Sơ đồ Khối Hệ thống Điều khiển

Định nghĩa Sơ đồ Khối

Sơ đồ khối được sử dụng để biểu diễn hệ thống điều khiển dưới dạng sơ đồ. Nói cách khác, biểu diễn thực tế của hệ thống điều khiển là sơ đồ khối của nó. Mỗi thành phần của hệ thống điều khiển được biểu diễn bằng một khối và khối đó là biểu diễn tượng trưng của hàm chuyển của thành phần đó.

Không phải lúc nào cũng tiện lợi để xác định toàn bộ hàm chuyển của hệ thống điều khiển phức tạp trong một hàm duy nhất. Dễ dàng hơn khi xác định hàm chuyển của các thành phần điều khiển kết nối với hệ thống riêng biệt.

Mỗi khối đại diện cho hàm chuyển của một thành phần và được kết nối theo đường đi tín hiệu. Sơ đồ khối giúp đơn giản hóa hệ thống điều khiển phức tạp. Mỗi thành phần của hệ thống điều khiển được hiển thị dưới dạng một khối, tượng trưng cho hàm chuyển của nó. Các khối này cùng nhau tạo thành hệ thống điều khiển hoàn chỉnh.

Hình dưới đây hiển thị hai thành phần có hàm chuyển Gone(s) và Gtwo(s). Trong đó, Gone(s) là hàm chuyển của thành phần đầu tiên và Gtwo(s) là hàm chuyển của thành phần thứ hai của hệ thống.

Sơ đồ cũng cho thấy có một đường hồi tiếp thông qua đó tín hiệu đầu ra C(s) được hồi tiếp và so sánh với tín hiệu đầu vào R(s). Sự chênh lệch giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra là tín hiệu điều khiển hoặc tín hiệu lỗi.

Trong mỗi khối của sơ đồ, tín hiệu đầu ra và đầu vào được liên kết với nhau bởi hàm chuyển. Trong đó, hàm chuyển là:

Trong đó, C(s) là tín hiệu đầu ra và R(s) là tín hiệu đầu vào của khối cụ thể đó. Hệ thống điều khiển phức tạp bao gồm nhiều khối. Mỗi khối có hàm chuyển riêng. Nhưng hàm chuyển tổng thể của hệ thống là tỷ số giữa hàm chuyển của đầu ra cuối cùng và hàm chuyển của đầu vào ban đầu của hệ thống.

Hàm chuyển tổng thể của hệ thống này có thể được tính bằng cách đơn giản hóa hệ thống điều khiển bằng cách kết hợp các khối riêng lẻ, từng bước một. Kỹ thuật kết hợp các khối này được gọi là kỹ thuật giảm thiểu sơ đồ khối. Để triển khai thành công kỹ thuật này, cần tuân theo một số quy tắc giảm thiểu sơ đồ khối.

Điểm lấy tín hiệu trong Sơ đồ Khối Hệ thống Điều khiển

Khi chúng ta cần áp dụng một hoặc cùng một tín hiệu đầu vào cho nhiều khối, chúng ta sử dụng điểm lấy tín hiệu. Điểm này là nơi tín hiệu đầu vào có nhiều đường đi để truyền. Lưu ý rằng tín hiệu đầu vào không bị chia tại một điểm.

Thay vào đó, tín hiệu đầu vào truyền qua tất cả các đường đi kết nối với điểm đó mà không ảnh hưởng đến giá trị của nó. Do đó, các tín hiệu đầu vào giống nhau có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống hoặc khối bằng cách có điểm lấy tín hiệu. Một tín hiệu đầu vào chung đại diện cho nhiều khối của hệ thống điều khiển được thực hiện bằng một điểm chung, như được hiển thị trong hình dưới đây với điểm X.

Khối Cascade

Khi các khối điều khiển được kết nối theo chuỗi (cascade), hàm chuyển tổng thể là tích của tất cả các hàm chuyển của các khối riêng lẻ. Cũng nhớ rằng, đầu ra của một khối không bị ảnh hưởng bởi các khối khác trong chuỗi.

Bây giờ, từ sơ đồ, có thể thấy rằng,

Trong đó, G(s) là hàm chuyển tổng thể của hệ thống điều khiển cascade.

Điểm Tổng Hợp trong Sơ đồ Khối Hệ thống Điều khiển

Đôi khi, các tín hiệu đầu vào khác nhau được áp dụng cho cùng một khối thay vì một tín hiệu đầu vào cho nhiều khối. Ở đây, tín hiệu đầu vào kết hợp là tổng của tất cả các tín hiệu đầu vào được áp dụng. Điểm tổng hợp, nơi các tín hiệu đầu vào hợp nhất, được hiển thị dưới dạng vòng tròn gạch chéo trong sơ đồ.

Ở đây, R(s), X(s) và Y(s) là các tín hiệu đầu vào. Cần chỉ rõ điểm tổng hợp tín hiệu đầu vào trong sơ đồ khối của hệ thống điều khiển.

Điểm Tổng Hợp Liên Tiếp

Một điểm tổng hợp có nhiều hơn hai tín hiệu đầu vào có thể được chia thành hai hoặc nhiều điểm tổng hợp liên tiếp, nơi thay đổi vị trí của các điểm tổng hợp liên tiếp không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra.

Nói cách khác, nếu có nhiều hơn một điểm tổng hợp được kết nối trực tiếp, chúng có thể dễ dàng hoán đổi vị trí mà không ảnh hưởng đến đầu ra cuối cùng của hệ thống tổng hợp.

Khối Song Song

Khi cùng một tín hiệu đầu vào được áp dụng cho các khối khác nhau và đầu ra từ mỗi khối được cộng lại tại một điểm tổng hợp để lấy đầu ra cuối cùng của hệ thống.

Hàm chuyển tổng thể của hệ thống sẽ là tổng đại số của hàm chuyển của tất cả các khối riêng lẻ.

Nếu Cone, Ctwo và Cthree là đầu ra của các khối với hàm chuyển Gone, Gtwo và Gthree, thì.

Di chuyển Điểm Lấy Tín Hiệu

Nếu cùng một tín hiệu được áp dụng cho nhiều hệ thống, thì tín hiệu được biểu diễn trong hệ thống bằng một điểm gọi là điểm lấy tín hiệu. Nguyên tắc di chuyển điểm lấy tín hiệu là nó có thể được di chuyển sang bên trái hoặc bên phải của một khối, nhưng đầu ra cuối cùng của các nhánh kết nối với điểm lấy tín hiệu phải không thay đổi.

Điểm lấy tín hiệu có thể được di chuyển sang bên trái hoặc bên phải của khối.

Trong hình trên, điểm lấy tín hiệu được di chuyển từ vị trí A sang B. Tín hiệu R(s) tại điểm lấy tín hiệu A sẽ trở thành G(s)R(s) tại điểm B.

Do đó, cần thêm một khối của hàm chuyển nghịch đảo G(s) trên đường đi để lấy lại R(s). Giờ hãy xem xét khi điểm lấy tín hiệu được di chuyển trước khối, mà trước đó nó nằm sau khối. Ở đây, đầu ra là C(s) và đầu vào là R(s) và do đó.

Ở đây, chúng ta cần đặt một khối của hàm chuyển G(s) trên đường đi để đầu ra lại là C(s).

Di chuyển Điểm Tổng Hợp

Hãy xem xét việc di chuyển điểm tổng hợp từ vị trí trước một khối sang vị trí sau một khối. Có hai tín hiệu đầu vào, R(s) và ± X(s), vào điểm tổng hợp ở vị trí A. Đầu ra của điểm tổng hợp là R(s) ± X(s). Tín hiệu kết quả là đầu vào của khối hệ thống điều khiển có hàm chuyển G(s), và đầu ra cuối cùng của hệ thống là

Do đó, điểm tổng hợp có thể được vẽ lại với tín hiệu đầu vào R(s)G(s) và ± X(s)G(s)

Các sơ đồ khối của hệ thống điều khiển đầu ra trên có thể được viết lại như sau

Phương trình trên có thể được biểu diễn bằng một khối của hàm chuyển G(s) và đầu vào R(s) ± X(s)/G(s) và cuối cùng có thể được vẽ như sau.

Sơ đồ Khối của Hệ thống Điều khiển Vòng Đóng

Trong hệ thống điều khiển vòng đóng, một phần của đầu ra được hồi tiếp và cộng với đầu vào của hệ thống. Nếu H(s) là hàm chuyển của đường hồi tiếp, thì hàm chuyển của tín hiệu hồi tiếp sẽ là B(s) = C(s)H(s).

Tại điểm tổng hợp, tín hiệu đầu vào R(s) sẽ được cộng với B(s) và tạo ra tín hiệu đầu vào thực sự hoặc tín hiệu lỗi của hệ thống, được ký hiệu là E(s).