Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động: Bài 1 - Trường ĐH Công nghiệp TP.HCM

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động: Bài 1 Khái niệm và nguyên lý cơ bản cung cấp cho người học những kiến thức như: Sơ Đồ Khối & Hàm truyền đạt; Hệ thống điều khiển; Hệ thống điều khiển vòng hở; Hệ thống điều khiển vòng kín; Tuyến Tính và Phi Tuyến; Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỹ thuật điều khiển tự động

BÀI 1: KHÁI NIỆM

VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN

Giới thiệu

Denis Papin’s water float regulator Wall’s fly-ball governor

Giới thiệu

Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm

nào đó trong hê thống

Giới thiệu

Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt

Sơ đồ khối

Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín hiệu vào từ một số bộ phận của hệthống điều khiển và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác

Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt

Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt

Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt

Hàm truyền đạt

- là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của

phần tử:

x(t) y(t)

TF =

Hệ Thống Điều Khiển

Hệ Thống Điều Khiển

Trong đó:

r(t): tín hiệu vào, chuẩn tham chiếu (reference input), giá trị đặt trướcy(t): tín hiệu ra (output), biến / đại lượng cần điều khiển, giá tri thực

yht(t): tín hiệu hồi tiếp

e(t): tín hiệu sai lệch, sai số

u(t): tín hiệu điều khiển

z(t): tín hiệu nhiễu

Hệ Thống Điều Khiển

Xét hệ thống điều khiển như trên:

-Đối tượng điều khiển là bồn nước

-Mục tiêu điều khiển là giữ mức nước trong bồn luôn ổn định và bằng trị số H0cho trước dù lương nước tiêu thụ thay đổi như thế nào

Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không

có phụ thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình

Hệ Thống Điều Khiển Vòng Hở

Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V:

Velocity = 0.05 * 0.5 * 100 * 12 = 30 m/min

Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín

• Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động

• Điểm điều chỉnh, biến được điều khiển, biến được đo, và điểm sai lệch

Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín

• Bộ cảm biến: thực hiện đo giá trị thực

của biến được điều khiển, biến đổi thành

một đại lượng có thể sử dụng được và

phản hồi về bộ điểu khiển

• Bộ điều khiển (bao gồm cả bộ so sánh):

thực hiện cơ chế điều khiển thích hợp

nhằm làm giảm giá trị sai lệch

• Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều

khiển thành tín hiệu tác động

vc = C(xd −xa)

Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như độ chính xác của bộ truyền cơ khí

Tín hiệu điều khiển vc được xác định tùy

theo cơ chế điều khiển:

Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín

Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy

Khảo sát sự chuyển động của bàn máy khi bàn máy dịch chuyển từ vị trí 0.4 m (ban đầu) sang bên phải ở vị trí 0.64 m Giả sử thời gian lấy mẫu (phản hồi) là 0.1 giây

HTDK: Vòng Hở vs Vòng Kín

Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng kín

- đơn giản và chi phí đầu tư

- thỉnh thoảng chỉ cần kiểm tra đặc tính làm việc của bộ cảm biến

Tuyến Tính & Phi Tuyến

Khi phân tích và thiết kế, hầu hết các hệ thống điều khiển được giả sử là bao gồm các phần tử tuyến tính – phần tử cho tín hiệu ra tỷ lệ thuận với tín hiệu vào

Phần tử tuyến tính bảo toàn dạng hình học của tín hiệu vào

Tuyến Tính & Phi Tuyến

• Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tínhiệu ra Y

Linear element with a dead band nonlinearity

Tuyến Tính & Phi Tuyến

• Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệuvào X tăng hay giảm

Nonlinear element with hysteresis

Tuyến Tính & Phi Tuyến

• Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y

Linear element with a saturation nonlinearity

Mục Tiêu Của Hệ Thống Điều Khiển

Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo

3 mục tiêu sau:

• Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất

• Giảm thiểu thời gian xác lập

• Giảm thiểu độ sai lệch dư

Tiêu Chuẩn Đánh Giá HT Điều Khiển

Phương pháp kiểm nghiệm thường dùng là thay đổi giá trị điều chỉnh theo hàmbậc thang

• Suy giảm một phần tư biên độ: xác định biên độ của dao động tắt dần mà ở

đó biên độ của một đỉnh dương bằng một phần tư biên độ của một đỉnh dương trước nó

Tiêu Chuẩn Đánh Giá HT Điều Khiển

• Tích phân sai lệch tối thiểu: xác định tổng diện tích nằm dưới đường cong sai lệch phải là tối thiểu

Tiêu Chuẩn Đánh Giá HT Điều Khiển

• Giảm chấn tới hạn: được dùng khi mong muốn không xảy ra độ vọt lố

Đơn Giản Sơ Đồ Khối

Hệ thống vòng hở:

Hệ thống vòng kín:

Phân Loại Hệ Thống Điều Khiển

Phân Loại HT Điều Khiển

Hê thống điều khiển rất đa dạng, nó tùy thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển, điều kiện sử dụng …

➢ Vị trí của bộ điều khiển

• ở phòng điều khiển trung tâm → hệ thống điều khiển tập trung

• đặt gần các cơ cấu cảm biến và cơ cấu tác động → hệ thống điều khiển phân bố

Phân Loại HT Điều Khiển

➢ Môi trường công nghiệp

• Xử lý, chế biến → hệ thống điều khiển quá trình

▪ quá trình liên tục

▪ quá trình gián đoạn

• chi tiết rời → hệ thống điều khiển chế tạo

▪ gia công - điều khiển số

▪ lắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy

➢ Các nhóm khác

• cơ cấu tùy động (servo mechanism)

• điều khiển trình tự

▪ theo sự kiện

▪ theo thời gian

• bộ điều khiển khả trình (programmable controller)

Hệ Thống Điều Khiển Quá Trình

Individual local controllers

Direct computer control system

Distributed control system

Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển

Bộ điều tốc ly tâm

Dầu épCon lắc ly tâm

TảiĐộng cơ

Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển

Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển máy trộn

Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển nhiệt độ

The End