48

Chương 5
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
5.1. Đặt vấn đề
5.1.1. Mục đích
Trong kỹ thuật điều khiển, các hoạt động của các cơ cấu trong hệ thống điều khiển tự động đều
xuất phát từ các phương trình chuyển động được xây dựng trên nguyên lý làm việc của hệ thống. Các
phương trình này là hàm tích hợp những giá trị của tín hiệu vào và tín hiệu ra và được viết dưới dạng các
biến số của đại số Bool.
5.1.2. Nhiệm vụ
Quá trình định nghĩa tín hiệu vào ra đầy đủ, tuân thủ nguyên lý hoạt động của hệ thống để xây
dựng được các hàm tối ưu, tức giảm thiểu được tối đa các phần tử logic trong thiết kế là một nhiệm vụ
quan trọng trong kỹ thuật điều khiển.
Tùy theo mức độ đơn giản hay phức tạp của hoạt động hệ thống ta có thể có ít hay nhiều phương
trình điều khiển.
5.1.3. Xây dựng bài toán
Để mô tả 1 bài toán thiết kế hay phân tích 1 hệ thống điều khiển bằng khí nén người ta thường
dùng các phương pháp sau:
- Biểu đồ trạng thái.
- Sơ đồ chức năng.
- Lưu đồ tiến trình.
a. Biểu đồ trạng thái
+ Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và
trình tự chuyển mạch của các phần tử.
+ Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay, ), trục
tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia
thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín
hiệu được biểu diễn bằng đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên.
+ Xilanh đi ra ký hiệu dấu (+), lùi về ký hiệu (-).
+ Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc “a”, “b”).


Hình 5.5 Ký hiệu bước thực hiện
Ký hiệu lệnh thực hiện được biểu diễn ở hình 5.5, gồm 3 phần: tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt
lệnh. Tín hiệu ra kí hiệu của lệnh có thể không cần biểu diễn ở ô vuông bên phải của ký hiệu.
Ví dụ: tín hiệu ra a1 sẽ điều khiển van đảo chiều V1 bằng loại lệnh SH (loại lệnh nhớ, khi dòng
năng lượng trong hệ thống mất đi). Với tín hiệu ra A1 từ van đảo chiều sẽ điều khiển pittông Z1 đi ra với
loại lệnh NS (không nhớ).

Hình 5.6 Ký hiệu lệnh thực hiện
51

S Loại lệnh nhớ
NS Loại lệnh không nhớ
SH Loại lệnh nhớ, mặc dù dòng năng lượng trong hệ thống mất đi
T Loại lệnh giới hạn thời gian
D Loại lệnh bị chậm trễ
SD Loại lệnh nhớ và bị chậm trễ
NSD Loại lệnh không nhớ, nhưng chậm trễ
ST Loại lệnh nhớ và giới hạn thời gian
+ Thiết kế sơ đồ chức năng
Nguyên lý làm việc của máy khoan bàn như sau: sau khi chi tiết được kẹp (xylanh 1.0 đi ra) đầu
khoan bắt đầu đi xuống (xylanh 2.0) và khoan chi tiết. Khi đầu khoan đã lùi trở về, thì chi tiết được tháo
ra (xylanh 1.0 lùi trở về).

Hình 5.7 Nguyên lý làm việc của máy khoan và sơ đồ mạch điều khiển khí nén

Hình 5.8 Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra của lệnh trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành
52
+ Điều khiển theo thời gian
+ Điều khiển theo hành trình
+ Điều khiển theo tầng
+ Điều khiển theo nhịp.
a. Điều khiển bằng tay
Trong điều khiển khí nén – thủy lực tùy thuộc tín hiệu đầu vào là các van tác động bằng tay,
chúng kích hoạt các pít tông dịch chuyển về phía trước hoặc trở về vị trí ban đầu theo mong muốn. Tất cả
những điều khiển tùy thuộc đòi hỏi vận hành của con người mới trở nên hiệu lực. Điều khiển tùy thuộc
thích hợp ở bất cứ nơi đâu mà ta không quan tâm đến chu trình làm việc tự động của hệ thống. Nói một
cách khác, đây là một loại điều khiển phù hợp đối với những hệ thống hoạt động đơn giản, thí dụ như kẹp
54

chặt, nâng chuyển, định vị…đồng thời nó cũng là cội nguồn của hệ thống phức tạp nữa đó là chi tiết cần
thiết cho sự khởi động hay ngừng khẩn cấp tác động trong các máy tự động.
+ Điều khiển trực tiếp Hình 5.12 Mạch điều khiển trực tiếp với phần tử đưa và xử lý tín hiệu

Hình 5.13 Biểu đồ trạng thái sơ đồ mạch điều khiển trực tiếp với phần tử đưa và xử lý tín hiệu

+ Điều khiển gián tiếp

Hình 5.14 Mạch điều khiển gián tiếp xylanh đơn với phần tử nhớ
Biểu đồ trạng thái
55Hình 5.15 Biểu đồ trạng thái sơ đồ mạch điều khiển gián tiếp xylanh đơn với phần tử nhớ
b. Điều khiển theo thời gian
d. Điều khiển theo tầng
Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các bước thực hiện có cùng chức năng
thành từng tầng riêng. Phần tử cơ bản của điều khiển theo tầng là phần tử nhớ 4/2 hoặc 5/2. Điều khiển
theo tầng là bước hoàn thiện của điều khiển tùy động theo hành trình.
+/ Mạch điều khiển 2 tầng

Hình 5.20 Mạch điều khiển 2 tầng

e1, e2 là 2 tín hiệu điều khiển vào
a1, a2 là 2 tín hiệu điều khiển ra
Khi tầng I có khí nén, thì tầng II sẽ không có khí nén và ngược lại.
+/ Mạch điều khiển 3 tầng

Hình 5.21 Mạch điều khiển 3 tầng
e1, e2, e3 là 3 tín hiệu điều khiển vào
a1, a2 , a3 là 3 tín hiệu điều khiển ra
Khi tầng I có khí thì tầng II và III không có khí, nghĩa là khi 1 tầng có khí thì 2 tầng còn lại không
có khí.
Ví dụ:
58Hình 5.22 Sơ đồ 1 mạch điều khiển 2 tầng
Biểu đồ trạng thái

Hình 5.23 Biểu đồ trạng thái mạch điều khiển 2 tầng hình 5.22
e. Điều khiển theo nhịp


1 0 1 0 1
1 0 1 1 1
1 1 0 0 1
1 1 0 1 1
1 1 1 0 0
1 1 1 1 0

- Bước 1: Tối thiểu hóa hàm đã cho bằng bảng Karnaugh
60

11
11
11 0
0
0
0
0
0
a
b
d
c
0
1 1 0

Hàm sau khi tối thiểu:
cbacbbay 

 Nhận xét: số phần tử cần thiết để thực hiện hàm là 9 phần tử:
+ 3 van 4/2 chuyển các tín hiệu từ dạng bằng tay sang khí nén.

- Đại số Bool
- Bảng giá trị chân lý
- Bảng Karnaugh
Các bước tiến hành:
- Phân tích tất cả các tín hiệu vào, ra; kí hiệu các tín hiệu bằng mẫu tự thích hợp.
- Lập bảng chân lý (cột, hàng). Số hàng bằng 2
n
.
- Phân tích tất cả các tổ hợp vào mà xuất hiện đầu ra. Tất cả các tổ hợp còn lại cấm đầu ra.
- Lập bảng Karnaugh.
- Tối thiểu hóa.
- Tối ưu hóa.
- Vẽ sơ đồ mạch mô tả phương trình logic sau cùng.
Ví dụ 5.2: Một máy đóng gói bao bì có yêu cầu điều khiển tự động Start – Stop. Người ta thấy ở
tình trạng non tải máy hoạt động không kinh tế, vì vậy máy chỉ khởi động khi có ít nhất 2 trong 3 băng
chuyền nạp hàng đang hoạt động và phải luôn dừng tự động khi ít hơn 2 băng chuyền nạp hàng hoạt động
- Bước 1: Ký hiệu các tín hiệu kích hoạt cho băng chuyền hoạt động:
+ a – băng chuyền 1.
+ b – băng chuyền 2.
+ c – băng chuyền 3.
- Bước 2: Lập bảng chân lý
Bảng 5.2 Bảng chân lý của ví dụ 1

- Bước 3: Lập bảng Karnaugh
62

Bảng 5.3 Bảng Karnaugh của ví dụ 1
Hình 5.30 Biểu đồ trạng thái ví dụ 5.3
64

BÀI TẬP CHƯƠNG 5
Bài 1. Phân tích hoạt động sơ đồ khí nén sau

Bài 2. Phân tích hoạt động của sơ đồ khí nén sau

Bài 3. Phân tích hoạt động sơ đồ khí nén sau

Bài 4. Tối thiểu và triển khai các hàm sau bằng các phần tử khí nén
a, f (x
1
,x
2
,x
3
,x
4
) =




30,28,26,25,18,15,12,8,7,6,5
Bài 5. Tổng hợp mạch khí nén thực hiện các biểu đồ trạng thái sau
a,

b,