Sơ đồ khối

Một hệ thống tự động điều khiển thường bao gồm nhiều phần tử kết nối với nhau. Đểthể hiện các chức năng mà từng phần tử thực hiện trong hệ tự động người ta thường dùng một sơ đồ được gọi là sơ đồ khối

Sơ đồ khối cũng chính là một sơ đồ dòng tín hiệu (signal flow diagram), là sự biểu diễn bằng các hình biểu tượng về tác về chức năng giữa các phần tử / chi tiết có trong hệ thống. Mỗi chức năng của một thành phần của hệ thống điều khiển được thể hiện bằng một khối có ký hiệu thông thường là một hình chữ nhật. Có thể có nhiều thành phần lại được gom lại thành một khối lớn. Ký hiệu bên trong các khối thường là hàm truyền dưới dạng ảnh Laplace. Đôi khi để thể hiện rõ hơn chức năng của một khối, người ta có thể ghi thêm vào nhiều chữ / ký tự khác. Mối tương quan về tín hiệu giữa các thành phần, cũng chính là giữa các khối thường được thể hiện bằng các mũi tên (đặc với một biến, hoặc rỗng với biến trạng thái) một chiều. Không dùng mũi tên hai chiều. Như vậy, sơ đồ khối là một dạng biểu diễn chức năng của các thành phần trong hệ điều khiển tự động và mối tương tác về tín hiệu giữa các thành phần này với nhau bằng một sơ đồ cơ bản gồm các khối và các mũi tên.

Nhờ các sơ đồ khối chi tiết, ta có thể nhìn thấu chức năng của từng thành phần trong hệ, các mối tương tác, từ đó có thể hiểu được rõ nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều chỉnh hệ thống.

Khác với biểu diễn toán học (mô hình toán học) của hệ, sơ đồ khối có ưu điểm nổi bật là thể hiện được rất thực dòng tín hiệu của các hệ thống thực. Mỗi khối chức năng là ký hiệu cho một phép toán áp dụng đối với tín hiệu vào của khối để tạo ra tín hiệu ra. Hàm truyền của từng phần tử thường được đặt trong một khối tương ứng có dạng hình chữ nhật, các khối này được nối với nhau bằng các mũi tên chỉ chiều lưu chuyển của tín hiệu.

Một sơ đồ khối chứa đựng các thông tin liên quan đến đáp ứng động lực học của hệ chứ không hề chứa đựng các thông tin liên quan đến cấu trúc vật lý của hệ. Thông thường có nhiều hệ thống vật lý khác nhau, chẳng liên quan gì với nhau lại có thể được biểu diễn bằng cùng một sơ đồ khối.

Cũng cần lưu ý rằng trong một sơ đồ khối thông thường nguồn năng lượng cấp cho hệ thống hoạt động lại không được thể hiện, và sơ đồ khối của một hệ thống nhất định lại có thể được biểu diễn bằng nhiều dạng khác nhau. Nghĩa là có nhiều sơ đồ khối khác nhau vẽ cho một hệ thống tuỳ thuộc vào quan điểm phân tích của người phân tích và lập sơ đồ khối.

Hình 1-10 cho thấy tín hiệu vào được thể hiện bằng mũi tên vào khối, tín hiệu ra bằng mũi tên ra khối. Như vậy mỗi mũi tên thể hiện một tín hiệu. Độ lớn của tín hiệu ra bằng tín hiệu vào nhân với hàm truyền trong khối.

Các điểm đặc biệt trong sơ đồ khối

Trong các sơ đồ khối còn có hai điểm đặc biệt, điểm cộng tín hiệu và điểm rẽ nhánh.

Điểm công tín hiệu (điểm so sánh, Summing Point, Adding Point) được thể hiện bằng một vòng tròn có dấu chữ thập bên trong. Dấu cộng (+) hoặc trừ (-) cho mỗi mũi tên vào khối cho biết tín hiệu đó được cộng vào hoặc bớt đi khỏi khối. Có một điểm cực kỳ quan trọng là các tín hiệu được cộng vào hoặc bớt đi khỏi khối phải có cùng kích thước, cùng bản chất vật lý và cùng đơn vị đo.

Điểm rẽ nhánh (Branch point) là một điểm mà từ đó tín hiệu từ một khối đi đồng thời tới nhiều khối khác hoặc tới các điểm cộng tín hiệu trong hệ thống. Các tín hiệu ra khỏi điểm rẽ nhánh luôn có cùng độ lớn với tín hiệu vào điểm rẽ nhánh. Tuy nhiên, trong thực tế để giữ được tính phân chia mà không làm giảm cường độ, tính chất của tín hiệu như trên, người ta phải thiết kế các mạch bù tín hiệu.

Hình 1-10: a- Một phần tử của sơ đồ khối ; b- Điểm công tín hiệu; c- Điểm rẽ nhánh.

Về cơ bản, hệ điều khiển phải có ít nhất các thành phần sau:

Trong phần lớn các hệ thống điều chỉnh cơ khí, có thể tìm ra một nhóm thiết bị vật lý như là van hoặc rơle nhiệt, mà ta có thể nhận dạng như là một trong 5 phần tử vật lý nói trên. Đôi khi, một chi tiết, thiết bị đơn lẻ lại đóng góp hoạt động vào hai hoặc nhiều thành phần của bộ điều khiển. Nhưng có khi vài ba chi tiết vật lý lại được kết hợp lại thành một trong năm thành phần được nhận dạng ở trên. Thiếu một trong năm thành phần nêu trên, hệ thống trở thành hệ mạch hở.

Sơ đồ khối đơn giản nhất của một hệ thống điều khiển tự động được minh họa trên Hình 1-11.

• Đối tượng được điều khiển
• Cảm biến biến được điều khiển
• Khối (điểm) so sánh
• Khối chế biến tín hiệu cơ bản (bộ điều khiển cơ bản)
• Khối tác động điều khiển

Hình 1-11: Sơ đồ khối đơn giản của một hệ điều khiển tự động

Trong chương sau ta sẽ xem xét một số trường hợp cụ thể hơn với sơ đồ khối, giới thiệu một phương pháp xây dựng sơ đồ khối từ một hệ vật lý cụ thể, và cuối cùng là các kỹ thuật đơn giản hóa sơ đồ khối thu được.

Điều khiển tự động, Bùi Hồng Dương