Bài giảng Điều khiển logic - Chương II: Tổng hợp và phân tích mạch logic tuần tự

Nội dung text: Bài giảng Điều khiển logic - Chương II: Tổng hợp và phân tích mạch logic tuần tự

1. Chương II Tổng hợp và phân tích mạch logic tuần tự 1
2. 2.1. Khái niệm về mạch logic tuần tự 2.1.1. Định nghĩa: Mạch logic tuần tự là mạch logic mà tín hiệu ra của mạch không những phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào, mà còn phụ thuộc vào thứ tự, thời gian tác động của tín hiệu vào 2.1.2. Tính chất – Có nhớ – Có yếu tố thời gian – Cùng 1 tín hiệu vào, tín hiệu ra có thể khác nhau (các trạng thái trong hay trạng thái làm việc) t/h vào Mạch logic t/h ra tổ hợp Mạch nhớ 2
3. 2.1.3. Phân loại – Mạch logic tuần tự đồng bộ: việc chuyển trạng thái trong mạch không những chỉ phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào, trạng thái trong trước đó, mà còn phụ thuộc vào xung đồng bộ • Dùng phổ biến trong máy tính (môn ĐT số) – Mạch logic tuần tự không đồng bộ: việc chuyển trạng thái trong mạch chỉ phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào, trạng thái trong trước đó • Không có tín hiệu đồng bộ • Thường gặp trong công nghệ của các máy sản xuất công nghiệp 3
4. 2.2. Biểu diễn mạch logic tuần tự 2.2.1. Biểu diễn bằng lời nói, chữ viết mô tả một quá trình công nghệ Ví dụ 2.1 : 3 nút ấn điều khiển động cơ M – Ấn nút A: động cơ quay thuận – Ấn nút B: động cơ quay nghịch – Ấn nút C: động cơ dừng 4
5. 2.2.2. Biểu diễn bằng đồ thị thời gian Ví dụ 2.2 1 2 1 2 3 2 1 4 5 2 1 a1 a1 a2 Y a2 y Y Z a2 y Z 5
6. 2.2.3. Biểu diễn bằng hình vẽ mô tả công nghệ Ví dụ 2.3 m b0 b1 a0 a1 6
7. 2.2.4. Biểu diễn bằng hàm tác động F = +A (+X, +Y) –B –Y +C +Z –C –Z –X +Y +D –Y – Thường viết cho 1 chu kỳ làm việc – Các chữ cái đầu bảng chữ cái (A,B,C): tín hiệu vào – Các chữ cái cuối bảng chữ cái (X,Y,Z): tín hiệu ra – Dấu cộng “+”: tín hiệu xuất hiện hoặc phần tử làm việc – Dấu trừ “- “: tín hiệu mất đi hoặc phần tử nghỉ việc – Dấu ngoặc “()”: xảy ra hoặc ảnh hưởng đồng thời 7
8. 2.2.5. Biểu diễn bằng bảng chuyển trạng thái – Các cột ghi các biến vào và biến ra – Các hàng ghi các trạng thái trong hệ Ví dụ 2.4 Trạng thái Tín hiệu vào Tín hiệu a1 ra a0 00 01 11 10 A+ A- 1 (sang phải) 2 1 1 0 2 (trên đường sang phải) 2 3 1 0 3 (sang trái) 4 3 0 1 4 (trên đường sang trái) 4 1 0 1 8
9. 2.3. Tổng hợp mạch logic tuần tự 2.3.1. Phương pháp ma trận trạng thái Yêu cầu công nghệ Chuyển các quá trình công nghệ thành các Mã hóa bài toán biến logic Lập bảng chuyển trạng thái Tối thiểu hóa hàm logic Rút gọn bảng chuyển Rút gọn bảng chuyển Thực hiện mạch nhớ Mã hóa biến trung gian Xác định các hàm logic cho biến trung gian và biến ra 9
10. m • Ví dụ 2.5: a0 a1 A+ A- a0a1 (vào) • Xác định các biến vào ra: A+A- (ra) • Graph chuyển trạng thái: 00 10 00 01 00 00 10 10 01 01 0 1 2 3 4 • Lập bảng chuyển trạng thái MI Trạng thái Tín hiệu vào:a0a1 Tín hiệu a1 a0 ra 00 01 11 10 A+ A- 1 (sang phải) 2 1 1 0 2 (trên đường sang phải) 2 3 1 0 3 (sang trái) 4 3 0 1 4 (trên đường sang trái) 4 1 0 1 10
11. • Lập bảng chuyển trạng thái M II: rút gọn M I ➢ B1: Nhập hàng ✓ Không quan tâm đến giá trị biến đầu ra. ✓ Trên cùng 1 cột biến vào, các hàng có cùng số ký hiệu trạng thái. ✓ Trạng thái ổn định nhập với không ổn định sẽ ghi trạng thái ổn định. ✓ Trạng thái (/không) ổn định nhập với 1 ô trống sẽ ghi trạng thái (/không) ổn định ➢ B2: Nhập trạng thái tương đương ✓ Hai trạng thái tương đương: • Là các trạng thái ổn định nằm trên cùng 1 cột và có cùng giá trị đầu ra • Khi cùng thay đổi tín hiệu đầu vào, các trạng thái đó chuyển tới trạng thái kế tiếp sau và các trạng thái kế tiếp này cũng có cùng giá trị đầu ra ✓ Nhập 2 trạng thái tương đương: thay bằng cùng 1 ký hiệu có chỉ số nhỏ (sau đó có thể nhập hàng nếu cần) 11
12. Bảng M I Trạng thái Tín hiệu vào:a0a1 Tín hiệu a1 a0 ra 00 01 11 10 A+ A- 1 (sang phải) 2 1 1 0 2 (trên đường sang phải) 2 3 1 0 3 (sang trái) 4 3 0 1 4 (trên đường sang trái) 4 1 0 1 a1 Bảng M II a0 10 10 1 + 2 2 3 1 01 01 3 + 4 4 3 1 12
13. • Xác định và mã hóa biến trung gian – Số lượng biến trung gian tối thiểu Smin 2Smin N (N: số hàng của M II) – N = 2 Smin = 1 chọn biến trung gian X: X 1 2 3 4 – Lập bảng Các nô để xác định hàm điều khiển cho biến trung gian X: f (X ) = a1+ a0.X a1 a1 a0 a0 0 1 0 0 1 0 2 3 1 1 1 0 1 1 0 X 4 3 1 X 13
14. • Lập bảng Các nô để xác định hàm logic điều khiển các biến ra Cho biến A+: a1 a1 a0 a0 10 10 1 2 1 1 01 01 0 X 4 3 X 0 A+ = X Cho biến A- a1 a0 0 0 A− = X X 1 1 14
15. • Sơ đồ nguyên lý a1 X • Nếu thay X bằng A-, chuyện gì xảy ra? a0 X • Trong các hàng của M II, các trạng thái ổn định đều có cùng X A+ giá trị đầu ra, có thể cho phép dùng biến ra làm biến trung gian X A- 15
16. • Ví dụ 2.6: 2 nút ấn m và d, 1 thiết bị điện T – Ấn nút m: đóng điện cho T – Ấn nút d: cắt điện của T md (vào) • Chọn các biến vào ra: T (ra) • Graph chuyển trạng thái 00 10 00 01 0 1 1 0 1 2 3 4 11 0 5 16
17. • Bảng chuyển trạng thái M I & M II Bảng M I Trạng thái Tín hiệu vào: md Tín hiệu ra T 00 01 11 10 1 1 4 5 2 0 2 3 4 5 2 1 3 3 4 5 2 1 4 1 4 5 2 0 5 1 4 5 2 0 Bảng M II d m 0 0 0 1 1 + 4 + 5 1 4 5 2 1 0 0 1 2 + 3 3 4 5 2 17
18. • Xác định và mã hóa biến trung gian: – Smin = 1, chọn biến trung gian là biến ra X =T X 1 4 5 2 3 d m 0 0 0 1 1 4 5 2 1 0 0 1 X 3 4 5 2 d m 0 0 0 1 f (X ) = md + Xd = (m + X )d X 1 0 0 1 18
19. • Sơ đồ rơ le-tiếp điểm m d m d T T T T a1 A- a0 A- A- A+ 19
20. • BTVN: • Cho 3 nút ấn A, B, C điều khiển động cơ M – A: chạy thuận – B: chạy ngược – C: Dừng • Cho 3 nút ấn A, B, C điều khiển động cơ M1, M2 – A: M1 làm việc – B: M2 làm việc – C: M1, M2 nghỉ việc – M1 làm việc trước rồi M2 mới làm việc m b0 b1 m b0 b1 a0 a0 a1 a1 20
21. • Ví dụ 2.7: m b0 b1 B- a0 B+ A+ A- a1 a0a1b0b1 (vào) • Xác định các biến vào ra: A+A-B+B- (ra) • Graph chuyển trạng thái: 1010 0010 0110 0010 1010 1000 1001 1000 1000 1000 0100 0100 0010 0010 0001 0001 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0000 21 0000
22. m b0 b1 • Nhận xét: B- a0 – Ma trận MI lớn B+ – Có thể rút gọn số biến vào: A+ A- • a = 0 từ khi a0 = 1 đến khi a1 = 1 • a = 1 từ khi a1=1 đến khi a0 = 1 a1 • b = 0 từ khi b0 = 1 đến khi b1 = 1 • b = 1 từ khi b1=1 đến khi b0 = 1 (BTVN: thiết lập hàm của a, b với đầu vào a0, a1 và b0, b1) ab • Biến vào ra: A+A-B+B- • Graph chuyển trạng thái 00 10 00 01 1000 0100 0010 0001 1 2 3 4 22
23. Bảng M I Trạng thái Tín hiệu vào:ab Tín hiệu ra b a 00 01 11 10 A+ A- B+ B- 1 1 2 1 0 0 0 2 3 2 0 1 0 0 3 3 4 0 0 1 0 4 1 4 0 0 0 1 b Bảng M II a 1000 0001 1 + 4 1 4 2 0010 0100 2 + 3 3 4 2 23
24. • Xác định và mã hóa biến trung gian: – Smin = 1, chọn biến trung gian là biến ra X (không thể lấy biến ra là biến trung gian) X 1 4 2 3 b a 0 0 1 1 4 2 1 1 0 X 3 4 2 b a 0 0 1 f (X ) = a + bX X 1 0 1 24
25. • Lập bảng Các nô để xác định hàm logic điều khiển các biến ra Cho biến A+: b b a a 1000 0001 1 0 1 4 0100 0 0 X 0010 X 3 2 A+ = b X Cho biến A- b a 0 0 A− = a X 0 1 25
26. Cho biến B+: b b a a 1000 0001 0 0 1 4 0100 1 0 X 0010 X 3 2 B+ = aX Cho biến B- b a 0 1 B− = b X 0 0 26
27. d m RA RA a X b X b X A+ a A- a X B+ b B- 27
28. 2.3.2. Phương pháp hàm tác động – Mô tả hoạt động của công nghệ theo tuần tự thời gian dưới dạng hàm tín hiệu – Tìm chu kỳ hoạt động của các phần tử của đối tượng điều khiển: 2 giai đoạn đóng (làm việc) và cắt (nghỉ việc) – Xác định dạng tín hiệu vào: t/h xung hay t/h thế – Xác định hàm logic điều khiển các phần tử đầu ra: fđk = fđ . fc N N N N fđk =  fđi. fci =  fđi fci i=1 i=1 i=1 i=1 fđ: hàm đóng, đưa phần tử vào làm việc (hoạt động) fc: hàm cắt, buộc phần tử đó ngừng làm việc (hoạt động) 28
29. • Phương pháp hàm tác động (tiếp) – Kiểm tra hàm đóng fđ: nếu fđ không thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng-> thỏa mãn, nếu thay đổi -> hiệu chỉnh dùng biến phụ – Kiểm tra hàm cắt fc: nếu fc không thay đổi giá trị trong giai đoạn cắt-> thỏa mãn, nếu thay đổi -> hiệu chỉnh dùng biến phụ – Phân tích quá trình làm việc của hàm được thiết kế xem đã đúng với yêu cầu công nghệ hay chưa, nếu chưa thì hiệu chỉnh bằng cách dùng biến trung gian. 29
30. • Ví dụ 2.8: Cho 3 nút ấn A, B, C và động cơ M – A: điều khiển quay thuận – B: điều khiển quay ngược – C: điều khiển dừng Quy ước: Đầu vào A, B, C; đầu ra: T, N Hàm tác động: T làm việc T nghỉ việc F= (+A -N)+T+C-T(+B-T)+N+C-N(+A-N)+T+ N nghỉ việc N làm việc 30
31. • F= (+A -N)+T+C-T(+B-T)+N+C-N fđ (T) = an fc1(T) = c fc2 (T) = b fđk (T) = fđ (T)( fc1(T) + fc2 (T)) = an(c +b) = abcn F= (+A -N)+T+C-T(+B-T)+N+C-N fc2 (N) = a fđ (N) = bt fc1(N) = c fđk (N) = fđ (N)( fc1(N) + fc2 (N)) = bt(c + a) = abct 31
32. • Kiểm tra hàm đóng: hàm đóng đổi trị trong quá trình làm việc (A, B là các nút ấn dạng xung)-> hiệu chỉnh fđ '(T) = (a + t)n fđk (T) = (a + t)bcn fđ '(N) = (b + n)t fđk (N) = (b + n)act • Kiểm tra hàm cắt: không đổi trị-> thỏa mãn • Kiểm tra nguyên lý hoạt động của sơ đồ 32
33. c m b a N T T a b T N N Liên động cơ: nút ấn a, b Liên động điện: rơ le T, N 33
34. • Ví dụ 2.9: A XV1 B LV1 XV1 LV1 XV2 C D XV2 X làm việc X nghỉ việc • F=(+A-L)+X+V1(+B-V1)+V2+(C-X)(+L-V2) +V1+B(+A-L)+X+V1+B(+C-V1)+V2(+D-X)(+L- V2)+V1+C+B+A fđk (X) = (al + al )(c + d) = alcd 34
35. • Hiệu chỉnh – Hàm đóng đổi trị trong quá trình làm việc-> hiệu chỉnh f 'đ (X ) = (a + x)l – Hàm điều khiển không thực hiện đoạn CD (từ điểm C đi xuống D với tốc độ V2), cứ đến C là chuyển động lên-> hiệu chỉnh dùng biến trung gian P – P làm việc kể từ lúc C tác động lần 1 và nghỉ việc đến khi tác động vào D (p ghi nhớ C đã tác động ) f (P) = (c + p)d – X nghỉ việc khi gặp D hoặc gặp C với điều khiện C tác động lần đầu tiên (p=0) f 'c = cp + d fđk (X) = (a + x)l (cp + d) = (a + x)l (c + p)d 35
36. c a d l X X P c d P P 36
37. Xác định trạng thái ban đầu 2.3.3 Phương pháp trạng thái ban đầu GRAFCET 0 tác nhân kích thích 1 – Biểu diễn các quá trình công nghệ dưới dạng lưu 1 trạng thái làm việc 1 đồ (graph) các trạng thái làm việc – Xây dựng các hàm logic điều khiển và sơ đồ điều i-1 trạng thái làm việc i-1 khiển từ lưu đồ các trạng tác nhân kích thích i-1 thái làm việc i trạng thái làm việc i tác nhân kích thích i i+1 trạng thái làm việc i+1 tác nhân kích thích i+1 37
38. – Hàm logic của từng trạng thái i-1 S + = a S i i i−1 ai − Si = Si+1 i ai: tác nhân kích thích thứ i Si: tín hiệu ra của trạng thái thứ i + Si : hàm điều khiển trạng thái i làm việc i+1 - Si : hàm điều khiển trạng thái i nghỉ việc Phần tử modul trạng thái: 1đầu ra, 2đầu vào Sơ đồ rơ le – tiếp điểm Si: tín hiệu ra + Si : tín hiệu ghi + − - Si = (Si + Si ).Si Si : tín hiệu xóa + Si Si - Si i 38
39. – Trình tự thiết kế của phương pháp GRAFCET Mô tả chi tiết các trạng thái làm Lập G I việc, chú thích đầy đủ các hành Chọn sơ bộ vi làm việc của công nghệ thiết bị Lập G II Là GI nhưng mô tả được thay thế bằng các thiết bị vừa chọn (mã hóa GI dùng biến logic ) Chọn loại thiết bị và các biến logic Xác định hàm tương ứng điều khiển Xác định sơ đồ điều khiển 39
40. m a0 a1 Ví dụ 2.10 A+ A- ✓ Lập G I Xác định trạng thái ban đầu 0 trạng thái ban đầu ấn nút m hoặc đã ở đầu hành trình 1 trạng thái sang phải đã ở cuối hành trình 2 trạng thái sang trái đã ở đầu hành trình 40
41. ✓ Lập G II ✓ Xác định hàm điều khiển + g S = g + a S 0 0 2 S − = S 0 S0 0 1 m, a0 + S1 = (m + a0 )S0 1 S1=A+ − S1 = S2 a1 S + = a S 2 S2=A- 2 1 1 − a0 S2 = S0 41
42. ✓Sơ đồ điều khiển rơ le-tiếp điểm g a0 S2 S1 S0 S0 m a0 S0 S2 S1 S1 a1 S1 S0 S2 S2 42
43. – Các dạng mạch đặc biệt • Mạch phân kỳ “HOẶC” S − = S + S + S i i i+1 i+2 i+3 + Si+1 = ai+1Si a i+1 ai+2 ai+3 + Si+2 = ai+2Si i+1 i+2 i+3 + Si+3 = ai+3Si 43
44. • Mạch hội tụ “HOẶC” i+1 i+2 i+3 ai+1 ai+2 ai+3 i+4 − − − Si+1 = Si+2 = Si+3 = Si+4 + Si+4 = ai+1Si+1 + ai+2Si+2 + ai+3Si+3 44
45. • Mạch phân kỳ “VÀ” i ai+1 ai+2 ai+3 i+1 i+2 i+3 − Si = Si+1.Si+2.Si+3 + + + Si+1 = Si+2 = Si+3 = ai+1.ai+2ai+3.Si 45
46. • Mạch hội tụ “VÀ” i+1 i+2 i+3 ai+1 ai+2 ai+3 i+4 − − − Si+1 = Si+2 = Si+3 = Si+4 + Si+4 = ai+1.Si+1.ai+2.Si+2.ai+3.Si+3 46
47. m b0 b1 • Ví dụ 2.11 B- Xác định trạng thái ban đầu a0 B+ 0 trạng thái ban đầu A+ A- A+ A- ấn nút m hoặc đã ở đầu hành trình đi xuống và cuối hành trình đi ngang a1 1 trạng thái đi xuống đã ở cuối hành trình đi xuống 2 trạng thái đi lên đã ở đầu hành trình đi đã ở đầu hành trình đi xuống xuống và cuối hành trình đi và đầu hành trình đi ngang ngang 3 trạng thái sang phải 4 trạng thái sang trái đã ở cuối hành trình đi ngang đã ở đầu hành trình đi ngang 47
48. m b0 b1 B- g + a0 S0 = g + b0S4 B+ 0 S0 − S0 = S1 A+ A- A+ A- m a0 b0 a1 S1=A+ 1 + + S1 = (m + a0b0 )S0 + b1S3 S2 = a1S1 a1 − − S1 = S2 S2 = S3 + S4 2 S2=A- + + S3 = a0b0S2 S4 = a0b1S2 a0 b0 a0 b1 − − S3 = S1 S4 = S0 3 S3=B+ 4 S4=B- b1 b0 48
49. 2.3.4. Phương pháp phân tầng – Trạng thái nước đôi: đầu vào giống nhau, đầu ra khác nhau – Trạng thái đơn: đầu vào khác nhau (không là nước đôi) – Ý tưởng của phương pháp phân tầng: biến các trạng thái nước đôi thành các trạng thái đơn dùng biến trung gian a0a1b0b1 (vào) • Ví dụ 2.12 A+A-B+B- (ra) m b0 b1 B- 1010 0110 1010 1001 a0 B+ 1000 0100 0010 0001 1 2 3 4 A+ A- trạng thái 49 a1 nước đôi
50. • 2 trạng thái nước đôi (1 và 3) cần1 biến trung gian X 1 4 A+ = b X X 0 A− = X X 2 3 + B = Xa0 B− = X B- A+ + 4 b0 1 a1 X- X = b1 X − X = a1 X + − A- B+ X = (X + X)X 2 a0 3 b1 X+ 50
51. • Ví dụ 2.13: A ABCD (vào) XV1 XLV1V2 (ra) B LV1 XV1 LV1 1000 1000 0001 XV2 1010 1010 0110 C 1 5 8 D XV2 P P 0100 0100 0100 0100 10 1001 0110 1010 0110 1 Điểm B: 2 4 6 10 2 9 Q 0010 0010 0001 0110 1001 0110 Q 8 Điểm C: 3 7 9 3 7 4 5 6 51
52. XV1 XV2 1 B 2 C Q- Q PQ LV1 LV1 XV1 3 B 4 A 5 B P- P PQ XV1 XV2 LV1 6 C 7 D 8 C Q+ Q PQ LV1 LV1 9 B 10 A P+ P PQ 52
53. X = PQ + PQB + PQA + PQ + PQC = PQ + PQ L = PQ + PQB + PQD + PQ + PQB = PQ + PQD + PQ V1 = PQ + PQ + PQB + PQA + PQ + PQD + PQ + PQB = PQ + PQ + PQ + PQ =1 V 2 = PQB + PQC Q+ = PQC Q− = PQC P+ = PQA P− = PQB 53