Lý thuyết điều khiển tự động hệ thống điều khiển hành trình

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.

Giảng viên môn học: TS Nguyễn Ngọc Linh

BÀI TẬP LỚN

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG

Hệ thống điều khiển hành trình

Mục lục

I Lý thuyết 1

I.1.Chương 1 1

I.1.1 Giới thiệu 1

I.1.2 Lịch sử của các hệ thống điều khiển 5

I.1.3 Cấu hình hệ thống 8

I.1.4 Mục tiêu Phân tích và Thiết kế 11

I.1.5 Quy trình thiết kế 18

I.1.6 Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính 24

I.1.7 Kỹ sư điều khiển hệ thống 25

I.2 Chương 9 29

I.2.1 Giới thiệu 29

I.2.2 Cải thiện lỗi trạng thái ổn định thông qua bộ bù xếp tầng 36

I.2.3 Cải thiện phản hồi thoáng qua thông qua bù xếp tầng 52

I.2.4 Cải thiện lỗi ở trạng thái ổn định và phản hồi tạm thời 75

I.2.5 Bù hồi tiếp 95

I.2.6 Thực hiện vật lý bù 109

II Thực hành 130

II.1.Giới thiệu chung 130

II.1.1.Giới thiệu chung 130

II.1.2.Xây dựng mô hình toán học của hệ thống 130

II.1.3.Khai báo mô hình hệ thống trên MATLAB – M-file 137

II.2.Khảo sát đặc tính của hệ thống 139

II.2.1 Khảo sát các đáp ứng của hệ thống 139

II.2.2.Xét tính ổn định của hệ thống 145

II.3.Xây dựng mô hình hệ thống trong simulink 147

II.3.1.Xây dựng mô hình hệ thống trong Simulink 148

II.3.2Phản hồi vòng lặp mở 152

II.3.3.Giải nén mô hình tuyến tính vào MATLAB 155

II.3.4.Quỹ tích vòng mở 156

II.3.5.Lead Controller 158

II.3.6.Selecting the gain (chọn độ lợi) 159

II.3.7.Lập biểu đồ phản hồi vòng kín 160

II.3.8.Xây dựng bộ bù chì ( building a Lead Compensator) 161

II.4 Xây dựng mô hình hệ thống trên Simscape 164

II.4.1.Thiết lập vật lý 164

II.4.2.Tạo nhóm khung và cấu hình cơ bản 165

II.4.3.Lắp ráp bánh răng 167

II.4.4.Thêm đòn bẩy 174

II.4.5.Thêm dầm 177

II.4.6.Thêm bóng 182

II.4.7.Triển khai bộ điều khiển 188

II.4.8 Triển khai bộ điều khiển trên Simcape 194

II.5 Thiết kế bộ điều khiển sử dụng quỹ đạo nghiệm số 197

II.7.Thiết kế bộ điều khiển trên miền tần số 215

II.7.1.Biểu đồ vòng mã mở 216

II.7.2.Bộ điều khiển dây pha 216

II.7.3.Thêm giai đoạn khác 219

II.8.Thiết kế bộ điều khiển trên không gian trạng thái 221

II.8.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI ĐẦY ĐỦ 221

II.8.2.ĐẦU VÀO THAM CHIẾU 225

II.9.Thiết kế bộ điều khiển PID kỹ thuật số 228

II.9.1.Giới thiệu về điều khiển kỹ thuật số 228

II.9.2.Bộ bù PID với xấp xỉ song tuyến 230

II.9.3.Bộ điều khiển PID kỹ thuật số 230

II.9.4.Chức năng hàm truyền rời rạc 230

II.9.5.Phản hồi vòng lặp mở 232

II.9.6.Kiểm soát tỷ lệ 233

II.9.7.Kiểm soát phát sinh tỷ lệ 234

II.10.Nhận xét và đánh giá 237

Kết luận 237

Đánh giá 238

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 trígóc 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 hoạtđộng của hệ thống kiểm soát cũng như xác định các tiêu chí hoạt động làm cơ sở cho việcphân tích và thiết kế hệ thống kiểm soát

I.1.1 Giới thiệu

Hệ thống kiểm soát là một phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại Nhiều ứng dụng ởxung quanh chúng ta: Tên lửa khai hỏa và tàu con thoi bay lên quỹ đạo trái đất; trong nướclàm mát bắn tung tóe, một bộ phận kim loại được gia công tự động; một chiếc xe tự hướngdẫn vận chuyển vật liệu đến các máy trạm trong một nhà máy lắp ráp hàng không vũ trụ lướtdọc theo sàn nhà để tìm kiếm điểm đến của nó Đây chỉ là một vài ví dụ về các hệ thống đượcđiều 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 hệthống 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 tanhìn theo một đối tượng chuyển động để giữ cho nó trong tầm nhìn; tay của chúng ta nắm lấyđối 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 đãđược đề xuất hiển thị kiểm soát tự động kết quả học tập của học sinh Đầu vào của mô hình làthời gian học hiện có của sinh viên và đầu ra là điểm Mô hình có thể được sử dụng để dựđoán thời gian cần thiết để tăng điểm nếu thời gian học tập tăng đột ngột Sử dụng mô hìnhnày, bạn có thể xác định xem việc học tập tăng lên có xứng đáng với nỗ lực trong tuần cuốicùng 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 nhằmmục đích thu được đầu ra mong muốn với hiệu suất mong muốn, với đầu vào xác định Hình1.1 hiển thị một hệ thống điều khiển ở dạng đơn giản nhất, trong đó đầu vào đại diện cho mộtđầu 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 vớitốc độ và độ chính xác của tầng được thiết kế để tạo sự thoải mái cho hành khách Việc nhấn

HÌNH 1.2 Phản hồi thang máyHai 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 phụthuộc 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 làmột đặc điểm kỹ thuật quan trọng khác vì sự an toàn và tiện lợi của hành khách sẽ bị hy sinhnếu thang máy không hạ đúng mức

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 nếukhông thì không thể Chúng ta có thể hướng các ăng-ten khổng lồ về phía xa nhất của vũ trụ đểthu tín hiệu vô tuyến yếu ớt; Điều khiển các ăng-ten này bằng tay sẽ là điều không thể Nhờ hệthống điều khiển, thang máy đưa chúng ta nhanh chóng đến đích, tự động dừng ở tầng bênphải (Hình 1.3) Một mình chúng tôi không thể cung cấp năng lượng cần thiết cho tải và tốcđộ; động cơ cung cấp năng lượng, và hệ thống điều khiển điều chỉnh vị trí và tốc độ

HÌNH 1.3 a 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;

b 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 điềuchỉnh 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

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

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 hìnhthức của đầu vào Ví dụ, trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, đầu vào là một vị trí trên bộ điềunhiệt 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 tôikiểm soát các biến như nhiệt độ trong hệ thống nhiệt, vị trí và vận tốc trong hệ thống cơ khí vàđiện áp, dòng điện hoặc tần số trong hệ thống điện Hệ thống phải có khả năng mang lại đầu rachính 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 xâmnhập vào bên trong, hệ thống phải có khả năng phát hiện nhiễu và điều chỉnh vị trí của ăng ten

Rõ ràng, đầu vào của hệ thống sẽ không thay đổi để thực hiện hiệu chỉnh Do đó, bản thân hệthống 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 đãđược xây dựng cho những cư dân đầu tiên trên hành tinh của chúng ta Bây giờ chúng ta hãy

Kiểm soát mức chất lỏng

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

Không lâu sau Ktesibios, ý tưởng về điều khiển mức chất lỏng đã được Philon củaByzantium áp dụng cho một ngọn đèn dầu Đèn gồm hai hộp đựng dầu được cấu tạo theochiều 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 vớinhau bằng hai ống mao dẫn và một ống khác, được gọi là ống nâng thẳng đứng, được đưa vàodầu trong chảo dưới ngay dưới bề mặt Khi dầu cháy, phần đế của ống nâng thẳng đứng tiếpxúc 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 dầutrước 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 phátminh ra van an toàn Khái niệm này đã được hoàn thiện thêm bằng cách tăng trọng lượng củađỉnh van Nếu áp suất đi lên từ lò hơi vượt quá trọng lượng, hơi nước sẽ được thoát ra và ápsuất giảm Nếu nó không vượt quá trọng lượng, van không mở và áp suất bên trong lò hơi tănglên 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 kiểmsoát 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 thấphơn làm phao hạ xuống, mở van điều tiết và tăng ngọn lửa

Kiểm soát tốc độ

Năm 1745, điều khiển tốc độ đã được Edmund Lee áp dụng cho một cối xay gió Gió ngày

Lý thuyết hệ thống điều khiển như chúng ta biết ngày nay bắt đầu kết tinh vào nửa sau củathế 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 mộtgợi 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 vềtính 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 baogồm những gì hiện được gọi là tiêu chí Routh – Hurwitz về sự ổn định, mà chúng ta sẽ nghiêncứu trong Chương 6 Aleksandr Mikhailovich Lyapunov cũng đóng góp vào việc phát triển vàhình thành các lý thuyết và thực hành ngày nay về tính ổn định của hệ thống điều khiển Mộtsinh viên của PL Chebyshev tại Đại học St.Petersburg ở Nga, Lyapunov đã mở rộng công trìnhcủa 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 trungvào việc lái và ổn định tàu Năm 1874, Henry Bessemer, sử dụng một con quay hồi chuyển đểcảm nhận chuyển động của con tàu và sử dụng năng lượng do hệ thống thủy lực của con tàutạo ra, đã di chuyển cần tàu để giữ cho nó ổn định (liệu điều này có tạo ra sự khác biệt đối vớinhững người bảo trợ hay không) Các nỗ lực khác đã được thực hiện để ổn định bệ đỡ chosúng 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 trungvào việc lái và ổn định tàu Năm 1874, Henry Bessemer, sử dụng một con quay hồi chuyển đểcảm nhận chuyển động của con tàu và sử dụng năng lượng do hệ thống thủy lực của con tàutạo ra, đã di chuyển cần tàu để giữ cho nó ổn định (liệu điều này có tạo ra sự khác biệt đối vớinhững người bảo trợ hay không) Các nỗ lực khác đã được thực hiện để ổn định bệ đỡ chosúng cũng như ổn định toàn bộ con tàu, sử dụng mặt dây chuyền để cảm nhận chuyển động

Sự phát triển của thế kỷ 2

Mãi đến đầu những năm 1900, hệ thống lái tự động của tàu mới đạt được Năm 1922, Công

ty Con quay hồi chuyển Sperry đã lắp đặt một hệ thống lái tự động sử dụng các yếu tố bù trừ

và điều khiển thích ứng để cải thiện hiệu suất Tuy nhiên, phần lớn lý thuyết chung được sửdụng ngày nay để cải thiện hiệu suất của các hệ thống điều khiển tự động là do NicholasMinorsky, một người Nga sinh năm 1885 cộng-tích phân-cộng-đạo hàm (PID), hoặc ba chế

độ, bộ điều khiển, mà chúng ta sẽ nghiên cứu trong Chương 9 và 11

Vào cuối những năm 1920 và đầu những năm 1930, HW Bode và H Nyquist tại Phòng thínghiệm Điện thoại Bell đã phát triển việc phân tích các bộ khuếch đại phản hồi Những đónggóp này đã phát triển thành các kỹ thuật thiết kế và phân tích tần số hình sin hiện đang được sửdụng cho hệ thống điều khiển phản hồi, và được trình bày trong Chương 10 và 11

Năm 1948, Walter R Evans, làm việc trong ngành công nghiệp máy bay, đã phát triểnmột kỹ thuật đồ họa để vẽ sơ đồ gốc của một phương trình đặc trưng của hệ thống phản hồi cócác tham số thay đổi trong một phạm vi giá trị cụ thể Kỹ thuật này, ngày nay được gọi là quỹ

tích gốc, ra đời cùng với công trình của Bode và Nyquist trong việc hình thành nền tảng của lýthuyết thiết kế và phân tích hệ thống điều khiển tuyến tính Chúng ta sẽ nghiên cứu quỹ tích

Ứng dụng đương đại

Ngày nay, các hệ thống điều khiển được ứng dụng rộng rãi trong việc dẫn đường, dẫnđường và điều khiển tên lửa và tàu vũ trụ, cũng như máy bay và tàu trên biển Ví dụ, các tàuhiện 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 đếnmột góc của bánh lái để lái tàu

Chúng tôi tìm thấy các hệ thống kiểm soát trong toàn ngành công nghiệp kiểm soát quátrình, điều chỉnh mức chất lỏng trong bồn chứa, nồng độ hóa chất trong thùng, cũng như độdày 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 độdày thực tế và so sánh nó với độ dày mong muốn Bất kỳ sự khác biệt nào đều được điều chỉnhbằng bộ điều khiển vị trí vít xuống làm thay đổi khe hở cuộn tại các con lăn mà thép đi qua Sựthay 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 mộtphần của hệ thống điều khiển Ví dụ, máy tính trong hệ thống điều khiển dành cho rô bốt côngnghiệp, tàu vũ trụ và công nghiệp điều khiển quá trình Thật khó để hình dung một hệ thốngđiều khiển hiện đại không sử dụng máy tính kỹ thuật số

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 trêntàu trên cơ sở chia sẻ thời gian Nếu không có hệ thống điều khiển, sẽ không thể hướng dẫn tàucon 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 từphần cứng của tàu con thoi để ước tính vị trí và vận tốc của phương tiện Thông tin này đượccung cấp cho các phương trình hướng dẫn tính toán các lệnh cho hệ thống điều khiển bay củatàu con thoi, hệ thống điều khiển tàu vũ trụ Trong không gian, hệ thống điều khiển bay đưa

phản ứng (RCS) ban đầu được sử dụng trong khí quyển, nơi các bề mặt aero-surf không hiệuquả.

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 dụngcác 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 gửitín hiệu đến hệ thống điều khiển để bật hoặc tắt máy sưởi nhằm giữ cho áp suất trong bồnkhông đổi (Rockwell International,1984)

Hệ thống điều khiển không giới hạn trong lĩnh vực khoa học và công nghiệp Ví dụ, hệthống sưởi ấm gia đình là một hệ thống điều khiển đơn giản bao gồm một bộ điều nhiệt cóchứa vật liệu lưỡng kim có thể giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ thay đổi Sự giãn nở hoặc co lạinày làm di chuyển một lọ thủy ngân hoạt động như một công tắc, bật hoặc tắt lò sưởi Lượnggiãn nở hoặc co lại cần thiết để di chuyển công tắc thủy ngân được xác định bởi cài đặt nhiệtđộ

Hệ thống giải trí gia đình cũng được tích hợp hệ thống điều khiển Ví dụ, trong hệ thốngghi đĩa quang, các lỗ cực nhỏ thể hiện thông tin được ghi vào đĩa bằng tia laser trong quá trìnhghi 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

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

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 vàvòng kín Chúng ta có thể coi các cấu hình này là kiến trúc bên trong của hệ thống tổng thểđược thể hiện trong Hình 1.1 Cuối cùng, chúng tôi chỉ ra cách một máy tính kỹ thuật số tạothành 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 hệthống con được gọi là một bộ chuyển đổi đầu vào, chuyển đổi dạng của đầu vào thành dạngđược 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 xáotrộn, được hiển thị được thêm vào bộ điều khiển và kết quả quá trình thông qua tổng kết cácđiểm giao nhau, mang lại tổng đại số của các tín hiệu đầu vào của chúng bằng cách sử dụngcác 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 lànhiệt 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 thêmvào tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển (Nhiễu 1 trong Hình 1.5(Một)) Ví dụ: nếu bộ điềukhiển là bộ khuếch đại điện tử và Độ nhiễu 1 là tiếng ồn, thì bất kỳ tiếng ồn bộ khuếch đại phụgia nào tại điểm nối tổng đầu tiên cũng sẽ thúc đẩy quá trình, làm hỏng đầu ra do ảnh hưởngcủa tiếng ồn Đầu ra của hệ thống vòng hở không chỉ bị hỏng bởi các tín hiệu bổ sung vào lệnhcủa bộ điều khiển mà còn do nhiễu ở đầu ra (Loạn 2 Hình 1.5(Một)) Hệ thống cũng không thểkhắc phục những sự cố này

HÌNH 1.5 Các sơ đồ khối của hệ thống điều khiển: a hệ thống vòng hở; NS hệ thống vòng kín

Do đó, các hệ thống vòng lặp mở không sửa lỗi cho nhiễu và chỉ đơn giản được chỉ huy bởiđầu vào Ví dụ, máy nướng bánh mì là hệ thống vòng lặp mở, vì bất kỳ ai có bánh mì nướngcháy đều có thể chứng thực Biến được kiểm soát (đầu ra) của máy nướng bánh mì là màu củabánh mì nướng Thiết bị được thiết kế với giả định rằng bánh mì nướng sẽ sẫm màu hơn khi nóchịu nhiệt lâu hơn Máy nướng bánh mì không đo được màu sắc của bánh mì nướng; nó khôngđúng với thực tế là bánh mì nướng là lúa mạch đen, trắng, hoặc bột chua, cũng không đúng với

trộn và thêm thời gian học vào đó đã tính toán trước đó Kết quả của sự giám sát này sẽ là mộtđiểm 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 khảnăng khắc phục các nhiễu này, có thể được khắc phục trong hệ thống vòng kín Kiến trúcchung 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 điềukhiển Một bộ chuyển đổi đầu ra, hoặc cảm biến, đo phản ứng đầu ra và chuyển đổi nó thànhdạng được sử dụng bởi bộ điều khiển Ví dụ: nếu bộ điều khiển sử dụng tín hiệu điện để vậnhành van của hệ thống điều khiển nhiệt độ, vị trí đầu vào và nhiệt độ đầu ra được chuyển đổithành 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, tínhiệu này đến qua đường phản hồi, đường trả về từ đầu ra đến đường giao nhau tổng TrongHình 1.5(b), tín hiệu đầu ra bị trừ khỏi tín hiệu đầu vào Kết quả thường được gọi là tín hiệukích 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 lệchthực 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 đóthông 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 tínhiệu kích hoạt, để thực hiện hiệu chỉnh Nếu không có sự khác biệt, hệ thống không điều khiểnnhà 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 ứngthoáng qua và lỗi trạng thái ổn định có thể được kiểm soát thuận tiện hơn và linh hoạt hơntrong các hệ thống vòng kín, thường bằng cách điều chỉnh đơn giản độ lợi (khuếch đại) trongvòng 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 kínphức 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 nóphải 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 thấpcủa 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 hệthống vòng kín, hay hệ thống điều khiển phản hồi Hệ thống không có tính chất đo lường vàhiệu 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 Ưuđiểm của việc sử dụng máy tính là nhiều vòng lặp có thể được điều khiển hoặc bù trừ bởi cùngmột 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 đổitrong phần mềm chứ không phải phần cứng Máy tính cũng có thể thực hiện các chức nănggiám sát, chẳng hạn như lập lịch cho nhiều ứng dụng cần thiết Ví dụ, bộ điều khiển động cơchính của tàu con thoi (SSME), chứa hai máy tính kỹ thuật số, một mình điều khiển nhiềuchức năng của động cơ Nó giám sát các cảm biến động cơ cung cấp áp suất, nhiệt độ, tốc độdòng chảy, tốc độ phản lực cánh quạt, vị trí van và vị trí bộ truyền động van servo động cơ Bộđiều khiển cung cấp thêm khả năng kiểm soát vòng kín của lực đẩy và tỷ lệ hỗn hợp khíđẩy,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, chúngtôi mở rộng chủ đề về hiệu suất và đặt nó vào quan điểm khi chúng tôi xác định các mục tiêuphân 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 hồinhất thời và lỗi trạng thái ổn định của nó để xác định xem chúng có đáp ứng các thông số kỹthuật mong muốn hay không Thiết kế là quá trình mà hiệu suất của hệ thống được tạo ra hoặcthay đổi Ví dụ: nếu phản hồi tạm thời và lỗi trạng thái ổn định của hệ thống được phân tích vàphát hiện thấy không đáp ứng các thông số kỹ thuật, thì chúng tôi sẽ thay đổi các thông sốhoặc 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 nhấtthời trước khi đạt được phản hồi ở trạng thái ổn định thường giống với đầu vào Chúng tôi đã

nhất thời cũng rất quan trọng vì lý do cấu trúc: Phản ứng nhất thời quá nhanh có thể gây rathiệt hại vĩnh viễn về thể chất Trong máy tính, phản hồi tạm thời góp phần vào thời gian cầnthiết để đọc hoặc ghi vào ổ lưu trữ của máy tính (xem Hình 1.6) Vì việc đọc và viết không thểdiễn ra cho đến khi đầu dừng lại, tốc độ của chuyển động của đầu đọc / ghi từ rãnh này sangrãnh khác ảnh hưởng đến tốc độ tổng thể của máy tính.

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 thoángqua mong muốn mục tiêu phân tích và thiết kế đầu tiên của chúng tôi

ra và đầu đọc / ghi không được đặt trên đường dẫn có lệnh dẫn đến lỗi máy tính Một ăng-tentheo 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 lỗitrạng 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 thốngkhông có sự ổn định Để giải thích sự ổn định, chúng tôi bắt đầu từ thực tế là tổng phản ứngcủa một hệ thống là tổng của phản ứng tự nhiên và phản ứng bắt buộc Khi bạn nghiên cứu

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

Total response = Natural response + Forced response

Để một hệ thống điều khiển trở nên hữu ích, phản hồi tự nhiên cuối cùng phải (1) gần bằngkhông, do đó chỉ để lại phản hồi cưỡng bức, hoặc (2) dao động Tuy nhiên, trong một số hệthống, phản ứng tự nhiên phát triển mà không bị ràng buộc thay vì giảm xuống 0 hoặc daođộng Cuối cùng, phản ứng tự nhiên lớn hơn nhiều so với phản ứng cưỡng bức mà hệ thốngkhông còn được kiểm soát Điều kiện này, được gọi là không ổn định, có thể dẫn đến việc tựphá hủy thiết bị vật lý nếu các điểm dừng giới hạn không phải là một phần của thiết kế Ví dụ,thang máy sẽ đâm xuyên qua sàn nhà hoặc thoát ra qua trần nhà; một chiếc máy bay sẽ đi vàomột cuộn không kiểm soát được; hoặc một ăng-ten được lệnh chỉ vào mục tiêu sẽ quay, thẳnghàng với mục tiêu, nhưng sau đó bắt đầu dao động về mục tiêu với các dao động ngày càngtăng và vận tốc tăng dần cho đến khi động cơ hoặc bộ khuếch đại đạt đến giới hạn đầu ra củachúng hoặc cho đến khi ăng-ten bị hư hỏng về cấu trúc Biểu đồ thời gian của một hệ thốngkhông 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 phảigiảm dần về 0 khi thời gian tiến gần đến vô cùng, hoặc dao động Trong nhiều hệ thống, phảnhồi nhất thời mà bạn thấy trên biểu đồ phản hồi thời gian có thể liên quan trực tiếp đến phảnứng 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 ổnđịnh 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 chọnphần cứng, chẳng hạn như kích thước động cơ để đáp ứng các yêu cầu về nguồn điện và lựa

đổi theo thời gian khi hệ thống thực được xây dựng Như vậy, hiệu suất của hệ thống cũngthay 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 Trongmột số trường hợp, ngay cả trong cùng một hệ thống, những thay đổi về giá trị tham số có thểdẫn đến những thay đổi nhỏ hoặc lớn về hiệu suất, tùy thuộc vào điểm hoạt động danh nghĩacủa 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, kháiniệm 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 đượcchúng? Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một ví dụ về hệ thống điều khiển phản hồi Hệthống được giới thiệu ở đây sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo như một nghiên cứuđiển hình đang chạy để chứng minh các mục tiêu của các chương đó Nền màu như thế này sẽxác định phần nghiên cứu điển hình ở cuối mỗi chương.Phần 1.5, theo sau nghiên cứu điểnhình 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 Hệthống 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 thốngkiểm soát vị trí Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét chi tiết hệ thống điều khiển vị trí gócphương 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 đổitrong hiệu suất của nó Cuộc thảo luận ở đây sẽ ở mức độ định tính, với mục tiêu là có đượccảm giác trực quan về các hệ thống mà chúng ta sẽ xử lý

HÌNH 1.7 Việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất đang được thực hiện với ăng-ten radio như hình ở đây Ăng ten vô tuyến là một ví dụ về hệ thống có các điều khiển vị trí.

Hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng-ten được hiển thị trong Hình 1.8(a), với bốcục và sơ đồ chi tiết hơn trong Hình 1.8(ban nhạc 1,8(c), tương ứng Hình 1.8(d) cho thấy một

sơ đồ khối chức năng của hệ thống Các chức năng được hiển thị phía trên các khối và phầncứng cần thiết được chỉ ra bên trong các khối Các bộ phận của Hình 1.8 được lặp lại trongPhụ lục A2 để tham khảo trong tương lai

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

thống này Lệnh đầu vào là một phép dời hình Chiết áp biến đổi độ dời góc thành điện áp.Tương tự, sự dịch chuyển góc đầu ra được biến đổi thành điện áp bởi chiết áp trong đườngphản hồi Bộ khuếch đại tín hiệu và công suất tăng cường sự khác biệt giữa điện áp đầu vào vàđầu 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 vớinhau, sai số sẽ bằng không và động cơ sẽ không quay Do đó, động cơ chỉ được điều khiển khiđầu ra và đầu vào không khớp Sự khác biệt giữa đầu vào và đầu ra càng lớn thì điện áp đầuvào 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 vềkhông, tức là khi đầu ra khớp với đầu vào Tuy nhiên, sự khác biệt trong phản hồi sẽ nằm ởthời gian chuyển tiếp Vì động cơ được điều khiển mạnh hơn, nó quay nhanh hơn về vị trí cuốicùng của nó Ngoài ra, do tốc độ tăng, động lượng tăng có thể làm cho động cơ vượt quá giá trịcuối cùng và bị hệ thống buộc quay trở lại vị trí đã chỉ định Do đó, khả năng tồn tại đối vớimột 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

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 vàochặt 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 khiquá độ đã biến mất một cách hiệu quả Định nghĩa này phù hợp như nhau đối với bước, đoạnđường nối và các loại đầu vào khác Thông thường, sai số trạng thái ổn định giảm khi tăng độlợi 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 hệthống, lỗi trạng thái ổn định sẽ không phải là số không; đối với các hệ thống này, việc điềuchỉnh độ lợi đơn giản để điều chỉnh phản ứng nhất thời hoặc không hiệu quả hoặc dẫn đến sựđánh đổi giữa phản ứng thoáng qua mong muốn và độ chính xác ở trạng thái ổn định mongmuốn

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 ứngnhất thời cần thiết và độ chính xác ở trạng thái ổn định cần thiết mà không cần đánh đổi bằngmột cài đặt đơn giản của độ lợi Tuy nhiên, bộ điều khiển bây giờ phức tạp hơn Bộ lọc trongtrường hợp này được gọi là bộ bù Nhiều hệ thống cũng sử dụng các phần tử động trong đườngphản hồi cùng với bộ chuyển đổi đầu ra để cải thiện hiệu suất hệ thống Bản trình bàyPowerPoint hoạt ảnh (PPT) trình bày hệ thống này có sẵn cho người hướng dẫn Xem Ăng-ten(Ch 1)

Tóm lại, do đó, các mục tiêu thiết kế của chúng tôi và hiệu suất của hệ thống xoay quanhphản ứng nhất thời, lỗi ở trạng thái ổn định và tính ổn định Điều chỉnh tăng có thể ảnh hưởngđến hiệu suất và đôi khi dẫn đến sự cân bằng giữa các tiêu chí hiệu suất Bộ bù thường có thểđược thiết kế để đạt được các thông số kỹ thuật về hiệu suất mà không cần phải đánh đổi Bâygiờ chúng tôi đã nêu các mục tiêu của mình và một số phương pháp có sẵn để đáp ứng các mụctiêu đó, chúng tôi mô tả tiến trình có thứ tự dẫn chúng tôi đến thiết kế hệ thống cuối

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 điềukhiển 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 thảoluận

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 diệncho các hệ thống điều khiển phải được phân tích và thiết kế Vốn có trong Hình 1.10là phảnhồi và giao tiếp trong mỗi giai đoạn Ví dụ, nếu thử nghiệm (Bước 6) cho thấy rằng các yêucầu chưa được đáp ứng, hệ thống phải được thiết kế lại và thử nghiệm lại Đôi khi các yêu cầumâu thuẫn và không thể đạt được thiết kế Trong những trường hợp này, các yêu cầu phải đượcxác định tương ứng và quá trình thiết kế được lặp lại Bây giờ chúng ta hãy trình bày chi tiết vềtừng 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 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 Sửdụng 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 dụnhư 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) vàcho thấy sự liên kết giữa chúng Hình 1.8 (d) là một ví dụ về sơ đồ khối chức năng đối với hệthống điều khiển vị trí góc phương vị ăng ten Nó chỉ ra các chức năng như đầu vào bộ chuyểnđổi 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 nhưđược 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 hệthống vật lý thành một sơ đồ Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển có thể bắt đầu bằng mô tả

Khi chúng tôi vẽ chiết áp, chúng tôi đưa ra giả định đơn giản hóa đầu tiên bằng cách bỏqua 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 họcnày 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 tôigiả 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 củađộng cơ tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào mạch phần ứng của động cơ Cả điện cảm và cảmkháng 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 điệnmột chiều

Người thiết kế đưa ra các giả định sâu hơn về tải trọng Tải trọng bao gồm một khốilượng 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 cửalưới

Các quyết định được đưa ra trong việc phát triển giản đồ bắt nguồn từ kiến thức về hệthống 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 luậtKirchhoff cho mạng điện và định luật Newton cho hệ thống cơ học, cùng với việc đơn giảnhóa các giả thiết, để mô hình hóa hệ thống Những luật này là

không

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 đãquen thuộc với các phương trình vi phân Các vấn đề và một thư mục được cung cấp ở cuốichương 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 toánhọc thường dẫn đến dạng Eq bậc thấp (1.2) Nếu không có các giả định, mô hình hệ thống cóthể có bậc cao hoặc được mô tả bằng các phương trình vi phân phi tuyến, biến thiên theo thờigian hoặc từng phần Những phương trình này làm phức tạp quá trình thiết kế và làm giảm sựhiểu biết của nhà thiết kế Tất nhiên, tất cả các giả định phải được kiểm tra và tất cả các đơngiản hóa được biện minh thông qua phân tích hoặc thử nghiệm Nếu các giả định về đơn giảnhóa không thể được biện minh, thì mô hình không thể được đơn giản hóa Chúng tôi xem xétmột 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 Chúngtôi sẽ có thể thay đổi các thông số hệ thống và nhanh chóng cảm nhận được ảnh hưởng củanhững thay đổi này đối với phản ứng của hệ thống Hàm truyền cũng hữu ích trong việc môhình hóa sự liên kết giữa các hệ thống con bằng cách tạo thành một sơ đồ khối tương tự nhưHình 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 phươngpháp không gian trạng thái là chúng cũng có thể được sử dụng cho các hệ thống không thểđược mô tả bằng phương trình vi phân tuyến tính Hơn nữa, các phương pháp không gian trạngthái được sử dụng để mô hình hóa các hệ thống để mô phỏng trên máy tính kỹ thuật số Về cơbản, biểu diễn này biến một thứ tự thứ n phương trình vi phân thành n phương trình vi phâncấp một đồng thời Hãy để mô tả này là đủ cho bây giờ; chúng tôi mô tả cách tiếp cận này chi

nhiều tín hiệu, chẳng hạn như điện áp tỷ lệ và lỗi, là bên trong hệ thống Ngoài ra còn có haitín hiệu đầu vào góc và đầu ra góc bên ngoài hệ thống Để đánh giá phản ứng của hệ thốngtrong ví dụ này, chúng ta cần giảm sơ đồ khối của hệ thống lớn này thành một khối duy nhấtvới 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

Giai đoạn tiếp theo của quy trình, sau khi giảm sơ đồ khối, là phân tích và thiết kế Nếubạn 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 hệthống để xem liệu các thông số kỹ thuật đáp ứng và các yêu cầu về hiệu suất có thể được đápứng bằng các điều chỉnh đơn giản của các thông số hệ thống hay không Nếu không thể đápứng các thông số kỹ thuật, thì nhà thiết kế sẽ thiết kế phần cứng bổ sung để tạo ra hiệu suấtmong muốn

Các tín hiệu đầu vào thử nghiệm được sử dụng, cả về mặt phân tích và trong quá trìnhthử nghiệm, để xác minh thiết kế Nó là không nhất thiết phải thực tế và cũng không cần phảichiếu 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

Bậc

thang

lỗi trạng thái ổn định

Dốc t)u(t)t)) t)u(t)t))=t) for t)≥0=0 else

mà người thiết kế có thể lấy ra một mô hình toán học của hệ thống Đầu vào bước biểu thị mộtlệnh 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 hệthống là vị trí, cũng như đối với hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng ten,bước đầu vàođại diện cho một vị trí mong muốn và đầu ra đại diện cho vị trí thực tế Nếu như đầu ra của hệthống là vận tốc, cũng như tốc độ trục chính của đầu phát đĩa video, đầu vào bước đại diện chotốc 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 phảnhồi có thể nhìn thấy rõ ràng và có thể được đánh giá.Đầu vào đoạn đường nối đại diện cho mộtlệnh tăng tuyến tính Ví dụ, nếu hệ thống của đầu ra là vị trí, đường nối đầu vào biểu thị vị trítăng tuyến tính, chẳng hạn như được tìm thấy khi theo dõi một vệ tinh di chuyển trên bầu trờivới tốc độ không đổi Nếu hệ thống của đầu ra là vận tốc, đoạn đường nối đầu vào đại diện chovận tốc tăng tuyến tính Phản ứng với tín hiệu kiểm tra đoạn đường nối đầu vào cung cấpthông 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

thành phần hoặc tham số hệ thống Những biến thể này có thể do nhiệt độ, áp suất, hoặc cácthay đổi môi trường khác Hệ thống phải được xây dựng sao cho biến động không làm suygiảm hiệu suất vượt quá giới hạn quy định Phân tích độ nhạy có thể mang lại tỷ lệ phần trămthay 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 thiểutrong 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 điềukhiển 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 làphương trình vi phân, các phương pháp khác, chẳng hạn như hàm truyền và không gian trạngthái, sẽ được sử dụng Ưu điểm của các kỹ thuật mới này so với vi sai các phương trình sẽ trởnên rõ ràng khi chúng ta thảo luận về chúng trong các chương sau

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 vềviệc sử dụng máy tính như một công cụ tính toán trong trình tự này Máy tính đóng một vai tròquan trọng trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển hiện đại Trong quá khứ, thiết kế hệthống điều khiển là lao động căng Nhiều công cụ chúng ta sử dụng ngày nay được thực hiệnthông 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 đóđược 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 chúngmang 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

Máy tính là một phần không thể thiếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại, vànhiều các công cụ tính toán có sẵn để bạn sử dụng Trong cuốn sách này, chúng tôi sử dụngMATLAB 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 MATLABcung cấp cho đã thêm chức năng vào MATLAB và Hộp công cụ Hệ thống Điều khiển Baogồm (1) Simulink, sử dụng giao diện người dùng đồ họa (GUI); (2) Máy phân tích hệ thốngtuyến tính, cho phép các phép đo được thực hiện trực tiếp từ đáp ứng thời gian và tần số cácđường cong; (3) Trình thiết kế Hệ thống Điều khiển, một phân tích và thiết kế thuận tiện vàtrực 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 cảitiến 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 hệthống điều khiển Bạn được khuyến khích giải quyết vấn đề trước bằng tay và sau đó bằngMATLAB để không bị mất thông tin chi tiết thông qua việc sử dụng cơ giới hóa các chươngtrình 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 quaquyển sách, Tài liệu tham khảo MATLAB hướng bạn đến chương trình thích hợp trong phụlục thích hợp và cho bạn biết những gì bạn sẽ học Các vấn đề cuối chương được chọn và cácThách 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 MATLABđược 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 tôikhông đề cập đến chúng trong cuốn sách này Ngoài ra, có nhiều lệnh khác trong MATLAB vàcác hộp công cụ MATLAB hơn được đề cập trong phần phụ lục Hãy khám phá các thư mục ởcuối phụ lục hiện hành để tìm hiểu thêm về MATLAB quản lý tệp và hướng dẫn MATLAB

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

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 trongviệc xác định hoặc thực hiện các yêu cầu hệ thống tổng thể Các yêu cầu này bao gồm tổngthông số kỹ thuật về hiệu suất của hệ thống, các chức năng của hệ thống con và sự kết nối vớinhau của các chức năng này, bao gồm các yêu cầu về giao diện, phần cứng và thiết kế phầnmềm 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 mềmsựphát triển Tuy nhiên, là một kỹ sư hệ thống điều khiển, bạn có thể thấy mình đang làm việctrong một đấu trường rộng lớn và tương tác với những người từ nhiều ngành kỹ thuật và khoahọc Ví dụ: nếu bạn đang làm việc trên một hệ thống sinh học, bạn sẽ cần phải tương tác vớicác 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 thốngđiều 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 cảmbiến và động cơ như cũng như các mạch điện tử, khí nén và thủy lực.Tàu con thoi cung cấpmột 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 cắtqua 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 điềukhiển, 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 cónhững 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 từtrên 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 làmức độ toán học ban đầu cần thiết cho phương pháp tiếp cận hệ thống Ví dụ, kiểm soát lýthuyết hệ thống, đòi hỏi phương trình vi phân, không thể được giảng dạy như một khóa họcchia nhỏ hơn Tuy nhiên, trong khi tiến bộ qua các khóa học thiết kế từ dưới lên, rất khó đểthấy cách thiết kế như vậy phù hợp một cách hợp lý với bức tranh lớn của sản phẩm chu kỳphát triển

Sau khi hoàn thành khóa học về hệ thống điều khiển này, bạn sẽ có thể đứng lại và xemcách các nghiên cứu trước đây của bạn phù hợp với bức tranh lớn Khóa học bộ khuếch đạihoặc khóa học rung động của bạn sẽ mang ý nghĩa mới khi bạn bắt đầu thấy vai trò của côngviệc thiết kế như một phần của sản phẩm sự phát triển Ví dụ: với tư cách là kỹ sư, chúng tôimuốn mô tả thế giới vật chất về mặt toán học để chúng ta có thể tạo ra các hệ thống có lợi chonhân loại Bạn sẽ thấy rằng bạn đã thực sự có được, thông qua các khóa học trước đây, khảnăng lập mô hình vật lý hệ thống toán học, mặc dù tại thời điểm đó, bạn có thể không hiểu vịtrí trong chu kỳ phát triển sản phẩm phù hợp với mô hình Khóa học này sẽ làm rõ các phântích và quy trình thiết kế và cho bạn thấy kiến thức bạn thu được phù hợp với bức tranh tổngthể 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 ngônngữ chung và phát triển sự đánh giá cao và kiến thức làm việc của người kia Bạn sẽ thấy rằngthực sự không có nhiều sự khác biệt giữa các chi nhánh của kỹ thuật theo các mục tiêu và ứngdụng có liên quan Khi bạn nghiên cứu kiểm soát hệ thống, bạn sẽ thấy điểm chung này

Tổng kết

Hệ thống kiểm soát đóng góp vào mọi khía cạnh của xã hội hiện đại Trong nhà của chúngtôi, chúng tôi thấy họ ở mọi thứ từ lò nướng bánh mì đến hệ thống sưởi ấm cho đến đầu đĩaDVD Hệ thống điều khiển cũng có ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp, từ láitàu và máy bay đến hướng dẫn tên lửa Hệ thống kiểm soát cũng tồn tại một cách tự nhiên; cơthể của chúng ta chứa nhiều sự kiểm soát các hệ thống Ngay cả các đại diện hệ thống kinh tế

và tâm lý đã được đề xuất dựa trên lý thuyết hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển được sử

2 Giảm lỗi ở trạng thái ổn định

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 ứngnhất thời rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến tốc độ của hệ thống và ảnh hưởng đếnsự kiênnhẫn 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 chỉnhmức 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 ổnđịnh

Trong chương tiếp theo, chúng ta tiếp tục thông qua trình tự phân tích và thiết kế và tìmhiểu 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 quáttên 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?

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 phảnứng 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

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 Phụlục A3, bạn sẽ có thể thiết kế bộ bù tầng hoặc bộ bù phản hồi để đáp ứng các thông số kỹ thuậtphản 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 tưởngchung 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 thôngtin 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 phảnứng khác nhau Đặt độ lợi ở một giá trị cụ thể sẽ tạo ra phản ứng nhất thời được chỉ định bởicác cực tại điểm đó trên quỹ tích gốc Do đó, chúng tôi bị giới hạn đối với những phản hồi tồntại 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 vàthời gian ổn định, được biểu thị bằng điểm B Thật không may, trên quỹ tích gốc hiện tại ởmức độ vọt lố phần trăm được chỉ định, chúng ta chỉ có thể có được thời gian giải quyết đượcbiểu thị bằng điểm A sau một độ lợi đơn giản sự điều chỉnh Vì vậy, mục tiêu của chúng tôi làtăng tốc độ phản hồi tại A so với phản ứng của B, mà không ảnh hưởng đến phần trăm vượtquá Việc tăng tốc độ này không thể thực hiện được bằng một điều chỉnh độ lợi đơn giản, vìđiểm B không nằm trên quỹ tích gốc

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

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 đápứng, 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 chomột số giá trị của độ lợi Một trong những ưu điểm của việc bù hệ thống theo cách này là cáccực bổ sung và các số không có thể được thêm vào ở cuối công suất thấp của hệ thống trướcnhà máy Việc bổ sung các cực bù và các cực không cần thiết không ảnh hưởng đến yêu cầusản 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 tríthích hợp của các cực và số không vòng hở bổ sung để mang lại kết quả mong muốn cực kínbậc hai Tuy nhiên, chúng tôi không biết vị trí của đơn đặt hàng cao hơn cực kín cho đến khikết thúc thiết kế Vì vậy, chúng ta nên đánh giá phản hồi thông qua mô phỏng sau khi thiết kếhoàn 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 điểmcủa việc tìm kiếm vị trí của các cực vòng kín bậc cao hơn sau khi thiết kế sẽ bị loại bỏ Các kỹthuật cho phép nhà thiết kế xác định và thiết kế vị trí của tất cả các cực vòng kín ở đầu quátrình thiết kế

Một phương pháp bù cho phản ứng nhất thời, sẽ được thảo luận ở phần sau, là chèn một bộphân biệt trong đường chuyển tiếp song song với độ lợi Chúng ta có thể hình dung hoạt độngcủa bộ phân biệt với ví dụ sau Giả sử điều khiển vị trí với đầu vào bước, chúng tôi lưu ý rằnglỗi trải qua một thay đổi lớn ban đầu Việc phân biệt sự thay đổi nhanh chóng này tạo ra mộttín 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 lớnnày cho nhà máy tạo ra phản ứng nhanh hơn Khi lỗi gần đến giá trị cuối cùng của nó, đạo hàmcủa nó tiến về 0 và sản lượng từ bộ phân biệt trở nên không đáng kể so với đầu ra từ hệ sốkhuếch đại

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 hệthống đã được điều chỉnh để đáp ứng thông số kỹ thuật đáp ứng nhất thời, lỗi trạng thái ổnđịnh hiệu suất bị giảm sút, vì cả phản hồi tạm thời và lỗi tĩnh không đổi có liên quan đến lợinhuận 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 thuậtlỗi tạm thời và trạng thái ổn định đồng thời 1 Chúng ta không còn cần phải thỏa hiệp giữaphản hồi nhất thời và lỗi trạng thái ổn định, miễn là hệ thống hoạt động trong phạm vi tuyếntính của nó

Trong Chương 7, chúng ta đã biết rằng lỗi trạng thái ổn định có thể được cải thiện bằngcách thêm một vòng lặp mở cực tại điểm gốc trong đường chuyển tiếp, do đó làm tăng loại hệthống và điều khiển lỗi trạng thái ổn định liên quan đến không Cực bổ sung này tại điểm gốcyêu 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 trạngthái ổn định được cải thiện với việc bổ sung tích hợp trong đường dẫn phía trước

Cấu hình

Hai cấu hình của bù được đề cập trong chương này: bù theo tầng và bồi thường phản hồi.Các phương pháp này được mô hình hóa trong Hình 9.2 Với thác bù, mạng bù, G1 (các), đượcđặt ở cuối công suất thấp của con đường chuyển tiếp theo tầng với nhà máy Nếu sử dụng phần

bù phản hồi, phần bù, H1 (các), được đặt trong đường phản hồi Cả hai phương pháp đều thayđổi các cực và số không của vòng lặp mở, từ đó tạo quỹ tích gốc mới đi qua vị trí cực vòng kínmong muốn

HÌNH 9.2 Các kỹ thuật bù: a Liên tục; b.Trả về

Phần bù

Bộ bù sử dụng tích hợp thuần túy để cải thiện lỗi trạng thái ổn định hoặc tinh khiết sự khác biệt để cải thiện đáp ứng thoáng qua được định nghĩa là bộ bù lý tưởng Lý tưởng bộ bù phải được thực hiện với mạng hoạt động, trong trường hợp điện mạng, yêu cầu sử dụng bộ khuếch đại hoạt động và các nguồn điện bổ sung có thể có Một lợi thế của bộ bù tích phân lý tưởng là sai số trạng thái ổn định được giảm xuống bằng không Các bộ bù lý tưởng điện cơ, chẳng hạn như máy đo tốc độ, thường được sử dụng để cải thiện phản ứng nhất thời, vì chúng có thể đượcgiao tiếp thuận tiện với nhà máy

Các kỹ thuật thiết kế khác ngăn cản việc sử dụng các thiết bị tích cực để bù đắp có thể connuôi Các bộ bù này, có thể được thực hiện với các phần tử thụ động như điện trở và tụ điện,không sử dụng tích hợp và phân biệt thuần túy và không phải là lý tưởng máy bù Ưu điểm củamạng thụ động là chúng ít tốn kém hơn và không yêu cầu nguồn điện bổ sung cho hoạt độngcủa chúng Nhược điểm của chúng là lỗi ổn định không được chuyển về 0 trong trường hợp bộ

bù lý tưởng mang lại lỗi bằng 0