Để có thể nhanh chóng nắm bắt được những vấn đề cơ bản trong lý thuyết tự động trước hết phải làm quen với một số các thuật ngữ, khái niệm cơ bản như các khái niệm về hệ thống, thông tin
Trang 1CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Lịch sử phát triển
Một ngành khoa học được coi là quan trọng nhất của thế kỷ XX là điều khiển học Điều khiển học giải thích những quy luật chung của việc điều khiển các quá trình xảy ra trong tự nhiên, không có sự tham gia trực tiếp của con người Tự động học là nền tảng khoa học của điều khiển học Ngày nay ở những nước công nghiệp phát triển, tự động học đang giữ một vai trò đặc biệt quan trọng trong xã hội Tự động hoá đã
và đang đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của đời sống con người, góp phần cải thiện điều kiện làm việc và giải phóng con người khỏi những công việc lao động chân tay nặng nhọc, độc hại và nguy hiểm Trên thực tế các hệ thống tự động điều khiển sơ khai đã xuất hiện từ rất xa xưa trong lịch sử phát triển của loài người Những hệ thống tự động điều khiển đầu tiên có thể kể đến là những cơ cấu điều chỉnh mực nước trong các đồng hồ nước xuất hiện vào khoảng 300 năm trước công nguyên ở Hy lạp, hay cơ cấu tương tự để duy trì mức dầu trong chiếc đèn dầu xuất hiện cùng thời gian đó Tuy nhiên lịch sử phát triển của tự động học có thể được coi là bắt đầu từ năm 1765 khi kỹ sư người Nga I.Polzunov chế tạo ra
hệ thống tự động kín đầu tiên trên thế giới để điều chỉnh mực nước trong nồi hơi
Bộ điều chỉnh trong hệ thống này có nhiệm vụ giữ cho mực nước trong nồi hơi không đổi Vài năm sau (1769) Giêm Watt ứng dụng nguyên tắc của Polzunob chế tạo ra bộ điều chỉnh tốc độ quay kiểu quả văng ly tâm đầu tiên dùng cho máy hơi nước Ngày nay nguyên tắc
điều chỉnh này được gọi là nguyên tắc Polzunob - Watt
Hình 1.1: Bộ điều chỉnh mực nước nồi hơi đầu tiên
Tiếp theo sau đó một thời gian dài, sự phát triển của các hệ
thống hệ thống tự động điều chỉnh chủ yếu dựa trên cơ sở các thử
nghiệm và sáng chế Việc cố gắng làm giảm các sai số trong hệ
thống điều chỉnh trong thời gian này đã dẫn tới hậu quả là thời gian
điều chỉnh bị kéo dài và hệ thống hoạt động không ổn định Vì vậy
một tất yếu là lý thuyết tự động điều chỉnh được phát triển để giải quyết vấn đề ổn định của hệ thống được thiết kế Năm 1868 J.C Maxwell đã đặt nền móng cho lý thuyết toán liên quan tới tự động điều chỉnh thông qua việc thiết lập phương trình vi phân mô tả một bộ điều chỉnh vòng quay Maxwell nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số khác nhau của hệ thống tới hoạt động của nó Cùng khoảng thời gian
đó I.A Vưsnhiegradsky nhà bác học người Nga cũng đưa ra lý thuyết toán để nghiên cứu động học của các hệ thống điều chỉnh Ông đã thiết lập phương trình động học của các hệ thống tự động điều chỉnh Tiếp theo đó vào năm 1871 Trebưseb đã chứng minh rằng có thể làm cho sai số của bộ điều chỉnh vòng quay kiểu quả văng ly tâm do Watt chế tạo nhỏ tuỳ ý thông qua việc lựa chọn đúng hình dạng các cánh tay đòn Trong cuốn "Các bài toán tổng quát ổn định chuyển động" của A.M Liapunov xuất bản năm
1892, ông đã chứng minh những định lý dùng để đánh giá tính ổn định của hệ thống theo phương trình tuyến tính gần đúng thay cho những phương trình phi tuyến tính gốc Đây là một đánh dấu mới trong lịch
sử phát triển của lý thuyết tự động
Trang 2Trước thế chiến thứ hai, lý thuyết điều chỉnh và điều khiển phát triển theo hai hướng khác nhau, xu hướng thứ nhất là nghiên cứu các hệ thống tự động điều chỉnh trong miền thời gian của các nhà khoa học
ở Liên xô và các nước Đông Âu và xu hướng thứ hai là nghiên cứu các hệ thống trong miền tần số của các nhà khoa học ở Mỹ và các nước Tây Âu Trong thế chiến thứ hai lý thuyết tự động được phát triển mạnh mẽ nhằm phục vụ các mục đích quân sự Trong những năm 50 lý thuyết thiết kế hệ thống tập trung vào phát triển và sử dụng các phương pháp mặt phẳng phức và quỹ đạo nghiệm số Tới những năm 80 các máy tính số đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển đánh dấu một bước phát triển mới của tự động hóa Sự kiện phóng thành công vệ tinh Sputnik của Liên xô cũ mở ra kỷ nguyên chinh phục vũ trụ đã đặt
ra một thách thức mới với tự động học: thiết kế chế tạo các hệ thống điều khiển phức tạp và có độ chính xác cao cho các tên lửa và vệ tinh Các lý thuyết điều khiển tối ưu, điều khiển mờ đã và đang góp phần phát triển lý thuyết tự động mạnh mẽ hơn nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các lĩnh vực có liên quan Ngày nay việc nghiên cứu thiết kế và phân tích các hệ thống tự động rõ ràng là phải xem xét trong
cả miền thời gian và miền tần số
Trong số các nhà bác học, nhà phát minh có đóng góp lớn vào quá trình phát triển tự động học như: Vưsnhiegradski, Liapunov, Trebưseb, Andponov, Mikhainov, Huzwit, Routh, Bode v.v phải kể đến Vưsnhiegradski Ông đã có công rất lớn trong việc phát triển lý thuyết tự động điều chỉnh, là người đầu tiên chứng minh rằng các quá trình xảy ra trong bộ điều chỉnh và trong đối tượng điều chỉnh liên hệ chặt chẽ với nhau và vì vậy phải nghiên cứu khi chúng làm việc phối hợp với nhau
Tự động học ngày càng đan chéo và thâm nhập vào các ngành khoa học khác và ngược lại nó cũng ngày càng phong phú thêm vì những thành tựu mới của những ngành khoa học lân cận Ngày nay tự động điều chỉnh và điều khiển thâm nhập sâu rộng vào nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật nói chung và ngành vận tải biển nói riêng Trong các hệ thống động lực tàu thuỷ vấn đề tự động điều chỉnh và điều khiển ngày càng có ý nghĩa rất lớn, các hệ thống tự động hóa đã chứng minh được tính tin cậy và khả năng ưu việt của chúng
Cách đây không lâu tự động hoá diesel tàu thủy mới chỉ dừng ở việc trang bị các bộ điều chỉnh tốc độ quay hoạt động trực tiếp, các hệ thống tín hiệu phòng ngừa và các bộ điều chỉnh nhiệt độ, áp suất nước làm mát, dầu bôi trơn , và chủ yếu là trang bị cho các động cơ chính còn các động cơ phụ thì thường chỉ trang bị các bộ điều chỉnh tốc độ quay một chế độ Những năm gần đây các hệ thống tự động điều chỉnh
và điều khiển từ xa được trang bị ngày càng rộng rãi trong hệ thống động lực tàu thủy, mức độ tự động hóa của các hệ động lực tàu thủy ngày càng cao tiến tới khả năng tự động hóa hoàn toàn Tự động hoá hoàn toàn cho phép đơn giản hoá thao tác điều khiển, tăng tính cơ động của con tàu, tránh được việc phải thực hiện nhiều thao tác, bảo đảm cho động cơ hoạt động ở chế độ tối ưu nhất (về kinh tế, an toàn, tin cậy, tuổi thọ ) và cuối cùng là cho phép giảm thiểu sức lao động của con người, giảm số lượng thuyền viên Với sự phát triển mạnh mẽ và việc ứng dụng rộng rãi các thiết bị tự động hoá trên tàu thủy như vậy, để có thể khai thác con tàu một cách hiệu quả và an toàn, các thuyền viên, các kỹ sư máy cũng như các kỹ thuật viên ngoài việc phải có trình độ chuyên môn cao còn cần phải được trang bị kiến thức tốt về tự động điều chỉnh và điều khiển
Trang 31.2 Những khái niệm cơ bản
Lý thuyết tự động có thể nói là một lĩnh vực mới và phức tạp Để có thể nhanh chóng nắm bắt được những vấn đề cơ bản trong lý thuyết tự động trước hết phải làm quen với một số các thuật ngữ, khái niệm
cơ bản như các khái niệm về hệ thống, thông tin, tín hiệu, quá trình
1.2.1 Điều khiển và điều chỉnh:
Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình hay hệ thống nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình hay hệ thống đó Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều khiển Điều chỉnh là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham
số nào đó của quá trình hay của hệ thống ổn định hoặc thay đổi theo một quy luật nào đó Tham số này
có thể được gọi là tham số cần điều chỉnh, đại lượng cần điều chỉnh, thông số được điều chỉnh hay đại
lượng được điều chỉnh Trong các khái niệm tiếp theo đây chúng ta sẽ sử dụng thuật ngữ "điều chỉnh" và
hiểu rằng đây cũng chỉ cả khái niệm điều khiển
1.2.2 Hệ thống:
Trong môi trường sống ta thường gặp những mối quan hệ giữa các phần tử hoặc giữa các chi tiết bên trong của chúng Mối quan hệ này có thể xuất hiện một cách tự nhiên, ví dụ trong cơ thể sống hoặc có thể
được tạo nên do một mục đích nào đó của con người Những tập hợp các phần tử thực tế có mối quan hệ với nhau một cách có mục đích để thực hiện một nhiệm vụ nào đó người ta gọi là hệ thống Đặc biệt quan
trọng là trong các hệ thống thường xảy ra sự trao đổi các thông tin và các hệ thống này được gọi là các hệ thống điều chỉnh, điều khiển
1.2.2.1 Hệ thống điều chỉnh, điều khiển:
Hệ thống điều chỉnh hay điều khiển là hệ thống thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh hay điều khiển nào đó.
Hệ thống điều chỉnh có thể được phân chia thành các loại khác nhau Để phân biệt chúng một cách tổng quát nhất, người ta thường chia chúng thành 2 loại:
- Các hệ thống điều chỉnh tự nhiên, bao gồm cả các hệ thống điều chỉnh sinh vật hay còn gọi là cơ thể sống
- Các hệ thống điều chỉnh nhân tạo do con người tạo nên để phục vụ cho mục đích của mình Các hệ thống điều chỉnh nhân tạo lại có thể phân biệt như sau:
+ Hệ thống điều chỉnh kỹ thuật
+ Hệ thống điều chỉnh kinh tế
+ Hệ thống điều chỉnh kết hợp
Sau đây là một số ví dụ minh họa các loại hệ thống điều chỉnh khác nhau:
Hệ thống nói chung
Hệ thống điều chỉnh
Hệ thống điều chỉnh kỹ thuật
Hệ thống điều chỉnh kinh tế
Con tàu, con người, hệ động lực
Hệ thống máy phát điện được tự động hoá, con người, Nhà nước
Tổ hợp máy điện được tự động hoá
Cơ quan hành chính của các xí nghiệp vận tải biển
Trang 4Hệ thống điều chỉnh kết hợp Con tàu được tự động hoá với việc điều khiển tự động
bằng máy tính và buồng máy không cần có người đi ca Một hệ thống điều chỉnh gồm có hai thành phần cơ bản là đối tượng điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh Đối tượng điều chỉnh là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh Thiết bị điều chỉnh là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh Nhiệm vụ cơ bản của thiết bị điều chỉnh là tác động lên đầu vào của đối tượng điều chỉnh sao cho đại lượng cần điều chỉnh đạt được giá trị mong muốn
Hình 1.1.2: Sơ đồ minh họa tổng quát một hệ thống điều chỉnh
Khi tác động điều chỉnh được thể hiện theo những quy luật điều chỉnh xác định thì được gọi là các angorit điều chỉnh Angorit điều chỉnh có thể hiểu là tập hợp các quy tắc logic và số học cùng với những quy tắc về thủ tục mà theo đó có thể tạo ra được những tín hiệu điều chỉnh từ những tín hiệu thông tin trong một đơn vị điều chỉnh
1.2.2.2 Hệ thống tự động điều chỉnh:
Nếu quỏ trỡnh điều chỉnh trong hệ thống được thực hiện thông qua con người thỡ hệ thống điều chỉnh này được gọi là hệ thống điều chỉnh không tự động (hệ thống điều chỉnh thông qua con người) Cũn nếu quỏ trỡnh điều chỉnh được thực hiện nhờ các thiết bị kỹ thuật mà không có sự tham gia trực tiếp của con người thỡ hệ thống điều chỉnh ấy được gọi là hệ thống tự động điều chỉnh hay một cách ngắn gọn là hệ thống tự động Vậy hệ thống tự động là một hệ thống tổng hợp cỏc phần tử tham gia trực tiếp và cỏc phần tử phụ liờn quan thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh tự động một quá trình cho trước nào đó (hoặc một quá trình biến đổi cho trước nào đó) Các phần tử này được sắp xếp có thứ tự tương tác lẫn nhau (có
nghĩa là được sắp xếp theo hướng truyền các tín hiệu)
Hệ thống tự động điều chỉnh tự động có thể là hệ thống điều chỉnh mạch hở hoặc là một hệ thống điều chỉnh mạch kín
Hệ thống tự động điều chỉnh mạch hở :
Hệ thống điều chỉnh hở được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:
Phần điều chỉnh
(Bộ điều chỉnh)
Phần được điều chỉnh (Đối tượng điều chỉnh)
Thông tin
Tác động cơ học
tác động nhiễu
tác động điều chỉnh
u(t)
y(t)
Tín hiệu
chỉ huy
X
o
Trang 5Hình 1.1.3: Sơ đồ hệ thống tự động điều chỉnh mạch hở
TBĐC: thiết bị điều chỉnh; ĐTĐC: đối tượng điều chỉnh
xo: tín hiệu vào; y(t): tín hiệu ra; u(t): tác động điều chỉnh
Ở hệ thống tự động điều chỉnh mạch hở tác động điều chỉnh u(t) được hình thành trên cơ sở giá trị định trước của tín hiệu xo Quy luật thay đổi của thông số cần điều chỉnh y(t) không có ảnh hưởng gì tới tác động điều chỉnh Tín hiệu cho trước (tín hiệu vào) có thể được đưa ra bởi con người thông qua các thiết bị
đo truyền thông tin về trạng thái của hệ thống hoặc qua một thiết bị biến đổi tín hiệu theo một chương trình định sẵn là hàm của thời gian Sau đây là một số ví dụ về hệ thống điều chỉnh hở:
Ví dụ 1: Một van tiết lưu có thang chia vạch chỉ báo độ mở, nhằm mục đích điều chỉnh lưu lượng
thông qua van Trong hệ thống này việc thay đổi độ mở S của van đóng vai trò tín hiệu vào (tín hiệu cho trước) còn lưu lượng thông qua van (Flow Rate) là đại lượng cần điều chỉnh
Hình 1.1.4: Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng
Giả sử độ chênh áp trước và sau van là ÄP1 không thay đổi, với một độ mở nhất định S1 của van (xác định trên thang chia vạch) thì lưu lượng thông qua van là F1, chừng nào độ chênh áp trước, sau van và độ
mở của van không thay đổi thì lưu lượng thông qua van vẫn là F1 Thay đổi tín hiệu vào (độ mở của van)
sẽ làm đại lượng được điều chỉnh thay đổi Tuy nhiên nếu độ chênh áp trước và sau van vì một nguyên nhân nào đó thay đổi thì với cùng một độ mở, lưu lượng thông qua van sẽ thay đổi Nếu không thay đổi
độ mở của van thì sẽ có sự sai lệch về lưu lượng qua van Hệ thống mạch hở này không đáp ứng được việc duy trì lưu lượng khi có các thay đổi không định trước về độ chênh áp trước và sau van
Ví dụ 2: Hệ thống điều khiển động cơ diesel tàu thuỷ đơn giản
Hình 1.1.5: Hệ thống điều khiển động cơ diesel đơn giản
TÁC ĐỘNG NHIỄU
TÁC ĐỘNG VÀO THANH RĂNG BCA
u(t)
n
TÍN HIỆU THAY
ĐỔI VÒNG QUAY
X
o
a a
Trang 6Đối tượng điều khiển là động cơ diesel lai chân vịt tàu thủy Mục đích điều khiển là thay đổi vòng quay của động cơ theo lệnh từ buồng lái Tín hiệu vào ở đây là sự thay đổi vị trí của tay ga khi có lệnh từ buồng lái (ví dụ chạy tiến trung bình máy) Việc thay đổi vị trí tay ga (tay đặt tốc độ) do con người thực hiện Tín hiệu điều chỉnh là tín hiệu u(t) tác động vào thanh răng bơm cao áp (BCA) làm thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Thông số được điều chỉnh là vòng quay (n) của động cơ diesel lai chân vịt Tác động nhiễu là sự thay đổi phụ tải đối với động cơ, sự thay đổi nhiệt trị của nhiên liệu v.v Nếu đặt tay ga ở một vị trí nhất định và giả sử các yếu tố khác không thay đổi thì vòng quay của động cơ là n1 và
sẽ được duy trì như vậy nếu không có bất kỳ tín hiệu nhiễu nào Tuy nhiên giả sử nếu nhiệt trị của nhiên liệu sử dụng hoặc phụ tải của động cơ thay đổi thì vòng quay của động cơ sẽ thay đổi
Qua các ví dụ trên chúng ta thấy hệ thống điều chỉnh hở chỉ thích hợp với những chức năng điều khiển đơn giản và không thể đòi hỏi độ chính xác cao với thông số được điều chỉnh (y) ở hệ thống này Các nhiễu loạn tác động lên hệ thống chính là nguyên nhân làm cho đại lượng được điều chỉnh sai lệch so với mong muốn Để giảm thiểu hoặc triệt tiêu sai lệch này cần phải đo giá trị của đại lượng được điều chỉnh
so sánh với giá trị mong muốn (giá trị cho trước) để đưa ra tác động điều chỉnh thích hợp Đây chính là cơ
sở hoạt động của hệ thống tự động kín Trong các hệ thống điều khiển và điều chỉnh hở nhiệm vụ đo và
so sánh thường do con người thực hiện
-Hệ thống tự động điều chỉnh mạch kín:
Hệ thống tự động điều chỉnh mạch kín là hệ thống trong đó giá trị của đại lượng được điều chỉnh được đo và đem so sánh với giá trị cho trước để tạo ra tác động điều chỉnh hay nói cách khác tác động điều chỉnh được hình thành trên cơ sở độ lệch e(t) giữa giá trị cho trước và giá trị đo được của đại lượng được điều chỉnh Nhờ đó hệ thống tự động điều chỉnh kín có khả năng làm triệt tiêu hoặc giảm thiểu độ
chênh lệch e(t) giữa giá trị thực của đại lượng được điều chỉnh và giá trị cho trước (giá trị mà con người mong muốn)
Hình 1.1.6: Hệ thống tự động điều chỉnh mạch kín
ĐTĐC: Đối tượng điều chỉnh; BĐC: bộ điều chỉnh
TÁC ĐỘNG NHIỄU
TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH u(t)
y(t)
TÍN HIỆU
CHỈ HUY
xo
e(t ))
f(t)
Trang 7y(t): thông số được điều chỉnh; xo: giá trị cho trước của đại lượng được điều chỉnh; e(t): độ lệch điều chỉnh; u(t): tín hiệu điều chỉnh; f(t): tác động nhiễu loạn trong một hệ thống tự động kín có thể phân biệt thành các mạch cụ thể: mạch chính - trong đó có đối tượng điều chỉnh và mạch phản hồi ngược (phản hồi) trong đó có phần tử đo đại lượng được điều chỉnh y, phần tử so sánh v.v mạch chính tương ứng với dòng vật chất hoặc năng lượng chủ yếu trong một quá trình cho trước và nó chính là chỗ thường xảy ra những nhiễu có ý nghĩa nhất của quá trình này Những nhiễu còn lại tác động đến đối tượng hoặc bộ điều chỉnh ví dụ thay đổi nhiệt độ môi trường, thay đổi các thông số của nguồn năng lượng phụ thường được
bỏ qua Mạch chính và mạch phản hồi còn được nghiên cứu cụ thể ở các phần sau
Hình 1.1.7 mô tả một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh kín Nhiệm vụ của hệ thống là duy trì áp suất trong bình chứa không thay đổi, không phụ thuộc vào tác động nhiễu Đối tượng điều chỉnh là bình chứa, sự thay đổi áp suất trongbình là do ảnh hưởng của việc thay đổi độ mở f1 và f2 của các van V1 và V2
tương ứng Áp suất pk là đại lượng được điều chỉnh (y) Thông số này được đo và được biến đổi thành tín hiệu khí nén chuẩn pm nhờ phần tử cảm biến (PTCB)
:
Hình 1.1.7: Hệ thống tự động điều chỉnh áp suất khí nén trong bình Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hai tín hiệu pm (tương ứng với giá trị đo được của đại lượng được điều chỉnh) và po (giá trị cho trước) được so sánh với nhau trong bộ điều chỉnh (BĐC) Nếu chúng có giá trị không bằng nhau, có nghĩa là giá trị thực của đại lượng được điều chỉnh y (pk) khác so với giá trị cho trước xo (po), thì bộ điều chỉnh sẽ cho
ra tín hiệu pw làm thay đổi độ mở f1 của van V1 theo hướng để áp suất pk trong bình đạt được giá trị cho trước Tác động điều chỉnh u ở đây có thể coi là pw hoặc là độ dịch chuyển 1 của nấm van vì giữa chúng
có mối quan hệ tuyến tính với nhau
1.2.3 Thông tin:
Lý thuyết về điều chỉnh là khoa học bao gồm các vấn đề có liên quan đến sự tác động qua lại lẫn nhau trên cơ sở thông tin Một trong những định nghĩa chính xác nhất về thông tin được Wiener phát biểu như
sau: "Thông tin không phải là vật chất cũng như không phải năng lượng" Thông tin không tuân thủ các
PTCB
BĐC
x
o
p
o
pm
p
2
f
2
p
1
f
1
pk (y)
pk (y)
p
w (u) l
V
1
V2
Trang 8định luật của năng lượng và vật chất, cùng một thông tin có thể thấy ở nhiều nơi Thông tin (cũng như không gian) không phải là năng lượng hay vật chất nhưng thiếu chúng thông tin không thể tồn tại được bởi vì năng lượng hay vật chất là những phương tiện để truyền tin Thời gian, không gian, thông tin là những đặc tính không thể tách rời của vật chất Trong thực tế ta biết nhiều thông tin ở đơn vị này hơn đơn
vị kia Từ đó ta có thể rút ra kết luận: thông tin là nhân tố làm tăng hoặc giảm mức độ hiểu biết về thực tế
mà ta đang quan tâm Những thao tác, xử lý quan trọng nhất đối với thông tin: nhận thông tin, ghi lại thông tin, truyền thông tin, tạo ra thông tin, mã hoá thông tin, chuyển tiếp thông tin và đo số lượng thông tin
Trong kỹ thuật số, đại lượng đo thông tin được gọi là "bít" (Binary Imformation Theartical Unit) Bít là đơn vị thông tin của hệ thống nhị phân, dùng để xác định lượng thông tin bất kỳ Một bít là lượng thông tin có trong tổ hợp 2 phần tử, các phần tử ngày có bản chất tương tự như nhau
Tín hiệu:
Sự trao đổi thông tin giữa các đơn vị trên thực tế được thực hiện gián tiếp qua tín hiệu Vậy tín hiệu dùng để truyền thông tin Tín hiệu là quá trình biến đổi của các đại lượng vật lý có thể phản ánh một cách trung thành những thông tin con người quan tâm và truyền thông tin này trên khoảng cách nhất định Quá trình biến đổi của các đại lượng vật lý là một tập hợp được sắp xếp theo thứ tự trong một điều
cho trước Tuy nhiên mọi quá trình biến đổi của một đại lượng vật lý không phải lúc nào cũng là tín hiệu
mà phụ thuộc ở một điểm có phải mọi trạng thái các quá trình biến đổi được sắp xếp theo một thứ tự một cách có ý nghĩa thì quá trình này được gọi là tín hiệu Bản thân tín hiệu không mang đặc điểm của năng lượng cũng như vật chất Khi tín hiệu được truyền đi bằng dòng năng lượng hoặc vật chất thì tín hiệu thường là một đại lượng vật lý mô tả dòng này Đại lượng vật lý biểu thị dòng vật chất (hoặc năng lượng)
đó được gọi là thông số thông tin của dòng, ví dụ: dòng truyền tín hiệu là dòng điện xoay chiều thì đại lượng vật lý đặc trưng này là cường độ dòng điện, điện áp, tần số Một trong 3 đại lượng này có thể là thông số của thông tin nếu quá trình biến đổi chúng đều mô tả bằng các trạng thái riêng biệt được xác định một cách có ý nghĩa Thường trong kỹ thuật chúng ta gặp các đơn vị truyền tín hiệu là dòng electron, dòng khí nén, dòng chất lỏng, sóng điện từ, sóng âm Hướng truyền tín hiệu được coi là hướng truyền thông tin Những đặc tính cơ bản của tín hiệu:
- Loại tín hiệu
- Dạng tín hiệu (trạng thái)
- Độ lớn của tín hiệu
a Loại tín hiệu: loại tín hiệu phụ thuộc vào bản chất vật lý của tín hiệu Trên thực tế có thể có rất
nhiều loại tín hiệu: cường độ dòng điện, điện áp, tần số, điện trở, lực, áp suất, dung tích điện, dịch chuyển theo đường thẳng, dịch chuyển xoay, nhiệt độ
b Dạng tín hiệu: Dạng tín hiệu là quá trình thay đổi giá trị của tín hiệu theo thời gian Tín hiệu có thể
được phân loại theo dạng đặc thù cụ thể:
Phân loại tín hiệu dựa trên trạng thái của chúng:
Trang 9- Tín hiệu dạng liên tục: các thông số của thông tin có thể nhận bất kỳ các giá trị trong giới hạn xác định, các tín hiệu này là hàm liên tục theo thời gian
- Tín hiệu rời rạc (ngắt quãng, không liên tục): các thông số của thông tin phụ thuộc vào tập hợp rời rạc và chỉ thay đổi trong một khoảng thời gian ngắt quãng chọn trước Tín hiệu rời rạc có thể là:
+ Tín hiệu dạng xung
+ Tín hiệu dạng nhiều trạng thái
+ Tín hiệu dạng số
Tín hiệu dạng xung: có thể là các tín hiệu xung với sự thay đổi biên độ, độ rộng của xung và sự thay
đổi pha xuất hiện Hình vẽ 1.1.8 dưới đây mô tả một số dạng tín hiệu xung
Hình 1.1.8: Tín hiệu xung với sự thay đổi biên độ, độ rộng và pha Tín hiệu xung nhiều trạng thái: Đây cũng là một dạng tín hiệu không liên tục mà trong đó số lượng tín
hiệu khác nhau trong một mức độ nhất định là một
số hữu hạn Ứng với mỗi một mức của xung thông thường là một trạng thái xác định của phần tử thực hiện
Hình 1.1.9: Tín hiệu xung 2 trạng thái (0,L) và 3 trạng thái (-L,0,L)
Tín hiệu số: được biểu thị dưới dạng các chuỗi xung Chúng có thể là những tín hiệu có số lượng các
giá trị xác định Người ta thường chia thành hai loại chủ yếu: loại đã được mã hoá và loại tín hiệu lượng tử
Tín hiệu lượng tử có độ lớn được thể hiện dưới dạng lặp lại các giá trị nhiều lần và đánh giá thông qua đơn vị lượng tử của mức, ví dụ về tín hiệu lượng tử được biểu thị trên hình 1.1.10 dưới đây với k là đơn
vị lượng tử
y
t
y
t
y
t
S
t
0
S
t
L 0 L L 0
Trang 10Hình 1.1.10: Tín hiệu lượng tử
Tín hiệu số mã hoá có độ lớn được biểu thị dưới dạng xung sắp xếp theo mã số quy định Phương pháp
mã hoá có rất nhiều loại, sau đây là một số loại:
- Khai triển các xung theo thì (hệ thập phân mã hoá theo nhị phân)
- Số lượng tín hiệu nhị phân trong một thì
- Sắp xếp theo thứ tự trong ứng với các giá trị của các tín hiệu theo mức độ quan trọng
Các dạng tín hiệu này thường được ứng dụng trong các máy tính số
c Độ lớn của tín hiệu: Độ lớn của tín hiệu phụ thuộc vào cường độ mà tín hiệu này phản ánh thông tin.
Cường độ phản ánh thông tin của tín hiệu lớn thì độ lớn của tín hiệu cũng lớn (xét trong quan hệ tương đối)
Phần tử tự động (hay còn gọi là khâu):
Phần tử tự động là một nhóm các thiết bị, một thiết bị sinh công, hoặc một thiết bị đo có trong hệ thống
tự động mà có thể phân biệt được tín hiệu vào và tín hiệu ra Bằng sơ đồ khối người ta biểu thị một phần
tử dưới dạng một khối riêng có các đường mũi tên ký hiệu đường vào và hướng truyền đi của tín hiệu Trong trường hợp đơn giản nhất các phần tử chỉ có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra Tuy nhiên trên thực tế các phần tử có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra
Hình 1.1.11: Sơ đồ khối biểu thị phần tử tự động với một tín hiệu vào, ra và nhiều tín hiệu vào, ra
Đối với các phần tử tự động, thông thường x được ký hiệu là tín hiệu vào và y là tín hiệu ra Ngoài ra tùy trường hợp cụ thể các tín hiệu vào và ra còn có thể được biểu thị bằng những ký hiệu thường dùng để
ký hiệu các đại lượng vật lý quen thuộc ví dụ như điện áp U, lực f, cường độ dòng điện I v.v
Hình vẽ dưới đây là ví dụ về một số phần tử:
y
t 2k
4k 6k 8k 10k
PHẦN TỬ
TỰ ĐỘNG
TỰ ĐỘNG
x1
xn
y
1
ym
