1
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ kỹ thuật điều khiển là một lĩnh vực kỹ thuật đặc biệt, bởi vì nó gắn
liền với nhiều ngành khoa học nghiên cứu về các hệ thống tự động rất đa dạng về bản
chất, như các hệ thống cơ khí, điện, điện tử, các quá trình sản xuất. Vì vậy, phạm vi
ứng dụng của kỹ thuật điều khiển cũng rất rộng lớn, từ các lĩnh vực kỹ thuật như năng
lượng điện, điện tử, viễn thông, cơ khí... đến các vấn đề mang tính xã hội.
Kỹ thuật điều khiển sử dụng mô hình toán học của các hệ thống động trong
việc phân tích hành vi của hệ thống, trên cơ sở đó áp dụng các lý thuyết điều
khiển để xây dựng các bộ điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động như được
mong muốn.
Lý thuyết điều khiển cổ điển
tập trung vào các vấn đề của
điều khiển
phản hồi
. Mặc dù những cơ sở toán học của lý thuyết điều khiển phản hồi đã xuất
hiện từ thế kỷ 19 và nhất là trong những năm 1920-1940, như mô hình phương
trình vi phân của các hệ thống động, lý thuyết về tính ổn định, các phương pháp
phân tích trong miền tần số..., những năm sau chiến tranh thế giới lần thứ hai cho
đến thập kỷ 60 của thế kỷ 20 mới được coi là giai đoạn phát triển thực sự của lý
thuyết điều khiển cổ điển với sự ra đời của các công cụ phân tích và thiết kế hệ
thống. Đặc điểm cơ bản của lý thuyết điều khiển cổ điển là việc sử dụng
các
phương pháp trong miền tần số
, dựa trên
phép biến đổi Laplace
. Chính do đặc
điểm đó nên lý thuyết điều khiển cổ điển chỉ thích hợp cho các
hệ thống tuyến
tính bất biến
.
Thập kỷ 60 của thế kỷ 20 là thời điểm đánh dấu sự mở đầu của kỷ nguyên
không gian trong lịch sử của loài người. Kể từ đây, kỹ thuật điều khiển bước vào
một giai đoạn mới - giai đoạn phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại. Hai
khái niệm quan trọng nhất trong kỹ thuật điều khiển hiện đại là
các phương pháp
trong miền thời gian
và
điều khiển số
. Việc thiết kế các hệ thống điều khiển phi
tuyến phức tạp, ví dụ như hệ thống điều khiển quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo, vượt
quá khả năng của các phương pháp cổ điển. Các phương pháp trong miền thời
gian, sử dụng
mô hình biến trạng thái
, đã vượt qua được những hạn chế của lý
thuyết điều khiển cổ điển khi đối mặt với các
hệ thống phi tuyến
. Với sự phát
triển mạnh mẽ của các lĩnh vực ứng dụng của điều khiển phi tuyến như trong kỹ
thuật hàng không vũ trụ hay robotics, vai trò của các phương pháp trong miền
thời gian cũng trở nên ngày càng chiếm ưu thế so với các phương pháp trong
miền tần số trong kỹ thuật điều khiển hiện đại. Ngày nay, thật khó tưởng tượng
việc xây dựng một hệ thống điều khiển nếu thiếu đi máy tính hay các bộ vi điều
khiển. Các lý thuyết của điều khiển số gắn liền với sự ra đời của máy tính, và
cùng với sự phổ biến ngày càng rộng rãi của các hệ thống điều khiển sử dụng
máy tính, điều khiển số đã trở thành lĩnh vực quan trọng hàng đầu của công nghệ kỹ
2
thuật điều khiển. Ngoài ra, công nghệ kỹ thuật điều khiển hiện đại còn quan tâm tới
những vấn đề như
điều khiển thích nghi
và
điều khiển tối ưu
, do các hệ thống cần điều
khiển ngày càng trở nên phức tạp, không thể mô hình hóa được một cách chính xác, và
do tính hiệu quả đối với nhiều hệ thống điều khiển hiện đại được xem là chỉ tiêu chất
lượng quan trọng nhất.
Cuốn sách này được biên soạn với mục đích làm tài liệu giáo khoa hướng dẫn
sinh viên hệ cao đẳng biết vận dụng kiến thức đã học, ứng dụng các thiết bị công nghệ
hiện đại vào trong đời sống sản xuất, nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
Bộ môn công nghệ kỹ thuật điều khiển dành cho sinh viên chuyên ngành điện công
nghiệp và tự động hoá công nghiệp. Phần lớn nội dung của sách được biên soạn dựa
trên sự vận dụng các thiết bị công nghệ, thiết bị thông minh của các hảng Hunonic,
thiết bị điều khiển của hảng siemen, hảng Delta, hảng Mitsubishi, và các phần mềm
ứng dụng TIAPORTAL, WPLSoft, DOPSoft, Hunonic smart home…Tài liệu này đã
được duyệt đưa vào giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Điện CN- Tự Động hoá CN
tại trường Cao Đẳng Công nghiệp Thanh Hoá. Các lý thuyết điều khiển, Các bài tập
điều khiển được giới thiệu ở đây là những bài tập mang tính công nghệ và thực tiễn có
thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau chứ không thiên về một chuyên ngành nào.
Nội dung của sách trong phạm vi điều khiển số hoá, điều khiển tương tự theo từng bài
học cụ thể.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Khoa Điện – Tự
Động Hoá, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Thanh Hoá, đặc biệt là
Th S Lê Đình Hiệu
và
Th s Nguyễn Hữu Thắng
, đã giúp đỡ tác giả hoàn thành cuốn sách này. Mọi ý kiến
đóng góp về nội dung của sách, xin gửi về cho tác giả tại Bộ môn Tự Động hoá xử lý
thông tin, Khoa Điện – Tự Động Hoá, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Thanh Hoá.
Tài liệu này cung cấp một cái nhìn tổng quan về thiết bị điều khiển thông minh,
từ định nghĩa, đặc điểm, phân loại, cấu tạo, nguyên lý hoạt động đến ứng dụng thực tế,
lợi ích, thách thức, tiêu chí lựa chọn và xu hướng phát triển trong tương lai. Mục tiêu
là giúp người đọc hiểu rõ hơn về công nghệ này và tiềm năng của nó trong cuộc sống
hiện đại.
3
BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
1. Giới thiệu tổng quan về Công nghệ điều khiển
1.1. Khái niệm chung về thiết bị điều khiển thông minh.
Thiết bị điều khiển thông minh là các thiết bị điện tử được tích hợp công nghệ thông
minh, cho phép người dùng điều khiển và quản lý chúng từ xa thông qua kết nối
internet hoặc các giao thức không dây khác. Điểm khác biệt của các thiết bị này so với
các thiết bị truyền thống là khả năng tự động hóa, học hỏi và thích ứng với môi trường
xung quanh, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao hơn.
Các đặc điểm chính của thiết bị điều khiển thông minh bao gồm:
• Kết nối: Khả năng kết nối với mạng internet hoặc các thiết bị khác thông qua
Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave.
• Điều khiển từ xa: Cho phép người dùng điều khiển thiết bị từ bất kỳ đâu thông
qua ứng dụng trên điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc giọng nói.
• Tự động hóa: Khả năng tự động thực hiện các tác vụ dựa trên các quy tắc hoặc
lịch trình được thiết lập trước.
• Học hỏi và thích ứng: Một số thiết bị có khả năng học hỏi thói quen của người
dùng và tự động điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu sử dụng.
• Tích hợp: Khả năng tích hợp với các hệ thống nhà thông minh khác để tạo ra
một hệ sinh thái thống nhất.
• Ví dụ về thiết bị điều khiển thông minh bao gồm đèn thông minh, ổ cắm thông
minh, công tắc thông minh, bộ điều khiển nhiệt độ thông minh, camera an ninh
thông minh và các thiết bị gia dụng thông minh khác.
Thị trường thiết bị điều khiển thông minh ngày càng đa dạng với nhiều loại sản
phẩm khác nhau, phục vụ cho các nhu cầu sử dụng khác nhau. Dưới đây là một số loại
thiết bị điều khiển thông minh phổ biến:
Thiết bị chiếu sáng thông minh: Bao gồm đèn thông minh, bóng đèn thông minh,
đèn LED thông minh, cho phép điều chỉnh độ sáng, màu sắc và bật/tắt từ xa.
Thiết bị điều khiển nhiệt độ thông minh: Bao gồm bộ điều khiển nhiệt độ trung tâm
thông minh, van điều chỉnh nhiệt thông minh, giúp điều chỉnh nhiệt độ phòng theo lịch
trình hoặc theo nhu cầu sử dụng.
Thiết bị an ninh thông minh: Bao gồm camera an ninh thông minh, cảm biến
cửa/cửa sổ thông minh, hệ thống báo động thông minh, giúp bảo vệ ngôi nhà khỏi
trộm cắp và các nguy cơ khác.
Thiết bị gia dụng thông minh: Bao gồm máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh,
lò vi sóng thông minh, máy hút bụi thông minh, giúp tự động hóa các công việc nhà và
tiết kiệm thời gian.
4
Thiết bị gia dụng thông minh: Bao gồm máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh,
lò vi sóng thông minh, máy hút bụi thông minh, giúp tự động hóa các công việc nhà và
tiết kiệm thời gian.
Ngoài ra, còn có các loại thiết bị điều khiển thông minh khác như ổ cắm thông
minh, công tắc thông minh, rèm cửa thông minh, hệ thống tưới cây thông minh và
nhiều thiết bị khác.
1.2. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản
Hầu hết các thiết bị điều khiển thông minh đều có cấu tạo cơ bản bao gồm các
thành phần sau:
Bộ vi xử lý: Đóng vai trò là trung tâm điều khiển của thiết bị, thực hiện các lệnh và
xử lý dữ liệu
• Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình, dữ liệu và cài đặt của thiết bị.
• Cảm biến: Thu thập thông tin từ môi trường xung quanh, chẳng hạn như nhiệt
độ, ánh sáng, độ ẩm, chuyển động.
• Mô-đun kết nối: Cho phép thiết bị kết nối với mạng internet hoặc các thiết bị
khác thông qua Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave.
• Bộ điều khiển: Điều khiển các thành phần khác của thiết bị, chẳng hạn như
động cơ, đèn LED, rơ-le.
• Nguồn điện: Cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động.
• Nguyên lý hoạt động cơ bản của thiết bị điều khiển thông minh là:
• Cảm biến thu thập thông tin từ môi trường xung quanh.
• Bộ vi xử lý xử lý thông tin và đưa ra quyết định dựa trên các quy tắc hoặc lịch
trình được thiết lập trước.
• Bộ điều khiển thực hiện các lệnh điều khiển, chẳng hạn như bật/tắt đèn, điều
chỉnh nhiệt độ, mở/đóng cửa.
• Người dùng có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại
thông minh, máy tính bảng hoặc giọng nói.
1.2. Ứng Dụng Của Thiết Bị Điều Khiển Thông Minh Trong Thực Tế
Thiết bị điều khiển thông minh ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khác nhau, từ nhà ở, văn phòng, khách sạn, bệnh viện đến các khu công nghiệp và
thành phố thông minh.
Một số ứng dụng phổ biến của thiết bị điều khiển thông minh trong thực tế:
• Nhà ở thông minh: Điều khiển đèn, nhiệt độ, rèm cửa, thiết bị gia dụng từ xa,
tạo ra một môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng.
• Văn phòng thông minh: Điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, hệ thống an ninh, hệ
thống hội nghị từ xa, giúp tăng hiệu quả làm việc và giảm chi phí vận hành.
5
• Khách sạn thông minh: Cung cấp cho khách hàng trải nghiệm cá nhân hóa,
chẳng hạn như điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, TV từ xa, đặt dịch vụ phòng
thông qua ứng dụng.
Bệnh viện thông minh: Theo dõi sức khỏe bệnh nhân từ xa, điều khiển thiết bị y tế,
giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và giảm tải cho nhân viên y tế
• Khu công nghiệp thông minh: Giám sát và điều khiển các hệ thống sản xuất,
năng lượng, an ninh, giúp tăng hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro.
Ngoài ra, thiết bị điều khiển thông minh còn được ứng dụng trong các lĩnh vực
khác như giao thông vận tải, nông nghiệp, giáo dục và giải trí
1.2.1. Thiết bị điều khiển nhà thông minh hunonic
Nhà Thông Minh (Smart home) tại Hunonic là kiểu nhà được lắp đặt các thiết
bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế
con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển.
Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong
nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web. Hiểu
đơn giản là các thiết bị điện trong nhà đều được điều khiển bằng điện thoại, giọng
nói. Hoặc có thể tự động chạy theo kịch bản có sẵn, như là bật tắt đèn, tivi, điều hòa,
nóng lạnh, theo thời gian, theo thói quen sinh hoạt của gia đình.
Hình 1.1. Hệ thống điều khiển giám sát thiết bị điều khiển thông minh hunonic
1.2.2. Sơ đồ kết nối thiết bị điều khiển thông minh