Thuật ngữ cơ bản

Trước khi đề cập đến hệ thống điều khiển và các chương sau, chúng ta phải nắm được một số thuật ngữ cơ bản cần được định nghĩa trước như sau:

Biến điều khiển hay biến quy trình (Process Variable – PV) – Tín hiệu điều khiển: Biến điều khiển là lượng hoặc điều kiện được đo và được điều khiển. Tín hiệu điều khiển là lượng hoặc điều kiện bị tác động bởi bộ điều khiển và làm ảnh hưởng đến biến điều khiển. Thông thường biến điều khiển là ngõ ra của hệ thống. Điều khiển nghĩa là do giá trị biến điều khiển của đối tượng và xuất ra tín hiệu điều khiển đội với hệ thống nhằm sửa sai hoặc hạn chế sai lệch giữa giá trị do được và giá trị mong muốn.

Đối tượng: Đối tượng có thể là một phần của thiết bị, cũng có thể là gồm một phần của hệ thống có chức năng thực hiện một hoạt động cụ thể. Các hệ thống hay chủ thể vật lý như thiết bị cơ khí, lò nhiệt, lò phản ứng hóa học hoặc tàu vũ trụ được xem như là đối tượng.

Quá trình là một hoạt động diễn tiến liên tục trong tự nhiên được đánh dấu bằng một chuỗi thay đổi và hướng tới một kết quả cụ thể hay kết thúc quá trình. Các quá trình như quá trình phản ứng hóa học, quá trình sinh học hay quá trình sản xuất.

Hệ thống là sự kết nối của các bộ phận tương tác lẫn nhau và thực hiện một mục tiêu xác định như hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong phòng. Hệ thống không đồng nhất với hệ thống vật lý và đó là một khái niệm trừu tượng.

Nhiễu là một tín hiệu làm ảnh hưởng đến giá trị ngõ ra của hệ thống. Nếu nhiễu được phát ra từ hệ thống được gọi là nhiều nội. Ngược lại, nếu nhiều từ bên ngoài và thâm nhập vào hệ thống thì được gọi là nhiều ngoài, nó được xem như một ngõ vào.

Điều khiển hồi tiếp (Feedback Control) là một hoạt động có sự hiện diện của nhiều với mục tiêu làm giảm sự sai biệt giữa giá trị thực tế PV và giá trị mong muốn SP của hệ thống. Nếu biết trước được nhiễu can thiệp vào hệ thống thì trong hệ thống sẽ có một hoặc nhiều thành phần để bù.

Điều khiển (Control) là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trước hay làm cho sai biệt giữa giá trị thực và giá trị mong muốn là nhỏ nhất. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự can thiệp của con người.

Sơ đồ khối của một Hệ thống điều khiển cơ bản.

Một hệ thống điều khiển thông thường có dạng như hình trên. Trong đó r (Feference hay Set Point SP) là tín hiệu tham chiếu hay tín hiệu tham khảo hay tín hiệu đặt hay tín hiệu chuẩn hay tín hiệu mong muốn (tuy nhiên trong các Chapter sau này được sử dụng là Set Point – SP), u là tín hiệu điều khiển, nhiễu là tín hiệu nhiễu,  C là tín hiệu ngõ ra (trong các Chapter sau sẽ được gọi là Process Variable – PV), tín hiệu hồi tiếp thông qua Bộ chuyển năng thường là các cảm biến và e tức error (SP-PV) là sai số giữa tín hiệu ngõ ra thực tế và tin hiệu mong muốn.

Đây là những thứ cơ bản nhất và rất quan trong trọng trong quá trình học tập và nghiên cứu về các hệ thống điều khiển. Do vậy trước khi tìm hiểu các Chapter kế tiếp chúng phải làm quen với những định nghĩa này.

Control Loop

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:

Hệ điều khiển vòng hở hay Open-loop System.

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.

Hệ điều khiển vòng kín Closed-loop Control Sytem.

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.

Sơ đồ điều khiển trong công nghiệp sử dụng Closed-loop Control System.

Lý thuyết điều khiển

Lý thuyết điều khiển là gì ?

Lý thuyết điều khiển hay lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học. Nó liên quan trực tiếp đến việc kiểm soát các hệ thống động lực học trong các quy trình và máy móc được thiết kế. Mục tiêu là phát triển một mô hình hoặc thuật toán điều chỉnh đầu vào hệ thống để đưa hệ thống đến “gần” trạng thái hay ngõ ra mong muốn. Đồng thời giảm thiểu tối đa độ trễ, độ vọt lố hoặc trạng thái không ổn định của hệ thống. Việc xây dựng và thiết kế phải đảm bảo hệ thống được kiểm soát với độ ổn định và độ tối ưu cao nhất.

Để làm được điều này, một bộ điều khiển được sử dụng để sửa chữa hay tinh chỉnh là cần thiết. Bộ điều khiển này sẽ giám sát giá trị Process Variable (PV) hay biến quy trình tức giá trị đầu ra thực tế của hệ thống. Sau đó, so sánh nó với điểm tham chiếu hoặc điểm đặt (Set Point – SP) tức đầu ra mong muốn của một hệ thống. Sự khác biệt giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn được gọi là tín hiệu lỗi hoặc sai số error SP-PV, được áp dụng làm phản hồi để tạo ra một hành động điều khiển để đưa PV được điều khiển đến cùng giá trị với SP. Toàn bộ quá trình này được gọi là Hệ thống điều khiển.

Sơ đồ khối Hệ thống điều khiển.

Hệ thống điều khiển bao gồm các thành phần sau:

• r(t) (Set Point): Giá trị đặt hay giá trị mong muốn.
• c(t) (Process Variable): Giá trị thực tế.
• c_ht(t): Tín hiệu hồi tiếp
• e(t) (Error SP-PV): Sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế.
• u(t): Tín hiệu điều khiển.

Để thực hiện được quá trình điều khiển như 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 thông tin, bộ 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. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối ở hình trên là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất.

Đây là cơ sở cho các quy trình tự động hóa tiên tiến đã cách mạng hóa sản xuất, máy bay, truyền thông và các ngành công nghiệp khác. Hệ thống điều khiển trên được gọi là “Feedback Control”, liên quan đến việc thực hiện các phép đo bằng cách sử dụng cảm biến và thực hiện các điều chỉnh được tính toán để giữ cho Process Variable – PV nằm trong phạm vi thiết lập bằng phần tử điều khiển cuối cùng hay “Final control element”, chẳng hạn như van điều khiển.

Chạy xe máy là ví dụ dễ hiểu nhất. Bạn muốn điều khiển xe máy chạy với vận tốc 50 km/h, khi đó bạn sẽ lên hoặc xuống tay ga để xe đi nhanh hơn hoặc chậm hơn tùy thuộc vào tốc độ hiện tại. Đôi mắt sẽ quan sát đồng hồ tốc độ của xe để xác định sự chênh lệch giữa tốc độ hiện tại và tốc độ mong muốn. Não sẽ đưa ra hành động lên ga nếu tốc độ xe dưới 50 km/h và ngược lại nếu trên 50 km/h. Khi đó giá trị mong muốn hay Set Point là 50 km/h; giá trị thực tế hay Process Variable là tốc độ trên đồng hồ tốc độ của xe; cảm biến theo dõi tốc độ hiện tại là đôi mắt của chúng ta; đối tượng điều khiển chính là động cơ xe và cuối cùng bộ điều khiển chính là bộ não.

Hệ thống điều khiển được sử dụng rộng rãi thường được xây dựng bằng một kiểu sơ đồ được gọi là sơ đồ khối. Trong đó, hàm chuyển giao “Transfer Function”, còn được gọi là hàm hệ thống hoặc hàm mạng, là một mô hình toán học về mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dựa trên các phương trình vi phân mô tả hệ thống.

Lý thuyết điều khiển đã có từ thế kỷ 19, khi cơ sở lý thuyết cho hoạt động của các bộ điều khiển lần đầu tiên được mô tả bởi James Clerk Maxwell. Lý thuyết điều khiển đã được Edward Routh tiến bộ hơn nữa vào năm 1874, Charles Sturm và năm 1895, Adolf Hurwitz, tất cả đều góp phần thiết lập các tiêu chuẩn ổn định cho hệ thống; và từ năm 1922 trở đi là sự phát triển của lý thuyết điều khiển PID của Nicolas Minorsky. Mặc dù ứng dụng chính của lý thuyết điều khiển toán học là trong kỹ thuật hệ thống điều khiển, liên quan đến việc thiết kế các hệ thống kiểm soát quy trình cho các ngành công nghiệp, nhưng ngày nay các ứng dụng khác vượt xa điều này như Robotics, IoT hay AIoT. Là lý thuyết chung về “Feedback Control”, lý thuyết điều khiển rất hữu ích ở bất cứ nơi nào có sự phản hồi (Feedback) – do đó lý thuyết điều khiển cũng có các ứng dụng trong khoa học đời sống, kỹ thuật máy tính, xã hội học và nghiên cứu vận hành.

• 

• 

UR 16 và UR 16e là sản phẩm thương mại của Universal Robot. Chuyển động mượt mà của robot là kết quả của việc điều khiển các khớp của robot bằng những bõ điều khiển khác nhau.