Bài giảng khái niệm về điều khiển tự động

Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động. Trong mọi thời đại, các quá trình sản xuất luôn được điều khiển theo các qui luật kinh tế. Có thể nói giá thành là một trong những yếu tố quan trọng xác định nhu cầu phát triển tự động hóa. Không một sản phẩm nào có thể cạnh tranh được nếu giá thành sản phẩm cao hơn các sản phẩm cùng loại, có tính năng tương đương với các hãng khác. Trong bối cảnh nền kinh tế đang phải đối phó với các hiện tượng như lạm phát, chi phí cho vật tư, lao động, quảng cáo và bán hàng ngày càng tăng buộc công nghiệp chế tạo phải tìm kiếm các phương pháp sản xuất tối ưu để giảm giá thành sản phẩm. Điều khiển tự động sẽ góp phần làm tốt những nội dung trên

MỞ ĐẦU

Ngày nay Điều khiển tự động được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế đời sống sinh hoạt hàng ngày cũng như an ninh - quốc phòng Do đó việc nắm vững các kiến thức về điều khiển tự động là một yêu cầu tất yếu đối với mỗi cán bộ kỹ thuật trong tất cả các ngành nghề liên quan Môn học Lý thuyết điều khiển tự động nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản về các hệ thống điều khiển tự động, các phương pháp biểu diễn hệ thống điều khiển tự động, đánh giá tính ổn định, thiết kế hệ thống điều khiển tự động và thực hành một số nội dung đã học

Bài đầu tiên của chương trình nhằm giới thiệu khái niệm điều khiển tự động, các thành phần của hệ thống điều khiển tự động, các nguyên tắc điều khiển và phân loại hệ thống điều khiển tự động

NỘI DUNG

A KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN

Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên

hệ thống để đáp ứng của hệ thống đạt được mục đích định trước Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người

Vai trò của điều khiển:

- Cải thiện đáp ứng của hệ thống

- Tăng năng suất, hiệu quả kinh tế

B CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Trong đó:

- r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn

- c(t) (controlled output): tín hiệu ra

- cht(t): tín hiệu hồi tiếp

- e(t) (error): sai số

- u(t) : tín hiệu điều khiển

C CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

toán đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ Bài toán này luôn giải được

đặt ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng Bài toán nói chung là giải được

ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được

II CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN

A NGUYÊN TẮC CƠ BẢN: THÔNG TIN PHẢN HỒI

Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai dòng thông tin: một từ bộ điều khiển đến đối tượng và một từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (dòng thông tin ngược gọi là thông tin phản hồi hoặc tín hiệu hồi tiếp)

1. Điều khiển bù nhiễu: là sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu

ra c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra c(t) Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốt

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu

với tín hiệu vào mong muốn r(t ) để tính toán tín hiệu điều khiển u (t ) Nguyên tắc này giúp điều khiển linh hoạt, loại bỏ sai lệch, thử nghiệm và sửa sai liên tục Đây là nguyên tắc cơ bản nhất trong điều khiển

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch

sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển san bằng sai lệch

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp

B CÁC NGUYÊN TẮC THƯỜNG GẶP KHÁC

Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng Tính đa dạng của bộ điều khiển

thể hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử

lý, chọn quyết định Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng

Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại với môi trường đó Nguyên tắc bổ sung ngoài thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen Vì vậy, khi thiết kế hệ thống điều khiển tự động, muốn hệ thống có chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu

Để đề phòng các bất trắc có thể xảy ra do thiếu các thông tin về bản thân

hệ thống và môi trường hoạt động của nó, cần phải thiết kế hệ thống có khả năng hoạt động trong điều kiện xấu hơn thực tế (tức là hệ thống được thiết kế có các thông số tốt hơn yêu cầu hoạt động thực tế) Vốn dự trữ này không được sử dụng trong điều kiện bình thường, nhưng cần thiết để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn

Để xây dựng hệ thống điều khiển cho một đối tượng điều khiển phức tạp, cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho bộ điều khiển trung tâm Đa số các hệ thống điều khiển trong các dây chuyền sản xuất hiện nay sử dụng cấu trúc phân cấp hình cây và có thể chia ra làm ba cấp : cấp thực thi, cấp phối hợp, cấp

tổ chức và quản lý

Hình 1.5 Cấu trúc phân cấp hình cây

Để một hệ thống hoạt động ổn định và bền bỉ, cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để tự giải quyết các biến động có thể xảy trong bên trong hệ thống

III. PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN

A PHÂN LOẠI DỰA TRÊN MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG

tuyến tính

4. Hệ thống phi tuyến: Hệ thống được mô tả bởi phương trình vi phân/sai phân

phi tuyến

tả hệ thống không đổi theo thời gian

tả hệ thống thay đổi theo thời gian

B PHÂN LOẠI DỰA TRÊN SỐ NGÕ VÀO – NGÕ RA CỦA HỆ THỐNG

ngõ ra

nhiều ngõ ra

C PHÂN LOẠI TRÊN CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN

Mục tiêu điều khiển là kết quả tín hiệu ra bằng tín hiệu vào chuẩn r(t) với sai lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập)

Khi tín hiệu vào r(t) không đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổn định hóa hay hệ thống điều chỉnh, ví dụ như hệ thống ổn định nhiệt độ, điện áp,

áp suất, nồng độ, tốc độ,

Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình

Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không biết trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t), ta có hệ thống theo dõi Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các HTĐK vũ khí, hệ thống lái tàu, máy bay

Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi biến động của điều kiện hoạt động

Hình 1.6 Nguyên tắc tự chỉnh định

Ví dụ các bài toán quy hoạch, vận hành trong kỹ thuật, kinh tế đều là các phương pháp điều khiển tối ưu, trong đó các thông số điều khiển được tính toán

để đạt được cực trị (cực đại hoặc cực tiểu)

IV MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1 Hệ thống điều chỉnh mực nước trong bể

Hình 1.7

2 Hệ thống tự động định vị bệ phóng tên lửa

Hình 1 8

3 Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ nhiệt

Hình 1.9

KẾT LUẬN

Nội dung chính của bài học là khái niệm, các thành phần, các nguyên tắc điều khiển cũng như các phương pháp phân loại hệ thống điều khiển tự động mà trọng tâm là phần các nguyên tắc điều khiển của hệ thống điều khiển tự động Yêu cầu học viên nắm chắc các nội dung được học để làm cơ sở tiếp thu các nội dung tiếp theo