Kỹ thuật điều khiển tự động

Mô hình hóa hệ thống: Phát triển mô hình toán học cho các hệ thống điều khiển và các phần tử của hệ thống tự động nhằm mục đích phân tích, tìm hiểu đặc tính động và thiết kế hệ thống điề

LỜI GIỚI THIỆU

Nội dung chính của cuốn sách gồm những chương như sau:

Chương 1 Giới thiệu công nghệ điều khiển: Khái quát lịch sử phát triển

hệ thống tự động và lý thuyết điều khiển tự động

Chương 2 Mô hình hóa hệ thống: Phát triển mô hình toán học cho các hệ

thống điều khiển và các phần tử của hệ thống tự động nhằm mục đích phân tích, tìm hiểu đặc tính động và thiết kế hệ thống điều khiển tự động Mô hình hóa hệ thống cơ bản dựa trên các định luật vật lý

Chương 3 Phân tích trong miền thời gian: Giới thiệu các phương pháp

kinh điển phân tích đặc tính động của hệ thống điều khiển như biến đổi Laplace, hàm truyền và phân tích các đáp ứng hệ thống khi áp dụng một tín hiệu đầu vào

Chương 4 Hệ thống điều khiển vòng kín: Khái quát những phương pháp

biểu diễn hệ điều khiển vòng kín và giới thiệu hệ thống điều khiển PID (tỷ lệ tích phân vi phân)

Chương 5 Thiết kế điều khiển kinh điển trong mặt phẳng S: Giới thiệu

các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển trong miền S như tiêu chuẩn ổn định Routh-Hurwitz, phương pháp quỹ tích nghiệm

Chương 6 Thiết kế điều khiển kinh điển trong miền tần số: Giới thiệu

các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển trong miền tần số sử dụng các biểu đồ như Biểu đồ Bode, Biểu đồ Nyquist và Biểu đồ Nichols

Chương 7 Thiết kế hệ thống điều khiển số: Giới thiệu hệ thống điều

khiển xung số sử dụng bộ vi xử lý và trình bày các khái niệm và nguyên lý phân tích thiết kế hệ thống điều khiển xung số như biến đổi z, hàm truyền xung số và tính ổn định trong miền z

Chương 8 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển không gian trạng

thái: Giới thiệu phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng mô hình không gian trạng thái Chương này cũng giới thiệu một số phương pháp thiết kế

bộ quan sát trạng thái

Phụ lục 1 Thiết kế hệ thống điều khiển dùng MATLAB: Cung cấp các

chương trình mẫu bằng MATLAB® và Simulink® để minh họa các thuật toán điều khiển đã trình bày trong các chương trước

Phụ lục 2 Khái niệm cơ bản về ma trận: Tóm tắt một số khái niệm cơ

bản ma trận làm cơ sở toán học cho lập trình với MATLAB

Với nội dung trên, cuốn sách phù hợp cho các khóa học cơ sở về điều khiển tự động ở các đại học Với nội dung không quá nặng về lý thuyết có kết hợp với thực hành cuốn sách cũng còn có thể dùng được cho cả sinh viên các khóa học về thiết bị điều khiển tự động ở các trường cao đẳng kỹ thuật Những nội dung trong cuốn sách đã được tác giả lựa chọn công phu bằng kinh nghiệm giảng dạy lâu năm về lĩnh vực điều khiển tự động tại Đại học Plymouth, Anh Quốc

Hỡnh 1.1 Bộ điều tốc ly tõm của James Watt

Chơng i giới thiệu các hệ thống điều khiển tự động

1.1 Khỏi quỏt lịch sử

Trải qua lịch sử con người vẫn đang cố gắng điều khiển thế giới mà họ đang sống Từ những ngày đầu tiờn con người đó nhận thấy rằng sức lực yếu đuối của mỡnh khụng đủ cạnh tranh với những sinh vật xung quanh mỡnh Con người chỉ cú thể tồn tại bằng cỏch sử dụng trớ khụn và sự khộo lộo của mỡnh Tài sản chớnh của con người so với tất cả cỏc loài khỏc trờn trỏi đất là trớ thụng minh tuyệt đỉnh của mỡnh Con người Thời kỳ Đồ đỏ (Stone Age) đó phỏt minh ra dụng cụ và vũ khớ từ viờn đỏ lửa, đỏ và xương và đó phỏt hiện ra rằng cú thể huấn luyện động vật tuõn mệnh lệnh của mỡnh, và đó nhận biết được một dạng

sơ khởi đầu tiờn của hệ thống điều khiển Trước đú một thời gian dài, con người

đó biết khai thỏc sức ngựa và sức bũ để thực hiện nhiều cụng việc khỏc nhau, bao gồm cả vận tải Phải trải qua một thời gian rất dài con mới người học được cỏch thay thế động vật bằng mỏy múc

Bước quan trọng nhất trong thiết kế máy móc, mà lần lượt sứ giả đưa tin cho cách mạng công nghiệp, là sự phát triển của máy hơi nước Một vấn đề thách thức kỹ sư tại thời đó là làm sao có thể điều khiển được vận tốc quay của máy

mà không cần có sự can thiệp của con người Trong số nhiều phương pháp được thử, phương thành công nhất là sử dụng con lắc hình nón, có góc nghiêng là một hàm số (nhưng không phải là một hàm tuyến tính) của tốc độ góc quay của trục Nguyên lý này được James Watt khai thác vào năm 1769 trong việc thiết kế quả bóng bay (flyball) của ông, hay còn gọi là máy điều tốc ly tâm Vì vậy có lẽ hệ thống đầu tiên để điều khiển tự động máy móc đã được khai sinh

Nguyên lý làm việc của máy điều tốc Watt được biểu diễn trong Hình 1.1,

trong đó thay đổi vận tốc trục quay sẽ làm cho góc hình nón khác nhau của những quả bóng bay Góc hình nón thay đổi tiếp theo sẽ tạo nên chuyển động tuyến tính của ống ngoài kết quả là điều chỉnh được lưu lượng hơi vào máy bằng một chiếc van

Watt là một kỹ sư thực hành và không có nhiều thời gian để phân tích lý thuyết Tuy nhiên ông đã quan sát thấy rằng trong những điều kiện nhất định nào

đó thì máy xem ra như săn đuổi theo vận tốc đầu ra dao động xung quanh một

giá trị mong muốn Sự loại trừ việc săn đuổi hoặc tên phổ biến hơn không ổn định là một đặc điểm quan trọng trong thiết kế tất cả các hệ thống điều khiển.

- Trong công trình của mình “Về các bộ điều tốc” Maxwell (1868) đã phát triển phương trình vi phân cho bộ điều tốc, tuyến tính hóa điểm cân bằng và chứng minh rằng tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào nghiệm của phương trình đặc trưng có các phần thực âm

- Bài toán nhận dạng tiêu chuẩn ổn định cho hệ thống tuyến tính được nghiên cứu bởi Hurwitz (1875) và Routh (1905) Bài toán này được mở rộng để xét tính

ổn định của hệ phi tuyến tính bởi nhà toán học Nga Lyapunov (1893) Phần cốt lõi toán học để phân tích lý thuyết đuợc Laplace (1749-1827) và Fourier (1758-1830) phát triển

- Một hướng tiếp cận quan trọng khác để thiết kế hệ thống điều khiển được Evans (1948) phát triển Dựa trên tác phẩm của Maxwell và Routh, Evans bằng phương pháp quỹ tích nghiệm đã thiết kế những quy tắc và kỹ thuật cho phép nghiệm của phương trình đặc trưng được biểu thị bằng đồ thị

- Sự ra đời của máy tính trong thập niên 1950s đã làm gia tăng việc biểu diễn phương trình vi phân bằng không gian trạng thái, nghĩa là sử dụng ký hiệu ma trận véc tơ, chính nó góp phần sẵn sàng vào việc tính toán (machine computation)

- Thập niên 1980s đã trải qua những tiến bộ lớn về lý thuyết điều khiển để thiết kế hệ thống bền vững với tính không chắc chắn trong đặc tính động Công trình của Athans (1971), Safanov (1980), Chiang (1988), Grimble (1988) và những người khác đã trình diễn cách có thể mô hình hóa tính không chắc chắn

và đưa ra khái niệm và lý thuyết tổng hợp

Thập niên 1990s đã mở ra cho cộng đồng điều khiển khái niệm những hệ thống điều khiển thông minh Mạng trí năng nhân tạo chứa đựng nhiều phần tử tính toán đơn giản hoạt động song song với nhau nhằm cố gắng cạnh tranh với những đối tác sinh học Lý thuyết dựa trên công trình thực hiện bởi Hebb (1949), Rosenbatt (1961), Kohanen (1987), Widrow-Hoff (1960) và những người khác Khái niệm lô gíc mờ được Zadeh (1965) giới thiệu Lô gíc mờ này

đã được phát triển cho phép máy tính mô hình hóa tính lơ đãng của con người (human vagueness) Những bộ điều khiển lô gíc mờ, trong khi thiếu vắng phương pháp thiết kế mãnh liệt chính thức những kỹ thuật khác, đã cho đưa ra điều khiển bền vững mà không cần thiết phải mô hình hóa hành vi động của hệ thống Những tác giả trong lĩnh vực này có thể kể đến (bao gồm): Mamdani (1976), Sugeno (1985), Sutton (1991) và Tong (1978)

1.2 Cơ sở hệ thống điều khiển

1.2.1 Khái niệm hệ thống

Trước khi thảo luận cấu trúc một hệ điều khiển cần phải định nghĩa một hệ thống (a system) có nghĩa là gì? Hệ thống có nghĩa những vật khác nhau đối với người khác nhau, có thể bao gồm những hệ thống thuần vật lý như bàn máy của

Hình 1.2 Khái niệm hệ thống

Hình 1.3 Tàu thủy là một hệ động

công cụ máy điều khiển máy tính số (CNC) hoặc nói một cách khác những thủ tục cần thiết để mua những vật liệu thô cùng với điều khiển hàng tồn kho (kiểm

kê, inventory) trong một hệ thống kế hoạch hóa yêu cầu vật liệu (Material Requirements Planning System)

Tổng quát, một hệ thống có thể được định nghĩa là một bộ sưu tập của vật chất, các bộ phận, các phần tử hoặc các thủ tục được bao gồm trong một giới

hạn được định rõ nào đó như trong Hình 1.2 Một hệ thống có thể có nhiều đầu

Trong công nghệ học điều khiển, cách mà đầu ra hệ thống đáp ứng đối với sự thay đổi đầu vào hệ thống (nghĩa là đáp ứng hệ thống) rất quan trọng

Trong trường hợp tàu thủy được cho trong Hình 1.3 Bánh lái và máy là đầu

vào điều khiển mà giá trị của chúng có thể được điều chỉnh để điều khiển đầu ra nào đó, ví dụ hướng tàu và vận tốc chạy tới Gió, sóng và dòng chảy là những đầu vào nhiễu loạn và chúng làm phát sinh sai số trong các đầu ra (được gọi là biến số được điều khiển) vị trí, hướng, tốc độ chạy tới ngoài ra, nhiễu loạn sẽ gây ra chuyển động của tàu gia tăng (lắc ngang, lắc dọc và trượt dọc) là những chuyển động không mong muốn

Hình 1.4 Đầu vào và đầu ra hệ thống Một

quát, mối quan hệ giữa đầu vào điều khiển, đầu vào nhiễu loạn, nhà máy và biến

được điều khiển được cho trong Hình 1.4.

1.2.2 Hệ thống vòng mở (hệ mở)

Hình 1.4 biểu diễn một hệ thống vòng mở (gọi ngắn gọn là hệ mở) và được

dùng cho những ứng dụng rất đơn giản Vấn đề chủ yếu của hệ mở là biến được điều khiển nhạy cảm với những thay đổi đầu vào nhiễu loạn Vì vậy, ví dụ, nếu một lò sưởi ga được bật lên ở trong phòng, và nhiệt độ tăng lên tới 20oC, nhiệt

độ sẽ duy trì tại giá trị đó trừ khi có nhiễu loạn Nhiễu loạn có thể được gây ra bởi để cửa phòng mở chẳng hạn Hoặc nói cách khác bằng thay đổi môi trường bên ngoài Trong cả hai trường hợp nhiệt độ phòng sẽ thay đổi Để duy trì nhiệt

độ phòng không đổi cần một cơ cấu thay đổi đầu ra năng lượng từ lò sưởi ga

1.2.3 Hệ thống vòng kín (hệ kín)

Đối với hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng, yêu cầu đầu tiên là nhận ra hoặc cảm biến thay đổi nhiệt độ phòng Yêu cầu thứ hai là điều khiển hoặc thay đổi đầu ra năng lượng của lò sưởi ga, nếu nhiệt độ phòng được cảm biến khác với nhiệt độ phòng mong muốn Nói chung, một hệ thống được thiết kế để điều khiển đầu ra của một thiết bị (nhà máy) phải chứa đựng ít nhất một bộ cảm biến

và một bộ điều khiển như được biểu diễn trong Hình 1.5.

Hình 1.5 Hệ kín Hình 1.5 trình bày một sơ đồ khối tổng quát cho một hệ thống điều khiển

vòng kín, hoặc cũng gọi là hệ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển và thiết bị nằm dọc theo đường truyền thẳng (forward path), còn bộ cảm biến thì nằm trong đường phản hồi (feedback path) Giá trị đầu ra thiết bị đo được so sánh với giá trị mong muốn tại điểm tính tổng (summing point, cũng có thể gọi là phần tử so sánh, comparison element) Sự khác nhau, hoặc sai số (error) được cấp cho bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh thiết bị cho đến khi đầu ra thiết bị bằng với giá trị mong muốn Sự bố trí như vậy đôi khi được gọi là một

hệ thống chấp hành sai số (an error-actuated system)

1.3 Ví dụ hệ thống điều khiển

1.3.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong phòng

Biểu diễn vật lý hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng được cho trong Hình

1.6 Ở đây tín hiệu ra từ thiết bị cảm biến nhiệt độ là cặp nhiệt độ hay nhiệt kế

điện trở được so sánh với nhiệt độ mong muốn Bất kỳ sự khác nhau hoặc sai số nào làm cho bộ điều khiển gửi một tín hiệu điều khiển cho van solenoid khí tạo

ra chuyển động tuyến tính của sống van, vì thế điều khiển lưu lượng khí tới bộ đốt của lò sưởi ga Nhiệt độ mong muốn thường thu được từ điều chỉnh bằng tay biến trở (potentiometer)

Hình 1.6 Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng

Sơ đồ khối chi tiết được cho trong Hình 1.7 Những giá trị vật lý của các tín

hiệu xung quanh vòng điều khiển được cho trong ngoặc

Điều kiện tĩnh sẽ tồn tại khi nhiệt độ thực và nhiệt độ mong muốn giống nhau, và đầu vào nhiệt lượng cân bằng chính xác với tổn thất nhiệt qua các bức tường của tòa nhà Hệ thống làm việc theo hai chế độ:

(a) Điều khiển tỷ lệ (Proportional control): Ở đây chuyển động tuyến tính của sống van tỷ lệ với sai số Chuyển động này cung cấp một điều chế liên tục đầu vào nhiệt cho phòng tạo ra điều khiển nhiệt độ rất chính xác Chuyển động này được áp dụng khi điều khiển nhiệt độ, ý nói là hơn 1oC, được yêu cầu (nghĩa là phòng mổ bệnh viện, các phòng chuẩn công nghiệp…), mà ở đó sự chuẩn xác quan trọng hơn rất nhiều so với giá cả

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển máy nâng cho máy bay phản lực

(b) Điều khiển mở tắt (On-off control): Cũng được gọi là điều khiển tĩnh nhiệt hay điều khiển bang-bang (bang-bang control), van ga hoặc được mở hết cỡ hoặc đóng hết cỡ, nghĩa là lò sưởi chạy (on) hoặc tắt (off) Dạng điều khiển này tạo ra một dao động khoảng 2 hoặc 3oC xung quanh nhiệt độ mong muốn, nhưng

dễ thực hiện và được sử dụng cho những ứng dụng rẻ tiền (ví dụ hệ thống sưởi trong nhà)

1.3.2 Điều khiển máy nâng máy bay

Trong thuở bay ban đầu (in early days of flight), mặt điều khiển của máy bay được thao tác bằng dây cáp nối liền giữa cột điều khiển, máy nâng và cánh nhỏ của máy bay Máy bay cao tốc hiện đại yêu cầu những thiết bị trợ giúp công suất hoặc cơ quan phụ để cung cấp những lực lớn cần thiết thao tác các mặt điều

khiển Hình 1.8 biểu diễn một hệ thống điều khiển máy nâng cho máy bay phản

lực cao tốc

Chuyển động của cột điều khiển tạo ra tín hiện từ bộ cảm ứng góc đầu vào được so sánh với góc máy nâng đo được bằng bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai số Chuyển được này được cung cấp cho van phụ điện thủy lực tạo ra chuyển động của van ống (spool valve) tỷ lệ với tín hiệu điều khiển, vì vậy cho phép chất lỏng cao áp vào trong xi lanh thủy lực Sự chênh lệch áp suất qua pít tông cung cấp lực chấp hành (actuating force) để hoạt động máy nâng

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển máy nâng

Cơ quan phụ thủy lực có tỷ số năng lượng - trọng lượng tốt, và lý tưởng cho những ứng dụng yêu cầu tạo ra lực lớn bằng những thiết bị nhỏ nhẹ

Trong thực tế, một bộ ‘mô phỏng cảm giác’ (a feel simulator) được gắn với cột điều khiển cho phép phi công cảm nhận được độ lớn của lực khí động học tác dụng lên các mặt điều khiển, do đó tránh được tải thừa của cánh và đuôi máy bay Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển máy nâng được cho trong Hình 1.9

1.3.3 Máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC)

Nhiều hệ thống hoạt động theo điều khiển máy tính Hình 1.10 cho một ví dụ

hệ thống máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC)

Thông tin liên quan tới hình dáng của chi tiết (work-piece) và bởi vậy chuyển động của bàn máy được lưu trong chương trình máy tính Thông tin được làm trễ theo định dạng số (digital format), theo một dạng chuỗi tới bộ điều khiển và được so sánh với tín hiệu phản hồi xung số từ bộ mã hóa trục quay (shaft encoder) để tạo ra tín hiệu sai số xung số Tín hiệu này được chuyển đổi sang tín hiệu điều khiển liên tục, sau khi được khuếch đại sẽ điều chế động cơ servo một chiều Nối liền với trục quay đầu ra của động cơ servo (trong một số trường hợp qua hộp số) là vít dẫn hướng (lead-screw) được gắn liền với bàn máy, bộ mã hóa trục quay và bộ đo tốc độ quay của trục (tachogentorator) Mục đích của thiết bị sau tạo ra tín hiện liên tục (analogue signal) tỷ lệ với vận tốc là

để định dạng cho vòng điều khiển bên trong, hoặc điều khiển thứ cấp nhằm giảm