Bài giảng Bộ điều khiển lập trình - Chương 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển

Ch 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một

kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hê thống.

Denis Papin’s water float regulator

Wall’s fly-ball governor

Bộ điều khiển lập trình

1-1

1.1. Hệ thống điều khiển vòng hở

Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ

thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình.

Bộ điều khiển lập trình

1-2

1.1. Hệ thống điều khiển vòng hở

Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten

- Vị trí ban đầu: 0⁰

- Vị trí mong muốn: 30⁰

- Động cơ: 1⁰/giây (ở điện áp định mức)

Để thực hiện chuyển động mong muốn, bộ điều khiển xuất ra một xung tín hiệu trong 30

giây.

Nếu động cơ làm việc chính xác, vị trí anten sẽ dừng chính xác ở 30⁰.

Bộ điều khiển lập trình

1-3

1.2. Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào

sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi.

Ba thao tác chính của một hệ thống vòng kín

- Đo lường: đo giá trị của biến được điều khiển

- Ra quyết định: tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để ra quyết định điều khiển

- Tác động: sử dụng giá trị điều khiển để tác động những biến khác trong quá trình theo

hướng làm giảm giá trị sai lệch.

Bộ điều khiển lập trình

1-4

1.2. Hệ thống điều khiển vòng kín

• Điểm điều chỉnh, biến được điều khiển, biến được đo, và điểm sai lệch.

• Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động.

• Bộ cảm biến: thực hiện đo giá trị thực của biến được điều khiển, biến đổi thành một đại

lượng có thể sử dụng được và phản hồi về bộ điểu khiển.

• Bộ điều khiển (bao gồm cả bộ so sánh): thực hiện cơ chế điều khiển thích hợp nhằm

làm giảm giá trị sai lệch.

• Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều khiển thành tín hiệu tác động.

Bộ điều khiển lập trình

1-5

1.2. Hệ thống điều khiển vòng kín

Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten

- Vị trí ban đầu: 0⁰

- Vị trí mong muốn: 30⁰(→ x_d)

- Động cơ: 1⁰/sec (ở điện áp định mức v_s)

- Cảm biến góc: 10V / 360⁰(→ x_a)

Tín hiệu điều khiển v_cđược xác định tùy

theo cơ chế điều khiển:

v_s

0

x_a≠ x_d

x_a= x_d

v_c=

nếu

v_c= C(x_d−x_a)

Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như

độ chính xác của bộ truyền cơ khí.

Bộ điều khiển lập trình

1-6

1.2. Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng hở

- đơn giản và chi phí đầu tư thấp

Hệ thống điều khiển vòng kín

- phức tạp và chi phí đầu tư cao

- không ki

ể

m soát

đượ

c giá tr

ị

th

ự

c t

ế

- có th

ể đ

i

ể

u khi

ể

n

đượ

c giá tr

ị

th

ự

c t

ế

- có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của - giá trị thực tế luôn ổn định bất chấp đặc

nh

ữ

ng c

ơ

c

ấ

u tác

độ

ng và quá trình t

ươ

ng tính

làm c

ủ

a nh

ữ

ng c

ơ

c

ấ

u tác

độ

ng và

đối ổn định

quá trình.

- th

ườ

ng xuyên th

ự

c hi

ệ

n quá trình cân

chỉnh hệ thống

- th

ỉ

nh tho

ả

ng ch

ỉ

c

ầ

n ki

ể

m tra

đặ

c tính làm

việc của bộ cảm biến

Bộ điều khiển lập trình

1-7

1.3. Phân loại hệ thống điều khiển

Hê thống điều khiển rất đa dạng, nó tùy thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháp

điều khiển, điều kiện sử dụng …

¾ Mạch phản hồi

• không sử dụng → hệ thống hở

• có sử dụng → hệ thống kín

¾ Loại tín hiệu

• liên tục → hệ thống tương tự

• rời rạc → hệ thống số

¾ Giá trị điều chỉnh

• ít thay đổi → hệ thống điều chỉnh (regulator system)

• thay đổi liên tục → hệ thống tùy động (follow-up system)

¾ Vị trí của bộ điều khiển

• ở phòng điều khiển trung tâm → hệ thống điều khiển tập trung

• đặt gần các cơ cấu cảm biến và cơ cấu tác động → hệ thống điều khiển phân bố

Bộ điều khiển lập trình

1-8

1.3. Phân loại hệ thống điều khiển

¾ Môi trường công nghiệp

• Xử lý, chế biến → hệ thống điều khiển quá trình

quá trình liên tục

quá trình gián đoạn

• chi tiết rời → hệ thống điều khiển chế tạo

gia công - điều khiển số

lắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy

¾ Các nhóm khác

• cơ cấu tùy động (servo mechanism)

• điều khiển trình tự

theo sự kiện

theo thời gian

• bộ điều khiển khả trình (programmable controller)

Bộ điều khiển lập trình

1-9

Bộ điều khiển số và tương tự

Bộ điều khiển lập trình

1-10

Bộ điều khiển số và tương tự

Bộ điều khiển tương tự

- được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu tương tự

- các tín hiệu được cập nhật liên tục

Bộ điều khiển số

- được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu số

- các tín hiệu được cập nhật dựa vào xung nhịp

Bộ điều khiển lập trình

1-11

Hệ thống điều khiển quá trình

Hê thống điều khiển quá trình duy trì một đại lượng nào đó của quá trình ở giá trị điều

chỉnh (mong muốn).

Bộ điều khiển lập trình

1-12

Hệ thống điều khiển quá trình

Bộ điều khiển lập trình

1-13

Hệ thống điều khiển quá trình

Individual local controllers

Direct computer control system

Distributed control system

Bộ điều khiển lập trình

1-14

Hệ thống điều khiển trình tự

Time-driven operation

Event-driven operation

Hệ thống điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tác được xác định trước.

Bộ điều khiển lập trình

1-15

Cơ cấu tùy động (servo mechanism)

Cơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đối tượng được điều khiển

là vị trí (hay sự chuyển động).

Bộ điều khiển lập trình

1-16

Hệ thống điều khiển số

Hê thống điều khiển số là một hệ thống sử dụng các lệnh đã xác định trước để điều

khiển một loạt các nguyên công.

Bộ điều khiển lập trình

1-17

Hệ thống tay máy

Pick-and-place robot

Bộ điều khiển lập trình

1-18

Hệ thống tay máy

Industrial robot

Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm di chuyển

những đối tượng khác nhau theo một trình tự chuyển

động xác định để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể.

Bộ điều khiển lập trình

1-19

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển tốc độ

(bằng cơ khí)

Bộ điều khiển lập trình

1-20

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển tốc độ

(bằng điện)

Bộ điều khiển lập trình

1-21

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển mực nước

Bộ điều khiển lập trình

1-22

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển lập trình

1-23

1.4. Điều khiển quá trình

Quá trình công nghiệp có thể phân thành 2 loại:

• Quá trình rời rạc: là một nhóm các công đoạn rời rạc có điều kiện bắt đầu (từng

công đoạn) rõ ràng. Khi các nhóm công đoạn có điểm bắt đầu, điểm kết thúc và

hình thức điều khiển xác định, thì quá trình này được gọi là quá trình có trình tự.

• Quá trình liên tục: là quá trình có tín hiệu vào / ra liên tục (không bị ngắt quãng).

Có ít nhất một tín hiệu vào (bộ điều khiển) được thay đổi sao cho để duy trì một tín

hiệu ra mong muốn. Tín hiệu ra được xác định bởi một/nhiều chế độ điều khiển.

Bộ điều khiển lập trình

1-24

Điều khiển quá trình rời rạc

Bộ điều khiển lập trình

1-25

Điều khiển quá trình trình tự (sequential process)

Hầu hết các quá trình rời rạc mang tính tuần tự

Bộ điều khiển lập trình

1-26

Điều khiển quá trình liên tục

Ba thao tác chính:

- Đo lường

- Ra quyết định

- Tác động

Bộ điều khiển lập trình

1-27

Điều khiển quá trình liên tục

Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo 3 mục

tiêu sau:

• Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất.

Giai đoạn chuyển tiếp

• Giảm thiểu thời gian xác lập.

Giai đoạn xác lập

• Giảm thiểu độ sai lệch dư.

Giá trị sai lệch xác lập gây ra do ma

sát, phụ tải, và độ chính xác của

cảm biến phản hồi.

Thực hiện chế độ điều khiển thích hợp

Bộ điều khiển lập trình

1-28

aác

g

ữ

iáng

Bộ

đ

iều

k

h

i

ển

l

ậptr ình

1- 29

1.5. Phương án điều khiển

Giá thành

Khá th

ấp

Thấp

Cao

Khá cao

Kích th

g

ước vật lý

Lớn

Rất gọn

Khá ọn

Rất gọn

Tố độ điều khiển

Chậm

Rất nhanh

Tốt

Khá nhanh

Khá tốt

Nhanh

Tốt

c

Khả năng chống nhiễu

Rất tốt

Kh

ả

n

ă

ng thích

ứ

ng môi

R

ấ

t t

ố

t

trường công nghiệp

Khá t

ố

t

Không t

ố

t

R

ấ

t t

ố

t

Lắp đặt

Tốn thời gian

thiết kế và lắp đặt thiết kế

Tốn thời gian Tốn nhiều thời

Lập trình và lắp

đặt đơn giản

gian lập trình

Khả năng điều khiển tác Không

vụ phức tạp

Có

có

M

ứ

c

độ

thay

đổ

i

đ

i

ề

u

R

ấ

t khó

Khó

Khá

đơ

n gi

ả

n

R

ấ

t

đơ

n gi

ả

n

©SosánhChCỉ

.

tiêu so sánhM

B

ạch rơ

.

-le

Vi đi

ều khiển

Máy tính

PLC

P

h

a

m

ph

n

ư

ơ

Rơle trong mạch điều khiển logic

Bộ điều khiển lập trình

1-31

Rơle trong mạch điều khiển logic

Rơle có thể được cấu tạo để tạo nên nhiều cặp tiếp điểm.

Bộ điều khiển lập trình

1-32

Rơle trong mạch điều khiển logic

Rơle có thể thực hiện những chức năng logic.

Bộ điều khiển lập trình

1-33

Rơle trong mạch điều khiển logic

Thí dụ:

Trong một ngân hàng, có 3 nhân viên chịu trách

nhiệm mở két sắt. Mỗi người giữ một chìa khóa

duy nhất (tức là 3 chìa khóa không giống nhau).

Theo quy định của ngân hàng, 2 trong 3 nhân

viên phải có mặt để có thể mở được két sắt. Vẽ

sơ đồ mạch điện bậc thang dùng để mở cửa két

sắt và làm sáng một bóng đèn khi có 2 trong số

3 chìa khóa được sử dụng.

Bộ điều khiển lập trình

1-34

Rơle trong mạch điều khiển logic

Thí dụ:

Hệ thống pick & place robot

Bộ điều khiển lập trình

1-35

Rơle trong mạch điều khiển logic

Thí dụ:

Hệ thống uốn cong chi tiết

Bộ điều khiển lập trình

1-36

Rơle trong mạch điều khiển logic

Ý tưởng cơ bản đối với việc thiết kế là:

• Dùng một rơle điều khiển cho mỗi buớc của quá trình.

• Khi quá trình đang làm việc ở bước nào đó, thì rơle điều khiển gắn liền với bước

đó sẽ được kích hoạt và những rơle khác không được kích hoạt.

• Số bước của quá trình sẽ tương ứng 1-1 với số trạng thái của bộ điều khiển. Mỗi

trạng thái của bộ điều khiển được biễu diễn là một nhánh trong mạch điều khiển bậc

thang.

Giả sử quá trình có 3 bước liền kế nhau là bước i, bước j, và buớc k. Nhánh thứ j trong

m

ạ

ch

đ

i

ề

u khi

ể

n có d

ạ

ng t

ổ

ng quát nh

ư

sau:

Bộ điều khiển lập trình

1-37