Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương 1 pot

Giới thiệu Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hê thống.. S

Ch 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản ệ g y ý

1.1 Giới thiệu

Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hê thống

Denis Papin’s water float regulator Wall’s fly-ball governor

Denis Papin s water float regulator Wall s fly ball governor

1.2 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt y

Sơ đồ khối

Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín vào từ một số bộ phận của hệ thống điều khiển

và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác

1.2 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt y

1.2 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt y

1.3 Hệ thống điều khiển vòng hở g g

Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten

- Vị trí ban đầu: 00

- Vị trí mong muốn: 300

- Động cơ: 10/giây (ở điện áp định mức)

Để thực hiện chuyển động mong muốn, bộ điều khiển xuất ra một xung tín hiệu trong 30 giây

Nếu động cơ làm việc chính xác, vị trí anten sẽ dừng chính xác ở 300

-Đo lường: đo giá trị của biến được điều khiển

-Ra quyết định: tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để ra quyết định điều khiển

-Tác động: sử dụng giá trị điều khiển để tác động những biến khác trong quá trình theo hướng làm giảm giá trị sai lệch

hướng làm giảm giá trị sai lệch

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín g g

•Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động

•Điểm điều chỉnh, biến được điều khiển, biến được đo, và điểm sai lệch

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín g g

• Bộ cảm biến: thực hiện đo giá trị thực của

biến được điều khiển, biến đổi thành một đại

lượng có thể sử dụng được và phản hồi về bộ

điểu khiển

•Bộ điều khiển (bao gồm cả bộ so sánh):

thực hiện cơ chế điều khiển thích hợp nhằm

làm giảm giá trị sai lệch

làm giảm giá trị sai lệch

•Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều khiển

Tín hiệu điều khiển vcđược xác định tùy

theo cơ chế điều khiển:

Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như

độ chính xác của bộ truyền cơ khí

độ chính xác của bộ truyền cơ khí

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín g g

Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy như sau:

Khảo sát sự chuyển động của bàn máy khi bàn máy dịch chuyển từ vị trí 0.4 m (ban đầu) sang bên phải ở vị trí 0.64 m Giả sử thời gian lấy mẫu (phản hồi) là 0.1 giây

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng kín

- đơn giản và chi phí đầu tư thấp

- không kiểm soát được giá trị thực tế

- phức tạp và chi phí đầu tư cao

- có thể điểu khiển được giá trị thực tế

- có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của

những cơ cấu tác động và quá trình tương

đối ổn định

- giá trị thực tế luôn ổn định bất chấp đặc tính làm của những cơ cấu tác động và quá trình

- thường xuyên thực hiện quá trình cân

chỉnh hệ thống

- thỉnh thoảng chỉ cần kiểm tra đặc tính làm việc của bộ cảm biến

1.5 Tuyến tính và phi tuyến y y

Khi phân tích và thiết kế, hầu hết các hệ thống điều khiển được giả sử là bao gồm các phần tử tuyến tính – phần tử cho tín hiệu ra tỷ lệ thuận với tín hiệu vào

Phần tử tuyến tính bảo toàn dạng hình học của tín hiệu vào

1.5 Tuyến tính và phi tuyến y y

•Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tín hiệu ra Y

Linear element with a dead band nonlinearity

1.5 Tuyến tính và phi tuyến y y

•Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệu vào Xtăng hay giảm

Nonlinear element with hysteresis

1.5 Tuyến tính và phi tuyến y y

•Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y

Linear element with a saturation nonlinearity

1.6 Giảm chấn và ổn định

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển xác định một đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển, đó là dạng giảm chấn – dạng mất ổn định Đặc tính này được hệ thống thể hiện ra như là một đáp ứng dưới tác động của tín hiệu nhiễu

1.7 Mục tiêu của hệ thống điều khiển g

Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo 3 mục tiêu sau:

• Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất

ể

• Giảm thiểu thời gian xác lập

• Giảm thiểu độ sai lệch dư

1.8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển g g

Phương pháp kiểm nghiệm thường dùng là thay đổi giá trị điều chỉnh theo hàm bậc

thang và dùng 3 tiêu chuẩn sau đây để đánh giá một hê thống

•Suy giảm một phần tư biên độSuy giảm một phần tư biên độ: xác định biên độ của dao động tắt dần mà ở đó biên độ: xác định biên độ của dao động tắt dần mà ở đó biên độ của một đỉnh dương bằng một phần tư biên độ của một đỉnh dương trước nó

1.8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển g g

•Tích phân sai lệch tối thiểu: xác định tổng diện tích nằm dưới đường cong sai lệch phải

là tối thiểu

1.8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển g g

• Giảm chấn tới hạn: được dùng khi mong muốn không xảy ra độ vọt lố

1.9 Đơn giản sơ đồ khối g

Hàm truyền của hệ thống vòng hở:

Hàm truyền của hệ thống vòng kín:

1.10 Phân loại hệ thống điều khiển g

Hê thống điều khiển rất đa dạng, nó tùy thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển, điều kiện sử dụng …

• ít thay đổi → hệ thống điều chỉnh (regulator system)

• thay đổi liên tục → hệ thống tùy động (follow-up system)

¾Vị trí của bộ điều khiển

• ở phòng điều khiển trung tâm → hệ thống điều khiển tập trung

• đặt gần các cơ cấu cảm biến và cơ cấu tác động → hệ thống điều khiển phân bố

1.10 Phân loại hệ thống điều khiển g

¾Môi trường công nghiệp

• Xử lý, chế biến → hệ thống điều khiển quá trình

ƒquá trình liên tục

ƒquá trình gián đoạn

• chi tiết rời → hệ thống điều khiển chế tạo

ƒgia công - điều khiển số

ƒlắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy

ƒlắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy

ƒtheo thời gian

• bộ điều khiển khả trình (programmable controller)

Bộ điều khiển số và tương tự g

Bộ điều khiển số và tương tự g

Bộ điều khiển tương tự g

- được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu tương tự

- các tín hiệu được cập nhật liên tục

Bộ điều khiển số

- được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu số

- các tín hiệu được cập nhật dựa vào xung nhịp

Hệ thống điều khiển quá trình g

Hê thống điều khiển quá trình duy trì một đại lượng nào đó của quá trình ở giá trị điều chỉnh (mong muốn)

Hệ thống điều khiển quá trình g

Hệ thống điều khiển quá trình g

Individual local controllers

Direct computer control system

Distributed control system

Hệ thống điều khiển trình tự g

Time-driven operation Event-driven operation

Hệ thống điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tác được xác định trước

g

Cơ cấu tùy động (servo mechanism) y g ( )

Cơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đối tượng được điều khiển

là vị trí (hay sự chuyển động)

Hệ thống điều khiển số

Hê thống điều khiển số là một hệ thống sử dụng các lệnh đã xác định trước để điều

g

khiển một loạt các nguyên công

Hệ thống tay máy g y y

Pick-and-place robot p

Hệ thống tay máy g y y

Industrial robot

Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm di chuyển những đối tượng khác nhau theo một trình tự chuyển động xác định để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể

cánh tay máy nhằm làm tăng hiệu

quả sản xuất một loại sản phẩm

đặc biệt nào đó

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển g

Hệ thống điều khiển tốc độ g

(bằng cơ khí)

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển g

Hệ thống điều khiển tốc độ g

(bằng điện)

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển mực nước

g g

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển nhiệt độ

g g