Hệ thống điều khiển: Giới thiệu về điều khiển vòng hở và vòng kín

Hệ thống điều khiển được sử dụng để duy trì điểm đặt hoặc đầu ra mong muốn bằng cách điều chỉnh tín hiệu đầu vào. Hệ thống điều khiển có thể là vòng hở hoặc vòng kín. Hệ thống điều khiển vòng hở không có vòng phản hồi và hệ thống điều khiển vòng kín thì có.

Trong bài viết này, tôi sẽ giải thích hệ thống điều khiển là gì, cách chúng hoạt động và cách chúng được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày. Ngoài ra, tôi sẽ chia sẻ một số sự thật thú vị về các hệ thống điều khiển mà bạn có thể chưa biết!

Hệ thống điều khiển- Nghệ thuật thiết kế và triển khai

Các hệ thống điều khiển liên quan đến quá trình thiết lập và duy trì một đầu ra cụ thể bằng cách điều chỉnh tín hiệu đầu vào. Mục tiêu là tạo ra đầu ra chính xác và nhất quán, bất chấp mọi thay đổi ban đầu trong đầu vào. Quá trình này bao gồm một số giai đoạn, bao gồm:

• Giai đoạn đầu vào: nơi nhận tín hiệu đầu vào
• Giai đoạn xử lý: nơi tín hiệu được xử lý và phân tích
• Giai đoạn đầu ra: nơi tín hiệu đầu ra được tạo ra

Vai trò của hệ thống điều khiển trong sản xuất

Hệ thống điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất và phân phối trong nhiều ngành công nghiệp. Công nghệ tự động hóa thường được sử dụng để thực hiện các hệ thống này, có thể rất phức tạp và tốn kém để xây dựng. Các yếu tố sau đây được yêu cầu để tạo ra một hệ thống kiểm soát tuyệt vời:

• Một sự hiểu biết tốt về hệ thống được kiểm soát
• Khả năng thiết kế và triển khai đúng loại hệ thống điều khiển
• Một gói các thiết kế và kỹ thuật tiêu chuẩn có thể được áp dụng cho các tình huống cụ thể

Các bước liên quan đến việc tạo một hệ thống kiểm soát

Quá trình tạo ra một hệ thống điều khiển bao gồm các bước sau:

• Thiết kế cấu trúc của hệ thống: Điều này liên quan đến việc xác định loại hệ thống điều khiển cần thiết và các thành phần sẽ được bao gồm
• Triển khai hệ thống: Điều này liên quan đến việc xây dựng hệ thống một cách cẩn thận và chạy thử nghiệm để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động chính xác
• Duy trì hệ thống: Điều này liên quan đến việc theo dõi hiệu suất của hệ thống theo thời gian và thực hiện bất kỳ thay đổi cần thiết nào để đảm bảo rằng hệ thống tiếp tục hoạt động bình thường

Điều khiển vòng hở và vòng kín: Sự khác biệt giữa đầu ra tự hiệu chỉnh và đầu ra cố định

Hệ thống điều khiển vòng hở còn được gọi là điều khiển không phản hồi. Các hệ thống này có đầu ra cố định không được điều chỉnh dựa trên bất kỳ đầu vào hoặc phản hồi nào. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển vòng hở là điển hình và bao gồm đầu vào, điểm đặt và đầu ra. Đầu vào là tín hiệu được sử dụng để tạo ra đầu ra mong muốn. Điểm đặt là giá trị đích cho đầu ra. Đầu ra là kết quả của quá trình đang chạy.

Ví dụ về các hệ thống điều khiển vòng hở bao gồm:

• Máy nướng bánh mì: Cần gạt được đặt ở giai đoạn “bật” và các cuộn dây được làm nóng đến nhiệt độ cố định. Máy nướng bánh mì vẫn nóng cho đến thời gian đã định và bánh mì nướng bật lên.
• Điều khiển hành trình trong xe: Các điều khiển được thiết lập để duy trì vận tốc cố định. Hệ thống không điều chỉnh dựa trên các điều kiện thay đổi, chẳng hạn như đồi hoặc gió.

Điều khiển vòng kín: Tự hiệu chỉnh cho đầu ra nhất quán

Hệ thống điều khiển vòng kín, còn được gọi là hệ thống điều khiển phản hồi, có khả năng tự hiệu chỉnh để duy trì đầu ra ổn định. Sự khác biệt giữa hệ thống vòng hở và vòng kín là hệ thống vòng kín có khả năng tự sửa lỗi trong khi hệ thống vòng hở thì không. Cấu trúc của hệ thống điều khiển vòng kín tương tự như cấu trúc của hệ thống vòng hở, nhưng nó bao gồm một vòng phản hồi. Vòng phản hồi dẫn từ đầu ra đến đầu vào, cho phép hệ thống liên tục theo dõi và điều chỉnh dựa trên các điều kiện thay đổi.

Ví dụ về các hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm:

• Kiểm soát nhiệt độ trong phòng: Hệ thống điều chỉnh hệ thống sưởi hoặc làm mát dựa trên nhiệt độ trong phòng để duy trì nhiệt độ ổn định.
• Điều khiển khuếch đại trong hệ thống âm thanh: Hệ thống điều chỉnh độ khuếch đại dựa trên đầu ra để duy trì mức âm thanh nhất quán.

Hệ thống kiểm soát phản hồi: Đưa khả năng kiểm soát lên cấp độ tiếp theo

How to strip wire fast

Share

Watch on

Hệ thống kiểm soát phản hồi là một loại hệ thống kiểm soát sử dụng đầu ra của một quy trình để kiểm soát đầu vào. Nói cách khác, hệ thống nhận tín hiệu từ quá trình được điều khiển và sử dụng tín hiệu đó để điều chỉnh đầu vào nhằm đạt được đầu ra mong muốn.

Sơ đồ và tên liên kết với hệ thống kiểm soát phản hồi

Có một số sơ đồ và tên liên quan đến hệ thống kiểm soát phản hồi, bao gồm:

• Sơ đồ khối: Chúng hiển thị các thành phần của hệ thống điều khiển phản hồi và cách chúng được kết nối.
• Các hàm truyền: Chúng mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống.
• Hệ thống vòng kín: Đây là những hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đầu ra được đưa trở lại đầu vào để duy trì đầu ra mong muốn.
• Hệ thống vòng hở: Đây là những hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đầu ra không được đưa trở lại đầu vào.

Điều khiển logic: Hệ thống điều khiển đơn giản và hiệu quả

Điều khiển logic là một loại hệ thống điều khiển sử dụng logic Boolean hoặc các hoạt động logic khác để đưa ra quyết định và kiểm soát các quy trình. Đây là một hệ thống điều khiển đơn giản và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm sản xuất, chế tạo và kỹ thuật điện.

Điều khiển logic hoạt động như thế nào?

Các hệ thống điều khiển logic được thiết kế để xử lý nhiều loại đầu vào và tạo ra đầu ra mong muốn. Phương thức hoạt động cơ bản như sau:

• Hệ thống nhận tín hiệu đầu vào, thường ở dạng dòng điện.
• Sau đó, tín hiệu đầu vào được so sánh với một giá trị hoặc điểm đã đặt, được lưu trữ trong hệ thống.
• Nếu tín hiệu đầu vào là chính xác, hệ thống sẽ thực hiện một hành động cụ thể hoặc chuyển sang một cài đặt cụ thể.
• Nếu tín hiệu đầu vào không chính xác, hệ thống sẽ tiếp tục nhận đầu vào cho đến khi đạt được giá trị chính xác.

Ví dụ về hệ thống điều khiển logic

Các hệ thống điều khiển logic được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Đèn giao thông: Đèn giao thông sử dụng điều khiển logic để chuyển đổi giữa đèn đỏ, vàng và xanh lục dựa trên luồng giao thông.
• Robot công nghiệp: Robot công nghiệp sử dụng điều khiển logic để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, chẳng hạn như hàn, sơn và lắp ráp.
• Máy giặt tự động: Máy giặt tự động sử dụng điều khiển logic để chuyển đổi giữa các chu trình giặt và nhiệt độ khác nhau dựa trên đầu vào của người dùng.

Điều khiển Bật-Tắt: Phương pháp Đơn giản nhất để Kiểm soát Nhiệt độ

Điều khiển Bật-Tắt được thực hiện theo lịch sử bằng cách sử dụng các rơle, bộ hẹn giờ cam và công tắc được kết nối với nhau được xây dựng theo trình tự bậc thang. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, giờ đây việc điều khiển bật tắt có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ vi điều khiển, bộ điều khiển logic khả trình chuyên dụng và các thiết bị điện tử khác.

Ví dụ về điều khiển Bật-Tắt

Một số ví dụ về các sản phẩm sử dụng điều khiển bật tắt bao gồm:

• Bộ điều nhiệt gia dụng bật máy sưởi khi nhiệt độ phòng giảm xuống dưới mức cài đặt mong muốn và tắt khi nhiệt độ vượt quá mức cài đặt mong muốn.
• Tủ lạnh bật máy nén khi nhiệt độ bên trong tủ lạnh tăng cao hơn nhiệt độ mong muốn và tắt khi nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ mong muốn.
• Máy giặt sử dụng điều khiển bật tắt để kích hoạt các hoạt động tuần tự có liên quan với nhau khác nhau.
• Thiết bị truyền động khí nén sử dụng điều khiển bật tắt để duy trì một mức áp suất nhất định.

Ưu điểm và nhược điểm của điều khiển bật tắt

Ưu điểm của điều khiển bật tắt bao gồm:

• Nó là đơn giản và rẻ tiền để thực hiện.
• Nó rất dễ hiểu và thực hiện.
• Nó có thể được sử dụng trong các loại máy móc và hoạt động khác nhau.

Nhược điểm của điều khiển bật tắt bao gồm:

• Nó tạo ra những thay đổi đột ngột trong hệ thống, có thể gây ra tác động tiêu cực đến sản phẩm hoặc quy trình được kiểm soát.
• Nó có thể không duy trì được chính xác điểm đặt mong muốn, đặc biệt là trong các hệ thống có khối lượng nhiệt lớn.
• Nó có thể gây hao mòn công tắc điện và rơ-le, dẫn đến phải thay thế thường xuyên.

Điều khiển tuyến tính: Nghệ thuật duy trì đầu ra mong muốn

Lý thuyết điều khiển tuyến tính dựa trên một số nguyên tắc chi phối cách các hệ thống điều khiển tuyến tính hoạt động. Những nguyên tắc này bao gồm:

• Nguyên tắc bỏ qua các tác động không mong muốn: Nguyên tắc này cho rằng có thể bỏ qua mọi tác động không mong muốn của hệ thống.
• Nguyên tắc cộng tính: Nguyên tắc này tuân thủ khái niệm rằng đầu ra của một hệ thống tuyến tính là tổng các đầu ra được tạo ra bởi mỗi đầu vào hoạt động riêng lẻ.
• Nguyên tắc chồng chất: Nguyên tắc này giả định rằng đầu ra của một hệ thống tuyến tính là tổng các đầu ra được tạo ra bởi mỗi đầu vào hoạt động riêng lẻ.

Trường hợp phi tuyến tính

Nếu một hệ thống không tuân thủ các nguyên tắc cộng tính và đồng nhất, thì nó được coi là phi tuyến tính. Trong trường hợp này, phương trình xác định thường là bình phương các số hạng. Các hệ thống phi tuyến tính không hoạt động giống như các hệ thống tuyến tính và yêu cầu các phương pháp điều khiển khác nhau.

Logic mờ: Một hệ thống điều khiển động

Logic mờ là một loại hệ thống điều khiển sử dụng các tập mờ để chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu đầu ra. Đó là một cấu trúc toán học phân tích các giá trị đầu vào tương tự theo các biến logic nhận các giá trị liên tục trong khoảng từ 0 đến 1. Logic mờ là một hệ thống điều khiển động có thể xử lý các thay đổi trong tín hiệu đầu vào và điều chỉnh tín hiệu đầu ra tương ứng.

Ví dụ về logic mờ trong hành động

Logic mờ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để thực hiện nhiều nhiệm vụ điều khiển. Dưới đây là một số ví dụ:

• Xử lý nước: Logic mờ được sử dụng để kiểm soát dòng nước chảy qua nhà máy xử lý. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dòng chảy dựa trên trạng thái hiện tại của nước và chất lượng đầu ra mong muốn.
• Hệ thống HVAC: Logic mờ được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong tòa nhà. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm dựa trên hiện trạng của tòa nhà và mức độ thoải mái mong muốn.
• Điều khiển giao thông: Logic mờ được sử dụng để điều khiển luồng giao thông qua giao lộ. Hệ thống điều chỉnh thời gian của đèn giao thông dựa trên điều kiện giao thông hiện tại.

Kết luận

Vì vậy, các hệ thống kiểm soát được sử dụng để kiểm soát các quy trình trong nhiều ngành và chúng liên quan đến việc thiết kế, triển khai và duy trì một hệ thống duy trì đầu ra nhất quán bất chấp những thay đổi trong đầu vào. 

Bạn không thể mắc lỗi với một hệ thống điều khiển, vì vậy đừng ngại sử dụng nó trong dự án tiếp theo của bạn! Vì vậy, hãy tiếp tục và kiểm soát thế giới của bạn!

Tôi là Joost Nusselder, người sáng lập Tools Doctor, nhà tiếp thị nội dung và là cha. Tôi thích dùng thử thiết bị mới và cùng với nhóm của mình, tôi đã tạo các bài viết chuyên sâu trên blog kể từ năm 2016 để giúp những độc giả trung thành với các công cụ và mẹo chế tạo.