Chương 3. Giao diện hệ thống, thiết bị và hệ thống điều khiển

3.5 Điều khiển dùng vi xử lý

Điều khiển PID

Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số. Điều khiển PID thực hiện ba cách phát hiện và hiệu chỉnh sai số này. Cách thứ nhất là P (proprotional – tỷ lệ) trong PID. Thuật ngữ này cho biết hoạt động điều khiển của bộ vi điều khiển tỷ lệ với sai số. Nói cách khác, sai số càng lớn thì sự hiệu chỉnh sai số càng cao. Cách thứ hai là I (integral – tích phân) trong PID, để tích phân lỗi theo thời gian, có nghĩa là hiệu chỉnh sai số có tính đến thời gian xảy ra sai số. Nói cách khác, sai số xảy ra trong thời gian càng dài thì sự hiệu chỉnh lỗi càng cao. Cuối cùng là D (derivative – đạo hàm) trong PID, có nghĩa là việc hiệu chỉnh sai số có liên quan đến đạo hàm hoặc thay đổi sai số đối với thời gian. Nói cách khác, sai số thay đổi càng nhanh thì hiệu chỉnh sai số càng lớn. Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD, hoặc PID để hiệu chỉnh sai số. Nhìn chung, vấn đề ở đây là “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trị thích hợp trong ba cách nêu trên. Xem chương 31 để biết thêm thông tin về thiết kế bộ điều khiển.

Bộ điều khiển logic khả trình

Bất kỳ một bàn luận nào về các hệ thống điều khiển và điều khiển dùng vi xử lý cũng đều bắt đầu từ dạng điều khiển “cơ điện tử” đầu tiên là bộ điều khiển logic khả trình (PLC – Programmable Logic Controllers). PLC là một bộ điều khiển đơn giản nhưng linh hoạt hơn được thiết kế dùng trong các môi trường như nhà máy, xí nghiệp. Đầu vào thường từ các chuyển mạch như các nút ấn được điều khiển bởi người vận hành máy hoặc các bộ cảm biến vị trí. Các bộ định thời cũng có thể được lập trình trong PLC để vận hành một quy trình nhất định trong các khoảng thời gian định trước. Các đầu ra bao gồm đèn, van solenoit, và động cơ với các giao diện đầu vào-đầu ra được thực hiện bên trong bộ điều khiển. Một ngôn ngữ lập trình đơn giản được sử dụng với PLC được gọi là logic hình thang hoặc ngôn ngữ lập trình hình thang. Logic hình thang là ngôn ngữ trực quan cho biết logic là sự liên kết các khối nối tiếp (AND) và song song (OR). Để biết thêm thông tin, hãy xem Chương 43 và ấn phẩm Programmable Logic Controllers của W. Bolton (Newnes 1996).

Bộ vi xử lý

Giải thích đầy đủ về bộ vi xử lý có thể tìm thấy ở mục 5.8. Ở mục này, chúng ta chỉ cần biết chút ít về các bộ phận cấu thành trong cấu trúc máy tính. RAM (random access memory-bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) là tập hợp các vị trí bộ nhớ, máy tính sử dụng để lưu dữ liệu tạm thời một cách tức thì. Các kênh phát thanh định sẵn do lái xe (hoặc hành khách) lựa chọn trong radio của xe ôtô được lưu ở RAM. Một dòng điện nhỏ có chức năng duy trì những tần số phát sóng được lưu lại này cho nên nếu radio hết pin thì các dữ liệu sẽ bị mất hết. ROM (read only memory – bộ nhớ chỉ đọc) là bộ nhớ tĩnh chứa chương trình để chạy bộ vi điều khiển. Do đó, chương trình lưu trong radio sẽ không bị mất đi khi hết pin. Một số loại ROM bao gồm bộ nhớ ROM xoá và lập trình được (EPROM – erasable programmable ROM), bộ nhớ ROM xoá và lập trình được bằng điện (EEPROM – electrically erasable programmable ROM) và bộ nhớ flash (một dạng mới hơn cả EEPROM). Tất cả những bộ nhớ này sẽ được trình bày ở phần sau của cuốn sách. Ngoài ra còn có một số nơi lưu trữ dữ liệu đặc biệt trong bộ vi xử lý gọi là thanh ghi. Các thanh ghi là nơi lưu dữ liệu nhanh. Chúng sẽ tạm thời lưu địa chỉ lệnh chương trình đang hoạt động, các giá trị tức thời cần thiết để hoàn thành việc tính toán, các dữ liệu cần cho việc so sánh và các dữ liệu đầu ra, đầu vào. Địa chỉ và các dữ liệu được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trong RAM, ROM, thanh ghi bằng cách sử dụng bus, và một tập hợp các đường truyền đồng thời đa bit.