Hệ thống giám sát và điều khiển
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| preset value/ˈpriːset ˈvæljuː/ | preset value |
| actuator/ˈæktʃuːeɪtə/ | actuator |
| monitoring/ˈmɒnɪtərɪŋ/ | monitoring |
| sensors/ˈsensəz/ | sensors |
| control system/kənˈtrəʊl ˈsɪstəm/ | control system |
| feedback/ˈfiːdbæk/ | feedback |
| thermistor/ˈθɜːmɪstə/ | thermistor |
| ADC/ˌeɪ diː ˈsiː/ | Bộ chuyển đổi tương tự-số |
| feedback loop/ˈfiːdbæk luːp/ | feedback loop |
Người giáo viên chán bị làm phiền
- Năm 1883, Warren Johnson, một giáo viên đại học ở Wisconsin, đã quá chán ngán với việc người quản lý phòng ốc bước vào lớp học của ông để kiểm tra nhiệt độ.
- Ông đã chế tạo một thiết bị có một dải gồm hai kim loại uốn cong khi phòng ấm lên và mát đi. Ở một nhiệt độ cài đặt trước, thiết bị đóng mạch và chuông reo trong phòng lò hơi.
- Một cảm biến, một giá trị cài đặt trước, tín hiệu gửi cho ai đó hành động, và một căn room được đo lường lại sau đó: vòng lặp điều khiển tự động đầu tiên trong một tòa nhà.
- Ngày nay, vòng lặp này là bộ xử lý và cơ cấu chấp hành thay vì người quản lý phòng ốc, nhưng các thành phần vẫn giống nhau.
Giám sát và Điều khiển
- Cả hai loại hệ thống đều đọc cảm biến. Sự khác biệt nằm ở những gì xảy ra tiếp theo.
- Một hệ thống giám sát thu thập, ghi lại hoặc hiển thị các số đo và không thực hiện hành động nào, dù nó có thể phát cảnh báo: trạm thời tiết, máy theo dõi bệnh nhân kêu chuông.
- Một hệ thống điều khiển so sánh mỗi số đo với một giá trị cài đặt trước và, nếu nó nằm ngoài phạm vi, gửi tín hiệu đến các cơ cấu chấp hành để thay đổi quá trình vật lý: bộ điều nhiệt bật/tắt lò hơi.
Giám sát báo cáo; Điều khiển hành động và sau đó đo lường lại
Sự khác biệt then chốt giữa hệ thống giám sát và hệ thống điều khiển là hệ thống điều khiển:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Cả hai đều đọc cảm biến, nhưng hệ thống điều khiển sử dụng dữ liệu để hành động (qua cơ cấu chấp hành), trong khi hệ thống giám sát chỉ thu thập và báo cáo.
Một hệ thống giám sát thuần túy thực hiện hành động thông qua cơ cấu chấp hành để thay đổi môi trường của nó.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Giám sát chỉ thu thập và báo cáo dữ liệu — nó không hành động. Hành động thông qua cơ cấu chấp hành mới là yếu tố tạo nên hệ thống điều khiển.
Ví dụ minh họa: câu hỏi 3 điểm "mô tả sự khác biệt"
- Hệ thống giám sát chỉ đo lường, ghi lại hoặc hiển thị các số đo, và tối đa là phát một cảnh báo.
- Hệ thống điều khiển so sánh mỗi số đo với một giá trị cài đặt trước và, nếu nó nằm ngoài phạm vi, gửi tín hiệu đến các cơ cấu chấp hành để thay đổi quá trình.
- Sự thay đổi sau đó được đo lường lại, do đó hệ thống điều khiển chứa phản hồi và hệ thống giám sát thì không.
- Ba ý, ba điểm. Tiêu chí kiểm tra cho bất kỳ hệ thống nào là ý thứ hai: liệu nó có tác động lên số đo hay không?
Một hệ thống điều khiển so sánh mỗi giá trị đọc từ cảm biến với một giá trị ____ và chỉ hành động nếu giá trị đọc nằm ngoài khoảng cho phép.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Việc so sánh với giá trị cài đặt sẵn/lưu trữ là dấu hiệu phân biệt hệ thống điều khiển với thiết bị chỉ đơn thuần phản ứng.
Cảm biến
- Một cảm biến biến một đại lượng vật lý thành tín hiệu điện: nhiệt độ (một thermistor hoặc cặp nhiệt điện), áp suất (kéo dãn), hồng ngoại, âm thanh, ánh sáng, độ ẩm.
- Hầu hết tín hiệu cảm biến là dạng tương tự (analogue), do đó một ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số) chuyển chúng thành nhị phân trước khi bộ xử lý có thể so sánh chúng với bất cứ thứ gì.
- Đặt tên cho cảm biến tương ứng với đại lượng: "cảm biến nhiệt độ" là một câu trả lời hợp lệ, "thermistor" là câu trả lời tốt hơn.
Một thermistor: điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ
Một cảm biến:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Cảm biến đo thế giới và đầu ra một tín hiệu. Cơ cấu chấp hành làm ngược lại — nó biến tín hiệu thành hành động.
Cơ cấu chấp hành
- Một cơ cấu chấp hành thực hiện ngược lại với cảm biến: nó biến tín hiệu từ bộ xử lý thành hành động vật lý.
- Động cơ mở cửa và van, bộ gia nhiệt và làm lạnh thay đổi nhiệt độ, bơm di chuyển nước, còi hoặc đèn báo cho người biết.
- Đầu ra của bộ xử lý là tín hiệu kỹ thuật số; nơi actuator cần tín hiệu biến thiên, DAC sẽ chuyển đổi nó thành tín hiệu tương ứng trước.
Động cơ: một actuator biến tín hiệu thành chuyển động
Nối mỗi thiết bị với việc nó là cảm biến (đầu vào) hay cơ cấu chấp hành (đầu ra).
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Cảm biến biến đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu; cơ cấu chấp hành biến đổi tín hiệu thành hành động vật lý.
Thiết bị nào là cơ cấu chấp hành?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Cơ cấu chấp hành thực hiện hành động (động cơ, van, bộ gia nhiệt, còi). Các thiết bị kia là cảm biến/đầu vào.
Vòng điều khiển
- Cảm biến đo lường. ADC chuyển đổi kết quả đo sang dạng kỹ thuật số. Bộ xử lý so sánh nó với giá trị đã cài đặt sẵn.
- Nếu kết quả đo nằm ngoài khoảng cho phép, bộ xử lý gửi tín hiệu đến actuator, để thay đổi quá trình.
- Cảm biến đo lại, và vòng lặp tiếp tục. Việc đo lường lặp lại sau mỗi hành động chính là vòng phản hồi.
Vòng phản hồi điều khiển
Hãy xem xét vòng lặp mà một bộ điều nhiệt hoặc hệ thống lái tự động lặp lại. Một hệ thống điều khiển không chỉ đọc thế giới — nó hành động, rồi đo lại, sửa mình đi sửa mình đi.
Sắp xếp các giai đoạn của một vòng lặp điều khiển theo đúng thứ tự.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
Đo, chuyển đổi, so sánh, tác động, đo lại. Bước cuối cùng chính là yếu tố tạo nên phản hồi.
Ví dụ minh họa: cửa tự động
- Mô tả cách một hệ thống mở cửa khi có người ở trong phạm vi 2 mét và đóng cửa khi không còn ai.
- Cảm biến hồng ngoại hoặc siêu âm đo khoảng cách đến bất kỳ vật gì phía trước cửa. ADC chuyển đổi tín hiệu tương đương và gửi dữ liệu về bộ xử lý.
- Bộ xử lý so sánh khoảng cách với ngưỡng cài đặt sẵn là 2 mét. Nếu khoảng cách nhỏ hơn, nó gửi tín hiệu đến actuator là động cơ để mở cửa.
- Cảm biến liên tục đo lường. Khi không còn tín hiệu nào dưới 2 mét xuất hiện, bộ xử lý ra lệnh cho động cơ đóng cửa. Việc đo lường lặp đi lặp lại chính là phản hồi.
Trong các lựa chọn sau, cái nào thuộc về hệ thống cửa tự động? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Cảm biến, bộ chuyển đổi, giá trị so sánh và cơ cấu tác động là các bộ phận hoạt động. Máy in sẽ được gắn thêm để giám sát; nó không đóng vai trò gì trong việc mở cửa.
Ví dụ minh họa: nhà kính
- Duy trì nhiệt độ nhà kính trong khoảng từ 20 °C đến 26 °C. Thermistor đọc nhiệt độ; ADC số hóa dữ liệu; bộ xử lý so sánh với hai giới hạn cài đặt sẵn.
- Dưới 20 °C: tín hiệu gửi đến actuator gia nhiệt để bật thiết bị lên. Trên 26 °C: tín hiệu gửi đến động cơ để mở thông gió và tắt bộ gia nhiệt.
- Trong khoảng an toàn: không thực hiện hành động, nhưng việc đo vẫn diễn ra. Sau đó vòng lặp tiếp tục.
- Mọi câu trả lời đúng về hệ thống điều khiển đều phải bao gồm năm phần này: cảm biến, ADC, so sánh với giá trị cài đặt, actuator, và đo lường lại.
Tại sao phản hồi lại quan trọng
- Không có phản hồi, hệ thống không thể biết liệu hành động của mình có hiệu quả hay không, do đó không thể tự sửa lỗi hay biết khi nào nên dừng lại. Một bộ gia nhiệt không có phản hồi nhiệt độ sẽ chạy mãi mãi.
- Phản hồi cũng giúp hệ thống phản ứng với những thay đổi tự nhiên của môi trường: như cửa được mở bằng tay, hay đám mây che phủ nhà kính.
- Hệ thống giám sát không có phản hồi vì nó không thay đổi trạng thái nào. Nó chỉ có thể báo cáo hoặc cảnh báo.
Tại sao phản hồi lại thiết yếu trong một hệ thống điều khiển?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Phản hồi khép kín vòng lặp: cơ cấu tác động thay đổi môi trường, cảm biến đo lại, và hệ thống điều chỉnh — ví dụ: bộ điều nhiệt ngừng gia nhiệt khi đạt mục tiêu.
Nối mỗi hệ thống với loại của nó.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Phát báo động vẫn là việc báo cáo. Chỉ có hệ thống thay đổi quy trình vật lý thông qua cơ cấu tác động mới là hệ thống điều khiển.
Điểm số dễ mất
- Hệ thống giám sát không sử dụng actuator. Nếu câu trả lời của bạn mô tả trạm khí tượng bật/tắt thiết bị, thì đó đã trở thành hệ thống điều khiển.
- Tín hiệu cảm biến là tín hiệu tương đương. Hãy nói rằng ADC chuyển đổi chúng trước khi bộ xử lý tiến hành so sánh.
- Sự so sánh phải được thực hiện với một giá trị cài đặt sẵn. Câu "bộ xử lý quyết định" sẽ không nhận điểm; thay vào đó hãy viết "so sánh kết quả đo với giá trị lưu trữ là 2 mét".
- Hãy dùng từ lặp lại để chỉ chu trình. Điểm phản hồi thường bị bỏ sót nhất trong các bài giải.
Bạn đã nắm vững
- giám sát = đọc cảm biến, ghi lại hoặc hiển thị, tối đa là cảnh báo; điều khiển = so sánh với giá trị cài đặt, tác động qua actuator, và đo lại
- một cảm biến chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu thông qua ADC; một actuator chuyển đổi tín hiệu thành hành động
- vòng lặp: cảm biến → ADC → so sánh → actuator → đo lại; sự lặp lại này chính là phản hồi
- mô tả bất kỳ hệ thống điều khiển nào bằng năm phần trên theo thứ tự đó