Điều khiển vòng hở và vòng kín khác nhau thế nào?

Vì vậy, muốn phân biệt hai loại hệ thống này, không nên chỉ nhìn vào việc hệ thống có tự động hay không. Một thiết bị có thể hoạt động hoàn toàn tự động nhưng vẫn là vòng hở nếu không sử dụng phản hồi để điều chỉnh

Điều khiển vòng hở là gì và hoạt động như thế nào?

Điều khiển vòng hở là phương pháp trong đó tín hiệu điều khiển được tạo ra mà không phụ thuộc trực tiếp vào kết quả đầu ra thực tế

Luồng cơ bản có thể biểu diễn:

Giá trị đặt → Bộ điều khiển → Đối tượng điều khiển → Đầu ra

Đầu ra không được đưa trở lại bộ điều khiển để so sánh và hiệu chỉnh. Do đó, nếu tải, điều kiện môi trường hoặc đặc tính của đối tượng thay đổi, hệ thống không tự biết mức sai lệch đã phát sinh để bù lại

Ví dụ, máy giặt chạy theo chương trình thời gian định trước có thể được xem là một dạng điều khiển vòng hở nếu chương trình chỉ quy định thời gian và trình tự hoạt động mà không đo kết quả giặt để tự điều chỉnh

Ưu điểm của vòng hở là cấu trúc đơn giản, dễ triển khai và thường có chi phí thấp hơn vì không cần cơ cấu đo và đường phản hồi

Giới hạn là độ chính xác phụ thuộc nhiều vào việc mô hình hóa và dự đoán đúng hành vi của đối tượng. Khi nhiễu hoặc điều kiện vận hành thay đổi đáng kể, đầu ra có thể lệch khỏi giá trị mong muốn mà hệ thống không tự sửa

Điều khiển vòng kín hoạt động dựa trên phản hồi ra sao?

Điều khiển vòng kín bổ sung một đường phản hồi để đưa thông tin về đầu ra trở lại bộ điều khiển

Luồng cơ bản là:

Giá trị đặt → Bộ so sánh → Bộ điều khiển → Đối tượng → Đầu ra → Cảm biến → Phản hồi

Bộ điều khiển không chỉ nhận biết giá trị đặt mà còn nhận thông tin về đầu ra thực tế. Hai giá trị này được so sánh để tạo ra sai lệch, thường biểu diễn dưới dạng:

e(t) = r(t) − y(t)

Trong đó:

·         r(t) là giá trị đặt

·         y(t) là đầu ra đo được

·         e(t) là sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế

Bộ điều khiển sử dụng sai lệch này để thay đổi tín hiệu tác động lên đối tượng. Khi đầu ra lệch khỏi mục tiêu, phản hồi cung cấp thông tin cần thiết để hệ thống điều chỉnh theo hướng giảm sai lệch

Ví dụ điển hình là điều khiển nhiệt độ bằng bộ điều nhiệt. Khi nhiệt độ thực tế thấp hơn nhiệt độ đặt, bộ điều khiển có thể tăng tác động gia nhiệt; khi nhiệt độ tiến đến giá trị đặt, tác động được điều chỉnh tương ứng

Nhờ cơ chế này, vòng kín có khả năng đáp ứng với thay đổi của tải và nhiễu tốt hơn vòng hở, với điều kiện cảm biến, bộ điều khiển và thiết kế vòng phản hồi phù hợp

Điều khiển vòng hở và vòng kín khác nhau ở điểm nào?

Khác biệt quan trọng nhất không phải là vòng kín luôn chính xác hơn trong mọi trường hợp, mà là vòng kín có cơ chế sử dụng thông tin đầu ra để điều chỉnh. Chính cơ chế này giúp hệ thống bù sai lệch nhưng đồng thời cũng làm hệ thống phụ thuộc vào cảm biến, đường phản hồi và thiết kế bộ điều khiển

Vì sao phản hồi làm vòng kín có khả năng tự điều chỉnh?

Phản hồi tạo ra mối liên hệ giữa đầu ra thực tế và tác động điều khiển tiếp theo

Nếu hệ thống không có phản hồi, bộ điều khiển không nhận được thông tin trực tiếp cho biết đầu ra đang lệch bao nhiêu so với mục tiêu. Khi đó, tác động điều khiển chủ yếu dựa trên lệnh đặt trước hoặc mô hình đã giả định

Với vòng kín, sai lệch trở thành thông tin đầu vào cho quá trình điều chỉnh. Chuỗi reasoning là:

Đầu ra thay đổi → cảm biến phát hiện → tạo sai lệch → bộ điều khiển xử lý → tín hiệu điều khiển thay đổi → đầu ra được điều chỉnh

Đây là cơ chế tạo nên khả năng bù sai lệch của vòng kín

Tuy nhiên, phản hồi không tự động bảo đảm hệ thống tốt hơn. Nếu độ trễ, thông số bộ điều khiển hoặc cấu trúc phản hồi không phù hợp, hệ thống có thể dao động, đáp ứng chậm hoặc mất ổn định. Vì vậy, lợi ích của vòng kín phụ thuộc vào cách thiết kế toàn bộ hệ thống

Khi nào nên dùng điều khiển vòng hở và khi nào nên dùng vòng kín?

Vòng hở phù hợp hơn khi quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và đầu ra tương đối ổn định, nhiễu nhỏ và yêu cầu về độ chính xác không quá cao. Nó cũng có lợi thế khi cần một hệ thống đơn giản, dễ triển khai và không cần đo đầu ra liên tục

Vòng kín phù hợp hơn khi đầu ra cần bám sát giá trị đặt và có khả năng xuất hiện nhiễu, thay đổi tải hoặc biến động của đối tượng. Những hệ thống cần duy trì một đại lượng ở mức mong muốn thường có lý do rõ ràng để sử dụng phản hồi

Có thể dùng ba câu hỏi để phân biệt nhanh:

1.    Hệ thống có đo đầu ra không?

2.    Đầu ra đo được có được so sánh với giá trị đặt không?

3.    Kết quả so sánh có được dùng để thay đổi tín hiệu điều khiển không?

Nếu không có chuỗi phản hồi này, đó là đặc trưng của điều khiển vòng hở. Nếu có, đó là đặc trưng của điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín có phải lúc nào cũng tốt hơn vòng hở?

Không. Hai phương pháp phục vụ những điều kiện thiết kế khác nhau

Vòng kín có lợi thế khi cần giảm sai lệch và thích ứng với biến động của hệ thống, nhưng phải bổ sung cảm biến, đường phản hồi và bộ điều khiển phù hợp. Điều đó làm tăng độ phức tạp và tạo thêm các yếu tố cần thiết kế, hiệu chỉnh và bảo trì

Vòng hở lại có lợi thế khi bài toán đủ đơn giản để có thể dự đoán đầu ra từ tín hiệu điều khiển mà không cần đo và hiệu chỉnh liên tục

Do đó, lựa chọn không nên dựa trên nguyên tắc “vòng kín luôn tốt hơn”. Tiêu chí phù hợp hơn là mức độ biến động của đối tượng, yêu cầu về sai lệch, khả năng đo đầu ra và độ phức tạp chấp nhận được của hệ thống

Tóm lại, điều khiển vòng hở không sử dụng phản hồi đầu ra để tự hiệu chỉnh, còn điều khiển vòng kín sử dụng phản hồi để so sánh đầu ra thực tế với giá trị đặt và điều chỉnh tín hiệu điều khiển theo sai lệch. Vòng hở đơn giản hơn nhưng ít khả năng bù biến động; vòng kín phức tạp hơn nhưng có khả năng thích ứng và kiểm soát đầu ra tốt hơn khi được thiết kế phù hợp

Điều khiển vòng hở có cần cảm biến không?

Không nhất thiết. Điểm phân biệt không nằm ở việc có cảm biến hay không, mà ở việc thông tin đầu ra có được đưa trở lại để điều chỉnh tín hiệu điều khiển hay không

Ví dụ nào là điều khiển vòng kín?

Bộ điều khiển nhiệt độ có cảm biến đo nhiệt độ thực tế và điều chỉnh gia nhiệt dựa trên sai lệch so với nhiệt độ đặt là một ví dụ điển hình của điều khiển vòng kín

Phản hồi trong điều khiển vòng kín dùng để làm gì?

Phản hồi cung cấp thông tin về đầu ra thực tế để hệ thống xác định sai lệch so với giá trị đặt và sử dụng sai lệch đó cho quá trình điều chỉnh