Bài giảng Cơ sở tự động - Chương 1: Giới thiệu về hệ thống tự động - Huỳnh Thái Hoàng

C
C
3
V
C
C
4
G CD
O
T
DE B
DOT
238 91
0
1
1
1
2
6
AFG CD DE B
G
C
E
D
VCC
VCC F
A
B
D
SW4A
V_sensor
G
F
B
VREF+
SW4
10k
E
PIC16F877A
2
3
4
5
6
7
33
34
35
36
37
38
39
40
1
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI/C1OUT
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
RB6/PGC
MCLR*/VPP
DOT
10k
C
SW5
SW2
SW3
PORTD
10MHz
C16
33p
SW3
SW4
PORTD
PORTD
SW1
SW2
15
16
17
18
23
24
25
26
19
20
21
22
27
28
29
30
13
8
9
RA5/AN4/SS*/C2OUT RB7/PGD
RC0/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/CCP2
RC2/CCP1
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
OSC1/CLKIN
RE0/RD*/AN5
SW2
SW3
PORTC
PORTD
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 46
CRYSTAL
VCC SW1
C17
33p
SW1
14
32
11
31
12
10
OSC2/CLKOUT
VDD
VDD
VSS
VSS
RE1/WR*/AN6
RE2/CS*/AN7
+5V
Mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện (bù nhiệt dùng LM335)
R1
10k
Rf 1
18k
R3
3.3k
Rf 2
10k
+5V
v1
R2
10k -
+
U1
OP07
3
2
6
7
4 8
1
+5V
+
- U5
OP07
3
2
6
7
4 8
1
v4
RA0/AN0
-5V
-
+
U6
OP07
3
2
6
7 1
+5V
4 8
v2
-5V
4 8
R6
1k
-5V
-
+ U2
OP07
3
2
6
7 1
R4
2.2k
-5V
LM335
v3R8
22k
R10
1k
4 8
R5
10k
R9
10k
+5V
Thermocouple
+ C17
10u
R7
100
+
- U4
OP07
3
2
6
7 1-
-
+ U3
OP07
3
2
6
7
4 8
1
R11
+5V
Vout = 0.0391Td
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 47
-5V
4 8
4 8
2.2k
-5V
Mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện (bù nhiệt dùng LM35)
5V
U2
7 1
5VU1
LM35
1
V
C
C
2
C1
10uF
-
+
OP07
3
2
6
4 8
5 5V 5
2
G
N
D
VOUT
V V R1
25k
0
0
- V
-
+
U4
OP07
3
2
6
7 1
V
-
+
U5
OP07
3
2
6
7 1
R5 PA0/ADC0
3
G
V3 Vout
4 85V
R6R2J1
Thermo couple
1 +
U3
3
6
7 1
4 8-5V -5V
R41.8k
100
V1 R3
C2
10uF
3.9k100
-5V
-
OP07
2
4 8
100
0
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 48
0 0
Mạch công suất
+12V
6
HeaterFUSER3
470
220Vac
0Vdc
Q2
BTA16
Q1
R1
U15
MOC3020
1
2
4PORTC
Q2SC1815
47k
R2
330
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 49
Một hệ thống điều khiển nhiệt độ thực tế
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 50
Hệ thống điều khiển động cơ
‘ Đ ä ơ (DC AC) l ø thi át bị t à đ ä đươ ử d át h åong c , a e ruyen ong ïc s ụng ra p o
biến trong máy móc, dây chuyền sản suất.
‘ Có 3 bài toán điều khiển thường gặp: điều khiển tốc độ, điều
khiển vị trí, điều khiển moment.
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 51
Hệ thống điều khiển định vị anten
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 52
Điều khiển PID vị trí động cơ DC 
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 53
Điều khiển PID số tốc độ động cơ DC 
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 54
Một hệ thống điều khiển động cơ thực tế
‘ Động cơ: DC AC , 
‘ Cảm biến: biến trở, máy phát tốc, encoder
‘ Bộ điều khiển: DC Driver, AC Driver (Inverter)
DC Motor
Encoder
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 55
DC Driver
Hệ thống điều khiển mực chất lỏng
‘ Hệ thống điều khiển mực chất lỏng thường gặp trong các quá
trình công nghiệp chế biến thực phẩm, nước giải khác, các hệ
h á û l ù ù h ûit ong xư y nươc t a ,...
‘ Điều khiển mực chất lỏng, điều khiển lưu lượng chất lỏng
‘ Các loại cảm biến đo mức chất lỏng:
Ž Cảm biến đo dịch chuyển: biến trở, encoder
Ž Cảm biến áp suất
Ž Cảm biến điện dung
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 56
Một thí dụ hệ thống điều khiển mực chất lỏng
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 57
Hình vẽ tham khảo từ giáo trình: Cơ sở tự động học, Lương văn Lăng, NXB Đại học Quốc Gia
Mô hình điều khiển mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 58
Hệ thống điều khiển độ đậm đặc bột giấy
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 59
Hệ thống điều khiển góc cánh nâng máy bay
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 60
Hệ thống điều khiển góc cánh nâng máy bay
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 61
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển góc cánh nâng máy bay
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 62
Hệ thống điều khiển máy CNC
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 63
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 64
Hệ thống chưng cất (công nghệ hóa học)
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 65
Hệ thống điều khiển máy phát điện hơi nước
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 66
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
TẠI SAO CẦN CƠ SỞ TOÁN HỌC?
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 67
Các chiến lược điều khiển
(t)
Bộ điề khiể
y(t)r(t)
Đối t
u(t)e(t)
n
 u n− ượng
yht(t)
Cảm biến
‘ ON-OFF: Tín hiệu điều khiển u(t) chỉ có hai mức 0 hoặc 1
‘ Liên tục: Tín hiệu điều khiển u(t) nhận giá trị liên tục bất kỳ.
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 68
Điều khiển ON-OFF
‘ Đơn giản, khi phân tích và thiết kế không cần dựa vào toán học
à å à å‘ Chỉ cho kết quả đieu khien tốt khi đối tượng đieu khien không có
quán tính hoặc có quán tính rất bé.
‘ Một số thí dụ:
¾ Điều khiển các phần tử khí nén
¾ Điều khiển động cơ kéo băng tải trong một số dây chuyền sản
xuất.
¾ Các ứng dung khác khi không cần yêu cầu điều khiển chínhï
xác.
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 69
Thí dụ điều khiển mực chất lỏng trong bồn chứa
LH
LL
Máy bơm
V û
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 70
Bồn chứa an xa
Cảm biến mức chất lỏng
‘ Phao
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 71
Cảm biến mức chất lỏng
‘ C û bi á đi ä dam en en ung
‘ Nguyên lý hoạt động
¾ Phát hiện ra chất lỏng: ON
¾ Không phát hiện chất lỏng: OFF
LL
LL
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 72
Thiết bị điều khiển
‘ Relay
R
R
R
Ti á đi å thườ đ ùN h â đi ä ep em ng ong
Tiếp điểm thường mở
am c am en
Lò xo
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 73
Sơ đồ điều khiển mức chất lỏng trong bồn
0VSơ đồ điều khiển
LH LL K1
+24V
K1
K1
M~220V
Sơ đồ động lực
K1
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 74
Đáp ứng của hệ thống điều khiển ON-OFF mức chất lỏng
y(t)
HIGH
tDao động
LOW
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 75
Thí dụ điều khiển cổng tự động
cổng
động cơ
cảm biến LS1cảm biến LS2 
(công tắc hành trình)
(công tắc hành trình)
Yêu cầu: Nhấn nút [MỞ] ⇒ cổng mở
Nhấn nút [ĐÓNG]⇒ cổng đóng
Nhấn nút [DỪNG]⇒ cổng dừng
MỞ
ĐÓNG
DỪNG
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 76
Cảm biến vị trí
‘ Công tắc hành trình
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 77
Cảm biến vị trí
‘ Cảm biến điện cảm
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 78
Sơ đồ điều khiển cổng tự động
+24V 0V
Dừng Mở K1K2
K1
LS1
Đóng K1LS2 K2
K2
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 79
Sơ đồ động lực điều khiển cổng tự động 
Nguồn DC+ −
K1 K2
M
K1K2
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 80
Sơ đồ động lực động cơ DC
Sơ đồ động lực điều khiển cổng tự động 
3Pha220V
K1 K1 K1 K2K2K2
M
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 81
Sơ đồ động lực động cơ AC
Khuyết điểm
‘ Chất lương điều khiển có đảm bảo không nếu cổng có quánï
tính lớn?
‘ Áp dụng sơ đồ tương tự để điều khiển thang máy di chuyển
từ tầng này đến tầng khác người sử dụng thang có cảm thấy
an toàn, thoải mái?
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 82
Hệ thống điều khiển định vị anten
Biến trở
(vị trí đặt)
Ăn-ten
Bộ điều khiển
Động cơ
Biến trở
û á
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 83
(cam bien vị trí)
Hệ thống điều khiển định vị anten: Điều khiển ON-OFF
‘ e(t) = 0 ⇒ u(t)=0
‘ e(t) > 0 ⇒ u(t)=+V
‘ e(t) < 0 ⇒ u(t)=−V
(t)c Dao động
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 84
t
Hệ thống điều khiển định vị anten: Điều khiển ON-OFF
‘ |e(t)| ≤ Δ ⇒ u(t)=0
‘ e(t) > Δ ⇒ u(t)=+V
‘ e(t) < − Δ ⇒ u(t)=−V
c(t)c(t)
Δ lớn: Sai sốΔ nhỏ: Dao động
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 85
tt
Hệ thống phát hiện hộp sữa rỗng
Hộp sữa
Loại bỏ
CB
Đạt
C l h khí
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 86
y- an 
Thiết bị chấp hành: cy-lanh khí nén
Xylanh khí 2 chiều 
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 87
Thiết bị chấp hành: cy-lanh khí nén
Xylanh khí 1 chiều 
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 88
Relay thời gian (Timer)
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 89
Sơ đồ điều khiển loại bỏ hộp sữa rỗng
+24V 0V
CB T2 R
Giữ trang thái lỗi
R
 ï 
Th øi i ì h õR T1
T1
ơ g an tr oan 
trước khi đẩy hộp
T2
K
Thời gian đẩy hộp
åVan khí đay hộp
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 90
Dây chuyền đóng hộp táo
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 91
Phát hiện táo: Cảm biến quang
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 92
Thiết bị đếm táo: Bộ đếm (Counter)
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 93
Dây chuyền đóng hộp táo: Sơ đồ điều khiển
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 94
Bộ điều khiển lập trình (PLC − Programmable Logic Controller)
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 95
Hạn chế của phương pháp điều khiển ON-OFF
y(t)
t
‘ Đối tượng có quán tính, đáp ứng có dao động
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 96
Cải thiện chất lượng khi đối tượng có quán tính? 
y(t)
t
‘ Cần hiểu biết về đặc tính động học của hệ thống.
⇒Mô hình toán hoc ⇒ Lý thuyết điều khiển tư động
6 September 2010 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 97
ï ï