Đề cương môn học Động lực học và điều khiển (Dynamic Systems and Control)

Đề cương môn học với các nội dung Mô hình toán học của các hệ thống tuyến tính liên tục: sơ đồ khối, phương trình trạng thái, biến đổi Laplace, hàm truyền, mô phỏng số. Lý thuyết hệ thống tuyến tính liên tục: đáp ứng trạng thái với điều kiện đầu, đáp ứng trạng thái với ngõ vào, đáp ứng trên miền tần số, ổn định của các phương trình trạng thái, ổn định Bounded Input Bounded Output (BIBO). Thiết kế và phân tích hệ thống hồi tiếp tuyến tính liên tục: Tiêu chuẩn ổn định Nyquist, biểu đồ Bode, phương pháp quỹ đạo nghiệm số, chất lượng của hệ thống điều khiển, bộ điều khiển PID, phương pháp hiệu chỉnh bộ điều khiển PID.

Trang 1

Đại Học Quốc Gia TP.HCM Vietnam National University – HCMC

Trường Đại Học Bách Khoa Ho Chi Minh City University of Technology

Đề cương môn học

Động Lực Học và Điều Khiển

(Dynamic Systems and Control)

Môn không xếp TKB

Hình thức đánh giá  Thi trắc nghiệm, 90 phút

Môn tiên quyết

Môn học trước Kỹ thuật điều khiển tự động (ME2009)

Môn song hành

Trình độ đào tạo Đại học

Ghi chú khác

1. Mục tiêu của môn học:

Môn học nhằm trang bị các kiến thức cơ bản về mô hình hóa các hệ thống động lực học và đáp ứng của các hệ thống này. Các phương pháp phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tuyến tính có hồi tiếp cũng sẽ được trình bày

Aims:

This course provides to the students with the basic engineering the knowledge of dynamic modeling of physical systems (mechanical, electrical, fluid, and thermal systems) and response of these systems. Analysis and design methods for linear feedback control systems are also presented

2. Nội dung tóm tắt môn học:

Những nội dung sau đây sẽ được giảng dạy và thảo luận trong môn học:

Mô hình toán học của các hệ thống tuyến tính liên tục: sơ đồ khối, phương trình trạng thái, biến đổi Laplace, hàm truyền, mô phỏng số

Lý thuyết hệ thống tuyến tính liên tục: đáp ứng trạng thái với điều kiện đầu, đáp ứng trạng thái với ngõ vào, đáp ứng trên miền tần số, ổn định của các phương trình trạng thái, ổn định Bounded Input Bounded Output (BIBO)

Thiết kế và phân tích hệ thống hồi tiếp tuyến tính liên tục: Tiêu chuẩn ổn định Nyquist, biểu đồ Bode, phương pháp quỹ đạo nghiệm số, chất lượng của hệ thống điều khiển, bộ điều khiển PID, phương pháp hiệu chỉnh bộ điều khiển PID

Hệ thống rời rạc: hệ thống số, khâu lấy mẫu bậc nhất, tác động của tốc độ lấy mẫu lên hệ thống điều khiển, chuyển đổi từ phương trình vi phân sang phương trình sai phân, chuyển đổi z, phương pháp đặt cực trong hệ rời rạc

Course outline:

The following topics will be presented and discussed in this course:

Mathematical models of systems: Block diagrams, state models, Laplace transform, transfer functions, numerical simulation

Linear system theory: Initial state response, Input response, frequency response, stability of state models, Bounded Input Bounded Output (BIBO) stability

Feedback control design and analysis: Nyquist stability criterion, Bode plot, RootLocus technique, stability margin, control performance, PID control, PID turning method

Discrete linear system: Sampling digital systems, zeroorder hold, effect of sample rate on control systems, converting differential equations to difference equations, ztransforms, pole location

3. Tài liệu học tập:

Trang 2

Tài liệu học tập có thể được tải xuống từ trang BKEL (http://elearning.hcmut.edu.vn/). Các slide bài giảng được cập nhật hàng tuần theo tiến độ học tập trên lớp. Bên cạnh đó, sinh viên có thể tự học, tìm hiểu sâu hơn thông qua các tài liệu dưới đây:

• Sách và giáo trình chính:

[1] Katsuhiko Ogata, Modern control engineering, PrenticeHall, 5 edition, 2010

[2] Nguyễn Thị Phương Hà và Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐHQGHCM, 2006

• Tài liệu tham khảo:

[3] Karl Johan Astrom, Feedback systems: an introduction for scientists and engineers, http://www.cds.caltech.edu/~murray/amwiki/index.php/Main_Page, updated to 2008

[4] Matlab Handbook, http://www.mathworks.com/support/books/

[5] Benjamin C. Kuo, Automatic control systems, PrenticeHall, 1995

[6] John Doyle, Bruce Francis, Allen Tannenbaum, Feedback Control Theory, Macmillan Publishing Co., 1990 [1] Nguyễn Thị Phương Hà và Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐHQGHCM, 2006.

[2] Katsuhiko Ogata, Modern control engineering, PrenticeHall, 2010.

[3] Karl Johan Astrom, Feedback systems: an introduction for scientists and engineers,

http://www.cds.caltech.edu/~murray/amwiki/index.php/Main_Page, 2008.

[4] , Matlab Handbook, http://www.mathworks.com/support/books/ , .

[5] Benjamin C. Kuo, Automatic control systems, PrenticeHall, 1995.

[6] John Doyle, Bruce Francis, Allen Tannenbaum, Feedback Control Theory, Macmillan Publishing Co., 1990.

4. Hiểu biết, kỹ năng, thái độ cần đạt được sau khi học môn học:

L.O.1

Sinh viên có khả năng liệt kê những nội dung cơ bản trong lý thuyết điều khiển cho hệ tuyến tính: Hàm truyền, phương trình trang thái, các đặc tính của đáp ứng chuyển tiếp, phương pháp quỹ đạo nghiệm số, biểu đồ Bode, biểu đồ Nquist, bộ bù sớm pha và trễ pha, bộ điều khiển PID, hàm truyền rời rạc

L.O.1.1 Có khả năng mô tả khái niệm hàm truyền

L.O.1.2 Có khả năng mô tả khái niệm phương trình trạng thái

L.O.1.3 Có khả năng mô tả mối quan hệ giữa hàm truyền và phương trình trạng thái

L.O.1.4 Có khả năng mô tả đặc tính của của đáp ứng chuyển tiếp

L.O.1.5 Có khả năng mô tả phương pháp quỹ đạo nghiệm số

L.O.1.6 Có khả năng mô tả phương pháp biểu đồ Bode

L.O.1.7 Có khả năng mô tả phương pháp biểu đồ Nquist

L.O.1.8 Có khả năng mô tả cấu trúc và đặc tính của bộ bù sớm pha, trễ pha, và sớmtrễ pha

L.O.1.9 Có khả năng mô tả cấu trúc và đặc tính bộ điều khiển PID

L.O.1.10 Có khả năng mô tả khái niệm hàm truyền rời rạc

L.O.2

Dùng các phương trình vi phân thông thường, biến đổi Laplace, sinh viên có khả năng mô hình hóa động lực học của các hệ thống cơ khí và điện đơn giản

L.O.2.1 Có khả năng thành lập các phương trình vi phân mô tả các hệ thống vật lý đơn giản như:khối lượnglò xogiảm chấn, mạch RLC, con lắc ngược

L.O.2.2 Xây dựng được hàm truyền của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian

L.O.2.3 Xây dựng được phương trình trạng thái của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian L.O.2.4 Xây dựng được chuyển đổi giữa hàm truyền và phương trình trạng thái của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian

L.O.3

Sử dụng tiêu chuẩn RouthHurwitz, biểu đồ Bode, và phương pháp quỹ đạo nghiệm số, sinh viên có khả năng xác định ổn định, tính chất của đáp ứng chuyển tiếp và đáp ứng xác lập của hệ tuyến tính một đầu vào và một đầu ra (single inputsingle output, SISO)

L.O.3.1 Kiểm tra được tính ổn định của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian theo tiêu chuẩn RouthHurwitz

L.O.3.2 Kiểm tra được tính ổn định và các tính chất của đáp ứng chuyển tiếp của hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian như (độ vọt lố, thời gian quá độ) bằng phương pháp biểu đồ Bode

L.O.3.3 Kiểm tra được độ ổn định và các tính chất của đáp ứng chuyển tiếp của hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian như (độ vọt lố, thời gian quá độ) bằng phương pháp biểu đồ Bode

L.O.3.4 Xác định được giá trị xác lập của của của hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian theo định lý giá trị đầu cuối

L.O.4

Sử dụng biểu đồ Bode, phương pháp quỹ đạo nghiệm số, phương pháp đặt cực, sinh viên có khả năng thiết lập luật điều khiển cho các hệ tuyến tính bất biến theo thời gian thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng L.O.4.1 Sử dụng phương pháp biểu đồ Bode thiết kế các bộ điều khiển sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha L.O.4.2 Sử dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số thiết kế các bộ điều khiển sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha

Trang 3

L.O.5

Sử dụng phép biến đổi z, sinh viên có khả năng thiết lập mô hình rời rạc của một hệ tuyến tính liên tục được lấy mẫu

L.O.5.1 Thiết lập được phương trình sai phân và hàm truyền rời rạc từ hàm truyền của hệ tuyến tính liên tục rời rạc hóa bởi một khâu giữ mẫu bậc nhất

L.O.5.2 Thiết lập được phương trình sai phân từ phương trình trạng thái của hệ tuyến tính liên tục rời rạc hóa bởi một khâu giữ mẫu bậc nhất

L.O.6

Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa và phương pháp thiết kế bộ điều khiển, sinh viên có khả năng thiết kế bộ điều khiển cho những hệ thống cơ khí đơn giản

L.O.6.1 Có khả năng phát triển phương trình vi phân mô tả động lực học của một ứng dụng đơn giản L.O.6.2 Có khả năng thiết kế bộ điều khiển có khả năng thỏa mãn các đặc tính đáp ứng của ứng dụng L.O.6.3 Có khả năng mô phỏng đáp ứng của hệ thống được điều khiển bằng phương pháp mô phỏng số

L.O.1

Students should be able to list basic concepts in linear control theory (i.e., transfer function , statespace models, transient response specifications, rootlocus method, Bode diagram, Nyquist diagram, Lead and lag compensation, PID controller, discrete transfer function)

L.O.1.1 Students should be able to describe the definition of transfer functions

L.O.1.2 Students should be able to describe the definition of state equation models

L.O.1.3 Students should be able to describe the relationship between a transfer function and a state equation model of a linear time invariant system

L.O.1.4 Students should be able to describe the characteristic of dynamic responses of linear time invariant systems

L.O.1.5 Students should be able to describe the rootlocus method

L.O.1.6 Students should be able to describe the Bode diagram

L.O.1.7 Students should be able to describe the Nquist diagram

L.O.1.8 Students should be able to describe the lead, lag, and leadlag compensators

L.O.1.9 Students should be able to describe the PID controller

L.O.1.10 Students should be able to describe the definition of discrete transfer functions

L.O.2

Using ordinary differential equations, Laplace transform, students should be able to model dynamics of simple mechanical and electrical systems

L.O.2.1 Students should be able to derive ordinary differential equations of simple physical systems, i.e., massdamperspring, RLC, inverted pendulum systems

L.O.2.2 Students should be able to derive a transfer function of a linear time invariant system

L.O.2.3 Students should be able to derive a state equation model of a linear time invariant system L.O.2.4 Students should be able to derive the transformation between a transfer function and a state equation model of a linear time invariant system

L.O.3

Using RouthHurwitz criteria, Bode diagram, and rootlocus, students should be able to determine stability, transient and steady responses of a linear singleinputsingleoutput (SISO) system

L.O.3.1 Students should be able to check stability of a linear time invariant system by using Routh Hurwitz criterion

L.O.3.2 Students should be able to check stability and to determine dynamic response characteristics of

a linear time invariant system by using Bode diagram

L.O.3.3 Students should be able to check stability to check stability and to determine dynamic response characteristics of a linear time invariant system by using rootlocus method

L.O.3.4 Students should be able to determine steady state response of a linear time invariant system by using final value theorem

L.O.4

Using Bode diagram, rootlocus technique, pole placement method, students should be able to derive feedback control laws of a given linear SISO system that satisfies the desired control performance

L.O.4.1 Students should be able to design lead, lag, and leadlad controllers of a linear time invariant system by using Bode diagram

L.O.4.2 Students should be able to design lead, lag, and leadlad controllers of a linear time invariant system by using rootlocus method

L.O.4.3 Students should be able to design PID controller of a linear time invariant system by using pole placement method

Using ztransform, students should be able to derive the discrete time model of a given continuous time sampled data system

Trang 4

L.O.5 L.O.5.1 Students should be able to derive a difference equation and a discrete transfer function from a transfer function of a linear time invariant system including a zero order hold device (ZOH)

L.O.5.2 Students should be able to derive a difference equation from differential equations of a linear time invariant system including a zero order hold device (ZOH)

L.O.6

Using modeling techniques and control design methods, students should be able to design controllers of practical simple implementations in mechanical engineering

L.O.6.1 Students should be able to develop ordinary differential equations describing dynamics of a simple application in mechatronics

L.O.6.2 Students should be able to design controllers satisfying characteristic responses for a simple application in mechatronics

L.O.6.3 Students should be able to simulate a simple application with a controller in mechatronics

5. Hướng dẫn cách học chi tiết cách đánh giá môn học:

Điểm tổng kết môn học được đánh giá xuyên suốt quá trình học

Sinh viên được yêu cầu phải tham dự giờ giảng trên lớp ít nhất 70% (số lần được điểm danh chuyên cần). Ngoài

ra, sinh viên phải hoàn thành tất cả bài tập về nhà đúng hạn cũng như thực hiện đầy đủ các phần thuyết trình của nhóm. Đây là những điều kiện cần để sinh viên đạt môn học này

Sinh viên cần lưu ý thời hạn nộp bài tập. Nộp muộn sẽ không được chấp nhận nếu không có một lý do chính đáng

đã được trình bày và phê duyệt của giảng viên trước ngày đến hạn. Bài tập nộp muộn cho phép sẽ bị trừ đi 2 điểm đối với mỗi ngày nộp trễ

+ Bài tập:

• Bài tập về nhà (cá nhân) : 20%

+ Quá trình:

+ Thi:

Điều kiện dự thi:

• Sinh viên được yêu cầu phải tham dự giờ giảng trên lớp ít nhất 70% (số lần được điểm danh chuyên cần). Ngoài

ra, sinh viên phải hoàn thành tất cả bài tập về nhà đúng hạn cũng như thực hiện đầy đủ các phần thuyết trình của nhóm. Đây là những điều kiện cần để sinh viên đạt môn học này.

• Sinh viên cần lưu ý thời hạn nộp bài tập. Nộp muộn sẽ không được chấp nhận nếu không có một lý do chính đáng

đã được trình bày và phê duyệt của giảng viên trước ngày đến hạn. Bài tập nộp muộn cho phép sẽ bị trừ đi 2 điểm đối với mỗi ngày nộp trễ

6. Dự kiến danh sách Cán bộ tham gia giảng dạy:

TS Nguyễn Duy Anh

TS. Phạm Công Bằng

TS. Nguyễn Quốc Chí

TS. Lê Đức Hạnh

TS. Lê Thanh Hải

TS Trần Việt Hồng

TS. Võ Tường Quân

TS. Đoàn Thế Thảo

PSG. TS. Nguyễn Tấn Tiến

7. Nội dung chi tiết:

Tuần/

Chuẩn đầu ra chi tiết

Hoạt động dạy và học Hoạt động

đánh giá

Chương 1: Mô hình

hóa của các hệ

thống động lực học

1.1 Phương trình vi

L.O.2.1 Có khả năng thành lập các phương trình vi phân

mô tả các hệ thống vật lý đơn giản như:khối lượnglò xogiảm chấn, mạch RLC, con lắc ngược

Giảng bài Làm một báo cáonhỏ AIC #1

Làm một card ứng

Trang 5

phân thông thường

1.2 Chuyển đổi

Laplace

1.3 Hàm truyền

L.O.1.1 Có khả năng mô tả khái niệm hàm truyền Giảng bài

dung để mô tả vấn

đề tại lớp

Đọc trước tài liệu cho buổi học sau

AIC #2

L.O.2.2 Xây dựng được hàm truyền của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian

Giảng bài

Làm một card ứng dung để mô tả vấn

đề tại lớp

Đọc trước tài liệu cho buổi học sau

AIC #2

2

1.4 Phương trình

trạng thái

1.5 Mối liên hệ giữa

hàm truyền và

phương trình trạng

thái

1.6 Mô phỏng với

Matlab

L.O.1.2 Có khả năng mô tả khái niệm phương trình trạng thái

Giảng bài Làm bài tập về nhà HW #1

L.O.2.3 Xây dựng được phương trình trạng thái của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian

L.O.1.3 Có khả năng mô tả mối quan

hệ giữa hàm truyền

và phương trình trạng thái

Mổ xẻ vấn đề đã giao đọc trước

L.O.2.3 Xây dựng được phương trình trạng thái của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian

Mổ xẻ vấn đề đã giao đọc trước

Giảng bài

Làm bài tập về nhà HW #1

L.O.6.3 Có khả năng mô phỏng đáp ứng của hệ thống được điều khiển bằng phương pháp

mô phỏng số

Giảng bài Luyện tập tại lớp

Làm bài tập về nhà

3

Chương 2: Lý thuyết

động lực hoc hệ

tuyến tính

2.1 Đáp ứng bậc

nhất

2.2 Đáp ứng hệ bậc

hai

4

2.3 Đáp ứng hệ bậc

cao

2.4 Các đặc tính của

đáp ứng chuyển tiếp

2.5 Các đặc tính của

đáp ứng xác lập

L.O.3.4 Xác định được giá trị xác lập của của của hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian theo định lý giá trị đầu cuối

Nêu ví dụ ứng dụng

Mổ xẻ và giảng bài Làm bài tập về nhà HW #2

5

Chương 3: Lý thuyết

điều khiển hệ thống

hồi tiếp

3.1 Tiêu chuẩn

RouthHurwitz

3.2 Phương pháp

L.O.3.1 Kiểm tra được tính ổn định của một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian theo tiêu chuẩn Routh

Hurwitz

L.O.1.5 Có khả năng mô tả phương pháp quỹ đạo nghiệm số

L.O.3.3 Kiểm tra được độ ổn định và

Trang 6

quỹ đạo nghiệm số các tính chất của đáp

ứng chuyển tiếp của

hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian như (độ vọt lố, thời gian quá độ) bằng phương pháp biểu đồ Bode

6

3.3 Biểu đồ Bode

3.4 Nhận dạng hàm

truyền bằng biểu đồ

Bode

L.O.1.6 Có khả năng mô tả phương pháp biểu đồ Bode

L.O.3.2 Kiểm tra được tính ổn định và các tính chất của đáp ứng chuyển tiếp của

hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian như (độ vọt lố, thời gian quá độ) bằng phương pháp biểu đồ Bode

Mổ xẻ và giảng bài

Thực hiện thiết kế theo ví dụ ứng dụng HW #4

7

3.5 Biểu đồ Nyquist

3.6 Tiêu chuẩn ổn

định Nyquist

L.O.1.7 Có khả năng mô tả phương pháp biểu đồ Nquist Làm bài tập về nhà Làm bài tập về nhà HW #5

8

Chương 4: Thiết kế

bộ điều khiển

4.1 Bộ điều khiển trễ

pha

4.2 Bộ điều khiển

sớm pha

L.O.1.8 Có khả năng mô tả cấu trúc

và đặc tính của bộ

bù sớm pha, trễ pha,

và sớmtrễ pha

L.O.4.1 Sử dụng phương pháp biểu

đồ Bode thiết kế các

bộ điều khiển sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha

L.O.4.2 Sử dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số thiết

kế các bộ điều khiển sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha

9

sớm trễ pha

4.4 Phương pháp đặt

cực

và đặc tính của bộ

bù sớm pha, trễ pha,

và sớmtrễ pha

đồ Bode thiết kế các

10

Chương 5: Bộ điều

khiển PID

5.1 Giới thiệu

và đặc tính bộ điều khiển PID

Nêu vấn đề cho sinh viên ThinkPair

Share

Giảng bài

Thảo luận

đồ Bode thiết kế các Thực hiện thiết kế

Trang 7

5.2 Phương pháp

ZieglerNichols cho

tìm giá trị tối ưu cho

bộ điều khiển PID

5.3 Thiết kế bộ điều

khiển PID với

phương pháp quỹ

đạo nghiệm số, biểu

đồ Bode, và phương

pháp đặt cực

Mổ xẻ và giảng bài theo ví dụ ứng dụng

AIC#3

Giảng bài

Nêu một desktop project

Tiếp tục làm desktop project tại

L.O.4.3 Sử dụng phương pháp đặt cực thiết kế bộ điều khiển PID

Giảng bài

Nêu một desktop project

Tiếp tục làm desktop project tại nhà

HW #7

12

Chương 6: Hệ thống

điều khiển tuyến tính

rời rạc

6.1 Lấy mẫu và số

hóa

6.2 Định luật lấy mẫu

Nyquist và hiện

tượng biến điệu

Share

Giảng bài

L.O.1, L.O.5

Mổ xẻ và giảng bài

13

6.3 Tác động của tác

vụ lấy mẫu

6.4 Hàm truyền rời

rạc và biến đổi z

6.5 Hàm truyền ZOH

L.O.1.10 Có khả năng mô tả khái niệm hàm truyền rời rạc

Share

Giảng bài

AIC#4

L.O.5.1 Thiết lập được phương trình sai phân và hàm truyền rời rạc từ hàm truyền của hệ tuyến tính liên tục rời rạc hóa bởi một khâu giữ mẫu bậc nhất

Giảng bài Làm bài tập về nhà AIC#4

L.O.5.2 Thiết lập được phương trình sai phân từ phương trình trạng thái của

hệ tuyến tính liên tục rời rạc hóa bởi một khâu giữ mẫu bậc nhất

Giảng bài Giảng bài Làm bài

14

6.6 Cực trong mặt

phẳng z

PID số

Giảng bài Làm một báo cáonhỏ AIC#5

Mổ xẻ và giảng bài Thực hiện thiết kếtheo ví dụ ứng dụng AIC#5

15 Kết luận môn học vàthuyết trình bài tập

lớn

L.O.6.1 Có khả năng phát triển phương trình vi phân

mô tả động lực học của một ứng dụng đơn giản

Thuyết trình

L.O.6.2 Có khả năng thiết kế bộ điều khiển có khả năng thỏa mãn các đặc tính đáp ứng của ứng dụng

Thuyết trình

L.O.6.3 Có khả năng mô phỏng đáp ứng của hệ thống được điều khiển bằng phương pháp

mô phỏng số

Thuyết trình

Trang 8

Bộ môn/Khoa phụ trách Cơ điện tử

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 09 năm 2015

Định dạng
Số trang	8
Dung lượng	271,92 KB