Trong lý thuyết điều khiển tự động, một bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học cho trước. Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết. Ví dụ, hệ thống lò sưởi của một ngôi nhà có thể được trang bị với 1 bộ điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ không khí (biến đầu ra), có thể bật hoặc tắt lò nung hoặc bộ gia nhiệt khi nhiệt độ không khí quá thấp hoặc quá cao.
Trong ví dụ này, bộ điều nhiệt là bộ điều khiển và điều khiển hoạt động của bộ gia nhiệt. Bộ gia nhiệt là bộ xử lý giúp làm nóng không khí bên trong ngôi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt). Nhiệt độ không khí đo được bên trong ngôi nhà là tín hiệu phản hồi. Và cuối cùng, ngôi nhà là môi trường mà hệ thống lò sưởi làm việc.
Khái niệm bộ điều khiển còn có thể mở rộng cho nhiều hệ thống phức tạp khác. Trong thế giới tự nhiên, mỗi cá thể sinh vật cũng có thể được trang bị các bộ điều khiển để đảm bảo sự cân bằng nội cần thiết cho sự sinh tồn của sinh vật. Cả hai hệ thống nhân tạo và tự nhiên đều biểu hiện tập hợp các hành vi giữa các cá thể trong đó các bộ điều khiển cố gắng đạt đến các trạng thái cân bằng nào đó.
Các dạng điều khiển[sửa|sửa mã nguồn]
Trong kim chỉ nan điều khiển tự động hóa có hai dạng điều khiển cơ bản. Đó là vòng hở và phản hồi. Đầu vào của một bộ điều khiển phản hồi giống với thứ mà nó cố gắng nỗ lực điều khiển – biến điều khiển được phản hồi vào bộ điều khiển. Bộ điều nhiệt của một ngôi nhà là một ví dụ của 1 bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển này dựa vào việc giám sát những biến điều khiển, trong trường hợp này là nhiệt độ ngôi nhà, và sau đó kiểm soát và điều chỉnh đầu ra, qua việc đóng hoặc mở bộ gia nhiệt. Tuy nhiên, điều khiển phản hồi thường cho tác dụng trong những tiến trình trung gian nơi những biến điều khiển không ở điểm đặt mong ước. Với ví dụ về bộ điều nhiệt, nếu cánh cửa của ngôi nhà được mở trong ngày lanh, ngôi nhà sẽ lạnh dần. Nếu nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ mong ước ( điểm đặt ), bộ gia nhiệt sẽ được mở, nhưng sẽ cần một khoảng chừng thời hạn khi ngôi nhà lạnh hơn nhiệt độ mong ước .Điều khiển vòng hở hoàn toàn có thể tránh được sự chậm rãi của điều khiển phản hồi. Với điều khiển vòng hở, những nhiễu được thống kê giám sát và thống kê giám sát trước khi chúng có thời hạn để ảnh hưởng tác động vào mạng lưới hệ thống. Trong ví dụ về ngôi nhà, một mạng lưới hệ thống vòng hở hoàn toàn có thể biết được cánh cửa thực tiễn được mở và tự động hóa mở bộ gia nhiệt trước khi ngôi nhà quá lạnh. Sự độc lạ với điều khiển vòng hở là ảnh hưởng tác động của nhiễu lên mạng lưới hệ thống phải được Dự kiến đúng chuẩn, và không được có bất kể nhiễu nào không đo lường và thống kê được. Ví dụ, nếu một hành lang cửa số được mở thì không giám sát được, bộ điều nhiệt điều khiển vòng hở hoàn toàn có thể vẫn liên tục để ngôi nhà lạnh đi .
Để đạt được hiệu quả như điều khiển phản hồi (điều khiển nhiễu không xác định và không cần biết chính xác phương thức hệ thống phản ứng với nhiễu thế nào) “và” hiệu quả của điều khiển vòng hở (phản ứng với nhiễu trước khi chúng có thể tác động tới hệ thống), có thể liên kết giữa điều khiển hồi tiếp và vòng hở với nhau.
Vài ví dụ về việc kết hợp điều khiển vòng hở và hồi tiếp với nhau là bù thời gian chết, và bù đáp ứng ngược. Bù thời gian chết được dùng để điều khiển các thiết bị mà cần nhiều thời gian để hiển thị bất kỳ thay đổi nào ở đầu vào, ví dụ, thay đổi ở phần dòng chảy qua một ống dài. Bù một điều khiển bù thời gian chết sử dụng một yếu tố (còn gọi là một biến độc lập Smith) để dự đoán thay đổi hiện tại bởi bộ điều khiển sẽ tác động tới biến điều khiển trong tương lai. Biến điều khiển cũng được đo lường và sử dụng trong điều khiển phản hồi. Bù đáp ứng ngược bao gồm các hệ thống điều khiển mà một thay đổi sẽ tác động trước hết tới biến đo lường theo một cách nhưng sau đó sẽ tác động tới nó theo cách ngược lại. Một ví dụ là việc ăn kẹo. Trước tiên kẹo sẽ cung cấp cho bạn năng lượng, nhưng sau đó bạn sẽ rất mệt. Cũng có thể tưởng tượng rằng, rất khó để điều khiển hệ thống này với chỉ một mình điều khiển phản hồi, do đó một phần tử điều khiển vòng hở dự đoán được là cần thiết để dự đoán tác dụng ngược mà một thay đổi sẽ có trong tương lai.
Các loại bộ điều khiển[sửa|sửa mã nguồn]
Hầu hết những mạng lưới hệ thống điều khiển van trong quá khứ được thực thi bằng cách sử dụng những mạng lưới hệ thống cơ khí hoặc bán dẫn. Khí nén được tiếp tục thiết lập cho việc truyền thông tin và điều khiển sử dụng áp lực đè nén. Tuy nhiên, những mạng lưới hệ thống điều khiển văn minh nhất trong công nghiệp lúc bấy giờ lại dựa vào máy tính để điều khiển. Rõ ràng sẽ thuận tiện hơn để triển khai những thuật toán điều khiển phức tạp trên máy tính hơn là sử dụng mạng lưới hệ thống cơ khí .Có vài loại đơn thuần của bộ điều khiển hồi tiếp. Loại đơn thuần nhất, giống như bộ điều nhiệt chỉ việc bật bộ gia nhiệt lên khi nhiệt độ xuống dưới giá trị cho trước và tắt nếu nó vướt quá giá trị đó ( điều khiển on-off ) .Một loại bộ điều khiển đơn thuần khác là một bộ điều khiển tỉ lệ. Với bộ điều loại này, đầu ra bộ điều khiển ( ảnh hưởng tác động điều khiển ) tỉ lệ với sai số của biến đo lường và thống kê .
Trong điều khiển phản hồi, sai số được định nghĩa là hiệu số giữa giá trị mong muốn (điểm đặt)
y
s
{displaystyle y_{s}}
y
{displaystyle y}
- u ( t ) = K c ∗ e ( t ) + u 0 { displaystyle u ( t ) = K_ { c } * e ( t ) + u_ { 0 } }
Trong đó
-
u
(
t
){displaystyle u(t)}
- e ( t ) = y s ( t ) − y ( t ) { displaystyle e ( t ) = y_ { s } ( t ) – y ( t ) }
- K c { displaystyle K_ { c } }
- u o { displaystyle u_ { o } }
Điều quan trọng là tác động điều khiển
u
{displaystyle u}
y
{displaystyle y}
(phản hồi âm). Có hai trường hợp phụ thuộc vào tín hiệu của độ lơi quá trình.
Trường hợp thứ nhất, độ lợi quy trình là dương, vì thế việc tăng biến điều khiển ( đo lường và thống kê ) y { displaystyle y } nhu yếu cần giảm ảnh hưởng tác động điều khiển u { displaystyle u } ( điều khiển ngược hướng ảnh hưởng tác động ). Trong trường hợp này, độ lợi bộ điều khiển K c { displaystyle K_ { c } } là dương, chính bới định nghĩa tiêu chuẩn của sai số đã gồm có một dấu ‘ – ‘ trong y { displaystyle y } .Trong trường hợp thứ hai độ lợi quy trình là âm, vì ứng với biến điều khiển tăng một đơn vị chức năng ( giám sát ) y { displaystyle y } thì nhu yếu tác đọng điều khiển cũng tăng một đơn vị chức năng u { displaystyle u } ( điều khiển theo hướng tác động ảnh hưởng ). Trong trường hợp này độ lợi bộ điều khiển K c { displaystyle K_ { c } } là âm .Một ví dụ nổi bật của mạng lưới hệ thống ngược hướng tác động ảnh hưởng là điều khiển nhiệt độ ( y { displaystyle y } ) bằng cách sử dụng hơi nước ( u { displaystyle u } ). Trong trường hợp này độ lợi quy trình là dương, thế cho nên nếu nhiệt độ tăng, lưu lượng hơi nước phải được tăng để duy trì nhiệt độ mong ước. trái lại, một ví dụ nổi bật của mạng lưới hệ thống theo hướng tác động ảnh hưởng là điều khiển nhiệt độ sử dụng nước làm mát. Trong trường hợp này độ lợi quy trình là âm, thế cho nên nếu nhiệt độ tăng, lưu lượng nước làm mát phải được tăng để duy trì nhiệt độ mong ước .
Mặc dù điều khiển tỉ lệ rất dễ hiểu, nó lại có nhiều hạn chế. Vấn đề lớn nhất là trong hầu hết các hệ thống nó sẽ không bao giờ khử bỏ hết được sai số. Điều này là bởi vì khi sai số là 0, bộ điều khiển chỉ cung cấp các tác động điều khiển trạng thái ổn định vì vậy hệ thống sẽ xác lập trở lại trạng thái ổn định ban đầu (nó có lẽ không phải là điểm đặt mới mà chúng ta muốn hệ thống đạt được). Để hệ thống làm việc gần trạng thái ổn định mới, độ lợi bộ điều khiển, Kc, phải rất lớn để bộ điều khiển tạo ra đầu ra theo yêu cầu khi chỉ có một sai số rất nhỏ xuất hiện. Độ lợi lớn có thể dẫn đến hệ thống mất ổn định hoặc có thể làm phần cứng không thể thực hiện được giống như van lớn vô tận vậy.
Cùng với điều khiển tỉ lệ là điều khiển tỉ lệ-tích phân ( PI ) và điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID ). Điều khiển PID được sử dụng thông dụng để thực thi điều khiển vòng lặp. điều khiển vòng hở hoàn toàn có thể được sử dụng trong những mạng lưới hệ thống được miêu tả rõ ràng để tiên đoán được đầu ra nào sẽ thiết yếu để đạt được trạng thái mong ước. Ví dụ, tốc độ quay của một động cơ điện hoàn toàn có thể được miêu tả đủ tốt cho việc cung ứng điện áp làm cho việc điều khiển phản hồi là không thiết yếu .Hạn chế của điều khiển vòng hở là nhu yếu kỹ năng và kiến thức về mạng lưới hệ thống phải rất tuyệt đối ( tức là nó phải biết đúng mực đầu vào là gì để đạt được đầu ra mong ước ), và phải giả thiết rằng không có bất kể nhiễu nào trong mạng lưới hệ thống .
