Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển

Mô tả toán học hệ thống bằng phương trình trạng thái Áp dụng được cho hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO), thay đổi theo thời gian và cho hệ thống phi tuyến Bộ điều khiển chủ yếu[r]

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

CT377

CBGD: TS Nguyễn Chánh Nghiệm

Đơn vị: Bộ môn Tự động hóa

Email: ncnghiem@ctu.edu.vn

Thông tin học phần

Mục tiêu học phần:

Trang bị các phương pháp kinh điển để phân tích và

thiết kế hệ thống điều khiển hồi tiếp:

Xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái mô tả

hệ thống.

Phân tích đặc tính động học của hệ thống.

Đánh giá tính ổn định và chất lượng hệ thống điều

khiển.

Thiết kế bộ điều khiển sớm pha, trễ pha, PID.

Sử dụng phần mềm MATLAB trong phân tích và thiết

kế.

Tài liệu tham khảo

[3] Nguyễn Thị Phương Hà, “Bài tập điều khiển tự động”, NXB

ĐHQG – TP Hồ Chí Minh, 2009.

[4] Katsuhiko Ogata, “Modern Control Engineering”, Aeeizh, 2002.

[5] Norman S Nise, “Control system Engineering”, John Wiley &

Thông tin học phần – Lịch giảng dạy dự kiến

2 - 4 Chương 2: Mô tả toán học hệ thống liên tục

5 - 7 Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống

9 - 11 Chương 4: Khảo sát tính ổn định của hệ thống

12 - 13 Chương 5: Chất lượng của hệ thống điều khiển

Thông tin học phần

Cách học:

Đọc các tài liệu có liên quan trước mỗi buổi học

Đi học đầy đủ, giải bài tập trên lớp và ở nhà

B C+

C D+

D

Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển

Mục tiêu: Sau khi học xong chương này sinh viên

có thể:

Hiểu biết cơ bản về hệ thống điều khiển và hệ thống điều

khiển tự động, đưa ra một số ví dụ

Biết được lịch sử của hệ thống điều khiển và vai trò của nó

Nhận biết được các thành cơ bản của hệ thống điều khiển

Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển

1.1 Khái niệm điều khiển

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

1.3 Phân loại các hệ điều khiển

1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển

1.5 Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động

1.1 Khái niệm điều khiển

Tăng hoặc giảm tay ga

=> Thu thập thông tin

=> Xử lý thông tin

=> Tác động lên hệ thống

Kết quả: người lái xe điều khiển xe chạy với tốc độ “gần” 40 km/h

 Quá trình điều khiển

Mục tiêu

1.1 Khái niệm điều khiển

Think-Pair-Share:

Hãy cho ví dụ về một quá trình điều khiển

1.1 Khái niệm điều khiển

Điều khiển là gì?

Định nghĩa 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 “gần” với mục tiêu định trước.

Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không

cần sự tác động của con người.

1.1 Khái niệm điều khiển

Tại sao cần phải điều khiển?

Đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu.

Muốn tăng độ chính xác.

Muốn tăng năng suất, tăng hiệu quả kinh tế.

1.1 Khái niệm điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Bộ điều khiển Đối tượng ĐK

- r(t): tín hiệu đặt, tín hiệu chuẩn, tín hiệu tham chiếu

- y(t): tín hiệu ra, đáp ứng

- y ht (t): tín hiệu hồi tiếp

- e(t): sai số

- u(t): tín hiệu điều khiển

1.1 Khái niệm điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Đối tượng: trong thực tế, đối tượng điều khiển rất đa dạng,

1.1 Khái niệm điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Cảm biến: thu thập và xử lý tín hiệu

Cảm biến có thể là loại tiếp xúc hoặc không tiếp xúc, được

1.1 Khái niệm điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Bộ điều khiển: xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển

 Contactor, relay, timer, solenoid

 Điều khiển tương tự hoặc điều khiển số

1.1 Khái niệm điều khiển

Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng hở (Open-loop control)

Điều khiển vòng kín (Closed-loop control)

Bộ điều khiển Đối tượng

1.1 Khái niệm điều khiển

Hệ thống điều khiển vòng hở

Ưu điểm

 Đơn giản và dễ thiết kế

 Rẻ hơn do sử dụng ít thành phần xây dựng bộ điều

khiển

 Dễ bảo trì và thường ổn định

Nhược điểm

 Ít chính xác

 Ảnh hưởng bởi nhiễu

 Không bền vững (nếu thông số hệ thống thay đổi,

ngõ ra thay đổi)

1.1 Khái niệm điều khiển

Các bài toán cơ bản trong điều khiển tự động:

Phân tích hệ thống: biết trước cấu trúc và thông số, tìm

đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ thống

 Luôn giải được

Thiết kế hệ thống: biết trước cấu trúc và thông số, thiết kế

bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về

chất lượng

 Có thể giải được

Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số, xác

định cấu trúc và thông số của hệ thống

 Không phải lúc nào cũng giải được

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi

Điều khiển bù nhiễu

* Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, cần có:

- Một dòng thông tin từ bộ điều khiển đến đối tượng

- Một dòng thông tin từ đối tượng ngược về bộ điều khiển

Bộ điều khiển Đối tượng

n(t)

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu

n(t): tín hiệu nhiễu

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi

Điều khiển san bằng sai lệch

Bộ điều khiển Đối tượng

Cảm biến

+

yht(t)

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi

Điều khiển phối hợp

Bộ điều khiển Đối tượng

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng

Đối tượng điều khiển đa dạng nên bộ điều khiển cũng

phải đa dạng phù hợp với đối tượng

Ví dụ:

 Điều khiển cân khối lượng cho hệ thống cân bao gạo

và hệ thống cân đóng gói bao thuốc trong y tế.

 Điều khiển mực nước trong bồn chứa của khách sạn

và mực chất lỏng trong các dây chuyền sản xuất.

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài

Một hệ thống luôn chịu tác động qua lại chặt chẽ với môi

trường Và xem như có một đối tượng chưa biết (hộp đen)

tác động vào hệ thống

Ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen

Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì không thể

bỏ qua nhiễu của môi trường khi thiết kế bộ điều khiển

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ

Cần có lực lượng dự trữ để đảm bảo hệ thống vận hành an

toàn khi các bất trắc xảy ra

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp

Đối với hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều

lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm Thường sử dụng cấu trúc cây

Các hệ thống thường chia thành 3 cấp:

 Cấp thực thi

 Cấp phối hợp

 Cấp tổ chức và quản lý

1.2 Các nguyên tắc điều khiển

Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội

Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả

năng tự giải quyết những biến động xảy ra

1.3 Phân loại điều khiển

Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế

Hệ thống tuyến tính (Linear Systems): Hệ thống được

gọi là tuyến tính nếu áp dụng được nguyên lý xếp chồng

Hệ thống phi tuyến (Nonlinear Systems): Hệ thống được

gọi là phi tính nếu không áp dụng được nguyên lý xếp

chồng

Hệ thống bất biến (Time-Invariant Systems): Hệ số của

phương trình mô tả hệ thống là hằng số

Hệ thống biến đổi theo thời gian (Time-Varying

Systems): Hệ số của phương trình mô tả hệ thống là một

hàm theo thời gian

1.3 Phân loại điều khiển

Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống

Hệ thống liên tục (Continuous Systems): hệ thống là liên

tục nếu tín hiệu ngõ vào/ra là thời gian liên tục

Hệ thống rời rạc (Discrete Systems): hệ thống là liên tục

nếu tín hiệu ngõ vào/ra là thời gian rời rạc

1.3 Phân loại điều khiển

Phân loại theo số ngõ vào – ngõ ra của hệ thống

Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO: Single Input

– Single Output)

Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO:

Multiple Input – Multiple Output)

Phân loại theo mục tiêu điều khiển

Điều khiển ổn định hóa: tín hiệu vào là hằng số

Điều khiển theo chương trình: tín hiệu vào thay đổi

nhưng biết trước

Điều khiển theo dõi: tín hiệu vào là hàm không biết trước

Điều khiển thích nghi

Điều khiển tối ưu – hàm mục tiêu đạt cực trị

1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển

Điều khiển kinh điển

Có từ trước năm 1960

Mô tả hệ thống trong miền tần số và mặt phẳng s

Áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian

Thích hợp điều khiển các hệ 1 ngõ vào – 1 ngõ ra (SISO)

Phương pháp phân tích và thiết kế: Nyquist, Bode và quỹ

đạo nghiệm số

Các bộ điều khiển: sớm pha, trễ pha, PID

1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển

Điều khiển hiện đại

Phát triển từ khoảng 1960 đến nay

Thiết kế hệ thống dựa trên miền thời gian

Mô tả toán học hệ thống bằng phương trình trạng thái

Áp dụng được cho hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra

(MIMO), thay đổi theo thời gian và cho hệ thống phi tuyến

Bộ điều khiển chủ yếu là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển

Điều khiển thông minh

Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại được gọi là

điều khiển thông thường

Khuyết điểm của điều khiển thông thường là phải biết mô hình toán học của đối tượng

Các phương pháp điều khiển thông minh: điều khiển mờ,

mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền, …

Các bộ điều khiển thông thường kết hợp với bộ điều

khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai để điều

khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng tốt hơn.

1.5 Một số ví dụ

1.5 Một số ví dụ

Có phải là hệ thống điều khiển tự động không?

Các thành phần của hệ thống?

1.5 Một số ví dụ

Điều khiển thủ công

Điều khiển tự động

1.5 Một số ví dụ

Điều khiển xe tự động

41

http://vnexpress.net/tin-tuc/oto-xe-may/tai-xe-bo-mac-cho-xe-tu-lai-tren-cao-toc-3030759.html

Điều khiển xe tự động

CNN test-drives Googles "self-driving car“,