TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Tác giả (chủ biên) PHẠM THỊ THÙY DUNG

GIÁO TRÌNH
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
(Lưu hành nội bộ)

Hà Nội năm 2012


Tuyên bố bản quyền
Giáo trình này sử dụng làm tài liệu giảng dạy nội bộ trong
trường cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội
Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội không sử dụng và
không cho phép bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào sử dụng giáo trình
này với mục đích kinh doanh.
Mọi trích dẫn, sử dụng giáo trình này với mục đích khác hay ở
nơi khác đều phải được sự đồng ý bằng văn bản của trường Cao đẳng
nghề Công nghiệp Hà Nội

2


LỜI NÓI ĐẦU
Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề...
thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc
dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo
trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế.
Nội dung của giáo trình “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” đã được
xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với
những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự

động vào hệ thống một tín hiệu vào thì hệ thống sẽ có đáp ứng là tín hiệu ra. Thông
thường tín hiệu được biểu diễn toán học bằng hàm số của thời gian. Trong sơ đồ hệ
thống, các tín hiệu vào, ra thường được biểu diễn bằng các mũi tên như trên hình
1.1.

Hệ thống điều khiển đơn giản
Điều khiển theo mạch hở: là điều khiển theo tác động đặt trước (hay điều
khiển theo chương trình), tức là nhiệm vụ điều khiển đặc trưng bởi lượng vào
x(t) đã được định sẵn trước bằng cơ cấu đặt hoặc cơ cấu chương trình, kết quả
điều khiển chỉ phụ thuộc vào nhiệm vụ điều khiển.

Hình 1:
Sơ đồ khái quát hệ điều khiển theo mạch hở
Ưu điểm: Điều khiển theo mạch hở có ưu điểm là hệ điều khiển có cấu trúc
đợn giản.
Nhược điểm: độ chính xác không cao và không thể can thiệp vào kết quả
điều khiển.
Ứng dụng: phạm vi ứng dụng rất hạn chế
Điều khiển theo nguyên lý mạch kín hay điều khiển có phản hồi là quá trình
điểu khiển sử dụng thông tin qua mạch phản hồi tạo thành mạch vòng kín trong
hệ thống
Quá trình điều khiển có sử dụng thông tin về kết quả điều khiển thông qua
mạch phản hồi để tạo tín hiệu (tác động điều khiển) của CCĐK, do đó tạo thành
một mạch vòng kín trong hệ thống điều khiển, được gọi là hệ thống điều khiển
theo mạch kín hay điều khiển có phản hồi.
4


Sơ đồ khái quát hệ thống điều khiển theo mạch kín được trình bày trên hình
1.5

Hệ thống điều khiển trực tiếp hoặc điều khiển không trực tiếp
Hệ thống điều khiển có thể là hệ thống điều khiển trực tiếp hay không trực
tiếp.
Hệ thống điều khiển trực tiếp là hệ thống điều khiển không có quá trình
khuếch đại tín hiệu (ở đây cần hiểu là tín hiệu từ cơ cấu đo lường). Tín hiệu từ cơ
cấu đo lường trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành.
Hệ thống điều khiển không trực tiếp (gián tiếp) là hệ thống điều khiển trong
đó tín hiệu từ cơ cấu đo lường được khuếch đại nhờ nguồn năng lượng bên ngoài
đưa đến để cho cơ cấu chấp hành hoạt động.
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống mà quá trình điều khiển được thực
hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con.
Sơ đồ nguyên lý là sơ đồ mô tả đến chi tiết các phần tử có trong hệ thống mà
qua đó chúng ta có thể hiểu được tương đối cặn kẽ nguyên lý tác động của hệ
thống ĐKTĐ.
Sơ đồ nguyên lý bao gồm sơ đồ nguyên lý chi tiết và sơ đồ nguyên lý đơn
giản
Sơ đồ khối là sơ đồ trên đó diễn tả các phần tử tạo nên hệ thống dưới dạng
các khối ô vuông riêng biệt, trong đó chỉ rõ tên gọi của từng khối và các mối liên
hệ giữa các khối đó dưới dạng các mũi tên chiều truyền tín hiệu trong hệ thống.
Sơ đồ chức năng là sơ đồ khối nhưng trong đó mỗi khối được chỉ rõ chức
năng mà mỗi khối thực hiện trong hệ thống đó (như chức năng đo lường, biến
đổi, khuếch đại, hiệu chỉnh, chấp hành, v.v...).

Hình 1:

Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển tự động
6


Thiết bị hay cơ cấu điều khiển (CCĐK) còn gọi là bộ điều khiển (controller)

7


ra) của hệ. Nếu giữa chúng tồn tại sai lệch thì CCĐK sẽ tạo ra tín hiệu điều
khiển tác động lên ĐTĐK theo hướng để khử bỏ sai lệch đó. Nhờ đó mà ĐTĐK
luôn duy trì được quy luật biến đổi mong muốn. Nguyên lý này còn có tên gọi là
nguyên lý Polzunov-Watt, theo tên của hai nhà kỹ thuật Nga và Anh là những
người đầu tiên sáng chế ra các hệ thống ĐCTĐ mực nước và tốc độ quay của
máy hơi nước (thế kỷ XVIII).
Nguyên lý điều khiển theo nhiễu loạn hay điều khiển theo nguyên lý bù
nhiễu.
Bản chất của nguyên lý điều khiển theo nhiễu (hay nói đầy đủ hơn là điều
khiển theo nguyên lý bù nhiễu) là ở chỗ: các nhiễu đo được (thường là các nhiễu
chính tác động lên ĐTĐK) được biến đổi thành các tác động điều khiển (thông
qua CCĐK) tác động lên ĐTĐK với mục đích bù trừ ảnh hưởng của chúng lên
kết quả điều khiển. Khi điều khiển theo nguyên lý này mục đích đạt tới là bù trừ
hoàn toàn tác động của một nhiễu nhất định. Hệ thống ĐKTĐ trong trường hợp
này được coi là bất biến (không phụ thuộc) đối với tác động nhiễu đó.
Nguyên lý điều khiển theo nhiễu còn có tên gọi là nguyên lý Pônsêlê (tên
một nhà kỹ thuật Pháp người đầu tiên sử dụng nguyên lý này trong kỹ thuật).
Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ làm việc theo nguyên lý bù nhiễu
trình bày trên hình 1.8.
Nhiễu
f(t)

CCĐL
nhiễu

x(t)


nhiễu
SS

x(t)
-

(t)

CCĐK

u*(t)

Nhiễu
f1 f2 fn(t)
...

ĐTĐK

y(t)

z(t)
CCĐL

Phản hồi chính

Hình 1.9. Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp.

Hệ thống hỗn hợp tận dụng được các ưu điểm của hai nguyên lý trên: nhờ
mạch bù nhiễu sẽ khắc phục ảnh hưởng của các tác động nhiễu chủ yếu và nhờ
có mạch phản hồi sẽ thực hiện quá trình điều khiển và hạn chế tác động của các

hệ thống điều khiển tự động các máy công cụ: bào, phay, tiện với chương trình
định trước trong bộ nhớ của máy tính số (máy CNC).
Hệ thống ĐKTĐ bám, gọi tắt là hệ bám là các hệ thống ĐKTĐ có lượng vào
x(t) là các hàm không biết trước và thay đổi theo quy luật bất kỳ.
Nhiệm vụ của hệ thống ĐKTĐ là bảo đảm lượng ra y(t) phải "bám" theo sự
thay đổi của lượng vào x(t).
VD: Các hệ như vậy là hệ bám đồng bộ góc dùng hệ thống xen-xin của các
khí tài hay của các máy công cụ, các hệ thống bám vô tuyến điện tử của các đài
ra-đa, v.v...
Phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống ĐKTĐ.
Theo dạng (hay phương pháp biến đổi và truyền) tín hiệu trong hệ thống
ĐKTĐ, chúng ta có hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục và hệ thống ĐKTĐ tác
động gián đoạn.
Hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các
phần tử của hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Hệ thống ĐKTĐ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ thống ĐKTĐ gián đoạn,
hay hệ rời rạc) là các hệ có chưa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có
lượng vào là một hàm liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.
Tuỳ thuộc vào tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể
phân chia thành: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiẻu rơ-le và hệ thống
ĐKTĐ số.
Hệ thống ĐKTĐ xung là hệ có sự gián đoạn của tín hiệu thay đổi xảy ra qua
những khoảng thời gian xác định (còn gọi là gián đoạn theo thời gian).
10


Hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ-le là hệ trong đó sự gián đoạn của tín hiệu xảy ra
khi tín hiệu vào đi qua những giá trị ngưỡng nào đó (còn gọi là gián đoạn theo
mức).
Hệ thống ĐKTĐ số là các hệ thống ĐKTĐ có chứa các phần tử gián đoạn

2. Điều chỉnh
11


Điều chỉnh là quá trình điều khiển, khi nhiệm vụ của điều khiển là bảo đảm
duy trì một hoặc một vài đại lượng vật lý cụ thể nào đó không thay đổi hoặc biến
đổi theo một quy luật nhất định.
Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ.
Sơ đồ chức năng tổng quát của các hệ thống ĐKTĐ biểu diễn các phần tử
trong hệ thống liên kết với nhau theo một trình tự nhất định. Các phần tử đều
được tạo thành từ các linh kiện, máy móc, thiết bị khác nhau và có bản chất vật
lý khác nhau, nhưng có thể có nhiệm vụ (chức năng) giống nhau.
f(t)
11

1

2

x(t)

(t)

3

4

5

+

Phần tử 3 + 6 là Cơ cấu khuếch đại thực hiện chức năng khuếch đại sơ bộ
(cơ cấu 3) và khuếch đại công suất (cơ cấu 6) tín hiệu và đôi khi có cả chức
năng biến đổi tín hiệu (từ một chiều thành xoay chiều hay ngược lại) cho phù
hợp với phần tử đứng sau nó.
VD : các bộ khuếch đại điện tử, bán dẫn, khuếch đại thuật toán; còn khuếch
đại công suất có thể là các bộ khuếch đại từ, khuếch đại rơ le, khuếch đại máy
điện, khuếch đại thuỷ lực, khuếch đại khí nén.
12


Phần tử 4 + 9 : Các cơ cấu hiệu chỉnh có chức năng làm tốt hơn chất lượng
qúa trình điều khiển bằng cách tạo ra các định luật điều khiển khác nhau trong
hệ thống.
 Phần tử hiệu chỉnh nối tiếp (4) vì nó được mắc nối tiếp với các phần tử
trong mạch chính hay mạch thẳng của hệ thống và
 Phần tử hiệu chỉnh song song 9 dưới dạng liên hệ phản hồi phụ (hay phản
hồi bộ phận, phản hồi hiệu chỉnh) để phân biệt với liên hệ phản hồi chính
tồn tại là do nguyên lý làm việc cuả hệ thống ĐKTĐ.
Phần tử 7 : Cơ cấu chấp hành (CCCH) có chức năng tạo ra tác động điều
khiển tác động tực tiếp lên đối tượng điều khiển nhằm bảo đảm sự thay đổi của
quy luật điều khiển mong muốn.
VD : Các động cơ chấp hành, như các động cơ điện một chiều, động cơ điện
xoay chiều hai pha hoặc ba pha, động cơ thuỷ lực hay khí nén. Cơ cấu châp
hành công suất lớn còn có tên gọi là thiết bị sec-vô hay động cơ sec-vô.
Phần tử 10 : Cơ cấu đo lường-biến đổi (bộ cảm biến) dùng để nhận thông
tin về kết quả điều khiển và biến đổi chúng về dạng tín hiệu phản hồi z(t) phù
hợp để có thể so sánh với tín hiệu vào x(t).
Phần tử 11 Cơ cấu đo lường nhiễu loạn 11, như đã nói ở trên, dùng để đo
nhiễu và tạo tín hiệu bù trừ sai số do nhiễu gây ra trong điều khiển bất biến. Cơ
cấu này chỉ tồn tại khi hệ thống có điều khiển hỗn hợp.

Tín hiệu ra y(t) được đo và phản hồi về so sánh với tín hiệu vào r(t). Bộ điều
khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t), điều chỉnh lại
tín hiệu ra theo hướng làm triệt tiêu sai lệch.
Nguyên tắc điều khiển này có tính linh hoạt, thử nghiệm và sửa sai. Hệ thống có
khả năng làm triệt tiêu ảnh hưởng của các nhiễu không biết trước và/hoặc không đo
được. Nhược điểm của nó là tác động hiệu chỉnh chỉ hình thành sau khi độ sai lệch
đã tồn tại và được phát hiện, tức là sau khi tín hiệu ra đã thực sự bị ảnh hưởng. Các
14


quá trình trễ trong hệ làm cho tín hiệu ra không giữ được ổn định một cách tuyệt đối
mà thường có dao động nhỏ quanh giá trị xác lập.

Hệ thống điều khiển san bằng sai lệch
Điều khiển phối hợp
Để nâng cao chất lượng điều khiển, có thể kết hợp nguyên tắc bù nhiễu và
nguyên tắc san bằng sai lệch. Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ sai số
tạo
ra bởi các nhiễu đo được, còn mạch điều khiển phản hồi sẽ hiệu chỉnh tiếp các
sai
số tạo ra bởi các nhiễu không đo được.

Hệ thống điều khiển phối hợp
2. Điều khiển theo chương trình
Khi tín hiệu vào r(t) không thay đổi theo thời gian ta
có hệ thống ổn định hoá hay hệ thống điều chỉnh. Mục tiêu điều khiển của hệ
này là giữ cho sai số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra càng nhỏ càng tốt.
Hệ thống điều khiển ổn định hoá được ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và
công nghiệp, điển hình là các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, điện áp, tốc độ, áp
suất, lưu lượng, mức nước, nồng độ, độ pH, ...


Hệ thống điều khiển thích nghi
2.1 Điều khiển theo thời gian
2.2 Điều khiển theo trình tự
2.3 Điều khiển theo sơ đồ đường
2.4 Điều khiển theo chương trình có nhớ
Kết hợp với PLC điều khiển

16


BÀI 4. ĐIỀU CHỈNH
Mục tiêu:
- Mô tả được các phương pháp điều chỉnh
- Ứng dụng điều chỉnh trong thực tế
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập.
1. Các đại lượng và các phạm vi trong mạch điều khiển.
2. Các phương pháp điều chỉnh
3. Mạch ứng dụng trong thực tế.

Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín

Sơ đồ HTĐK AC vòng kín

17


BÀI 5. TÍN HIỆU
Mục tiêu:
- Phân biệt các dạng tín hiệu tương tự và tín hiệu số

hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian.
Tín hiệu dưới dạng hàm liên tục có thể là tín hiệu một chiều (chưa biến
điệu) hoặc tín hiệu xoay chiều (đã được biến điệu) tương ứng chúng ta có hệ
ĐKTĐ một chiều (DC) và hệ thống ĐKTĐ xoay chiều (AC) (thí dụ hệ thống
bám đồng bộ công suất nhỏ dùng động cơ chấp hành 2 p ha).
3.2 Tín hiệu gián đoạn
Hệ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ gián đoạn hay hệ rời rạc) là các hệ có
chứa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có lượng vào là một hàm
liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian.
Tuỳ theo tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể phân
chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ le và hệ
thống ĐKTĐ số.
Nếu sự gián đoạn của tín hiệu ra xẩy ra qua những thời gian xác định (ta
gọi là gián đoạn theo thời gian) khi tín hiệu vào thay đổi, thì ta có hệ ĐKTĐ
xung.
Nếu sự gián đoạn của tín hiệu xẩy ra khi tín hiệu vào qua những giá trị
ngưỡng xác định nào đó (chúng ta gọi là gián đoạn theo mức), thì có thể
ĐKTĐ kiểu rơle. Hệ rơle thực chất là hệ phi tuyến, vì đặc tính tĩnh của nó là
hàm phi tuyến. Đây là đối tượng nghiên cứu của một phần quan trọng trong lý
thuyêt ĐK .
19


Nếu phần tử gián đoạn có tín hiệu ra dưới dạng mã số (gián đoạn cả theo
mức và cả theo thời gian), thì ta có hệ ĐKTĐ số. Hệ thống ĐKTĐ số là hệ
chứa các thiết bị số (các bộ biến đổi A/D, D/A, máy tính điện tử (PC), bộ vi
xử lý.

20


+

L
  sF ( s )  f (0 ) trong đó f(0 ) là điều kiện đầu
 dt 
 df (t ) 
  sF (s )
 dt 

Nếu f(0+) = 0 thì L 
Ảnh của tích phân

t



0



Nếu hàm f(t) có phép biến đổi Laplace L  f (t )  F ( s) thì: L   f ( )d  

F (s)
s

Nếu f(t) được là hàm trễ một khoảng thời gian T ta có hàm f(T – τ) là:
L  f (t  T )  e Ts L  f (t )  e Ts F (s )

Biến đổi Laplcace một số hàm cơ bản
1-Tín hiệu bậc thang đơn vị:

 L u (t ) 



e  st dt 

0

 e e 0 
e  st 
 


s 0
s 
 s

1
s

2-Tín hiệu xung đơn vị:

x(t)

0 khi t  0
d
x(t)=  (t )  1(t )  
dt
 khi t  0


0

0

3-Tín hiệu tăng dần đều:

x(t)

t khi t  0
u (t )  t. f (t )  
0 khi t  0

(2.3)

Theo định nghĩa ta có:


L  f (t ) 


0

L t. f (t ) 

0

t

0


f(t)= sin(t ).u (t )  

ta có theo công thức Euler sin t 
theo

t

định

nghĩa

e jt  e  jt
2j

ta
22

có:

T

t




L sin(t ).u (t ) 


0

1
T
1 2
t
2

1
s3
1
sa
1
(s  a )2

e  at

t.e  at
1 2  at
t .e
2

1
( s  a )3

1  e  at

a
s ( s  a)

1
(at  1  e  at )


e  a cos ct

Hàm truyền
23


Hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến
đổi tín hiệu vào khi điều kiện bằng 0

Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tự động
d n Y(t )
d n 1Y(t )
d n 2 Y(t )
dY(t )

a

a
 ....  an 1
 an (t )
1
2
n
n 1
n 2
dt
dt
dt
dt

X ( s ) (a0s n  a1sn 1  a1s n 1....  an 1s+a n )

G( s) 

Y ( s ) (b0s m  b1s m1  b1s m1....  bm 1s+b m )

X ( s ) (a0sn  a1sn 1  a1s n 1 ....  an 1s+a n )

Đại số sơ đồ khối
Sơ đồ khối của một hệ thống là hình vẽ mô tả chức năng của các phần tử và sự
tác động qua lại giữa các phần tử trong hệ thống. Sơ đồ khối bao gồm khối chức
năng, bộ tổng và bộ rẽ nhánh
Khối chức năng: tín hiệu ra của khối chức năng bằng tích tín hiệu vào và hàm
truyền
Điểm rẽ nhánh: Là điểm tại đó các tín hiệu đều bằng nhau
Bộ tổng: Tín hiệu ra của bộ tổng bằng tổng đại số các tín hiệu vào
Thí dụ sơ đồ cấu trúc của một hệ thống ĐKTĐ
Các quy tắc biến đổi sơ đồ khối:( Đại số sơ đồ khối).
* Đại số sơ đồ khối là thuật toán để xác định hàm truyền đạt của hệ thống khi
biết được hàm truyền đạt của các phần tử thành phần. Nó bao gồm: Thuật toán
để xác định hàm truyền đạt của các phần tử mắc nối tiếp, mắc song song, mạch
phản hồi và nguyên lí chuyển đổi tín hiệu.
1.4.3.1. Các phép biến đổi tương đương.
* Hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp.

24


Hệ thống gồm các phần tử được gọi là mắc nối tiếp nếu: Tín hiệu ra của
phần tử trước là tín hiệu vào của phần tử sau. Do đó, tín hiệu vào của hệ thống là

số hàm truyền đạt của các phần tử thành phần.
* Hệ thống gồm các phần tử mắc song song.
Hệ thống gồm các phần tử mắc song song nếu tín hiệu vào của hệ thống là
tín hiệu vào của các phần tử thành phần, tín hiệu ra của hệ thống bằng tổng đại
số tín hiệu ra của các phần tử thành phần:
X =X1
X =X2
X

W
W

Y1
Y2

Y



.............................
X =X3

W

Yn

Hình 1-10
Ta có: Y1 = W1X1 = W1X
n