Bài giảng mô phỏng thiết kế hệ thống tự động chương 1 đh giao thông vận tải

1/2/2012 1/89 MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Khoa Cơ Khí Bộ môn Kỹ thuật máy &&O&& CHƯƠNG I KHÁI NIỆM HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 2/89 Tài liệu tham khảo  Lý thuyết điều kh[.]

MÔ PHỎNG THIẾT KẾ

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Khoa Cơ Khí-Bộ môn Kỹ thuật máy

-&&O&& -CHƯƠNG I KHÁI NIỆM HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

Tài liệu tham khảo

 Lý thuyết điều khiển tự động - Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, NXB ĐHQG TP HCM, 2003

 Automation and Control systems - Benjamin C Kuo, Prentice-Hall International, Ninth ediction, 2010

 Modern Control Engineering - Katsuhiko Ogata, Prentice-Hall, Fifth ediction, 2010

 Control Systems Engineering - Norman S Nise, Fifth ediction, 2008

Khái niệm

Khái niệm

Định nghĩa:

Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin, và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống tiến “Gần” với mục đích định trước

Tại sao cần phải điều khiển?

 Do đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu

 Tăng độ chính xác

 Tăng năng suất

 Tăng hiệu quả kinh tế

3 thành phần cơ bản của HT ĐKTĐ

 O: Đối tượng điều khiển

 C: Bộ điều khiển, điều chỉnh

 M: Cơ cấu đo lường

 u: tín hiệu điều khiển, là tín hiệu chủ đạo

 y: Tín hiệu ra

 f: Các tác động từ bên ngoài

 z: Tín hiệu hồi tiếp

 e: Sai lệch điều khiển

3 bài toán cơ bản

 Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số

Tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng hệ thống

 Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển sao cho hệ thống thu được thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng

 Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống

Xác định cấu trúc và thông số của hệ thống

Một số nguyên tắc điều khiển

 Bù tác động bên ngoài

 Điều khiển theo sai lệch

 Hỗn hợp

Phân loại hệ thống điều khiển

Có nhiều chỉ tiêu phân loại khác nhau, tuy nhiên ta có thể kể một số loại được phân theo mô tả toán học của hệ thống như sau:

 Hệ thống liên tục (pt vi phân)

 Hệ thống rời rạc (pt sai phân)

 Hệ thống tuyến tính (vi phân hoặc sai phân tuyến tính)

 Hệ thống phi tuyến (vi phân hoặc sai phân phi tuyến)

 Hệ thống bất biến theo thời gian (hệ số của pt vi phân hoặc sai phân mô tả hệ thống không đổi)

 Hệ thống biến đổi theo thời gian (hệ số của pt vi phân hoặc sai phân mô tả hệ thống thay đổi theo thời gian)

Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động

Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động

Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động

Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động

Mô hình toán học

Tại sao cần mô hình toán học để mô tả hệ thống?

 Hệ thống điều khiển thực tế đa dạng và có bản chất vật lý khác nhau

 Cần cơ sở chung để phân tích, thiết kế

 Với hệ thống tuyến tính hệ số hằng, có thể sử dụng phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng để mô tả quan hệ giữa tín hiệu vào và tính hiệu ra

1 1 1 0 1 1 1 0

n: Bậc của hệ thống, hệ thống hợp thức nếu n  m

a i , b i : Thông số của hệ thống

Ví dụ 1:

   

   

2 2

d y t dy t

M B Ky t f t

dt + dt + 

M: khối lượng tác động lên bánh xe

B: hệ số cản nhớt

K: độ cứng lò xo

f(t): lực do sóc: tín hiệu vào

y(t): dịch chuyển của thân xe: tín hiệu ra

Đặc tính động học hệ thống giảm chấn của xe

Ví dụ 2:

Đặc tính động học tốc độ xe ô tô

 

dv t

M Bv t f t

dt + 

M: khối lượng xe,

B: hệ số ma sát

f(t): lực kéo của động cơ: tín hiệu vào

thông số hệ thống

Ví dụ 3:

Đặc tính của mạch điện

( ) 1

i

di t

e Ri t L i t dt

C dt

 Áp dụng định luật Kirchoff ta viết

được phương trình điện áp như sau:

1 ( )

o

e i t dt

C

Gọi q   i t dt ( ) , ta có phương trình vi phân dạng như sau:

1

i

e Lq Rq q

C

  +  + e i : điện áp đặt vào – tín hiệu vào

q: điện tích trên tụ C – tín hiệu ra

Nhận xét:

1 1 1 0 1 1 1 0

Phương trình vi phân mô tả hệ thống có dạng tổng quát như sau:

 Nhận thấy khi bậc n > 2 phương trình trên rất khó giải Vì vậy, phân tích

hệ thống nếu chỉ dựa vào phương trình vi phân sẽ gặp rất nhiều khó khăn

 Thiết kế hệ thống dựa vào phương trình vi phân hầu như không thực hiện được trong trường hợp tổng quát

Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng 2 dạng mô tả khác, đó là:

 Hàm truyền

 Phương trình trạng thái

Biến đổi Laplace:

 Định nghĩa: Biến đổi Laplace của hàm f(t) là:

( )

0

( ) st

f t F s f t e dt

¥

L

f(t) : là hàm xác định với mọi t  0, và f(t) = 0 khi t < 0

s : là biến laplace (biến phức) và s =  + j

L : là toán tử Laplace

Tính chất của phép biến đổi Laplace

 Phép biến dổi Laplace là một toán tử tuyến tính

trong đó a, b là các hằng số bất kỳ, f 1 (t) và f 2 (t) là các hàm theo thời gian t và L là toán tử Laplace

 Biến đổi Laplace của đạo hàm một hàm số và của tích phân một hàm số

được xác định như sau: