ứng dụng danh tiếng. Vì vậy, lý thuyết điều khiển Xơ viết đi theo
hướng dùng các mơ hình tốn học trong miền thời gian, sử dụng các phương trình vi
phân.
Các kỹ thuật trong miền tần số thống trị lĩnh vực điều khiển sau chiến tranh thế
giới thứ II với ứng dụng ngày càng phổ biến của phương pháp biến đổi
Laplace và mặt phẳng tần số phức.Vào những năm 1950s, trọng tâm của lý thuyết điều
khiển là sự phát triển và ứng dụng của các phương pháp mặt phẳng s và đặc biệt là
phương pháp quỹ tích nghiệm.Đến những năm 1980s, việc sử dụng máy tính số cho
các bộ phận điều khiển trở nên phổ biến. Những phần tử điều khiển sử dụng máy tính
này có khả năng tính tốn một cách nhanh chóng và chính xác, điều đó trước kia nằm
ngồi khả năng của các kỹ sư điều khiển. Ngày nay, máy tính là khơng thể thiếu trong
các hệ điều khiển ở đó rất nhiều biến của hệ thống cần được đo đạc và điều khiển cùng
một lúc.
Với sự mở đầu kỷ nguyên không gian, một động lực nữa của kỹ thuật điều khiển

xuất hiện, đó là sự cần thiết phải thiết kế các hệ thống điều khiển vơ cùng
phức tạp và có độ chính xác cao cho các hệ thống tên lửa và thăm dị khơng gian.
Thêm nữa, sự cần thiết phải giảm tới mức tối thiểu trọng lượng của các vệ tinh và điều
khiển chúng một cách chính xác đã khai sinh một lĩnh vực quan trọng: điều khiển tối
ưu. Do những yêu cầu đó, các phương pháp trong miền thời gian của Lyapunov,
Minorsky và một số nhà khoa học khác ngày càng được quan tâm. Ngoài ra, những lý
thuyết về điều khiển tối ưu được phát triển bởi L.S. Pontryagin (Nga) và R. Bellman
(Mỹ) cũng là những chủ đề được quan tâm.
1.1.3. Các nguyên tắc và phân loại hệ thống điều khiển
1.1.3.1. Các nguyên tắc của hệ thống điều khiển
Nguyên tắc 1: Ngun tắc thơng tin phản hồi
Muốn q trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai
dịng thơng tin: Một từ bộ điều khiển đến đối lượngvà một từ đối tượng ngược về bộ
điều khiển (dịng thơng tin ngược gọi là hồi tiếp). Điều khiển khơng hồi tiếp (điều
khiển vịng hở) khơng thể đạt chất lượng cao, nhất là khi có nhiễu.
➢ Điều khiển bù nhiễu: là sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu ra
c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra c(t) . Về nguyên tắc, đối với hệ
phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốt.
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh
r(t)

Bộ điều khiển

4
u(t)

n(t)

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải

Đối tượng

c(t)


Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu

➢ Điều khiển san bằng sai lệch: Bộ điều khiển quan sát tín hiệu ra c(t) , so sánh
với tín hiệu vào mong muốn r(t) để tính tốn tín hiệu điều khiển u(t) . Nguyên tắc điều
khiển này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa sai. Đây là nguyên tắc
cơ bản trong điều
khiển.e(t)
r(t)

u(t)

Bộ điều khiển

c(t)

Đối tượng

Cht (t)

Cảm biến

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch

➢ Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp

sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển san bằng sai lệch.

r(t)

u(t)

e(t)

Bộ điều khiển

c(t)

Đối tượng

Cht (t)

Cảm biến

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp

Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng.
Muốn q trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải
tương xứng với sự đa dạng của đối tượng. Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở
khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn quyết
định,... Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối
tượng.
Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

5

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong mơi trường cụ thể và có tác động
qua lại chặt chẽ với mơi trường đó. Ngun tắc bổ sung ngồi thừa nhận có một đối
tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn
hộp đen. Ý nghĩa của nguyên tắc này là khi thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống
có chất lượng cao thì khơng thể bỏ qua nhiễu của môi trường tác động vào hệ thống.
Nguyên tắc 4: Ngun tắc dự trữ
Vì ngun tắc 3 ln coi thơng tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc xảy ra
và khơng được dùng tồn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường. Vốn dự trữ khơng
sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn.
Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp
Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ
sung cho trung tâm. Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây, ví dụ như
hệ thống điều khiển giao thông đô thị hiện đại, hệ thống điều khiển dây chuyền sản
xuất.
Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội.
Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết
những biến động xảy ra.
1.1.3.2. Phân loại điều khiển
a. Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
Hệ thống tuyến tính - Hệ thống phi tuyến: Hệ thống tuyến tính khơng tồn tại
trong thực tế, vì tất cả các hệ thống vật lý đều là phi tuyến. Hệ thống điều khiển tuyến
tính là mơ hình lý tưởng để đơn giản hóa q trình phân tích và thiết kế hệ thống. Khi
giá trị của tín hiệu nhập vào hệ thống còn nằm trong giới hạn mà các phần tử còn hoạt
động tuyến tính (áp dụng được nguyên lý xếp chồng), thì hệ thống cịn là tuyến
tính.Nhưng khi giá trị của tín hiệu vào vượt ra ngồi vùng hoạt động tuyến tính của các

phần tử và hệ thống, thì khơng thể xem hệ thống là tuyến tính được.Tất cả các hệ
thống thực tế đều có đặc tính phi tuyến, ví dụ bộ khuếch đại thường có đặc tính bão
hịa khi tín hiệu vào trở nên quá lớn, từ trường của động cơ cũng có đặc tính bão hịa.
Trong truyền động cơ khí đặc tính phi tuyến thường gặp phải là khe hở và vùng chết
giữa các bánh răng, đặc tính ma sát, đàn hồi phi tuyến... Các đặc tính phi tuyến thường
được đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lượng hay tăng hiệu quả điều khiển. Ví dụ
như để đạt thời gian điều khiển là tối thiểu trong các hệ thống tên lửa hay điều khiển
phi tuyến người ta sử dụng bộ điều khiển on-off (bang-bang hay relay). Các ống phản
lực được đặt cạnh động cơ để tạo ra mômen phản lực điều khiển. Các ống này thường
được điều khiển theo kiểu full on - full off, nghĩa là một lượng khí nạp vào một ống
định trước trong khoảng thời gian xác định, để điều khiển tư thế của phi tuyến.
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

6

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Hệ thống bất biến - hệ thống biến đổi theo thời gian: Khi các thông số của
HTĐK không đổi trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống, thì hệ thống được gọi là
hệ thống bất biến theo thời gian. Thực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần
tử trơi hay biến đổi theo thời gian. Ví dụ như điện trở dây quấn động cơ bị thay đổi khi
mới bị kích hay nhiệt độ tăng. Một ví dụ khác về HTĐK biến đổi theo thời gian là hệ
điều khiển tên lửa, trong đó khối lượng của tên lửa bị giảm trong quá trình bay. Mặc
dù hệ thống biến đổi theo thời gian khơng có đặc tính phi tuyến, vẫn được coi là hệ
tuyến tính, nhưng việc phân tích và thiết kế loại hệ thống này phức tạp hơn nhiều so
với hệ tuyến tính bất biến theo thời gian.
b. Phân loại theo tín hiệu trong hệ thống
Hệ thống liên tục: hệ thống mà tín hiệu ở bất kỳ phần nào của hệ cũng là hàm

liên tục theo thời gian. Trong tất cả các HTĐK liên tục, tín hiệu được phân thành AC
hay DC. Khái niệm AC và DC không giống trong kỹ thuật điện mà mang ý nghĩa
chun mơn trong thuật ngữ HTĐK. HTĐK AC có nghĩa là tất cả các tín hiệu trong hệ
thống đều được điều chế bằng vài dạng sơ đồ điều chế. HTĐK DC được hiểu đơn giản
là hệ có các tín hiệu khơng được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều. Các
thành phần của HTĐK DC là biến trở, khuếch đại DC, động cơ DC, tachometer DC.

Hình 1.8 Sơ đồ HTĐK DC vịng kín

SVTH: Hồ Trọng Qn
Nguyễn Phước Minh

7

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Hình 1.9 Sơ đồ HTĐK AC vịng kín

Hệ thống rời rạc: HTĐK rời rạc có tín hiệu ở một hay nhiều điểm trong hệ
thống là dạng chuỗi xung hay mã số. Thông thường HTĐK rời rạc được phân làm hailoại:
HTĐK lấy mẫu dữ liệu và HTĐK số. HTĐK lấy mẫu dữ liệu ở dạng dữ liệu xung. HTĐK
số liên quan đến sử dụng máy tính số hay bộ điều khiển số vì vậy tín hiệu trong hệ được
mã số hóa. Nói chung, một HTĐK lấy mẫu dữ liệu chỉ nhận dữ liệu hay thông tin trong
một khoảng thời gian xác định. Ví dụ, tín hiệu sai lệch của HTĐK chỉ có thể được cung
cấp dưới dạng xung và trong khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp HTĐK sẽ không
nhận được thơng tin về tín hiệu sai lệch. HTĐK lấy mẫu dữ liệu có thể xem là một HTĐK
AC vì tín hiệu trong hệ thống được điều chế xung.
r(t)

e(t
)

Khâu giữ
dữ liệu

Quá trình
điều khiển

c(t)

Thiết bị lấy mẫu

Hình 1.10 Sơ đồ khối HTĐK lấy mẫu dữ liệu

t/h
vào
số

t/h ra
Máy tính
số

D/A

Bệ phóng
tên lửa

Cảm
biến

A/D

Hình 1.11 Sơ đồ khối HTĐK tên lửa
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

8

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


c. Phân loại theo mục tiêu điều khiển
Điều khiển ổn định hóa: Mục tiêu điều khiển là kết quả tín hiệu ra bằng tín hiệu
vào chuẩn r(t) với sai lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập). Khi tín hiệu vào r(t)
khơng đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổn định hóa hay hệ thống điều
chỉnh, ví dụ như hệ thống ổn định nhiệt độ, điện áp, áp suất, nồng độ, tốc độ.
| e(t)| = | r(t)- c(t)| ≤ exl
Điều khiển theo chương trình:Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu
cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ
thống điều khiển theo chương trình. Ví dụ hệ thống điều khiển máy công cụ CNC,
điều khiển tự động nhà máy xi măng Hoàng Thạch, hệ thống thu nhập và truyền số
liệu hệ thống điện, quản lý vật tư ở nhà máy…
Điều khiển theo dõi: Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không
biết trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) ln bám sát được r(t), ta
có hệ thống theo dõi. Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các HTĐK vũ
khí, hệ thống lái tàu, máy bay…
Điều khiển thích nghi: Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho hệ
thích nghi với mọi biến động của mơi trường ngồi.

Hình 1.12 Ngun tắc tự chỉnh định

Điều khiển tối ưu-hàm mục tiêu đạt cực trị: Ví dụ các bài toán qui hoạch, vận trù
trong kinh tế, kỹ thuật đều là các phương pháp điều khiển tối ưu.
1.1.4. Một số ví dụ về hệ thống điều khiển
1.1.4.1. Ví dụ các phần tử trong hệ thống điều khiển tự động
Các loại cảm biến, thiết bị đo lường:
Biến trở tuyến tính, biến trở góc quay dùng để chuyển đổi sự dịch chuyển thành
điệnáp. Ngồi ra cịn có thể chuyển đổi kiểu điện cảm và điện dung... Nguyên tắc
chung để đo các đại lượng không điện như nhiệt độ, quang thông, lực, ứng suất, kích
thước, di chuyển, tốc độ... bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu
điện. Cấu trúc thiết bị đo gồm ba thành phần: bộ phận chuyển đổi hay cảm biến, cơ
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

9

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


cấu đo điện và các sơ đồ mạch trung gian hay mạch gia cơng tín hiệu ví dụ như mạch
khuếch đại, chỉnh lưu, ổn định. Cảm biến xenxin làm phần tử đo lường trong các hệ
bám sát góc quay, truyền chỉ thị góc quay ở cự ly xa mà khơng thực hiện được bằng cơ
khí. Biến áp xoay hay cịn gọi là biến áp quay dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ
cấp hoặc góc quay của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng. Biến áp
xoay sin, cos để đo góc quay của rơto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận
với sin hay cos của góc quay đó. Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay
của rơto thành điện áp tỉ lệ tuyến tính. Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tự do
được sử dụng làm các bộ cảm biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các
hệ thống ổn định đường ngắm của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn.

Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch mà ánh sang
có thể đi qua được. Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác dụng của một nguồn
sáng. Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay ánh sáng chiếu đến
phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto là
một chuỗi xung.Trên đĩa mã có khắc hai vịng vạch, ngồi A trong B có cùng số vạch,
nhưng lệch90o (vạchA trước B là 90o). Nếu đĩa mã quay theo chiều kim đồng hồ thì
chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là 1/2 chu kỳ và ngược lại.
Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer.
Cảm biến nhiệt độ…
Đối tượng điều khiển:
Đối tượng điều khiển có thể là thiết bị kỹ thuật, dây chuyền sản xuất, qui trình
cơng nghệ... là mục tiêu điều khiển của con người trong các lĩnh vực khác nhau.
Các phần tử chấp hành thường dùng trong ĐKTĐ là các loại động cơ bước, động
cơ DC, servomotor, động cơ AC, động cơ thủy lực khí nén... Động cơ bước được dùng
để định vị chính xác do có cấu trúc rơto và stato khá đặc biệt. Rơto thơng thường là
các nam châm vĩnh cửu có cạnh được xẻ rãnh răng cưa suốt chu vi của rôto, để tập
trung đường sức từ tại các mũi răng. Tương tự, stato được chế tạo thơng dụng có bốn
bối dây quấn xen kẽ theo các từ cực. Khi có dịng điện chạy qua một cuộn dây stato,
rơto sẽ quay một góc đến vị trí cân bằng từ thơng là giao điểm của hai răng stato và
rôto.Thay đổi thứ tự các cuộn dây 1, 2, 3, 4 rôto sẽ lệch một góc là 90o. Có ba cách
điều khiển động cơ bước: Điều khiển hành trình năng lượng thấp, điều khiển thường,
điều khiển ½ bước.Vì cuộn dây stato có điện trở thuần rất nhỏ khoảng 0,2Ω do vậy
thường điều khiển bằng các nguồn dịng thơng dụng nhất là transistor, Fet....
Một loại đo lường điều khiển khác cũng thường gặp trong công nghiệp là hệ
thống nhiệt, ví dụ như lị nung trong dây chuyền sản xuất gạch men, lò sấy trong dây
chuyền chế biến thực phẩm, hệ thống làm lạnh trong các dây chuyền chế biến thủy
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

10

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


sản. Yêu cầu điều khiển đối với hệ thống nhiệt thường là điều khiển ổn định hòa hoặc
điều khiển theo chương trình.
Kỹ thuật giao tiếp máy tính:
Thiết bị điều khiển rất đa dạng, có thể là một mạch RC, mạch khuếch đại thuật
tốn, mạch xử lý hay máy tính PC.
b. Ví dụ về các hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bể: Tốc độ dòng chảy ngõ ra qua van
V1 là biến đổi, hệ thống có thể duy trì mức chất lỏng h= const với sai số cho phép khá
chính xác. Nếu mức chất lỏng trong bể không đúng, một điện áp sai lệch được tạo ra
qua khuếch đại đưa vào bộ điều khiển động cơ điều chỉnh van V2 để khôi phục lại
mức chất lỏng mong muốn bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng chảy ngõ vào. Trong
trường hợp dịng chảy vào có tốc độ hằng số, phao có hai cặp tiếp điểm thường đóng,
thường mở để điều khiển đóng mở động cơ điện AC. Để tránh động cơ bị đóng ngắt
khơng dứt khốt, tạo hai mức tương ứng vùng trễ Trigger Schmidt Δh.

Hình 1.13 Hệ thống điều khiển tự động mức chất lỏng trong bể

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

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

11

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


Hình 1.14 Hệ thống định vị dùng cho bệ phóng tên lửa

Hệ thống điều khiển phản hồi âm: là hệ thống hoạt động theo một quy trình vịng
kín, tín hiệu ra bị trừ vào tín hiệu vào và sự sai khác đó được sử dụng làm tín hiệu vào
cho bộ khuyếch đại.

Hình 1.15 Một số hệ thống điều khiển vịng kín cơ bản

Hệ thống điều khiển ơ tơ:Những chiếc ơ tơ hiện đại có bộ phận trợ lực tay lái và
phanh, sử dụng các bộ khuyếch đại thủy lực để khuyếch đại lực do người lái xe tác
động lên tay lái và phanh. Hướng lái người lái xe mong muốn được so sánh với giá trị
đo của hướng chuyển động thực sự của xe để sinh ra một giá trị đo độ sai lệch. Hướng
chuyển động thực sự của xe được cảm nhận bởi bản thân người lái xe, bằng trực giác
và cảm giác về độ nghiêng của cơ thể. Ngồi ra cịn có một thơng tin phản hồi nữa là
cảm giác tay lái của người lái xe. Các hệ thống điều khiển lái của tàu thủy hay máy
bay cũng có nguyên lý tương tự. Tất cả các hệ thống đó hoạt động theo một quy trình
vịng kín.

Hình1.16: Hệ thống điều khiển tay lái ô tô
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

12

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải

Một ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điều khiển là các bộ phận điều khiển
trong ô tô hiện đại: các hệ thống điều khiển cho giảm xóc, trợ lái, điều khiển hiệu suất
làm việc của động cơ, hay các hệ thống lái bốn bánh, điều khiển chống trượt...
Các hệ thống điều khiển bằng máy tính trong cơng nghiệp năng lượng điện đã
được sử dụng để tăng tính hiệu quả trong việc sử dụng các nguồn năng lượng. Ngoài
ra, việc kiểm soát lượng chất thải của các nhà máy điện để giảm thiểu ô nhiễm đã trở
thành một vấn đề vô cùng quan trọng. Các nhà máy điện hiện đại với công suất lớn tới
hàng trăm MW cần những hệ thống điều khiển tự động chịu trách nhiệm về các mối
quan hệ giữa các biến của toàn bộ quá trình và thực hiện việc tối ưu hóa q trình sản
xuất điện năng.

Hình 1.17 Một hệ thống điều khiển bằng máy tính

Ứng dụng của khái niệm điều khiển phản hồi đã và đang xuất hiện trong rất
nhiều lĩnh vực như điều khiển tự động việc tàng trữ hàng hóa, các hệ thống tự động
hóa trong nơng nghiệp, các hệ thống sưởi ấm và làm lạnh sử dụng năng lượng mặt trời,
các ứng dụng của lý thuyết điều khiển trong các lĩnh vực y-sinh học như thí nghiệm,
chẩn đốn, cấy ghép bộ phận giả và các hệ thống điều khiển sinh học.
Robot là một lĩnh vực rất quan trọng trong ứng dụng các HTĐK: Robot đã được
sáng tạo ra để thực hiện nhiều công việc khác nhau, làm cầu nối giữa các lĩnh vực chế
tạo, các nhiệm vụ vận chuyển không gian và chăm sóc y tế. Ứng dụng chủ yếu của
Robot là tự động hóa q trình sản xuất. Robot được sử dụng trong dây chuyền sản
xuất xe hơi, là một thành phần trong tàu con thoi không gian của NASA, là bạn giúp
việc cho con người … Robot trợ giúp trong các bệnh viện, thực hiện các công việc của
y tá chăm sóc bệnh nhân. Các Robot này sử dụng các cảm biến quan sát, siêu âm và
hồng ngoại … điều khiển thang máy, tránh các vật cản dọc theo đường đi, mang các
khay thức ăn theo yêu cầu, lấy thuốc hay các vật mẫu của phịng thí nghiệm, ghi lại
tình trạng sức khỏe của người bệnh, báo cáo công việc quản lý …

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

13

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG THỦY LỰC

2.1. Cơ sở lý thuyết về truyền động và điều khiển tự động
2.1.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động
2.1.1.1. Khái niệm chung
Mỗi hệ thống điều khiển đều có tác động vào và đáp ứng ra hay cịn gọi là tín
hiệu vào và tín hiệu ra. Trong một hệ thống có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín
hiệu ra, thể hiện ở hình 2.1.
Các tác động vào

Các đáp ứng của hệ
Hệ thống

u(s)

y(s)

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng của hệ điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động gồm có các thành phần cơ bản là: thiết bị điều khiển
(Controller), đối tượng điều khiển (Object) và thiết bị đo lường (Measuring Divice)
(hình 2.2).
u

+

e

-

C

x

O

y

f
M

Hình 2.2 .Sơ đồ khối các phần tử của hệ thống điều khiển tự động
Trong đó:
u - tín hiệu vào; y - tín hiệu ra; e - tín hiệu so sánh
x - tín hiệu tác động vào đối tượng điều khiển; f - tín hiệu phản
hồi.

Phân loại hệ thống điều khiển tự động có nhiều hình thức khác nhau, căn cứ vào
hình thức tác động của các tín hiệu vào và ra có thể phân thành hai loại chính.
Hệ thống hở (hình 2.3): là hệ thống mà các tín hiệu vào và ra có tính chất độc lập
với nhau.

SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

14

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải


y

u

G

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống hở

Hệ thống hở có đặc điểm sau: độ chính xác phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh
và độ tin cậy điều chỉnh của thiết bị, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tác động bên ngoài
(sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, dao động xung quanh, dao động của tải trọng,...) và tín
hiệu ra đáp ứng chậm khi thay đổi tín hiệu vào.
Hệ thống kín (hình 2.4): là hệ mà các tín hiệu vào và ra phụ thuộc vào nhau, tín
hiệu vào phụ thuộc vào tín hiệu ra thơng qua bộ phản hồi. Hệ thống kín cũng thường
được gọi là hệ điều khiển có phản hồi.
u +

E

y

G

F
H
Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển hệ kín

Hệ thống kín có các đặc điểm chính sau: đạt độ chính xác điều khiển cao, tốc độ
đáp ứng nhanh, giảm được tính phi tuyến và nhiễu, tăng được bề rộng dãi tần mà tại
dãi tần này hệ có đáp ứng tốt nhất. Tuy nhiên với hệ thống kín, tín hiệu ra có khuynh
hướng dao động do qn tính của so sánh tín hiệu.
Nội dung cơ bản của lý thuyết điều khiển tự động là bài tốn phân tích và tổng
hợp hệ thống:
Hệ thống thiết bị đang vận hành có sự cần điều chỉnh lại các tham số thì cần giải
bài tốn phân tích hệ thống, đánh giá lại bộ chỉ tiêu chất lượng của từng phần tử và của
cả hệ thống. Điều này có nghĩa là khảo sát sự ổn định của hệ theo các chỉ tiêu đã được
đặt ra mà cơng cụ giải bài tốn này là máy vi tính.
Thiết kế hệ thống thiết bị hoặc các dây chuyền sản xuất linh hoạt là xác định bộ
tham số và cấu trúc dựa vào các yêu cầu như độ chính xác, thời gian đáp ứng, năng
lượng tiêu hao cực tiểu, cũng như các đặc tính động học và động lực học khác...Tuy
nhiên, để cải thiện chất lượng có thể dựa vào một hệ cấu trúc mới đó là bộ điều khiển
tỷ lệ - tích phân - vi phân thường gọi là bộ điều khiển PID (Proportional - Integral Differencial).
SVTH: Hồ Trọng Quân
Nguyễn Phước Minh

15

GV Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải