Bài giảng điều khiển tự động chương 1 tổng quan về điều khiển tự động

Nội dung môn học Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động  Chương 2: Mô tả toán học phần tử và hệ thống điều khiển  Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống  Chương 4: Tính ổn định

Điều Khiển

Tự Động

Mục đích môn học

 Nghiên cứu các phương pháp, công cụ

các hệ thống điều khiển tự động.

Nội dung môn học

 Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động

 Chương 2: Mô tả toán học

phần tử và hệ thống điều khiển

 Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống

 Chương 4: Tính ổn định của hệ thống

 Chương 5: Chất lượng hệ thống điều khiển

 Chương 6: Thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống

 Chương 7: Hệ thống điều khiển rời rạc

Chương 1:

Tổng quan về điều khiển tự động

1.1 Các khái niệm cơ bản

1.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển

1.3 Các nguyên tắc điều khiển

1) Điều khiển

Ví dụ 1 : Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h

1.1 Các khái niệm cơ bản

1) Điều khiển

Ví dụ 1 : Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h

1 Mắt quan sát đồng hồ tốc độ  Thu thập thông tin

2 Não so sánh v mong muốn và v thực tế, ra quyết định

tăng/giảm ga  Xử lý thông tin

3 Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga  Tác động

Kết quả : xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h

 Điều khiển = quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin

và tác động lên hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho

đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước

 Điều khiển tự động = quá trình điều khiển không cần

sự tham gia trực tiếp của con người

1.1 Các khái niệm cơ bản

1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)

Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H0

1 Thu thập thông tin: Thiết bị đo = phao

2 Xử lý thông tin: Bộ điều khiển = hệ thống đòn bẩy

3 Tác động: Cơ cấu tác động = van

Mức nước H0 có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh độ dài thanh nối phao-đòn bẩy

1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)

2) Tín hiệu

 Lý thuyết thông tin: tín hiệu = nội dung thông tin

 Bản chất vật lý: tín hiệu = đại lượng vật lý

(điện áp, dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ,…)

 Toán học: tín hiệu = hàm số theo thời gian

( u(t), i(t), v(t), x(t), p(t), (t), )

 Trên sơ đồ khối: các tín hiệu vào/ra = các mũi tên

• Ví dụ về các tín hiệu vào, ra

điện áp u(t) vận tốc n(t)

góc quay(t)Động cơ điện

lưu lượng, áp suất vận tốc, vị trí, lực

Chiết áp Điện áp

vị trí con trỏ

(góc xoay)

Chiết áp Điện áp

vị trí con trỏ

(góc xoay)

Linear potentiometer

r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (Set Value) y(t) : tín hiệu ra (output), biến quá trình, giá trị thực tế (Process Value) yht(t) : tín hiệu hồi tiếp, biến đo lường ( Measure Variable)

e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error)

u(t) : tín hiệu điều khiển /tác động (control signal, Manipulate Variable) z(t): tín hiệu nhiễu ( Noise, Disturbance)

1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển

1.3 Các nguyên tắc điều khiển

1.3.1 Nguyên tắc điều khiển giữ ổn định

Mục tiêu: Duy trì đáp ứng y= hằng số định trước

 Điều khiển bù nhiễu

 Điều khiển san bằng sai lệch

 Điều khiển phối hợp

1.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình

Mục tiêu: Tạo đáp ứng y(t) có đặc tính thời gian định trước (chương trình=hàm thời gian).

1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi

Mục tiêu: Điều khiển các đối tượng có mô hình toán và thông số động (thay đổi trong quá trình làm việc do ảnh hưởng của môi trường).

1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control)

- u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu.

- Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu.

- Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không đo được) thì đáp ứng sẽ kém chính xác.

Nđộ ngoài trời

Lò sưởi Nđộ phòng

Nhiệt kế

PhòngRơle

Nđộ

Nđộ

2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control)

Bộ ĐK

Cảm biến nhiệt

 Đặc điểm:

- u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra.

- Có thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu không biết trước/ không đo được  có khả năng tạo đáp ứng chính xác.

Quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai -> sửa sai).

3) Điều khiển phối hợp

 Sơ đồ:

1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)

 Đặc điểm: Kết hợp mạch bù nhiễu và mạch hồi tiếp.

- Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước

ảnh hưởng của các nhiễu đo được.

- Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số

tạo ra bởi các nhiễu không đo được

 Ví dụ:

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển

1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp

 Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp

Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp

 Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp  chỉ phù hợp với

các ứng dụng không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển

1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học

 Hệ liên tục

 Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian

 Mô tả bằng phương trình vi phân

 Hệ rời rạc

 Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số

 Mô tả bằng phương trình sai phân

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)

 Hệ tuyến tính (lý tưởng)

 Đặc tính tĩnh của các phần tử là tuyến tính

(tín hiệu ra ở xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào)

 Mô tả bằng ph.trình vi phân/sai phân tuyến tính

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)

 Hệ bất biến (hệ dừng)

 Các thông số của hệ (như khối lượng, độ cứng, ma sát, R,

L, C) là hằng số theo thời gian.

 Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng

 Đáp ứng của hệ không phụ thuộc thời điểm tác động tín

hiệu vào.

 Hệ biến đổi theo thời gian (hệ không dừng)

 Ví dụ : tên lửa có khối lượng m= m(t).

1.4.3 Phân loại theo số lượng tín hiệu vào-ra

 Hệ SISO (Single Input – Single Output): một ngõ vào – một ngõ ra.

 Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output) : nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra

Môn học Điều khiển tự động (45 tiết) chủ yếu khảo sát các hệ thống tuyến tính bất biến SISO

1.5 Các bài toán cơ bản

1) Bài toán phân tích

Biết sơ đồ cấu trúc và thông số của toàn bộ hệ thống

Yêu cầu:

 Xét tính ổn định của hệ thống 

 Tìm tín hiệu ra y(t) khi biết tín hiệu vào r(t).

 Biểu diễn y(t) bằng đồ thị.

 Đánh giá chất lượng quá trình điều khiển

(xác định thời gian tăng trưởng t r , thời gian ổn định t s ,

độ vọt lố POT, sai số xác lập e (), …).

t lim y( t ) const ?

1.5 Các bài toán cơ bản

1.5 Các bài toán cơ bản

2) Bài toán thiết kế

Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển

Yêu cầu:

 Thiết kế bộ điều khiển (xác định loại và thông số tối ưu của bộ điều khiển) để hệ thống đạt yêu cầu chất lượng

đã đề ra.

1.6 Các ví dụ ứng dụng

 Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi

• Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi

- ĐTĐK, Thiết bị đo, Bộ điều khiển, Cơ cấu tác động = ?

y ht (t)

xylanh

Các thành phần chức năng cơ bản:

• Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi

Tên gọi, ký hiệu và bản chất vật lý của các tín hiệu:

 Tín hiệu vào r(t):

Tốc độ đặt trước, đặt bằng cách chỉnh lực căng của lò xo

 Tín hiệu ra y(t): Tốc độ thực tế của động cơ.

 Tín hiệu hồi tiếp yht(t): Tốc độ y(t) được chuyển đổi qua lực

ly tâm, vị trí con lắc và tạo nên yht(t) là lực ép xuống lò xo.

 Tín hiệu sai số e(t): Lực, thể hiện sai số giữa r(t) và yht(t)

Lực này làm dịch chuyển nòng van điều khiển e(t)=0 thì van ở

vị trí cân bằng.

 Tín hiệu đ.khiển u1(t): Lưu lượng dầu vào xylanh.

 Tín hiệu đ.khiển u2(t): Vị trí piston hay độ mở của van nh.liệu

 Tín hiệu tác động u3(t): Lưu lượng nhiên liệu đưa vào đcơ.

 Nhiễu z(t): Sự thay đổi bất thường của tải.

1.6 Các ví dụ ứng dụng

 Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC

0-10V

• Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC

 r: Điện áp lấy từ chiết áp (0-10V)  tốc độ đặt trước

 y: Tốc độ thực tế của động cơ

 yht: Điện áp chuyển đổi (0-10V)

 e, u1, u2 : Điện áp

 Nhiễu z: sự thay đổi bất thường của tải

- ĐTĐK, Thiết bị đo, Bộ điều khiển, CCTĐ = ?

- Bản chất vật lý của y, yht, r, e, u1, u2, z = ?

u 2 (t) e(t)

y ht (t)

u 1 (t)

TachometerKĐVS

z(t)

• Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo DC hồi tiếp tacho.

• Hệ điều khiển động cơ servo DC hồi tiếp encoder

• Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo DC

rotor tacho

encoder

• Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo DC

1.6 Các ví dụ ứng dụng

 Động cơ RC servo

1.6 Các ví dụ ứng dụng

 Động cơ RC servo

1.6 Các ví dụ ứng dụng

 Động cơ RC servo

1.6 Các ví dụ ứng dụng

 Động cơ RC servo

laser trên mục tiêu Cảm

biến gửi thông tin về vị trí

của mục tiêu tới các vi

mạch điện tử.

Các vi mạch điện tử sử dụng một thuật toán để điều khiển những bộ dẫn động điện từ, kích hoạt những vảy nhỏ xíu để chỉnh hướng viên đạn tới mục tiêu Thử nghiệm với khoảng cách 800m, đạn bắn với tốc độ ~720m/s, chỉ bay chệch mục tiêu <20cm.

http://vnexpress.net/gl/khoa-hoc/2012/02/dan-tu-doi-huong

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

 Hệ thống điều khiển máy trộn

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

 Hệ thống điều khiển nhiệt độ

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

 Hệ thống điều khiển nhiệt độ

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

 Hệ thống điều khiển máy CNC

1.7 Sơ lược lịch sử phát triển

hoá tại điểm làm việc, chứng minh tính ổn định của hệ phụ thuộc vào các nghiệm có phần thực dương của ph trình đặc tính.

bộ điều khiển sớm-trễ pha.