Bài Tập Lớn Môn : Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động - Đề tài : Hệ Thống Điều Khiển Hành Trình

Lý thuyết I.1.Chương 1 Kết quả học tập Chương Sau khi hoàn thành chương này, học sinh sẽ có thể: Xác định hệ thống điều khiển và mô tả một số ứng dụng Mục 1.1 Mô tả những phát triển lị

Giảng viên môn học: TS Nguyễn Ngọc Linh

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Nhóm 1: Hệ thống điều khiển hành trình

Mục lục

I Lý thuyết 1

I.1.Chương 1 1

I.1.1 Giới thiệu 2

I.1.2 Lịch sử của các hệ thống điều khiển 6

I.1.3 Cấu hình hệ thống 10

I.1.4 Mục tiêu Phân tích và Thiết kế 13

I.1.5 Quy trình thiết kế 21

I.1.6 Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính 27

I.1.7 Kỹ sư điều khiển hệ thống 29

I.2 Chương 9 32

I.2.1 Giới thiệu 33

I.2.2 Cải thiện lỗi trạng thái ổn định thông qua bộ bù xếp tầng 39

I.2.3 Cải thiện phản hồi thoáng qua thông qua bù xếp tầng 56

I.2.4 Cải thiện lỗi ở trạng thái ổn định và phản hồi tạm thời 77

I.2.5 Bù hồi tiếp 99

I.2.6 Thực hiện vật lý bù 114

II Thực hành 135

II.1.Giới thiệu chung 135

II.1.1.Giới thiệu chung 135

II.1.2.Xây dựng mô hình toán học của hệ thống 135

II.1.3.Khai báo mô hình hệ thống trên MATLAB – M-file 142

II.2.Khảo sát đặc tính của hệ thống 143

II.2.1 Khảo sát các đáp ứng của hệ thống 143

II.2.2.Xét tính ổn định của hệ thống 152

II.3.Xây dựng mô hình hệ thống trong simulink 154

II.3.1.Xây dựng mô hình hệ thống trong Simulink 155

II.3.2Phản hồi vòng lặp mở 159

II.3.3.Giải nén mô hình tuyến tính vào MATLAB 162

II.3.4.Quỹ tích vòng mở 164

II.3.5.Lead Controller 166

II.3.6.Selecting the gain (chọn độ lợi) 167

II.3.7.Lập biểu đồ phản hồi vòng kín 168

II.3.8.Xây dựng bộ bù chì ( building a Lead Compensator) 169

II.4 Xây dựng mô hình hệ thống trên Simscape 172

II.4.1.Thiết lập vật lý 172

II.4.2.Tạo nhóm khung và cấu hình cơ bản 174

II.4.3.Lắp ráp bánh răng 175

II.4.4.Thêm đòn bẩy 182

II.4.5.Thêm dầm 185

II.4.6.Thêm bóng 190

II.4.7.Triển khai bộ điều khiển 196

II.4.8 Triển khai bộ điều khiển trên Simcape 202

II.5 Thiết kế bộ điều khiển sử dụng quỹ đạo nghiệm số 205

II.5.1 Tiêu chí thiết kế 205

II.5.2 Hệ thống phương trình 205

II.5.3 Thiết kế hệ thống trên MATLAB 209

II.6 Thiết kế bộ điều khiển PID cho bài toán Beam-Ball 215

II.6.1.Cấu trúc hệ điều khiển 215

II.6.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho bài toán beam and ball 215

II.7.Thiết kế bộ điều khiển trên miền tần số 224

II.7.1.Biểu đồ vòng mã mở 225

II.7.2.Bộ điều khiển dây pha 226

II.7.3.Thêm giai đoạn khác 229

II.8.Thiết kế bộ điều khiển trên không gian trạng thái 231

II.8.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI ĐẦY ĐỦ 231

II.8.2.ĐẦU VÀO THAM CHIẾU 234

II.9.Thiết kế bộ điều khiển PID kỹ thuật số 237

II.9.1.Giới thiệu về điều khiển kỹ thuật số 237

II.9.2.Bộ bù PID với xấp xỉ song tuyến 239

II.9.3.Bộ điều khiển PID kỹ thuật số 240

II.9.4.Chức năng hàm truyền rời rạc 240

II.9.5.Phản hồi vòng lặp mở 241

II.9.6.Kiểm soát tỷ lệ 242

II.9.7.Kiểm soát phát sinh tỷ lệ 243

II.10.Nhận xét và đánh giá 246

Kết luận 246

Đánh giá 247

1

I Lý thuyết

I.1.Chương 1

Kết quả học tập Chương

Sau khi hoàn thành chương này, học sinh sẽ có thể:

Xác định hệ thống điều khiển và mô tả một số ứng dụng (Mục 1.1)

Mô tả những phát triển lịch sử dẫn đến lý thuyết kiểm soát ngày nay (Mục 1.2)

Mô tả các tính năng và cấu hình cơ bản của hệ thống điều khiển (Phần 1.3)

Mô tả các mục tiêu phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển (Mục 1.4)

Mô tả quy trình thiết kế hệ thống điều khiển (Phần 1.5-1,6)

Mô tả lợi ích từ việc nghiên cứu hệ thống điều khiển (Mục 1.7)

Kết quả học tập nghiên cứu điển hình

• Bạn sẽ được giới thiệu về một nghiên cứu điển hình đang chạy một hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng-ten sẽ dùng để minh họa các nguyên tắc trong mỗi chương tiếp theo Trong chương này, hệ thống được sử dụng để chứng minh một cách định tính cách thức hoạt động của hệ thống kiểm soát cũng như xác định các

tiêu chí hoạt động làm cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống kiểm soát

2

I.1.1 Giới thiệu

Hệ thống kiểm soát là một phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại Nhiều ứng dụng ở xung quanh chúng ta: Tên lửa khai hỏa và tàu con thoi bay lên quỹ đạo trái đất; trong nước làm mát bắn tung tóe, một bộ phận kim loại được gia công tự động; một chiếc xe tự hướng dẫn vận chuyển vật liệu đến các máy trạm trong một nhà máy lắp ráp hàng không vũ trụ lướt dọc theo sàn nhà để tìm kiếm điểm đến của nó Đây chỉ là một vài ví dụ về các hệ thống được điều khiển tự động mà chúng tôi có thể tạo ra

Chúng tôi không phải là người duy nhất tạo ra các hệ thống được điều khiển tự động; nhưng những hệ thống này cũng tồn tại trong tự nhiên Trong cơ thể chúng ta có rất nhiều hệ thống kiểm soát, chẳng hạn như tuyến tụy, điều chỉnh lượng đường trong máu của chúng ta Trong thời gian "chiến đấu hoặc bay", adrenaline của chúng ta tăng lên cùng với nhịp tim, khiến lượng oxy được cung cấp đến các tế bào của chúng ta nhiều hơn Đôi mắt của chúng ta nhìn theo một đối tượng chuyển động để giữ cho nó trong tầm nhìn; tay của chúng ta nắm lấy đối tượng và đặt nó chính xác vào một vị trí đã định trước

Ngay cả thế giới phi vật lý dường như cũng được tự động điều chỉnh Các mô hình đã được đề xuất hiển thị kiểm soát tự động kết quả học tập của học sinh Đầu vào của mô hình là thời gian học hiện có của sinh viên và đầu ra là điểm Mô hình có thể được sử dụng để dự đoán thời gian cần thiết để tăng điểm nếu thời gian học tập tăng đột ngột Sử dụng mô hình này, bạn có thể xác định xem việc học tập tăng lên có xứng đáng với nỗ lực trong tuần cuối cùng của học kỳ hay không

Định nghĩa hệ thống điều khiển

Một hệ thống kiểm soát bao gồm hệ thống con và quy trình (hoặc cây) được lắp ráp nhằm mục đích thu được đầu ra mong muốn với hiệu suất mong muốn, với đầu vào xác định Hình 1.1 hiển thị một hệ thống điều khiển ở dạng đơn giản nhất, trong đó đầu vào đại diện cho một đầu ra

HÌNH 1.1 Mô tả đơn giản về hệ thống điều khiển

Ví dụ, hãy xem xét một thang máy Khi nhấn nút tầng 4 ở tầng 1, thang máy sẽ lên tầng 4 với tốc độ và độ chính xác của tầng được thiết kế để tạo sự thoải mái cho hành khách Việc nhấn nút tầng thứ tư là đầu vào đại diện cho đầu ra mong muốn của chúng tôi, được hiển thị dưới dạng hàm bước trong Hình 1.2 Hiệu suất của thang máy có thể được nhìn thấy từ đường cong đáp ứng của thang máy trong hình

3

HÌNH 1.2 Phản hồi thang máy

Hai thước đo chính về hiệu suất là rõ ràng: (1) phản ứng nhất thời và (2) lỗi trạng thái ổn định Trong ví dụ của chúng tôi, sự thoải mái của hành khách và sự kiên nhẫn của hành khách phụ thuộc vào phản ứng nhất thời Nếu phản ứng này quá nhanh, sự thoải mái của hành khách sẽ bị hy sinh; nếu quá chậm, sự kiên nhẫn của hành khách sẽ bị hy sinh Lỗi trạng thái ổn định là một đặc điểm kỹ thuật quan trọng khác vì sự an toàn và tiện lợi của hành khách sẽ bị hy sinh nếu thang máy không hạ đúng mức

4

Ưu điểm của hệ thống điều khiển

Với hệ thống điều khiển, chúng tôi có thể di chuyển các thiết bị lớn với độ chính xác mà nếu không thì không thể Chúng ta có thể hướng các ăng-ten khổng lồ về phía xa nhất của vũ trụ

để thu tín hiệu vô tuyến yếu ớt; Điều khiển các ăng-ten này bằng tay sẽ là điều không thể Nhờ

hệ thống điều khiển, thang máy đưa chúng ta nhanh chóng đến đích, tự động dừng ở tầng bên phải (Hình 1.3) Một mình chúng tôi không thể cung cấp năng lượng cần thiết cho tải và tốc độ; động cơ cung cấp năng lượng, và hệ thống điều khiển điều chỉnh vị trí và tốc độ

HÌNH 1.3 Một Thang máy ban đầu được điều khiển bằng dây thừng hoặc thang máy nhà điều hành Ở đây một sợi dây được cắt để chứng minh phanh an toàn, một sự đổi mới trong thang máy thời kỳ đầu; NS Một trong hai thang máy Duo-lift hiện đại đi lên Grande Arche ở Paris Hai thang máy được dẫn động bởi một động cơ, mỗi ô tô hoạt động như một đối trọng với ô

tô kia Ngày nay, thang máy hoàn toàn tự động, sử dụng hệ thống điều khiển để điều chỉnh vị trí và vận tốc

Chúng tôi xây dựng hệ thống kiểm soát vì bốn lý do chính:

1 Khuếch đại công suất

2 Điều khiển từ xa

3 Sự thuận tiện của biểu mẫu đầu vào

4 Bồi thường cho những xáo trộn

5

Ví dụ, một angten radar, được định vị bằng cách quay công suất thấp của một núm ở đầu vào, yêu cầu một lượng lớn năng lượng cho việc quay đầu ra của nó Một hệ thống điều khiển

có thể tạo ra sự khuếch đại công suất cần thiết hoặc công suất thu được

Robot được thiết kế theo nguyên tắc hệ thống điều khiển có thể bù đắp cho những khuyết tật của con người Hệ thống điều khiển cũng hữu ích ở những vị trí xa xôi hoặc nguy hiểm

Ví dụ, một cánh tay robot được điều khiển từ xa có thể được sử dụng để lấy vật liệu trong môi trường phóng xạ.Nhân vật 1,4 cho thấy một cánh tay robot được thiết kế để làm việc trong môi trường bị ô nhiễm

HÌNH 1.4 Rover được xây dựng để làm việc tại các khu vực bị ô nhiễm tại Three Mile Đảo ở Middleton, Pennsylvania, nơi xảy ra một vụ tai nạn hạt nhân năm 1979 Cánh tay dài của robot điều khiển từ xa có thể được nhìn thấy ở đầu xe

Hệ thống điều khiển cũng có thể được sử dụng để tạo sự thuận tiện bằng cách thay đổi hình thức của đầu vào Ví dụ, trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, đầu vào là một vị trí trên bộ điều nhiệt Đầu ra là nhiệt Do đó, đầu vào ở vị trí thuận tiện sẽ tạo ra sản lượng nhiệt mong muốn Một ưu điểm khác của hệ thống điều khiển là khả năng bù nhiễu Thông thường, chúng tôi kiểm soát các biến như nhiệt độ trong hệ thống nhiệt, vị trí và vận tốc trong hệ thống cơ khí và điện áp, dòng điện hoặc tần số trong hệ thống điện Hệ thống phải có khả năng mang lại đầu ra chính xác ngay cả khi có nhiễu Ví dụ, hãy xem xét một hệ thống ăng-ten chỉ theo một hướng

có hiệu lệnh Nếu gió đẩy ăng ten ra khỏi vị trí được chỉ định của nó hoặc nếu tiếng ồn xâm nhập vào bên trong, hệ thống phải có khả năng phát hiện nhiễu và điều chỉnh vị trí của ăng ten

6

Rõ ràng, đầu vào của hệ thống sẽ không thay đổi để thực hiện hiệu chỉnh Do đó, bản thân hệ thống phải đo lượng nhiễu đã định vị lại vị trí của ăng-ten và sau đó đưa ăng-ten trở lại vị trí

do đầu vào chỉ huy

I.1.2 Lịch sử của các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển phản hồi lâu đời hơn loài người Nhiều hệ thống kiểm soát sinh học đã được xây dựng cho những cư dân đầu tiên trên hành tinh của chúng ta Bây giờ chúng ta hãy xem xét lịch sử ngắn gọn của các hệ thống điều khiển do con người thiết kế.1

Kiểm soát mức chất lỏng

Người Hy Lạp bắt đầu sử dụng hệ thống phản hồi kỹ thuật vào khoảng năm 300 trước Công nguyên Một chiếc đồng hồ nước do Ktesibios phát minh, hoạt động bằng cách cho nước nhỏ giọt vào thùng đo với tốc độ không đổi Mức nước trong thùng đo có thể được sử dụng để cho biết thời gian Để nước nhỏ giọt với tốc độ không đổi, bể cung cấp phải được giữ ở mức không đổi Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng một van phao tương tự như điều khiển mực nước trong các bồn cầu xả ngày nay

Không lâu sau Ktesibios, ý tưởng về điều khiển mức chất lỏng đã được Philon của Byzantium áp dụng cho một ngọn đèn dầu Đèn gồm hai hộp đựng dầu được cấu tạo theo chiều dọc Chảo dưới được mở ở trên cùng và là nguồn cung cấp nhiên liệu cho ngọn lửa Chén kín phía trên là bình chứa nhiên liệu cho chảo bên dưới Các thùng chứa được nối với nhau bằng hai ống mao dẫn và một ống khác, được gọi là ống nâng thẳng đứng, được đưa vào dầu trong chảo dưới ngay dưới bề mặt Khi dầu cháy, phần đế của ống nâng thẳng đứng tiếp xúc với không khí, điều này buộc dầu trong bình chứa phía trên chảy qua các ống mao dẫn và đi vào chảo Việc chuyển nhiên liệu từ bình chứa phía trên sang chảo dừng lại khi mức dầu trước đó trong chảo được tái lập, do đó ngăn không khí đi vào ống nâng thẳng đứng

Kiểm soát áp suất và nhiệt độ hơi nước

Việc điều chỉnh áp suất hơi nước bắt đầu vào khoảng năm 1681 với việc Denis Papin phát minh ra van an toàn Khái niệm này đã được hoàn thiện thêm bằng cách tăng trọng lượng của đỉnh van Nếu áp suất đi lên từ lò hơi vượt quá trọng lượng, hơi nước sẽ được thoát ra và áp suất giảm Nếu nó không vượt quá trọng lượng, van không mở và áp suất bên trong lò hơi tăng lên Do đó, trọng lượng trên đỉnh van thiết lập áp suất bên trong của lò hơi

Cũng trong thế kỷ XVII, Cornelis Drebbel ở Hà Lan đã phát minh ra một hệ thống kiểm soát nhiệt độ hoàn toàn bằng cơ học để ấp trứng Thiết bị này sử dụng một lọ cồn và thủy ngân có gắn phao nổi vào trong đó Bộ nổi được kết nối với một van điều tiết để kiểm soát ngọn lửa Một phần của lọ được đưa vào tủ ấm để cảm nhận nhiệt do ngọn lửa tỏa ra Khi nhiệt tăng lên, rượu và thủy ngân nở ra, nâng cao chất nổi, đóng van điều tiết và giảm ngọn lửa Nhiệt độ thấp hơn làm phao hạ xuống, mở van điều tiết và tăng ngọn lửa

7

Kiểm soát tốc độ

Năm 1745, điều khiển tốc độ đã được Edmund Lee áp dụng cho một cối xay gió Gió ngày càng tăng làm các cánh quạt lùi xa hơn, do đó, ít diện tích hơn Khi gió giảm, nhiều diện tích lưỡi dao hơn William Cubitt đã cải tiến ý tưởng này vào năm 1809 bằng cách chia cánh buồm cối xay gió thành các cửa gió có thể di chuyển được

Cũng trong thế kỷ XVIII, James Watt đã phát minh ra bộ điều chỉnh tốc độ quả cầu bay để điều khiển tốc độ của động cơ hơi nước Trong thiết bị này, hai quả cầu quay tăng lên khi tốc độ quay tăng Một van hơi được kết nối với cơ chế quả bóng bay đóng lại với quả bóng bay tăng dần và mở ra với quả bóng bay giảm dần, do đó điều chỉnh tốc độ

Ổn định, Ổn định và Chỉ đạo

Lý thuyết hệ thống điều khiển như chúng ta biết ngày nay bắt đầu kết tinh vào nửa sau của thế kỷ XIX Năm 1868, James Clerk Maxwell công bố tiêu chí ổn định cho một hệ thống bậc ba dựa trên các hệ số của phương trình vi phân Năm 1874, Edward John Routh, sử dụng một gợi ý từ William Kingdom Clifford đã bị Maxwell bỏ qua trước đó, đã có thể mở rộng tiêu chí ổn định cho các hệ thống bậc năm Năm 1877, chủ đề cho Giải thưởng Adams là

“Tiêu chí về tính ổn định động lực học” Đáp lại, Routh đã gửi một bài báo có tựa đề Một luận thuyết về sự ổn định của một trạng thái chuyển động nhất định và giành được giải thưởng Bài báo này bao gồm những gì hiện được gọi là tiêu chí Routh – Hurwitz về sự ổn định, mà chúng ta sẽ nghiên cứu trong Chương 6 Aleksandr Mikhailovich Lyapunov cũng đóng góp vào việc phát triển và hình thành các lý thuyết và thực hành ngày nay về tính ổn định của hệ thống điều khiển Một sinh viên của PL Chebyshev tại Đại học St.Petersburg ở Nga, Lyapunov đã mở rộng công trình của Routh cho các hệ thống phi tuyến trong luận án tiến sĩ năm 1892 của ông, có tựa đề Vấn đề chung về tính ổn định của chuyển động

Trong nửa sau của những năm 1800, sự phát triển của các hệ thống điều khiển tập trung vào việc lái và ổn định tàu Năm 1874, Henry Bessemer, sử dụng một con quay hồi chuyển để cảm nhận chuyển động của con tàu và sử dụng năng lượng do hệ thống thủy lực của con tàu tạo ra, đã di chuyển cần tàu để giữ cho nó ổn định (liệu điều này có tạo ra sự khác biệt đối với những người bảo trợ hay không) Các nỗ lực khác đã được thực hiện để

ổn định bệ đỡ cho súng cũng như ổn định toàn bộ con tàu, sử dụng mặt dây chuyền để cảm nhận chuyển động

Trong nửa sau của những năm 1800, sự phát triển của các hệ thống điều khiển tập trung vào việc lái và ổn định tàu Năm 1874, Henry Bessemer, sử dụng một con quay hồi chuyển để cảm nhận chuyển động của con tàu và sử dụng năng lượng do hệ thống thủy lực của con tàu tạo ra, đã di chuyển cần tàu để giữ cho nó ổn định (liệu điều này có tạo ra sự khác biệt đối với những người bảo trợ hay không) Các nỗ lực khác đã được thực hiện để

ổn định bệ đỡ cho súng cũng như ổn định toàn bộ con tàu, sử dụng mặt dây chuyền để cảm nhận chuyển động

Vào cuối những năm 1920 và đầu những năm 1930, HW Bode và H Nyquist tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell đã phát triển việc phân tích các bộ khuếch đại phản hồi Những đóng góp này đã phát triển thành các kỹ thuật thiết kế và phân tích tần số hình sin hiện đang được sử dụng cho hệ thống điều khiển phản hồi, và được trình bày trong Chương

Ứng dụng đương đại

Ngày nay, các hệ thống điều khiển được ứng dụng rộng rãi trong việc dẫn đường, dẫn đường và điều khiển tên lửa và tàu vũ trụ, cũng như máy bay và tàu trên biển Ví dụ, các tàu hiện đại sử dụng kết hợp các thành phần điện, cơ khí và thủy lực để phát triển các lệnh bánh lái để đáp ứng các lệnh chuyển hướng mong muốn Đến lượt nó, các lệnh của bánh lái sẽ dẫn đến một góc của bánh lái để lái tàu

Chúng tôi tìm thấy các hệ thống kiểm soát trong toàn ngành công nghiệp kiểm soát quá trình, điều chỉnh mức chất lỏng trong bồn chứa, nồng độ hóa chất trong thùng, cũng như độ dày của vật liệu chế tạo

Ví dụ, hãy xem xét một hệ thống kiểm soát độ dày cho một nhà máy hoàn thiện thép tấm Thép đi vào nhà máy hoàn thiện và đi qua các con lăn Trong nhà máy hoàn thiện, tia X

đo độ dày thực tế và so sánh nó với độ dày mong muốn Bất kỳ sự khác biệt nào đều được điều chỉnh bằng bộ điều khiển vị trí vít xuống làm thay đổi khe hở cuộn tại các con lăn mà thép đi qua Sự thay đổi khoảng cách cuộn này điều chỉnh độ dày

Sự phát triển hiện đại đã chứng kiến việc sử dụng rộng rãi máy tính kỹ thuật số như một phần của hệ thống điều khiển Ví dụ, máy tính trong hệ thống điều khiển dành cho rô bốt công nghiệp, tàu vũ trụ và công nghiệp điều khiển quá trình Thật khó để hình dung một

hệ thống điều khiển hiện đại không sử dụng máy tính kỹ thuật số

9

Mặc dù gần đây đã nghỉ hưu, tàu con thoi cung cấp một ví dụ tuyệt vời về việc sử dụng các hệ thống điều khiển vì nó chứa nhiều hệ thống điều khiển được vận hành bởi một máy tính trên tàu trên cơ sở chia sẻ thời gian Nếu không có hệ thống điều khiển, sẽ không thể hướng dẫn tàu con thoi đến và đi từ quỹ đạo trái đất hoặc tự điều chỉnh quỹ đạo và hỗ trợ sự sống trên tàu Các chức năng điều hướng được lập trình trong máy tính của tàu con thoi sử dụng dữ liệu từ phần cứng của tàu con thoi để ước tính vị trí và vận tốc của phương tiện Thông tin này được cung cấp cho các phương trình hướng dẫn tính toán các lệnh cho hệ thống điều khiển bay của tàu con thoi, hệ thống điều khiển tàu vũ trụ Trong không gian, hệ thống điều khiển bay đưa (xoay) các động cơ của hệ thống điều động quỹ đạo (OMS) vào một vị trí cung cấp lực đẩy theo hướng được chỉ định để lái tàu vũ trụ

Trong hệ thống điều khiển lớn này được thể hiện bằng điều hướng, dẫn đường và điều khiển là rất nhiều hệ thống con để điều khiển các chức năng của xe Ví dụ, các độ cao yêu cầu một hệ thống điều khiển để đảm bảo rằng vị trí của chúng thực sự là vị trí đã được chỉ huy, vì các nhiễu động như gió có thể xoay các độ cao ra khỏi vị trí được chỉ huy Tương tự như vậy, trong không gian, việc chuyển động cơ xoay vòng theo quỹ đạo yêu cầu một hệ thống điều khiển tương tự để đảm bảo rằng động cơ quay có thể hoàn thành chức năng của nó với tốc độ

và độ chính xác Các hệ thống điều khiển cũng được sử dụng để điều khiển và ổn định chiếc

xe trong quá trình lao xuống quỹ đạo Nhiều máy bay phản lực nhỏ tạo thành hệ thống kiểm soát phản ứng (RCS) ban đầu được sử dụng trong khí quyển, nơi các bề mặt aero-surf không hiệu quả

Bên trong tàu con thoi, cần có nhiều hệ thống điều khiển để hỗ trợ sức mạnh và sự sống Ví dụ, tàu quỹ đạo có ba nhà máy điện pin nhiên liệu chuyển đổi hydro và oxy (chất phản ứng) thành điện và nước để phi hành đoàn sử dụng Các pin nhiên liệu liên quan đến việc sử dụng các hệ thống điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ và áp suất Các bể chứa chất phản ứng được giữ ở áp suất không đổi khi lượng chất phản ứng giảm dần Các cảm biến trong bồn chứa đã gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển để bật hoặc tắt máy sưởi nhằm giữ cho áp suất trong bồn không đổi (Rockwell International,1984)

Hệ thống điều khiển không giới hạn trong lĩnh vực khoa học và công nghiệp Ví dụ,

hệ thống sưởi ấm gia đình là một hệ thống điều khiển đơn giản bao gồm một bộ điều nhiệt

có chứa vật liệu lưỡng kim có thể giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ thay đổi Sự giãn nở hoặc

co lại này làm di chuyển một lọ thủy ngân hoạt động như một công tắc, bật hoặc tắt lò sưởi Lượng giãn nở hoặc co lại cần thiết để di chuyển công tắc thủy ngân được xác định bởi cài đặt nhiệt độ

Hệ thống giải trí gia đình cũng được tích hợp hệ thống điều khiển Ví dụ, trong hệ thống ghi đĩa quang, các lỗ cực nhỏ thể hiện thông tin được ghi vào đĩa bằng tia laser trong quá trình ghi Trong khi phát lại, một chùm tia laze phản xạ tập trung vào các hố sẽ thay đổi cường

độ Các thay đổi cường độ ánh sáng được chuyển đổi thành tín hiệu điện và được xử lý dưới dạng âm thanh hoặc hình ảnh Một hệ thống điều khiển giữ cho chùm tia laser được định vị trên các hố, chúng được cắt thành các vòng tròn đồng tâm

10

Có vô số ví dụ khác về các hệ thống điều khiển, từ thông thường đến phi thường Khi bạn bắt đầu nghiên cứu về kỹ thuật hệ thống điều khiển, bạn sẽ nhận thức rõ hơn về nhiều loại ứng dụng

I.1.3 Cấu hình hệ thống

Trong phần này, chúng ta thảo luận về hai cấu hình chính của hệ thống điều khiển: vòng

hở và vòng kín Chúng ta có thể coi các cấu hình này là kiến trúc bên trong của hệ thống tổng thể được thể hiện trong Hình 1.1 Cuối cùng, chúng tôi chỉ ra cách một máy tính kỹ thuật số tạo thành một phần cấu hình của hệ thống điều khiển

Hệ thống vòng lặp m

Một chung hệ thống vòng hở được hiển thị trong Hình 1.5(Một) Nó bắt đầu với một hệ thống con được gọi là một bộ chuyển đổi đầu vào, chuyển đổi dạng của đầu vào thành dạng được sử dụng bởi người điều khiển

Bộ điều khiển lái một tiến trình hoặc một cây Đầu vào đôi khi được gọi là tham chiếu, trong khi đầu ra có thể được gọi là biến được kiểm soát Các tín hiệu khác, chẳng hạn như xáo trộn, được hiển thị được thêm vào bộ điều khiển và kết quả quá trình thông qua tổng kết các điểm giao nhau, mang lại tổng đại số của các tín hiệu đầu vào của chúng bằng cách sử dụng các dấu hiệu liên quan ví dụ, nhà máy có thể là một lò nung hoặc hệ thống điều hòa không khí, trong đó biến đầu ra là

nhiệt độ Bộ điều khiển trong hệ thống sưởi bao gồm van nhiên liệu và điện

hệ thống vận hành các van

Đặc điểm phân biệt của hệ thống vòng hở là nó không thể bù cho bất kỳ nhiễu nào thêm vào tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển (Nhiễu 1 trong Hình 1.5(Một)) Ví dụ: nếu bộ điều khiển là bộ khuếch đại điện tử và Độ nhiễu 1 là tiếng ồn, thì bất kỳ tiếng ồn bộ khuếch đại phụ gia nào tại điểm nối tổng đầu tiên cũng sẽ thúc đẩy quá trình, làm hỏng đầu ra do ảnh hưởng của tiếng ồn Đầu ra của hệ thống vòng hở không chỉ bị hỏng bởi các tín hiệu bổ sung vào lệnh của bộ điều khiển mà còn do nhiễu ở đầu ra (Loạn 2 Hình 1.5(Một)) Hệ thống cũng không thể khắc phục những sự cố này

Các ví dụ khác về hệ thống vòng hở là hệ thống cơ học bao gồm một khối lượng, lò xo

và van điều tiết với một lực không đổi định vị khối lượng Lực càng lớn thì độ dời càng lớn Một lần nữa, vị trí của hệ thống sẽ thay đổi khi có nhiễu, chẳng hạn như có thêm lực và hệ thống sẽ không phát hiện hoặc sửa lỗi cho nhiễu Hoặc, giả sử rằng bạn tính toán lượng thời gian bạn cần học cho một kỳ kiểm tra bao gồm ba chương để đạt điểm A Nếu giáo sư thêm chương thứ tư — một sự xáo trộn — bạn là một hệ thống vòng lặp mở nếu bạn không phát hiện sự xáo trộn và thêm thời gian học vào đó đã tính toán trước đó Kết quả của sự giám sát này sẽ là một điểm thấp hơn bạn mong đợi

Hệ thống vòng lặp kín (Điều khiển phản hồi)

Những nhược điểm của hệ thống vòng hở, cụ thể là độ nhạy với các nhiễu và không có khả năng khắc phục các nhiễu này, có thể được khắc phục trong hệ thống vòng kín Kiến trúc chung của một hệ thống vòng kín được thể hiện trong Hình 1.5(NS)

Bộ chuyển đổi đầu vào chuyển đổi dạng của đầu vào thành dạng được sử dụng bởi bộ điều khiển Một bộ chuyển đổi đầu ra, hoặc cảm biến, đo phản ứng đầu ra và chuyển đổi nó thành dạng được sử dụng bởi bộ điều khiển Ví dụ: nếu bộ điều khiển sử dụng tín hiệu điện để vận hành van của hệ thống điều khiển nhiệt độ, vị trí đầu vào và nhiệt độ đầu ra được chuyển

12

đổi thành tín hiệu điện Vị trí đầu vào có thể được chuyển đổi thành điện áp bằng một chiết

áp, một biến trở, và nhiệt độ đầu ra có thể được chuyển đổi thành điện áp bằng một nhiệt điện trở, một thiết bị có điện trở thay đổi theo nhiệt độ

Đường giao nhau tổng đầu tiên cộng đại số tín hiệu từ đầu vào vào tín hiệu từ đầu ra, tín hiệu này đến qua đường phản hồi, đường trả về từ đầu ra đến đường giao nhau tổng Trong Hình 1.5(b), tín hiệu đầu ra bị trừ khỏi tín hiệu đầu vào Kết quả thường được gọi là tín hiệu kích hoạt Tuy nhiên, trong các hệ thống mà cả đầu vào và đầu ra đều có độ lợi đồng nhất (tức là, đầu dò khuếch đại đầu vào của nó thêm 1), giá trị của tín hiệu kích hoạt bằng chênh lệch thực tế giữa đầu vào và đầu ra Trong điều kiện này, tín hiệu kích hoạt được gọi là lỗi

Hệ thống vòng kín bù các nhiễu bằng cách đo phản hồi đầu ra, cung cấp lại phép đo đó thông qua một đường phản hồi và so sánh phản hồi đó với đầu vào tại điểm giao nhau tổng Nếu có bất kỳ sự khác biệt nào giữa hai phản hồi, hệ thống điều khiển nhà máy, thông qua tín hiệu kích hoạt, để thực hiện hiệu chỉnh Nếu không có sự khác biệt, hệ thống không điều khiển nhà máy, vì phản ứng của nhà máy đã là phản ứng mong muốn

Do đó, hệ thống vòng kín có lợi thế rõ ràng là độ chính xác cao hơn hệ thống vòng hở Chúng ít nhạy cảm với tiếng ồn, sự xáo trộn và những thay đổi của môi trường Đáp ứng thoáng qua và lỗi trạng thái ổn định có thể được kiểm soát thuận tiện hơn và linh hoạt hơn trong các hệ thống vòng kín, thường bằng cách điều chỉnh đơn giản độ lợi (khuếch đại) trong vòng lặp và đôi khi bằng cách thiết kế lại bộ điều khiển Chúng tôi đề cập đến việc thiết kế lại là bù đắp hệ thống và phần cứng kết quả dưới dạng người bù đắp Mặt khác, hệ thống vòng kín phức tạp và đắt tiền hơn hệ thống vòng hở Một máy nướng bánh mì vòng hở tiêu chuẩn

là một ví dụ: Nó đơn giản và rẻ tiền Lò nướng bánh mì vòng kín phức tạp hơn và đắt tiền hơn

vì nó phải đo cả màu sắc (thông qua hệ số phản xạ ánh sáng) và độ ẩm bên trong lò nướng bánh mì Do đó, kỹ sư hệ thống điều khiển phải cân nhắc sự cân bằng giữa tính đơn giản và chi phí thấp của hệ thống vòng hở với độ chính xác và chi phí cao hơn của hệ thống vòng kín Tóm lại, các hệ thống thực hiện phép đo và hiệu chỉnh được mô tả trước đây được gọi

là hệ thống vòng kín, hay hệ thống điều khiển phản hồi Hệ thống không có tính chất đo lường

và hiệu chỉnh này được gọi là hệ thống vòng hở

Hệ thống điều khiển bằng máy tính

Trong nhiều hệ thống hiện đại, bộ điều khiển (hoặc bộ bù) là một máy tính kỹ thuật số

Ưu điểm của việc sử dụng máy tính là nhiều vòng lặp có thể được điều khiển hoặc bù trừ bởi cùng một máy tính thông qua việc chia sẻ thời gian Hơn nữa, bất kỳ điều chỉnh nào của các thông số bù cần thiết để mang lại phản ứng mong muốn có thể được thực hiện bằng các thay đổi trong phần mềm chứ không phải phần cứng Máy tính cũng có thể thực hiện các chức năng giám sát, chẳng hạn như lập lịch cho nhiều ứng dụng cần thiết Ví dụ, bộ điều khiển động cơ chính của tàu con thoi (SSME), chứa hai máy tính kỹ thuật số, một mình điều khiển nhiều chức năng của động cơ Nó giám sát các cảm biến động cơ cung cấp áp suất, nhiệt độ, tốc độ

13

dòng chảy, tốc độ phản lực cánh quạt, vị trí van và vị trí bộ truyền động van servo động cơ

Bộ điều khiển cung cấp thêm khả năng kiểm soát vòng kín của lực đẩy và tỷ lệ hỗn hợp khí đẩy,1984)

I.1.4 Mục tiêu Phân tích và Thiết kế

Trong Mục 1.1chúng tôi đã ám chỉ ngắn gọn đến một số thông số kỹ thuật về hiệu suất của hệ thống điều khiển, chẳng hạn như phản hồi tạm thời và lỗi trạng thái ổn định Giờ đây, chúng tôi mở rộng chủ đề về hiệu suất và đặt nó vào quan điểm khi chúng tôi xác định các mục tiêu phân tích và thiết kế của mình

Phân tích là quá trình xác định hiệu suất của hệ thống Ví dụ: chúng tôi đánh giá phản hồi nhất thời và lỗi trạng thái ổn định của nó để xác định xem chúng có đáp ứng các thông

số kỹ thuật mong muốn hay không Thiết kế là quá trình mà hiệu suất của hệ thống được tạo

ra hoặc thay đổi Ví dụ: nếu phản hồi tạm thời và lỗi trạng thái ổn định của hệ thống được phân tích và phát hiện thấy không đáp ứng các thông số kỹ thuật, thì chúng tôi sẽ thay đổi các thông số hoặc thêm các thành phần bổ sung để đáp ứng các thông số kỹ thuật

Hệ thống điều khiển là động: Nó phản hồi với đầu vào bằng cách trải qua phản hồi nhất thời trước khi đạt được phản hồi ở trạng thái ổn định thường giống với đầu vào Chúng tôi đã xác định hai phản hồi này và trích dẫn một hệ thống kiểm soát vị trí (thang máy) làm

ví dụ Trong phần này, chúng ta thảo luận về ba mục tiêu chính của phân tích và thiết kế hệ thống: tạo ra phản ứng nhất thời mong muốn, giảm lỗi ở trạng thái ổn định và đạt được sự

ổn định Chúng tôi cũng giải quyết một số mối quan tâm khác về thiết kế, chẳng hạn như chi phí và độ nhạy của hiệu suất hệ thống đối với những thay đổi trong thông số

Phản hồi thoáng qua

Phản ứng nhất thời là quan trọng Trong trường hợp thang máy, phản ứng chậm nhất thời khiến hành khách mất kiên nhẫn, ngược lại phản ứng nhanh quá mức khiến họ khó chịu Nếu thang máy dao động ở tầng đến trong hơn một giây, có thể dẫn đến cảm giác bối rối Phản ứng nhất thời cũng rất quan trọng vì lý do cấu trúc: Phản ứng nhất thời quá nhanh có thể gây

ra thiệt hại vĩnh viễn về thể chất Trong máy tính, phản hồi tạm thời góp phần vào thời gian cần thiết để đọc hoặc ghi vào ổ lưu trữ của máy tính (xem Hình 1.6) Vì việc đọc và viết không thể diễn ra cho đến khi đầu dừng lại, tốc độ của chuyển động của đầu đọc / ghi từ rãnh này sang rãnh khác ảnh hưởng đến tốc độ tổng thể của máy tính

14

HÌNH 1.6 Ổ đĩa cứng máy tính, hiển thị đĩa và đầu đọc / ghi

Trong cuốn sách này, chúng tôi thiết lập các định nghĩa định lượng cho phản ứng nhất thời Sau đó, chúng tôi phân tích hệ thống để tìm phản ứng tạm thời hiện có của nó Cuối cùng, chúng tôi điều chỉnh các thông số hoặc thiết kế các thành phần để mang lại phản hồi thoáng qua mong muốn mục tiêu phân tích và thiết kế đầu tiên của chúng tôi

Phản hồi trạng thái ổn định

Một mục tiêu phân tích và thiết kế khác tập trung vào phản ứng ở trạng thái ổn định Như chúng ta đã thấy, phản hồi này giống với đầu vào và thường là những gì còn lại sau khi quá độ đã giảm xuống 0 Ví dụ, phản hồi này có thể là một thang máy dừng lại gần tầng 4 hoặc đầu của một ổ đĩa cuối cùng cũng dừng lại ở đúng đường ray Chúng tôi lo ngại về độ chính xác của phản hồi trạng thái ổn định Thang máy phải đủ ngang với sàn để hành khách

có thể thoát ra và đầu đọc / ghi không được đặt trên đường dẫn có lệnh dẫn đến lỗi máy tính Một ăng-ten theo dõi vệ tinh phải giữ vệ tinh nằm trong phạm vi chùm tia của nó để không bị mất dấu vết Trong văn bản này, chúng tôi xác định lỗi trạng thái ổn định một cách định lượng, phân tích lỗi trạng thái ổn định của hệ thống,

Sự ổn định

Thảo luận về phản ứng nhất thời và lỗi trạng thái ổn định sẽ được tranh luận nếu hệ thống không có sự ổn định Để giải thích sự ổn định, chúng tôi bắt đầu từ thực tế là tổng phản ứng của một hệ thống là tổng của phản ứng tự nhiên và phản ứng bắt buộc Khi bạn nghiên cứu phương trình vi phân tuyến tính, bạn có thể gọi những phản hồi này là đồng nhất và các

15

giải pháp cụ thể, tương ứng Phản hồi tự nhiên mô tả cách hệ thống tiêu tán hoặc thu nhận năng lượng Hình thức hoặc bản chất của phản hồi này chỉ phụ thuộc vào hệ thống, không phụ thuộc vào đầu vào Mặt khác, hình thức hoặc bản chất của phản ứng cưỡng bức phụ thuộc vào đầu vào Do đó, đối với một hệ thống tuyến tính, chúng ta có thể viết

dụ, thang máy sẽ đâm xuyên qua sàn nhà hoặc thoát ra qua trần nhà; một chiếc máy bay sẽ đi vào một cuộn không kiểm soát được; hoặc một ăng-ten được lệnh chỉ vào mục tiêu sẽ quay, thẳng hàng với mục tiêu, nhưng sau đó bắt đầu dao động về mục tiêu với các dao động ngày càng tăng và vận tốc tăng dần cho đến khi động cơ hoặc bộ khuếch đại đạt đến giới hạn đầu

ra của chúng hoặc cho đến khi ăng-ten bị hư hỏng về cấu trúc Biểu đồ thời gian của một hệ thống không ổn định sẽ cho thấy một phản ứng nhất thời phát triển mà không bị ràng buộc và không có bất kỳ bằng chứng nào về phản ứng ở trạng thái ổn định

Hệ thống điều khiển phải được thiết kế ổn định Tức là, phản ứng tự nhiên của chúng phải giảm dần về 0 khi thời gian tiến gần đến vô cùng, hoặc dao động Trong nhiều hệ thống, phản hồi nhất thời mà bạn thấy trên biểu đồ phản hồi thời gian có thể liên quan trực tiếp đến phản ứng tự nhiên Do đó, nếu phản ứng tự nhiên giảm dần về 0 khi thời gian tiến gần đến vô cùng, thì phản ứng nhất thời cũng sẽ chết đi, chỉ còn lại phản ứng cưỡng bức Nếu hệ thống

ổn định, có thể thiết kế các đặc tính đáp ứng thoáng qua và lỗi trạng thái ổn định thích hợp Tính ổn định là mục tiêu phân tích và thiết kế thứ ba của chúng tôi

Những ý kiến khác

Ba mục tiêu chính của phân tích và thiết kế hệ thống kiểm soát đã được liệt kê Tuy nhiên, phải tính đến các cân nhắc quan trọng khác Ví dụ, các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn phần cứng, chẳng hạn như kích thước động cơ để đáp ứng các yêu cầu về nguồn điện và lựa chọn cảm biến để đảm bảo độ chính xác, phải được xem xét sớm trong thiết

kế

Tài chính là một cân nhắc khác Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển không thể tạo ra các thiết kế mà không xem xét tác động kinh tế của chúng Các cân nhắc như phân bổ ngân sách và định giá cạnh tranh phải hướng dẫn kỹ sư Ví dụ: nếu sản phẩm của bạn thuộc loại độc đáo, bạn có thể tạo ra một thiết kế sử dụng các thành phần đắt tiền hơn mà không làm

16

tăng tổng chi phí đáng kể Tuy nhiên, nếu thiết kế của bạn sẽ được sử dụng cho nhiều bản sao, việc tăng nhẹ chi phí cho mỗi bản sao có thể chuyển thành nhiều đô la hơn để công ty của bạn đề xuất trong khi đấu thầu hợp đồng và thanh toán trước khi bán hàng

Một sự cân nhắc khác là thiết kế mạnh mẽ Các tham số hệ thống được coi là không đổi trong quá trình thiết kế đối với phản ứng nhất thời, lỗi ở trạng thái ổn định và sự ổn định thay đổi theo thời gian khi hệ thống thực được xây dựng Như vậy, hiệu suất của hệ thống cũng thay đổi theo thời gian và sẽ không phù hợp với thiết kế của bạn Thật không may, mối quan

hệ giữa các thay đổi tham số và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất là không tuyến tính Trong một số trường hợp, ngay cả trong cùng một hệ thống, những thay đổi về giá trị tham

số có thể dẫn đến những thay đổi nhỏ hoặc lớn về hiệu suất, tùy thuộc vào điểm hoạt động danh nghĩa của hệ thống và kiểu thiết kế được sử dụng Vì vậy, kỹ sư muốn tạo ra một thiết

kế mạnh mẽ để hệ thống không bị nhạy cảm với những thay đổi tham số Chúng tôi thảo luận

về khái niệm độ nhạy của hệ thống đối với những thay đổi tham số trong Chương 7 và số 8 Sau đó, khái niệm này có thể được sử dụng để kiểm tra độ bền của một thiết kế

Nghiên cứu điển hình Giới thiệu về một nghiên cứu điển hình

Bây giờ các mục tiêu của chúng tôi đã được nêu ra, làm thế nào để chúng tôi đạt được chúng? Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một ví dụ về hệ thống điều khiển phản hồi Hệ thống được giới thiệu ở đây sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo như một nghiên cứu điển hình đang chạy để chứng minh các mục tiêu của các chương đó Nền màu như thế này sẽ xác định phần nghiên cứu điển hình ở cuối mỗi chương.Phần 1.5, theo sau nghiên cứu điển hình đầu tiên này, khám phá quy trình thiết kế sẽ giúp chúng tôi xây dựng hệ thống của mình

Phương vị Antenna: Giới thiệu về Hệ thống Kiểm soát Vị trí

Hệ thống điều khiển vị trí chuyển đổi lệnh đầu vào vị trí thành phản hồi đầu ra vị trí Hệ thống điều khiển vị trí được ứng dụng rộng rãi trong ăng-ten, cánh tay robot và ổ đĩa máy tính Ăng ten của kính viễn vọng vô tuyến trong Hình 1.7là một ví dụ về hệ thống sử dụng

hệ thống kiểm soát vị trí Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét chi tiết hệ thống điều khiển

vị trí góc phương vị ăng-ten có thể được sử dụng để định vị ăng-ten của kính viễn vọng vô tuyến Chúng ta sẽ xem cách thức hoạt động của hệ thống và cách chúng ta có thể tạo ra những thay đổi trong hiệu suất của nó Cuộc thảo luận ở đây sẽ ở mức độ định tính, với mục tiêu là có được cảm giác trực quan về các hệ thống mà chúng ta sẽ xử lý

18

HÌNH 1.8 Hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị anten: a hệ thống ý tưởng; NS bố

cục chi tiết; NS giản đồ d Sơ đồ khối chức năng

Mục đích của hệ thống này là có đầu ra góc phương vị của ăng-ten, θo(t), theo góc đầu vào của chiết áp, θtôi(NS) Hãy để chúng tôi nhìn vào Hình 1.8(d) và mô tả cách thức hoạt động của hệ thống này Lệnh đầu vào là một phép dời hình Chiết áp biến đổi độ dời góc

19

thành điện áp Tương tự, sự dịch chuyển góc đầu ra được biến đổi thành điện áp bởi chiết

áp trong đường phản hồi Bộ khuếch đại tín hiệu và công suất tăng cường sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và đầu ra Tín hiệu kích hoạt khuếch đại này điều khiển nhà máy

Hệ thống hoạt động bình thường để biến lỗi về không Khi đầu vào và đầu ra khớp với nhau, sai số sẽ bằng không và động cơ sẽ không quay Do đó, động cơ chỉ được điều khiển khi đầu ra và đầu vào không khớp Sự khác biệt giữa đầu vào và đầu ra càng lớn thì điện áp đầu vào của động cơ càng lớn và động cơ quay càng nhanh

Nếu chúng ta tăng độ lợi của bộ khuếch đại tín hiệu, thì giá trị trạng thái ổn định của đầu

ra có tăng không? Nếu độ lợi được tăng lên, thì đối với một tín hiệu kích hoạt nhất định, động

cơ sẽ được điều khiển mạnh hơn Tuy nhiên, động cơ sẽ vẫn dừng khi tín hiệu kích hoạt về không, tức là khi đầu ra khớp với đầu vào Tuy nhiên, sự khác biệt trong phản hồi sẽ nằm ở thời gian chuyển tiếp Vì động cơ được điều khiển mạnh hơn, nó quay nhanh hơn về vị trí cuối cùng của nó Ngoài ra, do tốc độ tăng, động lượng tăng có thể làm cho động cơ vượt quá giá trị cuối cùng và bị hệ thống buộc quay trở lại vị trí đã chỉ định Do đó, khả năng tồn tại đối với một phản ứng nhất thời bao gồm các dao động tắt dần (tức là, một phản ứng hình sin

có biên độ giảm dần theo thời gian) về giá trị trạng thái ổn định nếu độ lợi cao.Hình 1.9

20

HÌNH 1.9 Đáp ứng của hệ thống kiểm soát vị trí, cho thấy tác dụng của độ lợi bộ điều

khiển cao và thấp trên phản hồi đầu ra

Chúng ta đã thảo luận về phản ứng nhất thời của hệ thống điều khiển vị trí Bây giờ chúng

ta hãy hướng sự chú ý của mình đến vị trí trạng thái ổn định để xem đầu ra khớp với đầu vào chặt chẽ như thế nào sau khi quá độ biến mất

Chúng tôi định nghĩa lỗi trạng thái ổn định là sự khác biệt giữa đầu vào và đầu ra sau khi quá độ đã biến mất một cách hiệu quả Định nghĩa này phù hợp như nhau đối với bước, đoạn đường nối và các loại đầu vào khác Thông thường, sai số trạng thái ổn định giảm khi tăng độ lợi và tăng khi giảm độ lợi.Hình 1.9 không hiển thị lỗi trong phản hồi trạng thái ổn định; nghĩa

là, sau khi các quá độ biến mất, vị trí đầu ra bằng với vị trí đầu vào được lệnh Trong một số

hệ thống, lỗi trạng thái ổn định sẽ không phải là số không; đối với các hệ thống này, việc điều chỉnh độ lợi đơn giản để điều chỉnh phản ứng nhất thời hoặc không hiệu quả hoặc dẫn đến sự đánh đổi giữa phản ứng thoáng qua mong muốn và độ chính xác ở trạng thái ổn định mong muốn

Để giải quyết vấn đề này, một bộ điều khiển có phản ứng động, chẳng hạn như bộ lọc điện, được sử dụng cùng với bộ khuếch đại Với loại bộ điều khiển này, có thể thiết kế cả đáp ứng nhất thời cần thiết và độ chính xác ở trạng thái ổn định cần thiết mà không cần đánh đổi bằng một cài đặt đơn giản của độ lợi Tuy nhiên, bộ điều khiển bây giờ phức tạp hơn Bộ lọc trong trường hợp này được gọi là bộ bù Nhiều hệ thống cũng sử dụng các phần tử động trong đường phản hồi cùng với bộ chuyển đổi đầu ra để cải thiện hiệu suất hệ thống Bản trình bày

I.1.5 Quy trình thiết kế

Trong phần này, chúng tôi thiết lập một trình tự có trật tự cho việc thiết kế các hệ thống điều khiển phản hồi sẽ được tuân theo khi chúng tôi tiến hành trong phần còn lại của cuốn sách Hình 1.10 hiển thị quy trình được mô tả cũng như các chương trong đó các bước được thảo luận

HÌNH 1.10 Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị anten được thảo luận trong phần trước là đại diện cho các hệ thống điều khiển phải được phân tích và thiết kế Vốn có trong Hình 1.10là phản hồi và giao tiếp trong mỗi giai đoạn Ví dụ, nếu thử nghiệm (Bước 6) cho thấy rằng các yêu cầu chưa được đáp ứng, hệ thống phải được thiết kế lại và thử nghiệm lại Đôi khi các yêu cầu mâu thuẫn và không thể đạt được thiết kế Trong những trường hợp này, các yêu cầu phải được xác định tương ứng và quá trình thiết kế được lặp lại Bây giờ chúng ta hãy trình bày chi tiết về từng khối của Hình 1.10

Bước 1: Chuyển đổi các yêu cầu thành một hệ thống vật lý

Chúng tôi bắt đầu bằng cách chuyển đổi các yêu cầu thành một hệ thống vật lý Ví

dụ, trong hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng ten, các yêu cầu sẽ nêu rõ mong

22

muốn định vị ăng-ten từ một vị trí từ xa và mô tả các đặc điểm như trọng lượng và kích thước vật lý Sử dụng các yêu cầu, thông số kỹ thuật thiết kế, chẳng hạn như mong muốn đáp ứng nhất thời và độ chính xác ở trạng thái ổn định, được xác định Có lẽ là một khái niệm tổng thể, chẳng ví dụ như Hình 1.8 (a), sẽ dẫn đến kết quả

Bước 2: Vẽ sơ đồ khối chức năng

Bây giờ nhà thiết kế chuyển một mô tả định tính của hệ thống thành một khối chức năng

sơ đồ mô tả các bộ phận thành phần của hệ thống (tức là chức năng và / hoặc phần cứng) và cho thấy sự liên kết giữa chúng Hình 1.8 (d) là một ví dụ về sơ đồ khối chức năng đối với hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng ten Nó chỉ ra các chức năng như đầu vào bộ chuyển đổi và

bộ điều khiển, cũng như các mô tả phần cứng có thể có như bộ khuếch đại và động cơ Tại thời điểm này, nhà thiết kế có thể tạo ra một bố cục chi tiết của hệ thống, chẳng hạn như được thể hiện trong Hình 1.8 (b), từ đó giai đoạn tiếp theo của trình tự phân tích và thiết kế, phát triển một sơ đồ giản đồ, có thể được đưa ra

Bước 3: Tạo một giản đồ

Như chúng ta đã thấy, hệ thống kiểm soát vị trí bao gồm điện, cơ khí và các thành phần

cơ điện Sau khi tạo ra mô tả của một hệ thống vật lý, kỹ sư hệ thống điều khiển chuyển đổi hệ thống vật lý thành một sơ đồ Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển có thể bắt đầu bằng mô tả vật

lý, như trong Hình 1.8 (a), để rút ra một giản đồ Kỹ sư phải đưa ra các ước tính gần đúng về hệ thống và bỏ qua các hiện tượng nhất định, nếu không, giản đồ sẽ khó sử dụng, gây khó khăn để trích xuất một mô hình toán học hữu ích trong giai đoạn tiếp theo của phân tích và thiết kế sự nối tiếp Nhà thiết kế bắt đầu với một biểu diễn giản đồ đơn giản và sau đó các giai đoạn của trình tự phân tích và thiết kế, kiểm tra các giả định được đưa ra về hệ thống vật lý thông qua phân tích và mô phỏng máy tính Nếu giản đồ quá đơn giản và không tính toán đầy đủ cho các hành vi được quan sát, kỹ sư hệ thống kiểm soát cho biết thêm hiện tượng đối với giản đồ mà trước đây được giả định là không đáng kể Một sơ đồ đối với hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị anten được thể hiện trên Hình 1.8 (c)

Khi chúng tôi vẽ chiết áp, chúng tôi đưa ra giả định đơn giản hóa đầu tiên bằng cách bỏ qua ma sát hoặc quán tính của chúng Những đặc tính cơ học này mang lại một động lực, thay

vì một tức thời, đáp ứng trong điện áp đầu ra Chúng tôi giả định rằng những tác động cơ học này là không đáng kể và điện áp trên một chiết áp thay đổi ngay lập tức khi trục chiết áp quay

Bộ khuếch đại vi sai và bộ khuếch đại công suất được sử dụng làm bộ điều khiển để tạo

ra độ lợi và khuếch đại công suất, tương ứng, để điều khiển động cơ Một lần nữa, chúng tôi giả định rằng động lực của bộ khuếch đại là nhanh so với thời gian đáp ứng của động cơ; do đó, chúng tôi mô hình hóa chúng như một lợi ích thuần túy, K

Động cơ điện một chiều và tải tương đương tạo ra dịch chuyển góc đầu ra Tốc độ của động cơ tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào mạch phần ứng của động cơ Cả điện cảm và cảm kháng đều là một phần của mạch phần ứng Khi chỉ biểu diễn điện trở phần ứng trong Hình 1.8 (c), chúng ta giả sử ảnh hưởng của điện cảm phần ứng là không đáng kể đối với động cơ điện một chiều

23

Người thiết kế đưa ra các giả định sâu hơn về tải trọng Tải trọng bao gồm một khối lượng quay và chịu lực ma sát Do đó, mô hình bao gồm giảm xóc quán tính và giảm xóc nhớt có mômen điện trở tăng theo tốc độ, như trong bộ giảm xóc của ô tô hoặc bộ giảm chấn cửa lưới Các quyết định được đưa ra trong việc phát triển giản đồ bắt nguồn từ kiến thức về hệ thống vật lý, các quy luật vật lý điều chỉnh hành vi của hệ thống và kinh nghiệm thực tế Những quyết định này không dễ dàng; tuy nhiên, khi bạn có thêm kinh nghiệm thiết kế, bạn sẽ có được cái nhìn sâu sắc cần thiết cho nhiệm vụ khó khăn này

Bước 4: Phát triển một mô hình toán học (Sơ đồ khối)

Khi giản đồ được vẽ, nhà thiết kế sử dụng các định luật vật lý, chẳng hạn như định luật Kirchhoff cho mạng điện và định luật Newton cho hệ thống cơ học, cùng với việc đơn giản hóa các giả thiết, để mô hình hóa hệ thống Những luật này là

Luật điện áp Kirchhoff Tổng các điện áp xung quanh một đường dẫn kín bằng

không

Luật dòng điện Kirchhoff Tổng các dòng điện chạy vào một nút bằng không

Luật Newton Tổng các lực tác dụng lên một vật bằng không; tổng số

lực trên một vật bằng không

Các định luật Kirchhoff và Newton dẫn đến các mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của các hệ động lực Một trong những mô hình như vậy là phương trình vi phân tuyến tính, biến thiên theo thời gian, Eq (1.2):

Nhiều hệ thống có thể được mô tả gần đúng bằng phương trình này, liên hệ giữa đầu ra, c (t), với đầu vào, r (t), bằng các tham số hệ thống, ai và bj Chúng tôi giả sử người đọc đã quen thuộc với các phương trình vi phân Các vấn đề và một thư mục được cung cấp ở cuối chương

để bạn xem lại chủ đề này

Việc đơn giản hóa các giả định được đưa ra trong quá trình thu được một mô hình toán học thường dẫn đến dạng Eq bậc thấp (1.2) Nếu không có các giả định, mô hình hệ thống có thể có bậc cao hoặc được mô tả bằng các phương trình vi phân phi tuyến, biến thiên theo thời gian hoặc từng phần Những phương trình này làm phức tạp quá trình thiết kế và làm giảm sự hiểu biết của nhà thiết kế Tất nhiên, tất cả các giả định phải được kiểm tra và tất cả các đơn giản hóa được biện minh thông qua phân tích hoặc thử nghiệm Nếu các giả định về đơn giản hóa

24

không thể được biện minh, thì mô hình không thể được đơn giản hóa Chúng tôi xem xét một số giả định đơn giản hóa này trong Chương 2

Ngoài phương trình vi phân, hàm truyền là một cách khác để mô hình hóa một hệ thống

Mô hình được suy ra từ phương trình vi phân tuyến tính, bất biến theo thời gian, sử dụng cái mà chúng ta gọi là phép biến đổi Laplace Mặc dù hàm truyền chỉ có thể được sử dụng cho các hệ thống tuyến tính, nhưng nó mang lại thông tin trực quan hơn phương trình vi phân Chúng tôi sẽ

có thể thay đổi các thông số hệ thống và nhanh chóng cảm nhận được ảnh hưởng của những thay đổi này đối với phản ứng của hệ thống Hàm truyền cũng hữu ích trong việc mô hình hóa sự liên kết giữa các hệ thống con bằng cách tạo thành một sơ đồ khối tương tự như Hình 1.8 (d) nhưng với một hàm toán học bên trong mỗi khối

Vẫn còn một mô hình khác là biểu diễn không gian trạng thái Một ưu điểm của phương pháp không gian trạng thái là chúng cũng có thể được sử dụng cho các hệ thống không thể được

mô tả bằng phương trình vi phân tuyến tính Hơn nữa, các phương pháp không gian trạng thái được sử dụng để mô hình hóa các hệ thống để mô phỏng trên máy tính kỹ thuật số Về cơ bản, biểu diễn này biến một thứ tự thứ n phương trình vi phân thành n phương trình vi phân cấp một đồng thời Hãy để mô tả này là đủ cho bây giờ; chúng tôi mô tả cách tiếp cận này chi tiết hơn trong Chương 3

Cuối cùng, chúng ta nên đề cập rằng để tạo ra mô hình toán học cho một hệ thống, cần phải có kiến thức về các giá trị tham số, chẳng hạn như điện trở tương đương, độ tự cảm, khối lượng và độ tắt dần, điều này thường không dễ dàng có được Phân tích, đo lường hoặc thông số

kỹ thuật từ các nhà cung cấp là các nguồn mà kỹ sư hệ thống điều khiển có thể sử dụng để có được các thông số

Bước 5: Giảm sơ đồ khối

Các mô hình hệ thống con được kết nối với nhau để tạo thành sơ đồ khối của các hệ thống lớn hơn, như trong Hình 1.8 (d), trong đó mỗi khối có một mô tả toán học Lưu ý rằng nhiều tín hiệu, chẳng hạn như điện áp tỷ lệ và lỗi, là bên trong hệ thống Ngoài ra còn có hai tín hiệu — đầu vào góc và đầu ra góc — bên ngoài hệ thống Để đánh giá phản ứng của hệ thống trong ví

dụ này, chúng ta cần giảm sơ đồ khối của hệ thống lớn này thành một khối duy nhất với mô tả toán học đại diện cho hệ thống từ đầu vào đến đầu ra của nó, như trong Hình 1.11 Khi đã thu gọn sơ đồ khối, chúng tôi sẵn sàng phân tích và thiết kế hệ thống

HÌNH 1.11 Sơ đồ khối tương đương cho vị trí góc phương vị của anten

hệ thống điều khiển

Bước 6: Phân tích và thiết kế

25

Giai đoạn tiếp theo của quy trình, sau khi giảm sơ đồ khối, là phân tích và thiết kế Nếu bạn chỉ quan tâm đến hiệu suất của một hệ thống con riêng lẻ, bạn có thể bỏ qua việc giảm sơ

đồ khối và chuyển ngay sang phân tích và thiết kế Trong giai đoạn này, kỹ sư phân tích hệ thống

để xem liệu các thông số kỹ thuật đáp ứng và các yêu cầu về hiệu suất có thể được đáp ứng bằng các điều chỉnh đơn giản của các thông số hệ thống hay không Nếu không thể đáp ứng các thông

số kỹ thuật, thì nhà thiết kế sẽ thiết kế phần cứng bổ sung để tạo ra hiệu suất mong muốn Các tín hiệu đầu vào thử nghiệm được sử dụng, cả về mặt phân tích và trong quá trình thử nghiệm, để xác minh thiết kế Nó là không nhất thiết phải thực tế và cũng không cần phải chiếu sáng để chọn các tín hiệu đầu vào phức tạp để phân tích hiệu suất của hệ thống Do đó, kỹ sư thường chọn đầu vào kiểm tra tiêu chuẩn Các đầu vào này là xung, bước, đường dốc, parabol

và hình sin, như trong Bảng 1.1

26

Xung lực là vô hạn tại t = 0 và không ở nơi khác Diện tích dưới xung đơn vị là 1 An sự xấp xỉ của dạng sóng này được sử dụng để đặt năng lượng ban đầu vào một hệ thống sao cho phản ứng do năng lượng ban đầu chỉ là phản ứng nhất thời của một hệ thống Từ đây phản hồi

mà người thiết kế có thể lấy ra một mô hình toán học của hệ thống Đầu vào bước biểu thị một lệnh không đổi, chẳng hạn như vị trí, vận tốc hoặc gia tốc

Thông thường, lệnh đầu vào bước có cùng dạng với đầu ra Ví dụ, nếu đầu ra của hệ thống

là vị trí, cũng như đối với hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng ten,bước đầu vào đại diện cho một vị trí mong muốn và đầu ra đại diện cho vị trí thực tế Nếu như đầu ra của hệ thống

là vận tốc, cũng như tốc độ trục chính của đầu phát đĩa video, đầu vào bước đại diện cho tốc độ mong muốn không đổi và đầu ra đại diện cho tốc độ thực tế

Các nhà thiết kế sử dụng đầu vào bước vì cả phản hồi tạm thời và trạng thái ổn định phản hồi có thể nhìn thấy rõ ràng và có thể được đánh giá.Đầu vào đoạn đường nối đại diện cho một lệnh tăng tuyến tính Ví dụ, nếu hệ thống của đầu ra là vị trí, đường nối đầu vào biểu thị vị trí tăng tuyến tính, chẳng hạn như được tìm thấy khi theo dõi một vệ tinh di chuyển trên bầu trời với tốc độ không đổi Nếu hệ thống của đầu ra là vận tốc, đoạn đường nối đầu vào đại diện cho vận tốc tăng tuyến tính Phản ứng với tín hiệu kiểm tra đoạn đường nối đầu vào cung cấp thông tin bổ sung về lỗi trạng thái ổn định

Các cuộc thảo luận trước đó có thể được mở rộng sang đầu vào parabol, cũng được sử dụng để đánh giá lỗi trạng thái ổn định của hệ thống

Đầu vào hình sin cũng có thể được sử dụng để kiểm tra một hệ thống vật lý để đi đến một phép toán mẫu Chúng tôi thảo luận chi tiết việc sử dụng dạng sóng này trong Chương 10 và 11 Chúng tôi kết luận rằng một trong những yêu cầu phân tích và thiết kế cơ bản là đánh giá thời gian phản hồi của một hệ thống cho một đầu vào nhất định Trong suốt cuốn sách, bạn sẽ học được rất nhiều các phương pháp để hoàn thành mục tiêu này

Kỹ sư hệ thống điều khiển phải xem xét các đặc điểm khác về các hệ thống điều khiển phản hồi Ví dụ, hành vi của hệ thống kiểm soát bị thay đổi bởi các biến động trong các giá trị thành phần hoặc tham số hệ thống Những biến thể này có thể do nhiệt độ, áp suất, hoặc các thay đổi môi trường khác Hệ thống phải được xây dựng sao cho biến động không làm suy giảm hiệu suất vượt quá giới hạn quy định Phân tích độ nhạy có thể mang lại tỷ lệ phần trăm thay đổi trong một đặc điểm kỹ thuật như một hàm của sự thay đổi trong hệ thống tham số Do đó, một trong những mục tiêu của nhà thiết kế là xây dựng một hệ thống với độ nhạy tối thiểu trong một loạt các thay đổi môi trường dự kiến

Trong phần này, chúng ta đã xem xét một số phân tích và cân nhắc thiết kế hệ thống điều khiển chúng tôi thấy rằng nhà thiết kế lo ngại về phản ứng nhất thời, lỗi trạng thái ổn định, tính

ổn định, và độ nhạy Văn bản chỉ ra rằng mặc dù cơ sở đánh giá hệ thống hiệu suất là phương trình vi phân, các phương pháp khác, chẳng hạn như hàm truyền và không gian trạng thái, sẽ được sử dụng Ưu điểm của các kỹ thuật mới này so với vi sai các phương trình sẽ trở nên rõ ràng khi chúng ta thảo luận về chúng trong các chương sau

27

I.1.6 Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính

Bây giờ chúng ta đã thảo luận về trình tự phân tích và thiết kế, chúng ta hãy thảo luận về việc

sử dụng máy tính như một công cụ tính toán trong trình tự này Máy tính đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển hiện đại Trong quá khứ, thiết kế hệ thống điều khiển là lao động căng Nhiều công cụ chúng ta sử dụng ngày nay được thực hiện thông qua tính toán thủ công hoặc tốt nhất là sử dụng các công cụ hỗ trợ đồ họa bằng nhựa Quá trình diễn ra chậm và không phải lúc nào kết quả cũng chính xác Máy tính lớn sau đó được sử dụng để mô phỏng các thiết kế

Ngày nay, chúng ta may mắn có được máy tính và phần mềm giúp loại bỏ những khó khăn từ nhiệm vụ Trên máy tính để bàn của chính mình, chúng tôi có thể thực hiện phân tích, thiết kế

và mô phỏng với một chương trình Với khả năng mô phỏng một thiết kế nhanh chóng, chúng tôi có thể dễ dàng thực hiện các thay đổi và ngay lập tức thử nghiệm một thiết kế mới Chúng ta

có thể chơi các trò chơi giả như vậy và thử các giải pháp thay thế để xem nếu chúng mang lại kết quả tốt hơn, chẳng hạn như giảm độ nhạy đối với các thay đổi tham số Chúng ta có thể bao gồm các điểm phi tuyến tính và các hiệu ứng khác và kiểm tra độ chính xác của các mô hình của chúng tôi

MATLAB

Máy tính là một phần không thể thiếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại, và nhiều các công cụ tính toán có sẵn để bạn sử dụng Trong cuốn sách này, chúng tôi sử dụng MATLAB và Hộp công cụ Hệ thống Điều khiển MATLAB, mở rộng MATLAB để bao gồm hệ thống điều khiển– các lệnh cụ thể Ngoài ra, được trình bày là một số cải tiến MATLAB cung cấp cho đã thêm chức năng vào MATLAB và Hộp công cụ Hệ thống Điều khiển Bao gồm (1) Simulink,

sử dụng giao diện người dùng đồ họa (GUI); (2) Máy phân tích hệ thống tuyến tính, cho phép các phép đo được thực hiện trực tiếp từ đáp ứng thời gian và tần số các đường cong; (3) Trình thiết kế Hệ thống Điều khiển, một phân tích và thiết kế thuận tiện và trực quan dụng cụ; và (4) Hộp công cụ Toán học Biểu tượng, giúp tiết kiệm sức lao động khi tạo biểu tượng tính toán cần thiết trong phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển Một số cải tiến này có thể yêu cầu phần mềm bổ sung có sẵn từ The MathWorks, Inc

MATLAB được trình bày như một phương pháp thay thế để giải quyết các vấn đề của hệ thống điều khiển Bạn được khuyến khích giải quyết vấn đề trước bằng tay và sau đó bằng MATLAB

để không bị mất thông tin chi tiết thông qua việc sử dụng cơ giới hóa các chương trình máy tính

Vì vậy, nhiều ví dụ xuyên suốt cuốn sách được giải bằng tay, sau đó là đề xuất sử dụng MATLAB

Như một sự lôi cuốn để bắt đầu sử dụng MATLAB, các câu lệnh chương trình đơn giản mà bạn

có thể thử là được gợi ý trong suốt các chương tại các vị trí thích hợp Thông qua quyển sách, Tài liệu tham khảo MATLAB hướng bạn đến chương trình thích hợp trong phụ lục thích hợp và

28

cho bạn biết những gì bạn sẽ học Các vấn đề cuối chương được chọn và các Thách thức trong Nghiên cứu điển hình đã được giải quyết bằng cách sử dụng MATLAB cũng đã được đánh dấu Danh sách sau đây liệt kê các chi tiết cụ thể các thành phần của MATLAB được sử dụng trong cuốn sách này và phần phụ lục trong đó mô tả có thể tìm:

Bản thân mã MATLAB không phải là nền tảng cụ thể Mã tương tự chạy trên PC và máy trạm

hỗ trợ MATLAB Mặc dù có sự khác biệt trong việc cài đặt và quản lý MATLAB chúng tôi không đề cập đến chúng trong cuốn sách này Ngoài ra, có nhiều lệnh khác trong MATLAB và các hộp công cụ MATLAB hơn được đề cập trong phần phụ lục Hãy khám phá các thư mục ở cuối phụ lục hiện hành để tìm hiểu thêm về MATLAB quản lý tệp và hướng dẫn MATLAB không được đề cập trong sách giáo khoa này

LabVIEW

LabVIEW là một môi trường lập trình được trình bày như một sự thay thế cho MATLAB Cái

đồ họa thay thế này tạo ra các bảng mặt trước của các công cụ ảo trên máy tính của bạn là sự tái tạo bằng hình ảnh của các công cụ phần cứng, chẳng hạn như máy phát dạng sóng hoặc máy hiện sóng Bên dưới các tấm phía trước là sơ đồ khối Các khối chứa mã cơ bản cho các điều khiển và chỉ báo trên bảng điều khiển phía trước Do đó, một kiến thức về mã hóa không bắt buộc Ngoài ra, các thông số có thể dễ dàng thông qua hoặc xem từ phía trước bảng điều khiển

Bạn được khuyến khích sử dụng các công cụ hỗ trợ tính toán trong suốt cuốn sách này Những người không sử dụng MATLAB hoặc LabVIEW nên tham khảo Phụ lục H để thảo luận về các lựa chọn thay thế khác Bây giờ chúng tôi đã giới thiệu hệ thống điều khiển cho bạn và thiết lập nhu cầu hỗ trợ tính toán để thực hiện phân tích và thiết kế, chúng tôi sẽ kết thúc bằng một cuộc thảo luận về sự nghiệp của bạn với tư cách là một kỹ sư hệ thống điều khiển và xem xét các cơ hội và thách thức đang chờ đón bạn

29

I.1.7 Kỹ sư điều khiển hệ thống

Kỹ thuật hệ thống điều khiển là một lĩnh vực thú vị để áp dụng tài năng kỹ thuật của bạn, bởi vì

nó cắt ngang nhiều lĩnh vực và nhiều chức năng trong các lĩnh vực đó Kỹ sư điều khiển có thể được tìm thấy ở cấp cao nhất của các dự án lớn, tham gia vào giai đoạn khái niệm trong việc xác định hoặc thực hiện các yêu cầu hệ thống tổng thể Các yêu cầu này bao gồm tổng thông số kỹ thuật về hiệu suất của hệ thống, các chức năng của hệ thống con và sự kết nối với nhau của các chức năng này, bao gồm các yêu cầu về giao diện, phần cứng và thiết kế phần mềm và các kế hoạch và thủ tục thử nghiệm

Nhiều kỹ sư chỉ tham gia vào một lĩnh vực, chẳng hạn như thiết kế mạch hoặc phần mềmsự phát triển Tuy nhiên, là một kỹ sư hệ thống điều khiển, bạn có thể thấy mình đang làm việc trong một đấu trường rộng lớn và tương tác với những người từ nhiều ngành kỹ thuật và khoa học Ví dụ: nếu bạn đang làm việc trên một hệ thống sinh học, bạn sẽ cần phải tương tác với các đồng nghiệp trong khoa học sinh học, kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện, và kỹ thuật máy tính, chưa kể đến toán học và vật lý Bạn sẽ làm việc với các kỹ sư này ở tất cả các cấp độ phát triển dự án từ

ý tưởng đến thiết kế và, cuối cùng là thử nghiệm Ở cấp độ thiết kế, kỹ sư hệ thống điều khiển

có thể thực hiện lựa chọn phần cứng, thiết kế và giao diện, bao gồm toàn bộ thiết kế hệ thống con để đáp ứng các yêu cầu quy định Kỹ sư điều khiển có thể làm việc với các cảm biến và động cơ như

cũng như các mạch điện tử, khí nén và thủy lực

Tàu con thoi cung cấp một ví dụ khác về sự đa dạng cần thiết của các hệ thống

kỹ sư Trong phần trước, chúng tôi đã chỉ ra rằng hệ thống điều khiển của tàu con thoi đã cắt qua nhiều ngành khoa học: cơ học quỹ đạo và lực đẩy, khí động học, kỹ thuật điện và kỹ thuật

cơ khí Bạn có làm việc trong không gian hay không với tư cách là một kỹ sư hệ thống điều khiển, bạn sẽ áp dụng kiến thức cơ bản về giải pháp của các vấn đề điều khiển kỹ thuật Bạn sẽ

có cơ hội mở rộng các chân trời kỹ thuật ngoài chương trình giảng dạy đại học của bạn

Bây giờ bạn nhận thức được các cơ hội trong tương lai Nhưng hiện tại, khóa học này có những

ưu điểm gì đề nghị cho một sinh viên của hệ thống điều khiển (ngoài thực tế là bạn cần nó để tốt nghiệp)?

Các chương trình giảng dạy về kỹ thuật có xu hướng nhấn mạnh vào thiết kế từ dưới lên Đó là, bạn bắt đầu từ linh kiện, phát triển mạch, và sau đó lắp ráp một sản phẩm Trong thiết kế từ trên xuống, bức tranh cấp cao về các yêu cầu được hình thành trước tiên; sau đó là các chức năng và phần cứng yêu cầu để thực hiện hệ thống được xác định Bạn sẽ có thể đưa từ trên xuống cách tiếp cận hệ thống là kết quả của khóa học này

Một lý do chính cho việc không dạy thiết kế từ trên xuống trong suốt chương trình học là mức

độ toán học ban đầu cần thiết cho phương pháp tiếp cận hệ thống Ví dụ, kiểm soát lý thuyết hệ thống, đòi hỏi phương trình vi phân, không thể được giảng dạy như một khóa học chia nhỏ hơn

về mặt toán học để chúng ta có thể tạo ra các hệ thống có lợi cho nhân loại Bạn sẽ thấy rằng bạn đã thực sự có được, thông qua các khóa học trước đây, khả năng lập mô hình vật lý hệ thống toán học, mặc dù tại thời điểm đó, bạn có thể không hiểu vị trí trong chu kỳ phát triển sản phẩm phù hợp với mô hình Khóa học này sẽ làm rõ các phân tích và quy trình thiết kế và cho bạn thấy kiến thức bạn thu được phù hợp với bức tranh tổng thể như thế nào của thiết kế hệ thống

Hiểu các hệ thống điều khiển cho phép sinh viên từ tất cả các ngành kỹ thuật nói một ngôn ngữ chung và phát triển sự đánh giá cao và kiến thức làm việc của người kia Bạn sẽ thấy rằng thực

sự không có nhiều sự khác biệt giữa các chi nhánh của kỹ thuật theo các mục tiêu và ứng dụng

có liên quan Khi bạn nghiên cứu kiểm soát hệ thống, bạn sẽ thấy điểm chung này

Hệ thống điều khiển có một đầu vào, một quá trình và một đầu ra Hệ thống điều khiển có thể là vòng lặp mở hoặc vòng kín Hệ thống vòng hở không giám sát hoặc sửa lỗi đầu ra cho các nhiễu; tuy nhiên, chúng đơn giản hơn và ít tốn kém hơn so với hệ thống vòng kín

Vòng kín hệ thống giám sát đầu ra và so sánh nó với đầu vào Nếu một lỗi được phát hiện, hệ thống hiệu chỉnh đầu ra và do đó sửa các tác động của nhiễu

Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển tập trung vào ba mục tiêu chính:

1 Tạo ra phản ứng thoáng qua mong muốn

2 Giảm lỗi ở trạng thái ổn định

31

3 Đạt được sự ổn định

Hệ thống phải ổn định để tạo ra phản ứng trạng thái ổn định và thoáng qua thích hợp.Phản ứng nhất thời rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến tốc độ của hệ thống và ảnh hưởng đếnsự kiên nhẫn

và sự thoải mái của con người, chưa kể đến căng thẳng máy móc

Phản hồi ở trạng thái ổn định xác định độ chính xác của hệ thống điều khiển; nó điều chỉnh mức độ kết hợp chặt chẽ của kết quả đầu ra phản hồi mong muốn

Việc thiết kế hệ thống điều khiển tuân theo các bước sau:

Bước 1 Xác định hệ thống vật lý và các thông số kỹ thuật từ các yêu cầu

Bước 2 Vẽ sơ đồ khối chức năng

Bước 3 Biểu diễn hệ thống vật lý dưới dạng giản đồ

Bước 4 Sử dụng giản đồ để thu được mô hình toán học, chẳng hạn như sơ đồ khối

Bước 5 Giảm sơ đồ khối

Bước 6 Phân tích và thiết kế hệ thống để đáp ứng các yêu cầu cụ thể và

các thông số kỹ thuật bao gồm tính ổn định, phản hồi nhất thời và hiệu suất ở trạng thái ổn định

Trong chương tiếp theo, chúng ta tiếp tục thông qua trình tự phân tích và thiết kế và tìm hiểu cách sử dụng giản đồ để có được một mô hình toán học

Câu hỏi đánh giá

1 Kể tên ba ứng dụng cho hệ thống điều khiển phản hồi

2 Kể tên ba lý do để sử dụng hệ thống điều khiển phản hồi và ít nhất một lý do để không sử dụng chúng

3 Cho ba ví dụ về hệ thống vòng hở

4 Về mặt chức năng, hệ thống vòng kín khác với hệ thống vòng hở như thế nào?

5 Nêu một điều kiện mà theo đó tín hiệu lỗi của hệ thống điều khiển phản hồi sẽ

không phải là sự khác biệt giữa đầu vào và đầu ra

6 Nếu tín hiệu lỗi không phải là sự khác biệt giữa đầu vào và đầu ra, bằng cách tổng quát tên chúng ta có thể mô tả các tín hiệu lỗi?

7 Kể tên hai ưu điểm của việc có một máy tính trong vòng lặp

8 Kể tên ba tiêu chí thiết kế chính cho hệ thống điều khiển

9 Đặt tên cho hai phần phản hồi của hệ thống

10 Về mặt vật lý, điều gì xảy ra với một hệ thống không ổn định?

11 Tính không ổn định là do phần nào của tổng phản ứng?

32

12 Mô tả một nhiệm vụ phân tích hệ thống điều khiển điển hình

13 Mô tả một nhiệm vụ thiết kế hệ thống điều khiển điển hình

14 Các điều chỉnh của độ lợi đường truyền phía trước có thể gây ra những thay đổi trong phản ứng nhất thời

Đúng hay sai?

15 Kể tên ba phương pháp tiếp cận mô hình toán học của hệ thống điều khiển

16 Mô tả ngắn gọn từng câu trả lời của bạn cho Câu hỏi 15

Phòng thí nghiệm thăm dò không gian mạng

Sau khi hoàn thành chương này, học sinh sẽ có thể:

-Sử dụng quỹ đạo gốc để thiết kế bộ bù tầng để cải thiện lỗi trạng thái ổn định

(Phần 9.1–9.2)

-Sử dụng quỹ đạo gốc để thiết kế bộ bù tầng để cải thiện phản ứng nhất thời (Mục 9.3)

33

-Sử dụng quỹ tích gốc để thiết kế bộ bù tầng để cải thiện cả trạng thái ổn định

lỗi và phản hồi thoáng qua (Phần 9.4)

-Sử dụng quỹ đạo gốc để thiết kế bộ bù phản hồi nhằm cải thiện phản hồi nhất thời (Phần 9.5) -Nhận ra các bộ bù được thiết kế về mặt vật lý (Phần 9.6)

Kết quả học tập nghiên cứu điển hình

Bạn sẽ có thể chứng minh kiến thức của mình về các mục tiêu của chương với các nghiên cứu điển hình như sau:

- Cung cấp hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng-ten được trình bày trong Phụ lục A2, bạn sẽ có thể thiết kế bộ bù tầng để đáp ứng các thông số kỹ thuật về phản ứng nhất thời và lỗi trạng thái ổn định

- Cung cấp hệ thống điều khiển hướng hoặc cao độ cho phương tiện UFSS được nêu trong Phụ lục A3, bạn sẽ có thể thiết kế bộ bù tầng hoặc bộ bù phản hồi để đáp ứng các thông số kỹ thuật phản hồi nhất thời

I.2.1 Giới thiệu

Trong Chương 8, chúng ta đã thấy rằng quỹ tích gốc hiển thị bằng đồ thị cả thông tin về độ ổn định và đáp ứng nhất thời Quỹ tích có thể được phác thảo nhanh chóng để có được ý tưởng chung về những thay đổi trong phản ứng nhất thời được tạo ra bởi những thay đổi về độ lợi Các điểm cụ thể trên quỹ tích cũng có thể được tìm thấy một cách chính xác để cung cấp thông tin thiết kế định lượng

Quỹ tích gốc thường cho phép chúng ta chọn độ lợi vòng lặp thích hợp để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật phản hồi nhất thời Khi mức tăng khác nhau, chúng tôi di chuyển qua các vùng phản ứng khác nhau Đặt độ lợi ở một giá trị cụ thể sẽ tạo ra phản ứng nhất thời được chỉ định bởi các cực tại điểm đó trên quỹ tích gốc Do đó, chúng tôi bị giới hạn đối với những phản hồi tồn tại dọc theo quỹ đạo gốc

Cải thiện phản hồi nhất thời

Tính linh hoạt trong thiết kế của một phản hồi nhất thời mong muốn có thể được tăng lên nếu chúng ta có thể thiết kế cho các phản hồi nhất thời không nằm trên quỹ đạo gốc Hình 9.1 (a) minh họa khái niệm

Giả sử rằng phản hồi thoáng qua mong muốn, được xác định bằng phần trăm độ vọt lố và thời gian ổn định, được biểu thị bằng điểm B Thật không may, trên quỹ tích gốc hiện tại ở mức độ vọt lố phần trăm được chỉ định, chúng ta chỉ có thể có được thời gian giải quyết được biểu thị bằng điểm A sau một độ lợi đơn giản sự điều chỉnh Vì vậy, mục tiêu của chúng tôi là tăng tốc

độ phản hồi tại A so với phản ứng của B, mà không ảnh hưởng đến phần trăm vượt quá Việc tăng tốc độ này không thể thực hiện được bằng một điều chỉnh độ lợi đơn giản, vì điểm B không nằm trên quỹ tích gốc

34

Hình 9.1 (b) minh họa sự cải thiện trong phản ứng nhất thời mà chúng tôi tìm kiếm: Phản hồi nhanh hơn có cùng phần trăm vượt quá so với phản hồi chậm

HÌNH 9.1 a Quỹ tích gốc mẫu, hiển thị điểm thiết kế có thể có thông qua điều chỉnh độ lợi (A)

và điểm thiết kế mong muốn không thể đáp ứng thông qua điều chỉnh độ lợi đơn giản (B); b phản hồi từ các cực tại A và B

35

Một cách để giải quyết vấn đề của chúng ta là thay thế hệ thống hiện có bằng một hệ thống có quỹ tích gốc giao với điểm thiết kế mong muốn, B Thật không may, sự thay thế này tốn kém và phản tác dụng Hầu hết các hệ thống được chọn cho các đặc tính khác với đặc tính phản ứng tạm thời Ví dụ, một lồng thang máy và động cơ được chọn cho tốc độ và công suất Các thành phần được chọn cho phản ứng nhất thời của chúng có thể không nhất thiết phải đáp ứng, ví dụ, các yêu cầu về nguồn điện

Thay vì thay đổi hệ thống hiện có, chúng tôi tăng cường hoặc bù đắp hệ thống với các cực và số không bổ sung, để hệ thống được bù có quỹ tích gốc đi qua vị trí cực mong muốn cho một số giá trị của độ lợi Một trong những ưu điểm của việc bù hệ thống theo cách này là các cực bổ sung và các số không có thể được thêm vào ở cuối công suất thấp của hệ thống trước nhà máy Việc bổ sung các cực bù và các cực không cần thiết không ảnh hưởng đến yêu cầu sản lượng điện của hệ thống hoặc gây ra các vấn đề về tải hoặc thiết kế bổ sung Các cực bù và số không

có thể được tạo ra bằng mạng thụ động hoặc mạng tích cực

Một nhược điểm có thể có của việc bù đắp một hệ thống với các cực và số không vòng hở bổ sung là thứ tự hệ thống có thể tăng lên, có ảnh hưởng sau đó đến phản hồi mong muốn Trong Chương 4 và 8, chúng tôi đã thảo luận về ảnh hưởng của các cực và số không vòng kín bổ sung đối với phản ứng thoáng qua

Khi bắt đầu quá trình thiết kế được thảo luận trong chương này, chúng tôi xác định vị trí thích hợp của các cực và số không vòng hở bổ sung để mang lại kết quả mong muốn cực kín bậc hai Tuy nhiên, chúng tôi không biết vị trí của đơn đặt hàng cao hơn cực kín cho đến khi kết thúc thiết kế Vì vậy, chúng ta nên đánh giá phản hồi thông qua mô phỏng sau khi thiết kế hoàn tất

để đảm bảo các yêu cầu có đã được đáp ứng

Trong Chương 12, khi chúng ta thảo luận về thiết kế không gian trạng thái, nhược điểm của việc tìm kiếm vị trí của các cực vòng kín bậc cao hơn sau khi thiết kế sẽ bị loại bỏ Các kỹ thuật cho phép nhà thiết kế xác định và thiết kế vị trí của tất cả các cực vòng kín ở đầu quá trình thiết kế

Một phương pháp bù cho phản ứng nhất thời, sẽ được thảo luận ở phần sau, là chèn một bộ phân biệt trong đường chuyển tiếp song song với độ lợi Chúng ta có thể hình dung hoạt động của bộ phân biệt với ví dụ sau Giả sử điều khiển vị trí với đầu vào bước, chúng tôi lưu ý rằng lỗi trải qua một thay đổi lớn ban đầu Việc phân biệt sự thay đổi nhanh chóng này tạo ra một tín hiệu lớn thúc đẩy cây trồng

Sản lượng từ bộ phân biệt là nhiều lớn hơn sản lượng từ độ lợi thuần túy Đầu vào ban đầu lớn này cho nhà máy tạo ra phản ứng nhanh hơn Khi lỗi gần đến giá trị cuối cùng của nó, đạo hàm của nó tiến về 0 và sản lượng từ bộ phân biệt trở nên không đáng kể so với đầu ra từ hệ số khuếch đại

36

Cải thiện lỗi trạng thái ổn định

Bộ bù không chỉ được sử dụng để cải thiện phản ứng nhất thời của hệ thống; họ cũng được sử dụng độc lập để cải thiện các đặc tính lỗi ở trạng thái ổn định Trước đây, khi độ lợi hệ thống đã được điều chỉnh để đáp ứng thông số kỹ thuật đáp ứng nhất thời, lỗi trạng thái ổn định hiệu suất

bị giảm sút, vì cả phản hồi tạm thời và lỗi tĩnh không đổi có liên quan đến lợi nhuận Mức tăng càng cao, sai số trạng thái ổn định càng nhỏ, nhưng lớn hơn phần trăm vượt quá Mặt khác, giảm

độ lợi để giảm độ vọt lố tăng lỗi trạng thái ổn định Nếu chúng ta sử dụng bộ bù động, mạng bù

có thể được thiết kế để cho phép chúng tôi đáp ứng các thông số kỹ thuật lỗi tạm thời và trạng thái ổn định đồng thời 1 Chúng ta không còn cần phải thỏa hiệp giữa phản hồi nhất thời và lỗi trạng thái ổn định, miễn là hệ thống hoạt động trong phạm vi tuyến tính của nó

Trong Chương 7, chúng ta đã biết rằng lỗi trạng thái ổn định có thể được cải thiện bằng cách thêm một vòng lặp mở cực tại điểm gốc trong đường chuyển tiếp, do đó làm tăng loại hệ thống

và điều khiển lỗi trạng thái ổn định liên quan đến không Cực bổ sung này tại điểm gốc yêu cầu một bộ tích phân để nhận ra nó

Tóm lại, sau đó, phản ứng nhất thời được cải thiện với việc bổ sung sự khác biệt, và lỗi trạng thái ổn định được cải thiện với việc bổ sung tích hợp trong đường dẫn phía trước