1. Điều khiển tốc độ và hướng đi của ô tô
Trong ví dụ đầu tiên này, chúng ta sẽ tạo ra một sơ đồ khối đại diện cho việc điều khiển tốc độ và hướng đi của ô tô. Nếu bạn muốn lái một chiếc xe theo một lộ trình nhất định, trước tiên chúng ta cần xác định lộ trình đó. Hãy bắt đầu bằng cách tìm một lộ trình mong muốn mà tôi sẽ gọi là PD – lộ trình mong muốn. Đây là tín hiệu tham chiếu mà chúng ta sẽ cung cấp cho ô tô, và nó là quỹ đạo lý tưởng mà chiếc xe nên theo để di chuyển theo lộ trình đó.
Để lái xe theo lộ trình này, chúng ta cần biết vị trí hiện tại của xe và sau đó thực hiện các hành động dựa trên khoảng cách giữa vị trí hiện tại và lộ trình mong muốn. Tại đây, chúng ta có thể tạo ra một sai số, hoặc một phần tử so sánh giữa lộ trình mong muốn và lộ trình hiện tại. Tôi sẽ gọi lộ trình hiện tại của xe là P, trong khi PD là lộ trình mong muốn. Đầu ra của khối này sẽ là sai số, được tính bằng cách so sánh lộ trình mong muốn với lộ trình hiện tại, từ đó cho ra sai số vị trí. Đây chính là tín hiệu mà chúng ta sẽ sử dụng để điều khiển ô tô.
Hãy nghĩ về điều này: nếu sai số lớn, chúng ta sẽ làm gì khi lái xe? Chúng ta sẽ điều chỉnh vô lăng, di chuyển nó nhiều hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào độ lớn của sai số này. Một lần nữa, điều này không phụ thuộc vào lộ trình mong muốn hay lộ trình hiện tại, mà phụ thuộc vào sự khác biệt giữa chúng.
Chúng ta sẽ lấy sai số này và chuyển đổi nó thành hành động. Chúng ta sẽ truyền tín hiệu này qua vô lăng. Đầu ra ở đây là góc lái, và mục tiêu lái bây giờ là điều mà chúng ta cung cấp cho ô tô để giảm thiểu sai số này. Tín hiệu này sẽ được gửi đến ô tô. Ô tô ở đây đại diện cho động lực học của động cơ, động lực học của xe và mô hình hoàn chỉnh của ô tô.
Dựa trên sai số, chúng ta điều chỉnh góc lái nhiều hơn hoặc ít hơn và gửi tín hiệu đó đến ô tô. Ô tô sẽ phản hồi lại lệnh này, và chúng ta sẽ đo lường xem lộ trình mong muốn của chúng ta đang ở đâu. Trong trường hợp này, cảm biến mà chúng ta sử dụng để đánh giá vị trí hiện tại là tầm nhìn của người lái. Tầm nhìn này sẽ cung cấp lộ trình hiện tại mà chúng ta cần để so sánh với lộ trình mong muốn. Tại đây, chúng ta có sai số, và bộ truyền động là vô lăng, điều này giúp ô tô phản hồi lại sai số, trong khi góc lái là đầu ra của bộ truyền động. Chúng ta có cảm biến, tầm nhìn của người lái, và đầu ra của cảm biến là lộ trình hiện tại.
Bây giờ, hãy làm cho vấn đề này phức tạp hơn một chút là thêm vào việc điều khiển tốc độ. Như điều khiển vị trí, chúng ta muốn đi theo lộ trình này nhưng cũng có một tốc độ mong muốn, được gọi là VD. Nếu bạn muốn ô tô theo dõi tốc độ mong muốn này, chúng ta cần biết tốc độ hiện tại của xe, mà tôi sẽ gọi là V. Điều này tạo ra sai số về tốc độ.
Để điều chỉnh tốc độ, chúng ta sử dụng một bộ truyền động, và trong trường hợp này, bộ truyền động đó là nhấn ga. Chúng ta sẽ cung cấp sai số này việc nhấn ga, và nó sẽ được chuyển đổi thành góc nhấn ga, sau đó góc nhấn ga sẽ được gửi đến ô tô. Ô tô sẽ phản hồi lại lệnh này, và tốc độ của xe sẽ thay đổi. Bây giờ, chúng ta cần đo tốc độ, và ở đây chúng ta cần một cảm biến, đó là sensor tốc độ. Sensor tốc độ sẽ cung cấp tốc độ hiện tại.
Kết luận
Việc điều khiển tốc độ và hướng đi của ô tô là một quá trình phức tạp nhưng rất thú vị, bao gồm việc so sánh các tín hiệu mong muốn và hiện tại, từ đó đưa ra các hành động điều chỉnh phù hợp. Sự kết hợp giữa các cảm biến, bộ truyền động và các tín hiệu phản hồi giúp chúng ta có thể điều khiển ô tô một cách chính xác và hiệu quả.
Bài viết về Hệ thống Điều khiển Mức Nước
Trong ví dụ thứ hai này, chúng ta sẽ xây dựng một sơ đồ khối cho một hệ thống điều khiển để điều chỉnh mức nước bằng cách sử dụng một phao. Để điều khiển mức nước trong hệ thống, chúng ta cần xác định mức nước mong muốn, hay còn gọi là điểm đặt (set point). Đây là mức mà chúng ta muốn duy trì.
Để thực hiện việc điều khiển mức nước, chúng ta cũng cần đo lường mức nước hiện tại. Trong bất kỳ hệ thống điều khiển nào, chúng ta sẽ tạo ra một hàm sai số, đó là sự khác biệt giữa mức nước mong muốn và mức nước hiện tại. Sự khác biệt này được biểu diễn bằng một phép cộng, và chúng ta sẽ thực hiện các hành động dựa trên sai số giữa mức mong muốn và mức hiện tại.
Sai số này sẽ được đưa vào một bộ điều khiển. Chúng ta có thể đơn giản hóa bộ điều khiển này thành một hình hộp và gọi nó là “Bộ điều khiển“. Bộ điều khiển có thể là một vi điều khiển, một máy tính hoặc bất kỳ thiết bị nào có khả năng xử lý logic mà chúng ta sẽ phát triển sau này. Bộ điều khiển sẽ chuyển đổi sai số thành một hành động điều khiển nào đó để điều chỉnh hệ thống.
Ví dụ, bộ điều khiển có thể xác định độ mở của một van để điều chỉnh lưu lượng nước. Đầu ra từ bộ điều khiển sẽ được gửi đến van để điều chỉnh độ mở của nó. Đầu ra này chính là độ mở của van, và nó sẽ được tác động vào “Bể nước” (plant) – hệ thống mà chúng ta đang điều khiển. Hệ thống này có tất cả các động lực học của hệ thống nước mà chúng ta đang kiểm soát.
Đầu ra từ hệ thống là mức nước, và chúng ta sẽ đo mức nước này bằng một phao, đây là cảm biến của chúng ta. Mức nước hiện tại sẽ được sử dụng trong bộ so sánh để xác định sai số. Đầu ra ở đây là mức nước thực tế.
Lưu ý rằng bộ điều khiển không thực hiện hành động dựa trên mức mong muốn hay mức hiện tại, mà dựa trên sự khác biệt giữa chúng. Sự khác biệt này quyết định mức độ mở hoặc đóng của van. Để thực hiện điều này, chúng ta cần một van và một bộ truyền động (actuator). Bộ truyền động ở đây là đầu ra của bộ điều khiển, và trong trường hợp này, van sẽ là thiết bị làm thay đổi mức nước theo phản hồi từ sai số.
Khi mức mong muốn và mức hiện tại bằng nhau, sai số sẽ bằng không và bộ điều khiển sẽ đóng van để duy trì mức nước ổn định. Ngay khi có bất kỳ sự khác biệt nào được phát hiện qua phao, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh để khắc phục mọi sai lệch giữa mức nước mong muốn và mức nước hiện tại.
Kết luận
Hệ thống điều khiển mức nước này là một ví dụ điển hình về cách mà các thành phần trong một hệ thống điều khiển tương tác với nhau để duy trì sự ổn định. Việc hiểu rõ cách thức hoạt động của từng thành phần sẽ giúp chúng ta thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống điều khiển trong thực tế.