Open-loop System
Hệ điều khiển vòng hở (Open-loop System) trong đó hành động điều khiển từ bộ điều khiển độc lập với giá trị ngõ ra hay Process Variable – PV. Điều khiển vòng hở là điều khiển không quan sát ngõ ra. Nói cách khác, điều khiển vòng hở không đo ngõ ra cũng không hồi tiếp từ tín hiệu từ ngõ ra để so sánh với tín hiệu ngõ vào. Sơ đồ điều khiển vòng hở được mô tả như hình sau:
Dựa trên Set Point – SP là r(t), bộ điều khiển xuất tín hiệu điều khiển u(t) để điều khiển đối tượng với ngõ ra thực tế y(t) hay Process Variable – PV mà không cần quan tâm đến đối tượng có thực hiện yêu cầu từ tín hiệu điều khiển hay không. Đối với hệ điều khiển vòng hở thường được dùng để điều khiển các đối tượng với đáp ứng không cần độ chính xác cao.
Trong đời sống thực tế có rất nhiều loại hệ thống điều khiển vòng hở như điều khiển máy giặt, điều khiển máy nước nóng, điều khiển lò nướng…Các hoạt động của máy giặt bao gồm: ngâm, giặt và xả. Các hoạt động này dựa trên thời gian chờ định trước ví dụ như giặc trong 15 phút, ngâm trong 5 phút. Máy giặt không đo tín hiệu ngõ ra như độ sạch hay độ ẩm của quần áo chẳng hạn. Do hệ điều khiển vòng hở không so sánh với tín hiệu ngõ vào mong muốn nên tín hiệu ngõ vào sẽ tương ứng với một điều kiện hoạt động cố định. Chính vì thế độ chính xác của hệ thống sẽ phụ thuộc vào việc điều khiển ban đầu, hệ thống sẽ “chạy”, “dừng” hoặc “chạy/dừng trong một khoảng thời gian” được cài đặt trước. Nếu có nhiễu can thiệp thì hệ điều khiển vòng hở sẽ không hoạt động theo đúng mong muốn. Nói chung các hoạt động dựa trên thời gian chờ đều là hệ điều khiển vòng hở.
Closed-loop Control System
Hệ điều khiển vòng kín (Closed-loop Control System) là một hệ thống duy trì mối quan hệ giữa giá trị mong muốn Set Point – SP và ngõ ra thực tế Process Variable – PV bằng cách so sánh chúng và sử dụng sự sai số hay SP-PV (Xem Chapter A Introduction) này như một “điểm nhận biết” để điều khiển thì được gọi là hệ điều khiển vòng kín. Nói cách khác, điều khiển vòng kín là điều khiển có quan sát ngõ ra.
Hình trên trình bày sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín. Dựa trên sự sai biệt giữa tín hiệu mong muốn SP và tín hiệu ngõ ra thực tế PV, bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu điều khiển tức Sytem Input để điều khiển đối tượng hoặc hệ thống sao cho PV gần giống với SP hay sai lệch error (SP-PV) là nhỏ nhất.
Hệ điều khiển vòng kín được dùng để điều khiển các đối tượng với đáp ứng cần độ chính xác cao. Hệ thống điều khiển nhiệt độ là một ví dụ minh chứng cho hệ điều khiển vòng kín. Một bộ điều nhiệt độ sẽ so sánh nhiệt độ thực tế (PV) với nhiệt độ đặt trên bộ điều nhiệt (SP). Bộ điều khiển sẽ tạo ra một đầu ra bộ điều khiển để duy trì nhiệt độ ở mức mong muốn bằng cách bật tắt hệ thống làm mát. Do tín hiệu ngõ ra được quan sát liên tục và hồi tiếp – Feedback để so sánh với tín hiệu mong muốn SP nên nhiễu can thiệp vào hệ thống có thể bị loại bỏ nhờ bộ điều khiển. Chính điều này làm cho hệ điều khiến vòng kín có độ tin cậy cao. Vì lý do này, bộ điều khiển vòng kín “Closed-loop Control System” còn được gọi là bộ điều khiển phản hồi “Feedback Control”.
Thuận lợi – Bất lợi
Thuận lợi của hệ điều khiển vòng kín so với hệ vòng hở là có hồi tiếp nên đáp ứng của hệ thống ít bị ảnh hưởng với nhiễu cũng như sự thay đổi các tham số bên trong của hệ thống. Nếu xét về tính ổn định của hệ thống thì hệ điều khiển vòng hở dễ thiết kế hơn bởi vì hệ này không xem tính ổn định của hệ thống là vấn đề then chốt trong khi hệ điều khiến vòng kín thì đòi hỏi phải có. Hệ điều khiển vòng kín huớng tới sửa lỗi và có thể làm cho biên độ của tín hiệu điều khiển thay đổi.
Chú ý rằng nếu hệ thống có các ngõ vào được biết hoặc đặt trước và không có nhiễu can thiệp vào hệ thống thì nên sử dụng hệ điều khiển vòng hở. Hệ điều khiển vòng kín với thuận lợi là có thể áp dụng cho hệ thống có ngõ vào bị ảnh hưởng bởi nhiễu hoặc các tham số của hệ thống bị thay đổi. Do có nhiều thành phần được sử dụng trong hệ điều khiển vòng kín nên chi phí để thiết kế cho hệ này sẽ cao hơn so với hệ vòng hở tương ứng. Thông thường người ta kết hợp giữa điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín để giảm chi phí nhưng vẫn thỏa mãn được chỉ tiêu chất lượng của hệ thống.
Những thuận lợi chỉnh của hệ điều khiển vòng hở như cấu trúc đơn giản và dễ bảo trì; thiết kế rẻ tiền hơn so với hệ điều khiển vòng kín tương ứng. Không quan tâm đến tính ổn định của hệ thống, đối với các hệ thống khó hoặc không thể đo ngõ ra chính xác. Nhưng bên cạnh đó, nhiễu và những thay đổi bất ngờ dẫn đến sai khác với tính toán có thể xảy ra lỗi làm cho giá trị thực tế PV có thể không giống với giá trị mong muốn SP.
Những thuận lợi chính của hệ điều khiển vòng kín như nhiễu và các tham số của hệ thống có thể thay đổi nhưng PV của hệ thống vẫn đảm bảo giống với SP. Do có hồi tiếp nên bộ điều khiển sửa sai liên tục nên không cần cân chỉnh nhiều và hệ thống có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp và khó dễ bảo trì; thiết kế phức tạp và tốn kém hơn so với hệ điều khiển vòng hở tương ứng. Tinh chỉnh để hệ thống đạt được sự ổn định là một trong những tiêu chí chất lượng cần được quan tâm nhất. Ngoài ra, cần phải do chính xác ngõ ra nếu cảm biến phản hồi sai tín hiệu thự tế PV thì bộ điều khiển sẽ đưa ra quyết định sai và hệ thống sẽ không ổn định.
Cybernetics For You 