207003 chapter 1

Giới thiệu Hệ thống điều khiển là một nhĩm các phần tử hay các hệ thống phụ trợ được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến

Chương 1 Các khái niệm và nguyên lý cơ bản

1 GIỚI THIỆU:

Vai trò của điều khiển

1.1 Giới thiệu

Hệ thống điều khiển là một nhĩm các phần tử (hay các hệ thống phụ trợ) 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 đĩ trong hê thống

Ví dụ: Lị sưởi sản sinh ra nhiệt lượng do quá trình đốt cháy nhiên liệu

Đối tượng điều khiển: Nhiệt độ  lượng nhiên liệu  Van nhiên liệu

Các phần tử bao gồm: Cơ cấu tác động cho các van nhiên liệu, cảm biến nhiệt độ (thermostats)

Hệ thống điều khiển đơn giản hình thành khi cĩ một giá trị ngõ ra (đáp ứng – response) ứng với một ngõ vào

b Đèn dầu tự châm dầu của Byzantium

Điều khiển áp suất:

a Năm 1681 Denis Papin đã phát minh ra van an toàn dùng để điều khiển áp suất hơi nước

Điều khiển tốc độ: Con quay của James Watt

- Năm 1874, Henry Bessemer nghiên cứu điều khiển ổn định di chuyển cabin của tàu thủy thông qua hệ thủy lực sử dụng cảm biến gyro Ngoài ra còn một số nghiên cứu khác giải quyết vấn đề duy trì góc bắn của đại bác trên tàu sử dụng con lắc đơn là cảm biến để cảm nhận sự dịch chuyển

Những phát triển của thế kỷ 20:

Đầu những năm 1900 hệ thống lái tàu tự động đã đạt được những tiến bộ đáng kể

- Năm 1922 công ty Sperry Gyroscope đã thiết kế hệ thống lái tàu tự động

có sử dụng các phần tử bù và thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển

- Năm 1874 Edward John Routh phát triển tiêu chuẩn ổn định cho hệ bậc

5

- Một nhà khoa học người Nga: Nicholas Minorsky đã phát triển lý thuyết của ông, ứng dụng vào vài toán lái tàu tự động theo phương pháp mà ngày nay chúng ta gọi là phương pháp Vi tích phân tỷ lệ (Proportional- Integral-Derivative - PID) Một phương pháp kinh điển nhưng rất hiệu quả

 C.B Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động

-Cuối những năm 1920 và đầu 1930, H W Bode và H Nyquist phát triển những phân tích về bộ khuếch đại hồi tiếp tại phòng thí nghiệm điện thọai của Bell Những đóng góp này giúp hình thành nên phương pháp phân tích tần số và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp sử dụng ngày nay

- Năm 1948 Walter R Evans, một nhà khoa học trong lĩnh vực công nghiệp hàng không đã phát triển phương pháp biểu đồ để vẽ ra các nghiệm của phương trình đặc tính trong hệ thống hồi tiếp có những thông

số thay đổi trong các khoảng giá trị nhất định Ngày nay phương pháp này được gọi là phương pháp quỹ đạo nghiệm số (root locus) Nghiên cứu này cùng với Bode và Nyquist là nền tảng cho lý thuyết phân tích hệ tuyến tính và lý thuyết thiết kế hệ thống

1.2 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt

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

1.2 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt

Hàm truyền đạt

- là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra được thể hiện bằng toán tử

Laplace, mối quan hệ đó gọi là hàm truyền

x(t) y(t)

TF 

1.3 Hệ thống điều khiển vòng hở

Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ

thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình

1.3 Hệ thống điều khiển vòng hở

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

Thí dụ: xét một hệ thống hở như sau:

Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V:

Velocity = 0.05 * 0.5 * 100 * 12 = 30 m/min

1.3 Hệ thống điều khiển vòng hở

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào

sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi

Ba thao tác chính của một hệ thống vòng kín

- 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

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

• 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

• 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

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

thành tín hiệu tác động

Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten

- Vị trí ban đầu: 00

- Vị trí mong muốn: 300 ( xd)

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

- Cảm biến góc: 10V / 3600 ( xa)

Tín hiệu điều khiển vc được 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

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

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)

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

- có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của

những cơ cấu tác động và quá trình tương

đối ổn định

- thường xuyên thực hiện quá trình cân

chỉnh hệ thống

- phức tạp và chi phí đầu tư cao

- có thể điểu khiển được giá trị thực tế

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

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

1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

1.5 Tuyến tính và phi tuyến

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

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

1.5 Tuyến tính và phi tuyến

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

tăng hay giảm

1.5 Tuyến tính và phi tuyến

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

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

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 emax

• Giảm thiểu thời gian xác lập to

• Giảm thiểu độ sai lệch dư ed

1.8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển

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 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

• 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

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

1.9 Đơn giản sơ đồ khối

Hàm truyền của hệ thống vòng hở:

Hàm truyền của hệ thống vòng kín:

1.10 Phân loại hệ thống điều khiển

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)

 Vị 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

 Môi trường công nghiệp

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

 quá trình liên tục

 quá trình gián đoạn

• chi tiết rời  hệ thống điều khiển chế tạo

 gia công - điều khiển số

 lắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy

 Các nhóm khác

• cơ cấu tùy động (servo mechanism)

• điều khiển trình tự

 theo sự kiện

 theo thời gian

• bộ điều khiển khả trình (programmable controller)

c Hệ thống liên tục: các ngõ vào/ ra và tín hiệu trung gian trong hệ thống

là tín hiệu liên tục Hệ thống này được mô tả bằng phương trình vi phân

d Hệ thống rời rạc: tồn tại một điểm trong hệ thống mà tín hiệu là rời rạc

Hệ thống được biểu diễn bằng phương trình sai phân

e Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO)

f Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO)

g Hệ thống bất biến theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân/sai phân mô tả hệ thống không đổi

h Hệ thống thay đổi theo thời gian hệ số của phương trình vi phân/sai phân mô tả hệ thống thay đổi theo thời gian

Bộ điều khiển số và tương tự

Bộ điều khiển số và tương tự

Bộ điều khiển tương tự

Bộ điều khiển số

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

- các tín hiệu được cập nhật liên tục

- 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

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

Individual local controllers

Direct computer control system

Distributed control system

Hệ thống điều khiển quá trình

Time-driven operation Event-driven operation

Hệ thống điều khiển trình tự

Cơ cấu tùy động (servo mechanism)

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)

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

khiển một loạt các nguyên công

Hệ thống điều khiển số

Hệ thống tay máy

Pick-and-place robot

Hệ thống tay máy

Industrial robot

Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm di chuyển những đối tượng khác nhau theo một trình tự chuyển

Hệ thống tay máy

Tế bào sản xuất

Là sự kết hợp giữa một nhóm các

máy công cụ và một nhóm các

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

Hệ thống điều khiển tốc độ

(bằng cơ khí)

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển tốc độ

(bằng điện)

Hệ thống điều khiển mực nước

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển