Chapter 1: Những khái niệm cơ bản về hệ thống điều khiển số

HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN LIÊN TỤC ➢ Tất cả các tín hiệu truyền trong hệ thống đều là liên tục ➢ Sơ đồ nguyên lý của HT và sơ đồ khối tương tự nhau phầncứng... LƯỢNG TỬ HÓA THEO THỜI GIANLà phư

B ĐIỀU KHIỂN SỐ

Chapter 1: Những khái niệm cơ bản về hệ thống điều khiển số

WATT’S FLYBALL GOVERNOR

ROBOT ARM

MANIPULATION

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG

meter Controller

Gas Fire

Actual room temperature

Heat Input

Insulation

Heat lossThermometer

Outside temperature

HT ĐIỀU KHIỂN SỐ

The flight desk of the Boeing 757, 767  digital control

electronics

• Engine indicating system

• A crew alerting system

• The system includes:

• An inertial reference system making use of laser gyroscopes and an

electronic attitude director indicator

• A flight-management computer system integrates navigation, guidance, and performance data functions

AUTOMATIC

AIRCRAFT LANDING

SYSTEM

1 Cấu trúc cơ bản trong hệ thống điều khiển số (ĐKS)

2 Các loại tín hiệu trong hệ thống

3 Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D và quá trình lấy mẫu

4 Bộ chuyển đổi D/A và khâu lưu trữ

5 Ưu và nhược điểm của hệ thống ĐKS

CẤU TRÚC CƠ BẢN

CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN LIÊN TỤC

➢ Tất cả các tín hiệu truyền trong

hệ thống đều là liên tục

➢ Sơ đồ nguyên lý của HT và sơ

đồ khối tương tự nhau (phầncứng)

• Chức năng của máy tính: tính toán, xác

định các tín hiệu hay xử lý tín hiệu số.

CẤU HÌNH CỦA HT ĐKS

• Sự dịch từ ngôn ngữ của bộ điều

khiển số sang quá trình vật lý

(tương tự) được thực hiện bởi bộ

chuyển đổi DAC (digital-to-analog

converter)

• Bộ chuyển đổi ADC.

• Một cảm biến cần để giám sát biến

được điều khiển cho điều khiển

phản hồi.

HỆ THỐNG PHÂN PHỐI THUỐC KÍN

ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC

HT ĐIỀU

KHIỂN CÁNH TAY

ROBOT

CÁC LOẠI TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG

TÍN HIỆU BƯỚC (STEP SIGNAL)

TÍN HIỆU

XUNG DIRAC

ADC VÀ QUÁ TRÌNH

LẤY MẪU (SAMPLING)

LƯỢNG TỬ HÓA VÀ ĐẶC ĐIỂM

Định nghĩa:

Lượng tử hóa là quá trình biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn Ở các hệ liên tục, tín hiệu chưa đựng thông tin về sai lệch hay những tín hiệu nào khác là liên tục theo thời gian.

Phân loại:

1 Lượng tử hóa theo thời gian

2 Lượng tử hóa theo mức

3 Lượng tử hóa hỗn hợp

LƯỢNG TỬ HÓA THEO THỜI GIAN

Là phương pháp lấy tín hiệu tại các thời điểm nhất định, thường là cách nhau 1 chu kỳ T gọi là chu kỳ lượng

tử hóa (hoặc chu kỳ lấy mẫu)

LƯỢNG TỬ HÓA THEO MỨC

Là phương pháp lấy thông tin ở các mức mà tín hiệu đạt được Thông thường các mức cách nhau một đại lượng q

LƯỢNG TỬ HÓA HỖN HỢP

Là phương pháp kết hợp 2 dạng nói trên Ở các thời điểm nhất định, trị số nhận được là mức gần nhất mà tín hiệu đạt được.

Đại đa số các trường hợp đều sử dụng phương pháp lượng tử hóa theo thời gian với chu kỳ lấy mẫu T

Tùy thuộc vào dạng lượng tử hóa mà Hệ tự động gián đoạn có 3 loại:

1 Hệ xung: nếu ít nhất một trong các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của hệ được lượng tử hóa theo thời gian

2 Hệ role: lượng tử hóa theo mức (hệ phi tuyến)

3 Hệ xung số: lượng tử hóa hỗn hợp

EXAMPLE

Định nghĩa: Quá trình chuyển đổi tương tự

-số không thể tức thời, cần có thời gian trễ

để biến đổi tín hiệu tương tự là một đại

lượng vật lý (điện áp) ở đầu vào thành tín

hiệu số ở đầu ra.

• Bộ lấy mẫu có chức năng chủ yếu là xác định những

tín hiệu rời rạc f(t) |t = nT tại các thời điểm nT, (n = 0,

1, …).

• Tín hiệu rời rạc được lưu trữ biên độ trong suốt chu kỳ

lượng tử hóa nên bộ chuyển đổi ADC có thể là một tổ hợp lấy mẫu.

BỘ LẤY MẪU (SAMPLING)

T: chu kỳ lấy mẫu Bước 1: Rời rạc hóa tín hiệu liên tục

Cho một xung với độ rộng ∆ nhỏ hơn rất nhiều so với T

Hàm lấy mẫu:

Chuỗi xung trong chu kỳ T

Tín hiệu đã được lấy mẫu

Nếu ta biểu diễn tín hiệu ở miền tần số, ta sử dụng biến đổi Fourier Ta có:

EXAMPLES OF SAMPLING

𝑥 𝑡 = cos 2000𝜋𝑡 , 𝑓𝑠 = 6000 (samples/sec)

𝑥 𝑡 = cos 2000𝜋𝑡 , 𝑓𝑠 = 800 (samples/sec)

MATLAB

NGUYÊN

LÝ HOẠT ĐỘNG

CỦA ADC

NGUYÊN LÝ CẤU TRÚC

Quá trình lượng tử hóa đã cắt xén đại lượng vật lý dạng liên tục ở đầu vào Quá trình biến đổi không tuyến tính sẽ không đề cập đến và mô hình tuyến tính của bộ ADC mô

tả tín hiệu đầu ra chỉ là tín hiệu xung (được lượng tử hóa theo thời gian)

EXAMPLE

Ví dụ 1: 𝑓 𝑡 = cos2 100𝜋𝑡 → 𝑇𝑚𝑎𝑥 =?

→ 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 1

2(2𝑁𝑚𝑎𝑥 − 1)

Với các giá trị Nmax khác nhau tín hiệu đầu ra có

dạng khác nhau

BỘ CHUYỂN ĐỔI D/A VÀ KHÂU LƯU TRỮ

DAC

Bộ ADC biến đổi một chuỗi các đại lượng u(kT) thành tín hiệu liên tục u(t) để điều khiển hệ thống Bộ DAC được mô phỏng bởi bộ lưu trữ, nhận ở thời điểm kT xung có biên độ tỷ lệ với trị số u(kT) có độ rộng rất bé so với T (tín hiệu lấy mẫu) và duy trì hằng số ấy suốt cả chủ kỳ T.

Đáp ứng đối với một chuỗi xung là một chuỗi bậc thang có độ dài T Quá trình biến đổi này

là tức thời, không có trễ.

Giả thiết:

• Đầu ra của DAC bằng với đầu vào của nó ở giá trị độ lớn

• Bộ DAC đưa ra một tín hiệu tương tự tức thời

• Đầu ra DAC là hằng số trên mỗi chu kỳ trích mẫu

Quan hệ vào – ra của bộ DAC được cho bởi:

𝑢 𝑘 𝑍𝑂𝐻𝑢 𝑡 = 𝑢 𝑘 , 𝑘𝑇 ≤ 𝑡 < 𝑘 + 1 𝑇, 𝑘 = 0,1, …

Dãy tín hiệu đầu vào

DAC cần những khoảng nhỏ, ngắn không bằng 0 để tạo ra một đầu ra; đầu ra của nó không chính xác bằng với đầu vào về mặt độ lớn và có thể biến thiên nhẹ trong một chu kỳ trích mẫu Nhưng khâu lưu giữ bậc o (ZOH) được sử dụng hầu hết cho mô hình DAC và trong hầu hết môi trường điều khiển số.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DAC

Đầu vào 𝛿(𝑡)

ĐỊNH LÝ SHANNON

Bộ biến đổi DAC chỉ có thể tái tạo lại các tín hiệu liên tục có tần số bé hơn 1

2𝑇, trong đó T là chu kỳ lấy mẫu của bộ biến đổi.

Bộ biến đổi DAC được thay bằng khâu lấy mẫu nối tiếp với khâu lưu trữ bậc 0 có hàm truyền đạt:

𝐻0 𝑠 = 1 − 𝑒

−𝑠𝑇

𝑠

Những hàm khác có thể được sử dụng để xây dựng tín hiệu tương tự

từ một dãy các chữ số Ví dụ, khâu lưu giữ bậc 1 tạo ra những tín hiệu analog là những đường thẳng, trong khi khâu lưu giữ bậc 2 tạo ra những tín hiệu dạng parabolas Những bộ lưu giữ bậc cao tạo nên những dạng song phức tạp hơn nhưng độ chính xác cao hơn.

ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SỐ

1 Sự chính xác: tín hiệu số được biểu diễn bởi 0 và 1 với dạng 12 bit hoặc hơn để biểu diễn một chữ số đơn lẻ Nó sẽkéo theo sự sai lệch rất nhỏ so với tín hiệu tương tự, khi tín hiệu nhiễu, tiếng ồn và sự dịch chuyển công suất cung cấpluôn tồn tại

2 Những sai lệch khi thực hiện Quá trình xử lý số của tín hiệu số sẽ kéo theo phép tính công và nhân bằng cách lưu trữnhững giá trị số Những sai lệch mà ảnh hưởng đến sự biểu diễn bằng cách sử dụng các thành phần như điện trở, tụđiện với những giá trị thực tế mà nó biến thiên rõ ràng từ giá trị thiết kế rất nhỏ

3 Tính linh hoạt Một bộ điều khiển tương tự rất khó để hiệu chỉnh hoặc thiết kế lại một lần trong phần cứng Một BĐK

số thì được thực thi bằng firmware hoặc phần mềm và sự hiệu chỉnh có thể thực hiện được mà không cần thao đổihoàn toàn bộ điều khiển nguyên bản Cấu trức BĐK số không cần theo một trong những dạng đơn giản được sử dụngtrong ĐK tương tự