bài giảng môn học điều khiển tự động

∗ Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả, phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động.. • Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động• Chương 2: Mô tả toán học phầ

Bài giảng giảng môn môn học học

Điều Điều Khiển Khiển Tự Tự Động Động

Bộ Môn : Cơ Điện Tử

Modern Control Systems, RC Dorf

tinyurl.com/mcspdf11 (34MB)

Điều Khiển Tự Động

∗ Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả,

phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động

Mục đích 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

Nội dung môn học

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 Thu thập thông tin: Mắt quan sát đồng hồ tốc độ

2 Xử lý thông tin: Não so sánh v mong muốn và v thực tế ⇒ ra

quyết định tăng / giảm ga

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

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

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

1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)

thay ñổi bằng cách ñiều chỉnh ñộ dài thanh nối phao-ñòn bẩy

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), θ(t), )

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

1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)

Chiết áp ðiện áp

vị trí con trượt

r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị ñặt trước (SetPoint) y(t) : tín hiệu ra (output), biến ñược ñiều khiển (controlled variable), giá trị thực (Process Value)

yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback) e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error) u(t) : tín hiệu ñiều khiển

1.3 Các nguyên tắc điều khiển

1.3.1 Nguyên tắc ñiều khiển giữ ổn ñịnh

Mục tiêu: Duy trì ñáp ứng y= hằng số ñịnh trước

ð iều khiển bù nhiễu

ð iều khiển san bằng sai lệch

ð iều khiển phối hợp

1.3.2 Nguyên tắc ñiều khiển theo chương trình

Mục tiêu: Tạo ñáp ứng y(t) có ñặc tính thời gian

ñị nh trước (chương trình=hàm thời gian).

1.3.3 Nguyên tắc ñiều khiển thích nghi

Mục tiêu: ð iều khiển các ñối tượng có mô hình toán và thông số ñộng (thay ñổi trong quá trình

- u(t) ñược hình thành dựa trên giá trị ño ñược của nhiễu.

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

- Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không ño ñược) thì ñáp ứng sẽ kém chính xác.

∗ 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.

Nñộ ngoài trờiMáy lạnh Phòng Nñộ phòng

Bộ ðK

Cảm biến nhiệt

∗ 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

∗ Đặc điểm:

- Sử dụng thêm một bộ chỉnh định.

- Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số của bộ điều khiển sao cho

hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường.

1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp

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

ứng dụng không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao

1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học

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

∗ Mô tả bằng phương trình vi phân

∗ 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

∗ 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 phương trình vi phân/sai phân tuyến tính

∗ 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

Môn học Điều khiển tự động (45 tiết) chủ yếu khảo sát các

hệ thống tuyến tính bất biến SISO

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)

1) Bài toán phân tích

Biết cấu trúc và thông số của hệ thống

Yêu cầu:

∗ Xét tính ổn định của hệ thống ⇔ y(∞) = const ?

∗ Tìm hàm đáp ứng 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 sai số xác lập e (∞), thời gian ổn định t s , độ vọt lố POT,…).

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.

1.5 Các bài toán cơ bản

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

1.6 Các ví dụ ứng dụng

∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC

1.6 Các ví dụ ứng dụng

∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo

1.6 Các ví dụ ứng dụng

∗ 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 máy CNC

1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)

∗ Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960)

∗ Maxwell (1968) mô tả hệ thống bằng ph trình vi phân, tuyến tính 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.

∗ Routh (1877), Hurwitz (1895): Tiêu chuẩn ổn định đại số.

∗ Nyquist (1932), Bode (1940s): Tiêu chuẩn ổn định tần số.

∗ Evans (cuối 1940s - đầu 1950s): Phương pháp quỹ đạo nghiệm.

∗ Sử dụng các mô hình toán: hàm truyền, đáp ứng tần số.

∗ Ứng dụng thiết kế hệ liên tục tuyến tính SISO, bộ điều khiển PID,

bộ điều khiển sớm-trễ pha.

∗ Lý thuyết điều khiển hiện đại (~ 1960 đến nay)

∗ Sử dụng mô hình toán: phương trình trạng thái.

∗ Ứng dụng thiết kế hệ MIMO, bộ điều khiển số: vi xử lý, máy tính.

∗ Lý thuyết điều khiển thông minh

∗ Điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền.

∗ Thiết kế hệ thống không cần dùng mô hình toán học

1.7 Sơ lược lịch sử phát triển