Bài
Bài giảng giảng môn môn học học
Điều
Điều Khiển Khiển Tự Tự Động Động
Bộ Môn : Cơ Điện Tử
∗ Số tiết : 45 tiết
∗ Giảng viên: ThS. Nguyễn Tấn Phúc.
∗ Giáo trình:
Sách: Điều khiển tự động, NTH, ĐHSPKT, 2006 File: tinyurl.com/gtdktd3 (1,6MB)
∗ Tài liệu tham khảo:
Sách: Modern Control Engineering , K. Ogaka Modern Control Systems, RC. Dorf File: tinyurl.com/mcepdf (46MB)
tinyurl.com/mcspdf11 (34MB)
∗ Đánh giá : Chuyên cần 10% + Thi cuối kỳ 90%
Điều Khiển Tự Động
∗ Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả, phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động.
Mục đích môn học
• Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động
• Chương 2: Mô tả toán học
phần tử và hệ thống điều khiển
• Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống
• Chương 4: Tính ổn định của hệ thống
• Chương 5: Chất lượng hệ thống điều khiển
• Chương 6: Thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống
• Chương 7: Hệ thống điều khiển rời rạc.
Nội dung môn học
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 1.3 Các nguyên tắc điều khiển
1.4 Phân loại hệ thống 1.5 Các bài toán cơ bản 1.6 Ví dụ ứng dụng
1.7 Sơ lược lịch sử phát triển
Chương 1:
Tổng quan về điều khiển tự động
1) Điều khiển
Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h 1. Thu thập thông tin: Mắt quan sát đồng hồ tốc độ.
2. Xử lý thông tin: Não so sánh v mong muốn và v thực tế ⇒ ra quyết định tăng / giảm ga.
3. Tác động: Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga.
Kết quả : xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h
∗ Điều khiển = quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tinvà tác động lên hệ thống.
∗ Điều khiển = “can thiệp” vào hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước.
∗ Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người gọi là điều khiển tự động.
1.1 Các khái niệm cơ bản
Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H0 1. Thu thập thông tin: Thiết bị đo = phao
2. Xử lý thông tin: Bộ điều khiển = hệ thống đòn bẩy.
3. Tác động: Cơ cấu tác động = van.
1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)
Mức nước H0 có thể thay ñổi bằng cách ñiều chỉnh ñộ dài thanh nối phao-ñòn bẩy.
2) Tín hiệu
∗ Lý thuyết thông tin: tín hiệu = nội dung thông tin.
∗ Bản chất vật lý: tín hiệu = đại lượng vật lý.
(điện áp, dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ,…)
∗ Toán học: tín hiệu = hàm số theo thời gian.
( u(t), i(t), v(t), x(t), p(t), θ(t),.... )
∗ Trên sơ đồ khối: các tín hiệu vào/ra = các mũi tên
1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)
• Ví dụ về các tín hiệu vào, ra
ñiện áp u(t) vận tốc n(t) góc quay ϕ(t) ðộng cơ ñiện
lưu lượng, áp suất vận tốc, vị trí, lực Xylanh lực
Nhiệt ñộ công suất
Lò nhiệt
Van lưu lượng, áp suất vị trí nòng van
(ñộ nâng, góc mở)
Chiết áp ðiện áp
vị trí con trượt (lượng di ñộng)
r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị ñặt trước (SetPoint) y(t) : tín hiệu ra (output), biến ñược ñiều khiển (controlled variable),
giá trị thực (Process Value) yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback) e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error) u(t) : tín hiệu ñiều khiển
z(t): tín hiệu nhiễu
1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển
yht = K.y ; e= r- yht
Nếu K=1 thì: e=r-y
e(t) u(t)
Bộ ñiều khiển
r(t) ðối tượng ðK y(t)
Thiết bị ño yht(t)
z(t)
3 thành phần cơ bản: ðối tượng ñiều khiển, thiết bị ño (cảm biến), bộ ñiều khiển.
1.3 Các nguyên tắc điều khiển
1.3.1 Nguyên tắc ñiều khiển giữ ổn ñịnh
M ụ c tiêu: Duy trì ñ áp ứ ng y= h ằ ng s ố ñị nh tr ướ c
ð i ề u khi ể n bù nhi ễ u
ð i ề u khi ể n san b ằ ng sai l ệ ch
ð i ề u khi ể n ph ố i h ợ p
1.3.2 Nguyên tắc ñiều khiển theo chương trình M ụ c tiêu: T ạ o ñ áp ứ ng y(t) có ñặ c tính th ờ i gian ñị nh tr ướ c (ch ươ ng trình=hàm th ờ i gian).
1.3.3 Nguyên tắc ñiều khiển thích nghi
M ụ c tiêu: ð i ề u khi ể n các ñố i t ượ ng có mô hình
toán và thông s ố ñộ ng (thay ñổ i trong quá trình
làm vi ệ c do ả nh h ưở ng c ủ a môi tr ườ ng).
1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định
1) ðiều khiển bù nhiễu (feedforward control)S ñ:
Ví d:
u(t) Bộ ñiều khiển
r(t) ðối tượng y(t)
z(t)
ðc ñim:
- u(t) ñược hình thành dựa trên giá trị ño ñược của nhiễu.
- Tác ñộng nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu.
- Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không ño ñược) thì ñáp ứng sẽ kém chính xác.
Nñộ ngoài trời
Lò sưởi Nñộ phòng
Nhiệt kế
Phòng Bộ ðK
Nñộ yêu cầu
∗ Đặc điểm:
- u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra.
- Có thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu không biết trước/
không đo được ⇒ có khả năng tạo đáp ứng chính xác.
- Quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai -> sửa sai).
1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
2) ðiều khiển san bằng sai lệch (feedback control)
S ñ:
Ví d:
e(t) u(t)
Bộ ñiều khiển r(t)
ðối tượng z(t) y(t)
Nñộ ngoài trời
Máy lạnh Nñộ phòng
Phòng Bộ ðK
Nñộ ñặt e u
Cảm biến nhiệt
∗ Đặc điểm: Kết hợp mạch bù nhiễu và mạch hồi tiếp.
- Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng của các nhiễu đo được.
- Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo ra bởi các nhiễu không đo được.
1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
3) ðiều khiển phối hợpS ñ:
e(t) u(t)
Bộ ñiều khiển r(t)
ðối tượng
y(t) z(t)
∗ Đặc điểm:
- Sử dụng thêm một bộ chỉnh định.
- Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số của bộ điều khiển sao cho hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường.
1.3.3 Nguyên tắc ĐK thích nghi
S ñ:
u(t) ðiều khiển
r(t)
ðối tượng
y(t) z(t)
Chỉnh ñịnh v(t)
1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp
∗ Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp.
Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp.
∗ Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp ⇒ chỉ phù hợp với các ứng dụng không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao.
1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học
∗ Hệ liên tục
∗ Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian
∗ Mô tả bằng phương trình vi phân
∗ Hệ rời rạc
∗ Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số
∗ Mô tả bằng phương trình sai phân
1.4 Phân loại hệ thống điều khiển
∗ Hệ tuyến tính (lý tưởng)
∗ Đặc tính tĩnh của các phần tử là tuyến tính (tín hiệu ra ở xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào).
∗ Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân tuyến tính.
∗ Áp dụng được nguyên lý xếp chồng đáp ứng.
⇔ Nếu có nhiều tín hiệu vào đồng thời: r1, r2,…, rn Thì tín hiệu ra: y = y1 + y2 +…+ yn
∗ Hệ phi tuyến
∗ Các hệ thống thực tế đều là phi tuyến (Rơle ON-OFF, khuếch đại bão hoà, khe hở, trễ, chết,…).
∗ Có thể tuyến tính hoá nếu giá trị các biến chỉ thay đổi trong phạm vi nhỏ.
1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)
∗ Hệ bất biến (hệ dừng)
∗ Các thông số của hệ (như khối lượng, độ cứng, ma sát, R, L, C) là hằng số theo thời gian.
∗ Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng.
∗ Đáp ứng của hệ không phụ thuộc thời điểm tác động tín hiệu vào.
∗ Hệ biến đổi theo thời gian (hệ không dừng)
∗ Ví dụ : tên lửa có khối lượng m= m(t).
1.4.3 Phân loại theo số lượng tín hiệu vào-ra
∗ Hệ SISO (Single Input – Single Output): một ngõ vào – một ngõ ra.
∗ Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output) : nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra.
Môn học Điều khiển tự động (45 tiết) chủ yếu khảo sát các hệ thống tuyến tính bất biến SISO.
1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)
1) Bài toán phân tích
Biết cấu trúc và thông số của hệ thống.
Yêu cầu:
∗ Xét tính ổn định của hệ thống ⇔ y(∞) = const ?
∗ Tìm hàm đáp ứng y(t) khi biết tín hiệu vào r(t).
∗ Biểu diễn y(t) bằng đồ thị.
∗ Đánh giá chất lượng quá trình điều khiển (xác định sai số xác lập e (∞), thời gian ổn định ts , độ vọt lố POT,…).
1.5 Các bài toán cơ bản
1.5 Các bài toán cơ bản
2) Bài toán thiết kế
Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển.
Yêu cầu:
∗ Thiết kế bộ điều khiển (xác định loại và thông số tối ưu của bộ điều khiển) để hệ thống đạt yêu cầu chất lượng đã đề ra.
1.5 Các bài toán cơ bản
∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi
1.6 Các ví dụ ứng dụng
∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC
1.6 Các ví dụ ứng dụng
∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo
1.6 Các ví dụ ứng dụng
∗ Hệ thống điều khiển máy trộn
1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)
∗ Hệ thống điều khiển nhiệt độ
1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)
∗ Hệ thống điều khiển máy CNC
1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)
∗ Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960)
∗ Maxwell (1968) mô tả hệ thống bằng ph. trình vi phân, tuyến tính hoá tại điểm làm việc, chứng minh tính ổn định của hệ phụ thuộc vào các nghiệm có phần thực dương của ph. trình đặc tính.
∗ Routh (1877), Hurwitz (1895): Tiêu chuẩn ổn định đại số.
∗ Nyquist (1932), Bode (1940s): Tiêu chuẩn ổn định tần số.
∗ Evans (cuối 1940s - đầu 1950s): Phương pháp quỹ đạo nghiệm.
∗ Sử dụng các mô hình toán: hàm truyền, đáp ứng tần số.
∗ Ứng dụng thiết kế hệ liên tục tuyến tính SISO, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển sớm-trễ pha.
∗ Lý thuyết điều khiển hiện đại (~ 1960 đến nay)
∗ Sử dụng mô hình toán: phương trình trạng thái.
∗ Ứng dụng thiết kế hệ MIMO, bộ điều khiển số: vi xử lý, máy tính.
∗ Lý thuyết điều khiển thông minh
∗ Điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền.
∗ Thiết kế hệ thống không cần dùng mô hình toán học.
