Chương 1: Điều khiển và điều chỉnh 1. Điều khiển 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 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. 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. Sơ đồ khái quát hệ điều khiển theo mạch hở 5 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. 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 1.6 trình bày sơ đồ khái quát hệ thống ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp.
Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển theo nguyên lý mạch kín (có phản hồi) 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. 6 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. Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển tự động 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 7 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. 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. 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 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 8 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.
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. 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. 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.