After studying this chapter, you sh

After studying this chapter, you should be able to: • Distinguish between open-loop and closed-loop control systems. • Understand control system block diagrams. • Explain transfer functions. • Differentiate between analog and digital control systems. • Know how process control systems work. • Know how servomechanisms work.
INTRODUCTION
A control system is a collection of components working together under the direction of some machine intelligence. In most cases, electronic circuits provide the intelligence, and electromechanical components such as sensors and motors provide the interface to the physical world. A good example is the modern automobile. Various sensors supply the on-board computer with information about the engine’s condition. The computer then calculates the precise amount of fuel to be injected into the engine and adjusts the ignition timing. The mechanical parts of the system include the engine, transmission, wheels, and so on. To design, diagnose, or repair these sophisticated systems, you must understand the electronics, the mechanics, and control system principles. In days past, so-called automatic machines or processes were controlled either by analog electronic circuits,or circuits using switches,relays,and timers. Since the advent of the inexpensive microprocessor, more and more devices and systems are being redesigned to incorporate a microprocessor controller. Examples include copying machines, soft-drink machines, robots, and industrial process controllers. Many of these machines are taking advantage of the increased processing power that comes with the microprocessor and, as a consequence, are becoming more sophisticated and are including new features. Taking again the modern automobile as an example, the original motivation for the on-board computer was to replace the mechanical and vacuum-driven
1
CHAPTER 1 Introduction to Control Systems
subsystems used in the distributor and carburetor. Once a computer was in the design, however, making the system more sophisticated was relatively easy—for example, selfadjusting fuel/air ratio for changes in altitude. Also, features such as computer-assisted engine diagnostics could be had without much additional cost. This trend toward computerized control will no doubt continue in the future.
1.1 CONTROL SYSTEMS
Introduction and Background In a modern control system, electronic intelligence controls some physical process. Control systems are the “automatic” in such things as automatic pilot and automatic washer. Because the machine itself is making the routine decisions, the human operator is freed to do other things. In many cases,machine intelligence is better than direct human control because it can react faster or slower (keep track of long-term slow changes), respond more precisely, and maintain an accurate log of the system’s performance. Control systems can be classified in several ways. A regulator system automatically maintains a parameter at (or near) a specified value. An example of this is a homeheating system maintaining a set temperature despite changing outside conditions. A follow-up system causes an output to follow a set path that has been specified in advance. An example is an industrial robot moving parts from place to place. An event control system controls a sequential series of events. An example is a washing machine cycling through a series of programmed steps. Natural control systems have existed since the beginning of life. Consider how the human body regulates temperature. If the body needs to heat itself, food calories are converted to produce heat; on the other hand, evaporation causes cooling. Because evaporation is less effective (especially in humid climates), it is not surprising that our body temperature (98.6°F) was set near the high end of Earth’s temperature spectrum (to reduce demand on the cooling system). If temperature sensors in the body notice a drop in temperature, they signal the body to burn more fuel. If the sensors indicate too high a temperature, they signal the body to sweat. Man-made control systems have existed in some form since the time of the ancient Greeks. One interesting device described in the literature is a pool of water that could never be emptied. The pool had a concealed float-ball and valve arrangement similar to a toilet tank mechanism. When the water level lowered, the float dropped and opened a valve that admitted more water. Electrical control systems are a product of the twentieth century. Electromechanical relays were developed and used for remote control of motors and devices. Relays and switches were also used as simple logic gates to implement some intelligence. Using vacuum-tube technology, significant development in control systems was made during World War II. Dynamic position control systems (servomechanisms) were developed for aircraft applications, gun turrets, and torpedoes. Today, position control systems are
2 CHAPTER 1
used in machine tools, industrial processes, robots, cars, and office machines, to name a few. Meanwhile, other developments in electronics were having an impact on control system design. Solid-state devices started to replace the power relays in motor control circuits. Transistors and integrated circuit operational amplifiers (IC op-amps) became available for analog controllers. Digital integrated circuits replaced bulky relay logic. Finally, and perhaps most significantly, the microprocessor allowed for the creation of digital controllers that are inexpensive, reliable, able to control complex processes, and adaptable (if the job changes, the controller can be reprogrammed). The subject of control systems is really many subjects: electronics (both analog and digital), power-control devices, sensors, motors, mechanics, and control system theory, which ties together all these concepts. Many students find the subject of control systems to be interesting because it deals with applications of much of the theory to which they have already been exposed. In this text, we will present material in each major subject area that makes up a control system, in more or less the same order that they appear in a control system block diagram. Some readers may choose to skip over (or lightly review) chapters that may be repetitious to them. Finally, figures in this text use conventional current flow, current that travels from the positive to the negative terminal. If you are familiar with electron flow, remember that the theory and “numbers” are the same; only the indicated direction of the current is opposite from what you are used to. Every control system has (at least) a controller and an actuator (also called a final control element). Shown in the block diagram in Figure 1.1, the controller is the intelligence of the system and is usually electronic. The input to the controller is called the set point, which is a signal representing the desired system output. The actuator is an electromechanical device that takes the signal from the controller and converts it into some kind of physical action. Examples of typical actuators would be an electric motor, an electrically controlled valve,or a heating element. The last block in Figure 1.1 is labeled process and has an output labeled controlled variable. The process block represents the physical process being affected by the actuator,and the controlled variable is the measurable result of that process. For example,if the actuator is an electric heating element in a furnace,then the process is “heating the furnace,” and the controlled variable is the temperature in the furnace. If the actuator is an electric motor that rotates an antenna,then the process is “rotating of the antenna,”and the controlled variable is the angular position of the antenna.
INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEMS 3
Figure 1.1 A block diagram of a control system.
ControllerSet point
Actuator (final control element)
Process Controlled variable
(measurable result)
(Desired result)
(electronic intelligence)
(motor, heating element, etc.)
(physical system)
4 CHAPTER 1
Figure 1.2 Open-loop control system.
(b) A simple open-loop position system (Example 1.1)
(a) Block diagram
25° 30°
0°
Electronic control unit30 °
Motor
ControllerSet point
Actuator (motor)
Process (arm)
Controlled variable (arm position)(30 °)
Arm
EXAMPLE 1.1 Figure 1.2 shows an open-loop control system. The actuator is a motor driving a robot arm. In this case, the process is the arm moving, and the controlled variable is the angular position of the arm. Earlier tests have shown that the motor rotates the arm at 5 degrees/second (deg/s) at the rated voltage. Assume that the controller is directed to move the arm from 0° to 30°. Knowing the characteristics of the process, the controller sends a 6-second power pulse to the motor. If the motor is acting properly, it will rotate exactly 30° in the 6 seconds and stop. On particularly cold days, however, the lubricant is more viscous (thicker), causing more internal friction, and the motor rotates only 25° in the 6 seconds; the result is a 5° error. The controller has no way of knowing of the error and does nothing to correct it.
Open-Loop Control Systems Control systems can be broadly divided into two categories: open- and closed-loop systems. In an open-loop control system, the controller independently calculates exact voltage or current needed by the actuator to do the job and sends it. With this approach, however, the controller never actually knows if the actuator did what it was supposed to because there is no feedback. This system absolutely depends on the controller knowing the operating characteristics of the actuator.
Open-loop control systems are appropriate in applications where the actions of the actuator on the process are very repeatable and reliable. Relays and stepper motors (discussed in Chapters 4 and 8, respectively) are devices with reliable characteristics and are usually open-loop operations. Act

Kết quả (Việt) 1:

Sau khi nghiên cứu chương này, bạn sẽ có thể: • Distinguish giữa hệ thống kiểm soát hở và kín. • Hiểu kiểm soát hệ thống khối sơ đồ. • Giải thích chức năng chuyển giao. • Phân biệt giữa các hệ thống điều khiển tương tự và kỹ thuật số. • Biết làm thế nào quá trình kiểm soát hệ thống làm việc. • Biết làm thế nào servomechanisms làm việc. GIỚI THIỆUMột hệ thống kiểm soát là một tập hợp các thành phần làm việc cùng nhau dưới sự hướng dẫn của một số tình báo máy. Trong hầu hết trường hợp, mạch điện tử cung cấp các tình báo, và các thành phần điện cơ như cảm biến và động cơ cung cấp giao diện để thế giới vật lý. Một ví dụ là ô tô hiện đại. Cảm biến khác nhau cung cấp on-board máy tính với các thông tin về tình trạng của động cơ. Máy tính sau đó tính toán lượng nhiên liệu được tiêm vào động cơ, chính xác và điều chỉnh thời gian đánh lửa. Các bộ phận cơ khí của hệ thống bao gồm động cơ, bộ truyền động, bánh xe, và như vậy. Thiết kế, chẩn đoán hoặc sửa chữa các hệ thống phức tạp, bạn phải hiểu điện tử, cơ học, và kiểm soát hệ thống nguyên tắc. Trong những ngày qua, cái gọi là tự động máy hoặc quá trình được kiểm soát bằng mạch điện tử tương tự, hoặc mạch bằng cách sử dụng thiết bị chuyển mạch, chuyển tiếp, và tính giờ. Kể từ sự ra đời của bộ vi xử lý không tốn kém, thêm và thêm thiết bị và hệ thống đang được thiết kế lại để kết hợp một bộ điều khiển vi xử lý. Ví dụ bao gồm sao chép máy móc, đồ uống nhẹ máy, robot, và bộ điều khiển quá trình công nghiệp. Nhiều người trong số các máy này có lợi dụng sức mạnh xử lý tăng mà đi kèm với bộ vi xử lý và, kết quả là, đang ngày càng trở nên tinh vi hơn và bao gồm các tính năng mới. Chụp lại ô tô hiện đại như là một ví dụ, các động lực ban đầu cho on-board máy tính là để thay thế các cơ khí và chân không-hướng.1Chương 1 giới thiệu về hệ thống điều khiển Hệ thống phụ được sử dụng trong các nhà phân phối và bộ chế hòa khí. Một khi một máy tính vào thiết kế, Tuy nhiên, làm cho hệ thống phức tạp hơn là tương đối dễ dàng — ví dụ, tỷ lệ nhiên liệu/không khí selfadjusting cho những thay đổi trong độ cao. Ngoài ra, các tính năng như hỗ trợ máy tính công cụ chẩn đoán có thể có được mà không có nhiều chi phí bổ sung. Xu hướng này hướng tới quyền kiểm soát trên máy vi tính không có nghi ngờ sẽ tiếp tục trong tương lai. 1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Giới thiệu và nền trong một hệ thống điều khiển hiện đại, tình báo điện tử điều khiển một số quá trình vật lý. Hệ thống điều khiển là "tự động" trong những thứ như thí điểm tự động và máy giặt tự động. Bởi vì máy chính nó là làm cho các quyết định thường xuyên, các nhà điều hành của con người được tự do làm những thứ khác. Trong nhiều trường hợp, Máy thông minh là tốt hơn so với kiểm soát trực tiếp của con người vì nó có thể phản ứng nhanh hơn hoặc chậm hơn (giữ theo dõi của những thay đổi chậm lâu dài), đáp ứng chính xác hơn, và duy trì một bản ghi chính xác của hiệu suất của hệ thống. Hệ thống điều khiển có thể được phân loại theo nhiều cách. Một hệ thống điều chỉnh tự động duy trì một tham số tại (hoặc gần) một giá trị được chỉ định. Một ví dụ về điều này là một hệ thống homeheating duy trì một nhiệt độ thiết lập mặc dù thay đổi bên ngoài điều kiện. Một hệ thống theo dõi gây ra một sản lượng để thực hiện theo một con đường thiết lập đã được chỉ định trước. Một ví dụ là một robot công nghiệp bộ phận chuyển động từ nơi này đến nơi. Một sự kiện kiểm soát hệ thống điều khiển một loạt các sự kiện tuần tự. Một ví dụ là một máy giặt đi xe đạp qua một loạt các bước được lập trình. Hệ thống điều khiển tự nhiên đã tồn tại từ sự khởi đầu của cuộc sống. Xem xét như thế nào cơ thể con người điều chỉnh nhiệt độ. Nếu cơ thể cần phải nhiệt chính nó, thực phẩm calo được chuyển đổi để sản xuất nhiệt; mặt khác, bay hơi gây ra làm mát. Bởi vì sự bay hơi là ít hiệu quả (đặc biệt là trong khí hậu ẩm ướt), nó không phải là đáng ngạc nhiên rằng nhiệt độ cơ thể của chúng tôi (98,6 ° F) đã được thiết lập gần cao cấp của trái đất của nhiệt độ quang phổ (để làm giảm nhu cầu về hệ thống làm mát). Nếu cảm biến nhiệt độ trong cơ thể thông báo giảm nhiệt độ, họ tín hiệu cơ thể đốt cháy nhiên liệu hơn. Nếu các cảm biến chỉ ra một nhiệt độ quá cao, họ tín hiệu cơ thể đổ mồ hôi. Hệ thống điều khiển nhân tạo có tồn tại ở một số hình thức kể từ thời Hy Lạp cổ đại. Một thiết bị thú vị mô tả trong các tài liệu là một hồ nước mà có thể không bao giờ được làm trống. Hồ bơi có che giấu nổi-bóng và van sắp xếp tương tự như một cơ chế tăng nhà vệ sinh. Khi mực nước giảm, các phao giảm và mở một van thừa nhận nhiều nước hơn. Hệ thống điều khiển điện là một sản phẩm của thế kỷ XX. Rơ le điện cơ được phát triển và sử dụng điều khiển từ xa của động cơ và thiết bị. Rơ le và thiết bị chuyển mạch cũng được dùng như logic đơn giản cổng để thực hiện một số tình báo. Sử dụng công nghệ ống chân không, phát triển quan trọng trong hệ thống điều khiển đã được thực hiện trong chiến tranh thế giới thứ hai. Hệ thống kiểm soát vị trí năng động (servomechanisms) được phát triển cho máy bay ứng dụng, tháp pháo và ngư lôi. Hôm nay, Hệ thống kiểm soát vị trí2 CHƯƠNG 1used in machine tools, industrial processes, robots, cars, and office machines, to name a few. Meanwhile, other developments in electronics were having an impact on control system design. Solid-state devices started to replace the power relays in motor control circuits. Transistors and integrated circuit operational amplifiers (IC op-amps) became available for analog controllers. Digital integrated circuits replaced bulky relay logic. Finally, and perhaps most significantly, the microprocessor allowed for the creation of digital controllers that are inexpensive, reliable, able to control complex processes, and adaptable (if the job changes, the controller can be reprogrammed). The subject of control systems is really many subjects: electronics (both analog and digital), power-control devices, sensors, motors, mechanics, and control system theory, which ties together all these concepts. Many students find the subject of control systems to be interesting because it deals with applications of much of the theory to which they have already been exposed. In this text, we will present material in each major subject area that makes up a control system, in more or less the same order that they appear in a control system block diagram. Some readers may choose to skip over (or lightly review) chapters that may be repetitious to them. Finally, figures in this text use conventional current flow, current that travels from the positive to the negative terminal. If you are familiar with electron flow, remember that the theory and “numbers” are the same; only the indicated direction of the current is opposite from what you are used to. Every control system has (at least) a controller and an actuator (also called a final control element). Shown in the block diagram in Figure 1.1, the controller is the intelligence of the system and is usually electronic. The input to the controller is called the set point, which is a signal representing the desired system output. The actuator is an electromechanical device that takes the signal from the controller and converts it into some kind of physical action. Examples of typical actuators would be an electric motor, an electrically controlled valve,or a heating element. The last block in Figure 1.1 is labeled process and has an output labeled controlled variable. The process block represents the physical process being affected by the actuator,and the controlled variable is the measurable result of that process. For example,if the actuator is an electric heating element in a furnace,then the process is “heating the furnace,” and the controlled variable is the temperature in the furnace. If the actuator is an electric motor that rotates an antenna,then the process is “rotating of the antenna,”and the controlled variable is the angular position of the antenna.GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG KIỂM SOÁT 3Sơ đồ khối hình 1.1 A của một hệ thống kiểm soát.ControllerSet điểmThiết bị truyền động (phần tử cuối cùng điều khiển)Biến kiểm soát quá trình(kết quả đo được)(Kết quả mong muốn)(tình báo điện tử)(động cơ, Hệ thống sưởi phần tử, vv.)(vật lý hệ thống)4 CHƯƠNG 1Hệ thống điều khiển của con số 1,2 hở.(b) một hệ thống đơn giản hở vị trí (ví dụ 1.1)(a) khối sơ đồ25° 30°0°Điều khiển điện tử unit30 °Động cơControllerSet điểmThiết bị truyền động (động cơ)Quá trình (cánh tay)Kiểm soát biến (mang theo vị trí)(30 °)Cánh tayVí dụ 1.1 hình 1.2 cho thấy một hệ thống kiểm soát hở. Thiết bị truyền động là một động cơ lái xe một cánh tay robot. Trong trường hợp này, tiến trình là cánh tay di chuyển, và biến điều khiển là vị trí góc của cánh tay. Bài kiểm tra trước đó đã chỉ ra rằng các động cơ quay cánh tay lúc 5 độ/giây (độ/s) ở mức điện áp. Giả định rằng bộ điều khiển là hướng để di chuyển cánh tay từ 0° ra 30°. Biết các đặc tính của quá trình, bộ điều khiển sẽ gửi một xung 6 giây điện cho động cơ. Nếu động cơ hoạt động đúng, nó sẽ xoay chính xác 30° trong 6 giây và dừng lại. Vào những ngày là đặc biệt lạnh, Tuy nhiên, các chất bôi trơn là hơn nhớt (dày), gây ra nhiều ma sát nội bộ, và động cơ quay chỉ 25° trong 6 giây; kết quả là một lỗi 5°. Bộ điều khiển không có cách hiểu biết của các lỗi và không có gì để sửa chữa nó. Hệ thống hở kiểm soát hệ thống điều khiển có thể được rộng rãi chia thành hai loại: mở và đóng cửa-vòng lặp hệ thống. Trong một hệ thống kiểm soát hở, bộ điều khiển độc lập tính toán chính xác điện áp hay hiện tại cần thiết bởi thiết bị truyền động để thực hiện công việc và gửi nó. Với cách tiếp cận này, Tuy nhiên, bộ điều khiển không bao giờ thực sự biết nếu thiết bị truyền động đã làm những gì nó đã được yêu cầu vì không có thông tin phản hồi. Hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào bộ điều khiển biết đặc điểm hoạt động của thiết bị truyền động. Hệ thống kiểm soát hở được thích hợp trong các ứng dụng mà các hành động của thiết bị truyền động về quá trình là rất lặp lại và đáng tin cậy. Rơ le và cơ stepper (thảo luận trong chương 4 và 8, tương ứng) các thiết bị với đặc điểm đáng tin cậy và hoạt động thường hở. Hành động

Kết quả (Việt) 2:

Sau khi nghiên cứu chương này, bạn sẽ có thể: • Phân biệt giữa vòng hở và hệ thống điều khiển vòng kín. • Hiểu được kiểm soát sơ đồ khối hệ thống. • Giải thích các chức năng chuyển giao. • Phân biệt giữa hệ thống điều khiển kỹ thuật số và analog. • Biết cách hệ thống điều khiển quá trình làm việc. • Biết cách Servomechanisms công việc.
GIỚI THIỆU
Một hệ thống điều khiển là tập hợp các thành phần cùng làm việc dưới sự chỉ đạo của một số máy thông minh. Trong hầu hết các trường hợp, các mạch điện tử cung cấp các thông tin tình báo, và các thành phần điện như cảm biến và động cơ cung cấp giao diện cho thế giới vật chất. Một ví dụ là các ô tô hiện đại. Cảm biến khác nhau cung cấp các máy tính trên tàu với các thông tin về tình trạng của động cơ. Các máy tính sau đó tính toán mức độ chính xác của nhiên liệu được phun vào động cơ và điều chỉnh thời điểm đánh lửa. Các bộ phận cơ khí của hệ thống bao gồm động cơ, hộp số, bánh xe, và như vậy. Để thiết kế, chẩn đoán, hoặc sửa chữa các hệ thống phức tạp, bạn phải hiểu các thiết bị điện tử, cơ khí, và các nguyên tắc hệ thống điều khiển. Trong ngày qua, cái gọi là máy tự động hoặc các quy trình được kiểm soát hoặc bằng các mạch điện tử tương tự, hoặc các mạch sử dụng thiết bị chuyển mạch, rơle, và tính giờ. Kể từ sự ra đời của các bộ vi xử lý không tốn kém, ngày càng nhiều các thiết bị và hệ thống đang được thiết kế lại để kết hợp một bộ điều khiển vi xử lý. Ví dụ như máy photocopy, máy nước giải khát, robot, và điều khiển quá trình công nghiệp. Nhiều người trong số các máy này đang tận dụng sức mạnh xử lý tăng lên mà đi kèm với các bộ vi xử lý và, như một hệ quả, đang trở nên phức tạp hơn và được bao gồm các tính năng mới. Lấy lại các ô tô hiện đại như một ví dụ, những động lực ban đầu cho các máy tính trên tàu là để thay thế cơ khí và chân không hướng
1
Chương 1 Giới thiệu về Kiểm soát hệ thống
hệ thống con được sử dụng trong các nhà phân phối và bộ chế hòa khí. Khi một máy tính đã được thiết kế, tuy nhiên, làm cho hệ thống tinh vi hơn là tỷ lệ / không khí nhiên liệu tương đối dễ dàng, ví dụ, selfadjusting cho những thay đổi về độ cao. Ngoài ra, các tính năng như chẩn đoán động cơ hỗ trợ máy tính có thể có được mà không cần nhiều chi phí bổ sung. Xu thế hướng tới kiểm soát bằng máy tính sẽ không có nghi ngờ tiếp tục trong tương lai.
1.1 HỆ THỐNG KIỂM SOÁT
Giới thiệu và Bối cảnh Trong một hệ thống điều khiển hiện đại, thông minh điện tử điều khiển một số quá trình vật lý. Hệ thống điều khiển là "tự động" trong những việc như lái tự động và máy giặt tự động. Bởi vì bản thân máy được làm những quyết định thông thường, các nhà điều hành của con người được giải phóng để làm những việc khác. Trong nhiều trường hợp, máy thông minh là tốt hơn so với kiểm soát của con người trực tiếp bởi vì nó có thể phản ứng nhanh hơn hoặc chậm hơn (theo dõi các thay đổi chậm dài hạn), đáp ứng chính xác hơn, và duy trì một bản ghi chính xác về hiệu suất của hệ thống. Hệ thống điều khiển có thể được phân loại theo nhiều cách. Một hệ thống điều chỉnh tự động duy trì một tham số tại (hoặc gần) một giá trị xác định. Một ví dụ của việc này là một hệ thống homeheating duy trì nhiệt độ cài đặt mặc dù thay đổi các điều kiện bên ngoài. Một hệ thống theo dõi gây ra một đầu ra theo một con đường bộ đã được xác định trước. Một ví dụ là một robot công nghiệp bộ phận chuyển động từ nơi này đến nơi khác. Một hệ thống kiểm soát sự kiện kiểm soát một loạt trình tự các sự kiện. Một ví dụ là một xe đạp máy giặt thông qua một loạt các bước lập trình. Hệ thống kiểm soát tự nhiên đã tồn tại kể từ khi bắt đầu cuộc sống. Hãy xem xét làm thế nào cơ thể con người điều chỉnh nhiệt độ. Nếu cơ thể cần để làm nóng bản thân, calo thức ăn được chuyển đổi để sản xuất nhiệt; Mặt khác, sự bay hơi làm mát gây ra. Bởi vì sự bốc hơi là kém hiệu quả (đặc biệt là ở vùng khí hậu ẩm), nó không phải là đáng ngạc nhiên rằng nhiệt độ cơ thể của chúng tôi (98,6 ° F) được thành lập gần cuối cao của quang phổ nhiệt độ của Trái đất (để giảm nhu cầu về các hệ thống làm mát). Nếu cảm biến nhiệt độ trong cơ thể nhận thấy một sự sụt giảm nhiệt độ, chúng báo hiệu cơ thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn. Nếu các cảm biến chỉ ra nhiệt độ quá cao, chúng báo hiệu cơ thể đổ mồ hôi. Hệ thống điều khiển con người tạo ra đã tồn tại trong một số hình thức kể từ thời Hy Lạp cổ đại. Một thiết bị thú vị được mô tả trong các tài liệu là một hồ nước mà không bao giờ có thể được làm trống. Các hồ bơi có một phao-bi và van bố trí che dấu tương tự như một cơ chế vệ sinh bồn chứa. Khi mực nước hạ xuống, float giảm và mở van nạp nhiều nước hơn. Hệ thống điều khiển điện là một sản phẩm của thế kỷ XX. Rơ le điện được phát triển và sử dụng cho điều khiển từ xa của động cơ và các thiết bị. Rơ le và công tắc cũng được sử dụng như cổng logic đơn giản để thực hiện một số thông tin tình báo. Sử dụng công nghệ hút chân ống, phát triển quan trọng trong hệ thống kiểm soát đã được thực hiện trong Thế chiến II. Hệ thống điều khiển vị trí động (Servomechanisms) đã được phát triển cho các ứng dụng máy bay, tháp pháo và ngư lôi. Hôm nay, các hệ thống điều khiển vị trí là
2 CHƯƠNG 1
được sử dụng trong các máy công cụ, quy trình công nghiệp, robot, xe hơi, và các loại máy văn phòng, đến tên một vài. Trong khi đó, sự phát triển khác trong ngành điện tử đã có tác động đến thiết kế hệ thống điều khiển. Thiết bị trạng thái rắn bắt đầu thay thế các rơle điện trong mạch điều khiển động cơ. Bóng bán dẫn và mạch tích hợp bộ khuếch đại hoạt động (IC op-amps) trở thành có sẵn cho các bộ điều khiển analog. Mạch tích hợp kỹ thuật số thay thế lý tiếp sức cồng kềnh. Cuối cùng, và có lẽ quan trọng nhất, các bộ vi xử lý cho phép để tạo ra các bộ điều khiển kỹ thuật số mà không tốn kém, đáng tin cậy, có khả năng kiểm soát các quá trình phức tạp, và khả năng thích ứng (nếu thay đổi công việc, các bộ điều khiển có thể lập trình). Các chủ đề của hệ thống kiểm soát thực sự nhiều đối tượng: điện tử (cả analog và kỹ thuật số), các thiết bị điện điều khiển, cảm biến, động cơ, cơ khí, và lý thuyết hệ thống điều khiển, mà quan hệ với nhau tất cả những khái niệm này. Nhiều sinh viên tìm thấy chủ đề của hệ thống điều khiển là thú vị bởi vì nó đề với các ứng dụng của phần lớn các lý thuyết mà họ đã từng tiếp xúc. Trong văn bản này, chúng tôi sẽ trình bày tài liệu trong mỗi môn học chính tạo nên một hệ thống kiểm soát, nhiều hơn hoặc ít hơn theo thứ tự mà chúng xuất hiện trong một sơ đồ khối hệ thống kiểm soát. Một số độc giả có thể chọn để bỏ qua (hoặc nhẹ xét) chương mà có thể được lặp đi lặp lại với họ. Cuối cùng, số liệu trong văn bản này sử dụng dòng điện thông thường, hiện nay đi từ cực dương đến cực âm. Nếu bạn đã quen thuộc với dòng electron, hãy nhớ rằng các lý thuyết và "số" là như nhau; chỉ theo hướng chỉ của hiện tại là đối diện với những gì bạn đang sử dụng để. Mỗi hệ thống điều khiển có (ít nhất) một bộ điều khiển và một thiết bị truyền động (cũng được gọi là một phần tử điều khiển cuối cùng). Thể hiện trong sơ đồ khối trong hình 1.1, bộ điều khiển là sự thông minh của hệ thống và thường là điện tử. Các đầu vào để điều khiển được gọi là điểm tập hợp, đó là một tín hiệu đại diện cho sản lượng hệ thống mong muốn. Thiết bị truyền động là một thiết bị cơ điện mà mất tín hiệu từ bộ điều khiển và chuyển đổi nó thành một số loại hành động vật chất. Ví dụ về các thiết bị truyền động điển hình sẽ là một động cơ điện, van điều khiển bằng điện, hoặc một yếu tố làm nóng. Khối cuối cùng trong hình 1.1 được dán nhãn quy trình và có một sản lượng nhãn kiểm soát biến. Khối quá trình đại diện cho các quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi các thiết bị truyền động, và các biến kiểm soát là kết quả có thể đo lường các quá trình đó. Ví dụ, nếu các thiết bị truyền động là một yếu tố làm nóng bằng điện trong lò, sau đó quá trình này là "để làm nóng lò," và biến điều khiển là nhiệt độ trong lò. Nếu các thiết bị truyền động là một động cơ điện xoay ăng ten, sau đó quá trình này là "luân phiên của các ăng-ten," và các biến kiểm soát là các vị trí góc của anten.
GIỚI THIỆU VỀ KIỂM SOÁT HỆ THỐNG 3
Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển.
ControllerSet điểm
Thiết bị truyền động (phần tử điều khiển cuối cùng)
Quá trình biến kiểm soát
(kết quả đo được)
(kết quả mong muốn)
(tình báo điện tử)
(động cơ, yếu tố làm nóng, vv)
(hệ thống vật lý)
4 CHƯƠNG 1
hình hệ thống điều khiển 1.2 Open-loop.
(b) Một hệ thống đơn giản, vòng lặp mở vị trí (Ví dụ 1.1)
(a) Sơ đồ khối
25 ° 30 °
0 °
khiển điện tử unit30 °
động cơ
ControllerSet điểm
Thiết bị truyền động (động cơ)
Process (tay)
kiểm soát biến (vị trí cánh tay) (30 °)
Arm
VÍ DỤ 1.1 Hình 1.2 cho thấy một hệ thống điều khiển vòng hở. Thiết bị truyền động là một động cơ thúc đẩy một cánh tay robot. Trong trường hợp này, quá trình này là chuyển động cánh tay, và các biến kiểm soát là các vị trí góc của cánh tay. Các xét nghiệm trước đó đã chỉ ra rằng động cơ làm quay cánh tay ở 5 độ / giây (° / s) ở điện áp định mức. Giả sử rằng bộ điều khiển được hướng để di chuyển cánh tay từ 0 ° đến 30 °. Biết được đặc điểm của quá trình, bộ điều khiển sẽ gửi một xung điện 6 giây với động cơ. Nếu động cơ là hành động đúng cách, nó sẽ xoay đúng 30 ° trong 6 giây và dừng lại. Vào những ngày đặc biệt lạnh, tuy nhiên, chất bôi trơn là nhớt hơn (dày), gây ra ma sát nội bộ nhiều hơn, và động cơ quay chỉ 25 ° trong 6 giây; kết quả là một lỗi 5 °. Bộ điều khiển không có cách nào biết về lỗi và không làm gì để sửa nó.
Vòng hở các hệ thống điều khiển hệ thống điều khiển có thể được phân chia thành hai loại: hệ thống open- và vòng kín. Trong một hệ thống điều khiển vòng hở, bộ điều khiển độc lập tính toán điện áp chính xác hoặc hiện tại cần thiết bởi các thiết bị truyền động để làm các công việc và gửi nó. Với phương pháp này, tuy nhiên, bộ điều khiển không bao giờ thực sự biết nếu các thiết bị truyền động đã làm những gì nó được cho là vì không có thông tin phản hồi. Hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào các điều khiển biết các đặc điểm hoạt động của các thiết bị truyền động.
Hệ thống điều khiển mở-loop là thích hợp trong các ứng dụng mà các hành động của các thiết bị truyền động vào quá trình này rất có thể lặp lại và đáng tin cậy. Rơ le và động cơ bước (thảo luận ở chương 4 và 8, tương ứng) là những thiết bị với các đặc tính đáng tin cậy và thường hoạt động mở vòng. Hành động