Mục lục bài họcĐang ở d07-b1
Control Systems, Sensors and Feedback
The components of a control system. A sensor is an input transducer: it converts a physical quantity such as temperature, light, pressure or position into an electrical signal. A microprocessor compares that reading with a stored set point and decides what to do. An actuator is an output device that changes the physical world — a motor, a heating element, a valve, a relay. A transducer is the general term for any device converting energy from one form to another, so sensors and many actuators are both transducers. Precision of vocabulary is marked here.
Open and closed loop. An open-loop system acts on its instructions without measuring the result: a sprinkler that runs for twenty minutes at six o'clock waters the garden whether or not it rained overnight. It is cheap, simple and adequate when the outcome is predictable from the input. A closed-loop system measures the output with a sensor and feeds the reading back, so the controller acts on the error between set point and actual value. Its decisive advantage is that any disturbance — a window opened, a load added, a component ageing — appears in the measurement and is compensated automatically, without anyone having to program for that specific situation.
Negative feedback. The feedback must be negative: the measured value is subtracted from the set point, so the closer the system gets to target the weaker the correcting action becomes. That is what produces stability. Positive feedback, in which the measurement increases the driving signal, causes the system to run away. In practice a dead band is also needed: if a thermostat switched on the instant the temperature fell below target and off the instant it rose above, it would cycle rapidly and wear out the equipment, so real systems switch on below target minus a margin and off above target plus a margin.
Real-time constraints. A control system is usually a real-time system, meaning correctness depends on timing as well as on the answer. In a hard real-time system a missed deadline is a failure — an airbag controller, an anti-lock braking system, a pacemaker. In a soft real-time system a missed deadline degrades quality but does not constitute failure, as with a dropped frame in video streaming. This distinction determines how a system must be designed and tested: hard real-time systems must have a provable worst-case response time, not merely a good average one.
Các thành phần của một hệ điều khiển. Cảm biến là bộ chuyển đổi đầu vào: nó biến một đại lượng vật lý như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất hay vị trí thành tín hiệu điện. Vi xử lý so sánh giá trị đọc được với một điểm đặt đã lưu và quyết định phải làm gì. Bộ tác động là thiết bị đầu ra làm thay đổi thế giới vật lý — động cơ, điện trở nhiệt, van, rơ-le. Bộ chuyển đổi là thuật ngữ chung cho mọi thiết bị biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác, nên cảm biến và nhiều bộ tác động đều là bộ chuyển đổi. Độ chính xác của từ vựng được chấm điểm ở chuyên đề này.
Vòng hở và vòng kín. Hệ vòng hở hành động theo lệnh mà không đo kết quả: một hệ tưới cây chạy hai mươi phút vào lúc sáu giờ sẽ tưới vườn bất kể đêm qua có mưa hay không. Nó rẻ, đơn giản và đủ dùng khi kết quả có thể dự đoán được từ đầu vào. Hệ vòng kín đo đầu ra bằng cảm biến và đưa giá trị đó phản hồi trở lại, nên bộ điều khiển hành động dựa trên sai lệch giữa điểm đặt và giá trị thực. Ưu điểm quyết định của nó là mọi nhiễu loạn — cửa sổ mở, tải tăng thêm, linh kiện lão hoá — đều hiện ra trong giá trị đo được và được bù trừ tự động, mà không ai phải lập trình riêng cho tình huống cụ thể đó.
Phản hồi âm. Phản hồi bắt buộc phải mang dấu âm: giá trị đo được bị TRỪ khỏi điểm đặt, nên hệ càng tiến gần mục tiêu thì tác động hiệu chỉnh càng yếu đi. Chính điều đó tạo ra tính ổn định. Phản hồi dương, trong đó giá trị đo làm TĂNG tín hiệu điều khiển, khiến hệ tự khuếch đại và mất kiểm soát. Trên thực tế còn cần một dải chết: nếu bộ ổn nhiệt bật ngay khi nhiệt độ vừa xuống dưới mục tiêu và tắt ngay khi vừa vượt lên, nó sẽ bật tắt liên tục và làm hỏng thiết bị, nên các hệ thật bật khi xuống dưới mục tiêu trừ một biên độ và chỉ tắt khi vượt mục tiêu cộng một biên độ.
Ràng buộc thời gian thực. Hệ điều khiển thường là hệ thời gian thực, nghĩa là tính đúng đắn phụ thuộc cả vào thời điểm chứ không chỉ vào kết quả. Trong hệ thời gian thực cứng, việc lỡ một hạn chót là một sự cố — bộ điều khiển túi khí, hệ chống bó cứng phanh, máy tạo nhịp tim. Trong hệ thời gian thực mềm, lỡ hạn chót làm giảm chất lượng nhưng không phải là sự cố, như việc mất một khung hình khi xem trực tuyến. Phân biệt này quyết định cách thiết kế và kiểm thử: hệ thời gian thực cứng phải chứng minh được thời gian phản hồi trong trường hợp XẤU NHẤT, chứ không phải chỉ có thời gian trung bình tốt.
Một nhà kính cần giữ nhiệt độ trong khoảng 20 tới 24 độ và giữ độ ẩm đất trên một ngưỡng. Hãy nêu các cảm biến, bộ tác động và logic điều khiển, rồi giải thích vì sao vòng kín là bắt buộc ở đây.
Cảm biến — thành phần đầu vào. Cảm biến nhiệt độ đọc nhiệt độ không khí. Cảm biến độ ẩm đất đọc lượng nước trong đất. Nên bổ sung cảm biến ánh sáng để phân biệt ngày và đêm, vì chiến lược điều khiển khác nhau giữa hai thời điểm. Mỗi cảm biến là một bộ chuyển đổi đầu vào: nó biến một đại lượng vật lý thành tín hiệu điện mà vi xử lý đọc được.
Bộ tác động — thành phần đầu ra. Một điện trở nhiệt để sưởi. Một mô-tơ mở và đóng cửa thông gió trên mái để hạ nhiệt. Một van điện từ mở nước tưới. Có thể thêm một mô-tơ kéo rèm che nắng. Mỗi bộ tác động chỉ nhận lệnh bật hoặc tắt, hoặc nhận một mức công suất, và bản thân nó không biết gì về mục tiêu.
Logic điều khiển, viết theo dạng có dải chết. Nếu nhiệt độ xuống dưới 20 thì bật sưởi và đóng cửa thông gió; chỉ tắt sưởi khi nhiệt độ vượt 21, chứ không tắt ngay tại 20. Nếu nhiệt độ vượt 24 thì tắt sưởi và mở cửa thông gió; chỉ đóng cửa lại khi nhiệt độ xuống dưới 23. Nếu độ ẩm đất xuống dưới ngưỡng thì mở van trong một khoảng thời gian rồi chờ trước khi đo lại — vì nước cần thời gian thấm, đo ngay sau khi tưới sẽ cho giá trị chưa phản ánh đúng.
Vì sao phải có dải chết. Nếu bật sưởi tại đúng 20 và tắt tại đúng 20, thì mỗi dao động nhỏ quanh ngưỡng sẽ làm rơ-le đóng mở liên tục. Điều này gây mòn cơ khí, gây xung điện và làm nhiệt độ dao động nhiều hơn chứ không ít hơn. Dải chết một độ giải quyết triệt để vấn đề này với chi phí là biên độ dao động nhiệt độ lớn hơn một chút.
Vì sao vòng kín là bắt buộc ở đây, chứ không phải chỉ tốt hơn. Nhiệt độ trong nhà kính chịu tác động của những biến mà hệ thống không thể biết trước: cường độ nắng thay đổi theo mây, gió, nhiệt độ ngoài trời, số người ra vào, và cả lượng nhiệt do chính cây trồng và đất phát ra. Một hệ vòng hở chạy theo lịch — chẳng hạn bật sưởi ba tiếng mỗi sáng — sẽ đúng vào một ngày cụ thể và sai vào mọi ngày khác. Hệ vòng kín không cần biết vì sao nhiệt độ lệch; nó chỉ cần đo thấy lệch rồi bù. Đây chính là câu trả lời tổng quát: vòng kín xử lý được mọi nhiễu loạn mà không cần biết trước danh sách các nhiễu loạn đó.
Ghi chú về tưới nước, một chi tiết ăn điểm. Vòng điều khiển tưới có độ trễ lớn giữa tác động và kết quả đo được. Nếu bộ điều khiển tiếp tục tưới vì chưa thấy độ ẩm tăng, nó sẽ tưới quá nhiều rồi mới thấy hậu quả. Vì vậy các hệ có độ trễ lớn phải tưới theo liều lượng cố định rồi chờ, chứ không được điều khiển liên tục theo sai lệch.
So sánh yêu cầu thời gian của ba hệ thống: (a) bộ điều khiển túi khí ô tô; (b) ứng dụng phát nhạc trực tuyến; (c) hệ thống chấm công bằng vân tay. Nêu loại thời gian thực và hệ quả cho việc thiết kế.
(a) Bộ điều khiển túi khí — thời gian thực CỨNG. Sau khi cảm biến gia tốc phát hiện va chạm, túi khí phải được kích hoạt trong khoảng vài chục mili giây; muộn hơn thì người lái đã va vào vô lăng và túi khí bung ra lại gây thêm chấn thương. Ở đây một hạn chót bị lỡ là một sự cố, không phải một sự bất tiện.
Hệ quả thiết kế, và đây là phần được chấm. Không được phép chỉ chứng minh thời gian phản hồi TRUNG BÌNH tốt; phải chứng minh được thời gian phản hồi trong trường hợp xấu nhất vẫn nằm trong hạn chót. Điều này kéo theo hàng loạt ràng buộc: bộ vi xử lý chuyên dụng chỉ chạy đúng nhiệm vụ này; không dùng cấp phát bộ nhớ động vì thời gian của nó không dự đoán được; hạn chế hoặc cấm ngắt lồng nhau; và thường có phần cứng dự phòng cùng cơ chế tự kiểm tra khi khởi động.
(b) Ứng dụng phát nhạc — thời gian thực MỀM. Nếu một gói dữ liệu tới muộn, âm thanh bị gián đoạn một khoảnh khắc rất ngắn. Chất lượng giảm, người dùng có thể khó chịu, nhưng hệ thống không thất bại và không ai bị nguy hiểm. Hệ quả thiết kế: dùng bộ đệm để hấp thụ dao động độ trễ, dùng UDP để tránh chi phí truyền lại, và có cơ chế che lấp khiếm khuyết khi thiếu dữ liệu. Mục tiêu là tối ưu chất lượng trung bình, không phải bảo đảm trường hợp xấu nhất.
(c) Chấm công bằng vân tay — KHÔNG phải hệ thời gian thực. Điểm cần nhận ra là không phải hệ nào có yêu cầu về tốc độ cũng là hệ thời gian thực. Ở đây, nếu việc nhận dạng mất hai giây thay vì nửa giây thì kết quả vẫn hoàn toàn đúng và người dùng chỉ hơi sốt ruột. Không tồn tại một hạn chót mà quá nó thì kết quả trở nên vô giá trị. Đây là hệ cần hiệu năng tốt, không phải hệ cần bảo đảm thời gian.
Cách phân biệt để trả lời chắc chắn trong bài thi. Hãy hỏi: nếu kết quả tới muộn hơn hạn chót thì nó còn giá trị không. Nếu kết quả trở nên vô giá trị hoặc gây hại thì đó là thời gian thực cứng. Nếu nó vẫn có giá trị nhưng chất lượng giảm thì đó là thời gian thực mềm. Nếu nó vẫn hoàn toàn có giá trị thì đó không phải hệ thời gian thực.
Bẫy 2 — mô tả vòng kín mà quên dấu ÂM của phản hồi. Giá trị đo phải bị TRỪ khỏi điểm đặt; đó là điều tạo ra tính ổn định. Phản hồi dương làm hệ tự khuếch đại và mất kiểm soát.
Bẫy 3 — coi mọi hệ cần phản hồi nhanh đều là hệ thời gian thực. Câu hỏi đúng là: nếu kết quả tới muộn hơn hạn chót thì nó còn giá trị không. Vô giá trị hoặc gây hại thì là cứng; giảm chất lượng thì là mềm; vẫn có giá trị thì không phải hệ thời gian thực.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Control (HL) gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.