Bài giảng Hệ thống cơ điện tử - Chương 4: Các bộ phận điều khiển trong cơ điện tử

CÁC BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GV: TS Ngô Hà Quang Thịnh Khoa: Cơ-Điện-Điện Tử TỔNG QUAN TỔNG QUAN Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển: • Mục tiêu điều khiển (input) • Các phần tử của hệ thống bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển • Kết quả hay tín hiệu ra (output) HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VÀ PHẢN HỒI Hệ điều khiển nhiệt vòng hở: Hệ điều khiển nhiệt vòng phản hồi: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN Phần tử so sánh Tín hiệu sai lệch = Tín hiệu giá trị chuẩn – Tín hiệu giá trị đo Phần tử điều khiển Phần tử hiệu hỉnh Yếu tố quá trình Phần tử đo • Nhiễu (disturbance) là những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN Như vậy đối với một hệ thống điều khiển nhiệt độ có phản hồi: • Đầu ra (biến đang dược kiểm soát): nhiệt độ căn phòng • Đầu vào (giá trị chuẩn): nhiệt độ yêu cầu cho căn phòng • Phần tử so sánh: sensor thuộc bộ ổn định nhiệt • Tín hiệu sai lệch: chênh lệch giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu • Phần tử điều khiển: bộ ổn định nhiệt • Phần tử điều chỉnh: van khí • Quá trình: sưởi căn phòng HỆ ĐIỀU KHIỂN TUẦN TỰ ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN VI XỬ LÝ Bộ vi xử lí ngày nay thay thế nhanh chóng các bộ điều khiển cơ để thực hiện các năng điều khiển: • Đầu vào: là những tín hiệu từ những công tắc được đóng • Chương trình: quyết định đáp ứng với đầu vào của bộ điều khiển và cho tín hiệu đầu ra • Đầu ra: tín hiệu điều khiển thiết bị ĐIỀU KHIỂN SỐ & CÁC CỔNG LOGIC Điều khiển tương tự (analog control): là điều khiển liên tục với tín hiệu đầu vào từ cảm biến và đầu ra tới cơ cấu kích truyền động (actuator) đang được thay đổi liên tục. Điều khiển số (digital control): là điều khiển không liên tục PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG PHÁP 2 BƯỚC Ví dụ: bộ ổn định nhiệt được sử dụng trong hệ thống sưởi trung tâm. • Là cơ cấu đóng/ngắt theo nhiệt độ: nếu nhiệt độ trong phòng cao hơn nhiệt độ yêu cầu thì bộ phận nung sẽ ngắt. Nếu nhiệt độ căn phòng rơi xuống nhiệt độ thấp hơn yêu cầu , bộ phận nung được đóng Hành động điều khiển không liên tục nên xảy ra dao động quanh trạng thái yêu cầu Thường sử dụng cho quá trình có sự thay đổi rất chậm, độ chính xác không cao Giá thành rẻ, đơn giản ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ Hàm truyền: Trong phương pháp điều khiển tỉ lệ, bộ điều khiển sinh ra hành động điều khiển tỉ lệ với sai lệch. Phương pháp điều khiển điều khiển tỉ lệ thường được sử dụng trong quá trình. Khuyết điểm: hàm truyền lớn hơn đồng nghĩa với sự dao động của hệ thống cao hơn. Vì vậy dễ tạo nên sự không ổn định trong hệ thống. ( ) ( ) ( ) C P U s G s K E s PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VI PHÂN Hàm truyền: Phương pháp điều khiển vi phân bộ điều khiển sinh ra hành động điều chỉnh tỉ lệ với tốc độ sai lệch thay đổi. ( ) ( ) ( ) D C KU s G s E s s PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TÍCH PHÂN Hàm truyền: Phương pháp điều khiển tích phân đem lại hành động điều chỉnh liên tục tăng khi sai lệch vẫn còn. Điều khiển tích phân thường không đi riêng mà hay được sử dụng nối với bộ tỉ lệ. ( ) ( ) ( ) C I U s G s K s E s PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID Hàm truyền: Phương pháp điều khiển này là 1 bộ điều khiển tỉ lệ điều chỉnh theo tích phân để loại sai số dịch chuyển và điều chỉnh vi phân để giảm thời gian trễ. Kết hợp các phương pháp điều khiển để tạo ra bộ điều khiển không có sai lệch bù và các dao động. ( ) ( ) ( ) D C D I KU s G s K K s E s s HIỆN TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN Trễ (lag) Sai lệch ở trạng thái ổn định (steady-state error) ĐIỀU KHIỂN SỐ Ưu điểm: • Phương pháp này có thể thay đổi đơn giản bằng phần mềm máy tính mà không yêu cầu thay đổi phần cứng hoặc đặt lại hệ thống dây điện. • Sử dụng bộ dồn kênh (multiplexer) • Độ chính xác cao ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN ĐẠT LỊCH TRÌNH Điều khiển đạt lịch trình còn được gọi là điều khiển thích nghi được lập trình trước. ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐIỀU CHỈNH Điều khiển tự điều chỉnh là cập nhật liên tục các tham số của nó trên cơ sở giám sát các biến hệ thống đang điều chỉnh và các tín hiệu ra từ bộ điều khiển. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THAM CHIẾU – MẪU Trong hệ thống thích nghi tham chiếu – mẫu, một hệ thống mẫu chính xác được phát triển. Giá trị thiết lập được sử dụng như đầu vào của cả hệ thống thực và hệ thống mẫu. Chênh lệch giữa đầu ra của hai hệ thống này được so sánh và sử dụng để chỉnh tham số của bộ điều khiển. CÁC THIẾT BỊ XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN Máy Tính  Dùng trong những chương trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao  Có giao diện thân thiện  Tốc độ xử lý cao  Có thể lưu trữ với dụng lượng lớn CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN Vi Xử Lý  Dùng trong những chương trình có độ phức tạp không cao  Giao diện không thân thiện với người sử dụng  Tốc độ tính toán không cao  Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dụng lượng rất ít CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC  Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao  Giao diện không thân thiện với người sử dụng  Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít  Môi trường làm việc khắc nghiệt GIỚI THIỆU VỀ PLC Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Tương đương một mạch số CẤU TRÚC PLC CẤU TRÚC PLC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PLC PHÂN LOẠI PLC PLC Hãng sản xuất Siemen Omron Mitsubishi Alenbratlay Version PLC Siemen (S7-200, S7-300, S7-400) PLC Mitsubishi (Fx, Fx0, FxON) CÁC ỨNG DỤNG PLC CÁC ỨNG DỤNG PLC CÁC ỨNG DỤNG PLC ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG PLC Ưu Điểm  Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như dùng rơ-le  Độ linh hoạt cao khi chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển  Chiếm vị trí không gian nhỏ  Nhiều chức năng điều khiển  Tốc độ cao, công suất tiêu thụ nhỏ  Không cần quan tâm nhiều về lắp đặt  Có khả năng mở rộng I/O để kết nối thêm các khối chức năng  Giá thành không cao CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 1. Phương pháp điều khiển vòng hở là gì ? Ưu nhược điểm của phương pháp này 2. Phương pháp điều khiển vòng kín là gì ? Ưu nhược điểm của phương pháp này 3. Bộ điều khiển có vai trò gì trong hệ thống cơ điện tử 4. Trình bày các thiết bị xử lý điều khiển thường gặp