CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Các định nghĩa Hệ thống (System): tập hợp các phần tử có quan hệ hữu cơ với nhau, tác động chi phối lẫn nhau theo các quy luật nhất định, ví dụ hệ thống sưởi, hệ thống điều hòa, hệ thống giao thông, hệ thống điện, hệ thống ngân hàng, hệ thống giáo dục, hệ thống chính trị, hệ thống tuần hoàn trong sinh vật… Điều khiển (Control): tác động lên hệ thống để đạt mục tiêu nào đó, ví dụ điều khiển vận tốc và hướng xe chạy trên đường, điều khiển phanh chống bó (ABS Anti- Lock Braking System), điều khiển tần số và điện áp máy phát, diều khiển giao thông. Hệ thống điều khiển (Control System) (HTĐK): bao gồm Đối tượng được điều khiển, gọi tắt là Đối tượng (Object) và Bộ điều khiển (Controller), Bộ điều khiển giám sát và tác động đến đối tượng thông qua sự thay đổi năng lượng cung cấp cho đổi tượng, ví dụ tăng công suất điện thì lò nóng hơn, người lái xe thay đổi vận tốc xe bằng cách thay đổi lượng hòa khí được đốt. Đối tượng ở đây rất đa dạng, trong hệ thống vật lý ta có đối tương cơ, nhiệt, điện…; trong kinh tế, sinh học… có nhiều loại đối tượng khác nhau.Thuật ngữ tiếng Anh thường dùng các từ như Plant, Process để chỉ Đối tượng. Điều chỉnh (Regulate) là duy trì một giá trị ổn định cho trạng thái của hệ thống, điều chỉnh có phạm vi hẹp hơn điều khiển, ta có bộ điều chỉnh, hệ thống điều chỉnh, ví dụ hệ thống điều chỉnh thân nhiệt của sinh vật , ổn áp 5V.
ổn định tần số lưới điện. Nhiễu loạn (Disturbance): là những tác động không mong muốn lên hệ thống gây giảm chất lượng điều khiển, ví dụ đóng mở cửa ra vào của phòng có điều hoà, thay đổi tải động cơ. Bộ điều khiển cần phải lấy thông tin về đối tượng và môi trường xung quanh bởi các bộ cảm biến để có thể tác động phù hợp lên đối tượng. Nếu việc điều khiển có sự tham gia của con người, ta gọi là điều khiển bằng tay (manual control), ví dụ lái xe có tài xế; nếu không có sự tham gia của con người ta có điều khiển tự động, ví dụ xe ô tô không người lái.
Giáo trình này khảo sát hệ thống điều khiển tự động. Đối tượng là hệ thống có ngõ vào là tín hiệu điều khiển và ngõ ra là tín hiệu được điều khiển, bộ điều khiển nhận ngõ vào là tín hiệu đặt và xuất tín hiệu ra là tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển có ngõ vào là tín hiệu đặt và tín hiệu ra là tín hiệu được điều khiển, bám theo tín hiệu đặt (Hình 1. Các tín hiệu vào ra có thể là vô hướng, ta gọi là hệ thống SISO (Single Input Single Output) khi hệ thống có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra, trường hợp ngược CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƢƠNG 1 lại khi tín hiệu vào ra là vector, hệ thống gọi là MIMO (Multiple Input Multiple Output) hay hệ thống đa biến (Multivariable system).1 Hệ thống điều khiển 1.2 Mục đích của lý thuyết điều khiển tự động Lý thuyết điều khiển tự động (LTĐKTĐ) khảo sát hành vi của đối tượng đưới tác động tín hiệu vào điều khiển, tính toán thiết kế bộ điều khiển để bảo đảm tín hiệu ra đạt mong muốn của tín hiệu đặt.
LTĐKTĐ là kết hợp giữa nền tảng toán học và kỹ thuật, áp dụng đầu tiên cho kỹ thuật nhưng đã phát triển thêm cho các ngành khác như xã hội, kinh tế, tài chính, chính trị, sinh lý học, y sinh… Điều khiển tự động rất quan trọng trong khoa học và kỹ thuật, trong công nghiệp cũng như dân dụng. Các bài toán thường gặp trong điều khiển là điều khiển vị trí, vận tốc, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, lưu lượng… Nội dung LTĐKTĐ bao gồm ba vấn đề chính: - Nhận dạng hệ thống (Identification): xây dụng mô hình toán của đối tượng cần điều khiển thông qua các tín hiệu kích thích và tín hiệu ra. - Phân tích hệ thống (Analyse): Khảo sát đáp ứng ra với các tín hiệu vào khác nhau dựa vào mô hình toán của đối tượng. - Thiết kế bộ điểu khiển (Design Controller): Tinh toán bộ điều khiển để tín hiệu ra hệ thống đạt yêu cầu của tín hiệu đặt.2 PHÂN LOẠI HTĐK HTĐK được chia làm HTĐK vòng hở và HTĐK vòng kín.
- HTĐK vòng hở (Hình 1.2) tác động đến ngõ vào của đối tượng thông qua tín hiệu điều khiển, tín hiệu này không phụ thuộc ngõ ra thực tế, dòng tín hiệu trong hệ thống đi theo một chiều, khi chịu tác động của nhiễu loạn bên ngoài, tín hiệu ra sẽ thay đổi không như mong muốn, ví dụ người lái xe để tay ga cố định sao cho trên đường bằng vận tốc là 40km/g khi xuống dốc vận tốc sẽ tăng lên và khi lên dốc vận tốc giảm xuống, lấy ví dụ khác là điều khiển vận tốc động cơ một chiều bằng cách đưa điện áp cố định vào động cơ, khi có nhiễu loạn tải tác động vận tốc quay động cơ sẽ giảm. 2 ĐẠI CƢƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hình 1.2 Điều khiển vòng hở - HTĐK vòng kín còn gọi là HTĐK hồi tiếp, sử dụng thông tin từ tín hiệu đặt r(t) và tín hiệu ra y(t) để đưa vào bộ điều khiển.3 tín hiệu sai lệch là e(t) = r(t) - yf(t), tín hiệu yf(t) gọi là tín hiệu hồi tiếp lấy từ cảm biến đo tín hiệu ra y(t), tín hiệu điều khiển u(t) được tạo ra từ e(t) theo luật điều khiển, còn gọi là thuật toán điều khiển, như vậy khi y(t) tăng /giảm thì yf(t) tăng /giảm và e(t) giảm /tăng kéo y(t) thay đổi theo, nhờ đó duy trì y(t) theo tín hiệu đặt r(t). HTĐK hồi tiếp giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn, bảo đảm tín hiệu ra y(t) bám theo tín hiệu đặt r(t). Trong phần sau khi ta nói đến HTĐK là nói về HTĐK hồi tiếp.3 HTĐK hồi tiếp HTĐK rất phổ biến trong công nghiệp, khoa học và dân dụng, trong xã hội con người cũng như trong sinh vật, bàn ủi điện, lò nướng, máy điều hoà … là các thiết bị tự động thường gặp, cơ thể sinh vật có các hệ thống tự động như ổn định thân nhiệt, huyết áp, điều khiển cử động, di chuyển của cơ thể, trong chính trị xã hội cơ chế lãnh đạo với tiếp nhận và xử lý phản hồi của người dân là hệ thống điều khiển chính trị tốt.
HTĐK còn được phân loại theo: - HTĐK ổn định còn gọi là Hệ thống điều chỉnh (regulator): tín hiệu đặt không đổi. - HTĐK bám (tracking, servo): tín hiệu đặt thay đổi theo thời gian và tín hiệu ra phải bám theo tín hiệu này với sai số nhỏ. - HTĐK tuyến tính (linear control system): khảo sát các đối tượng tuyến tính thoả mãn tính chất chồng chập u1 →y1, u2 →y2 thì au1+bu2→ ay1+by2 3 CHƢƠNG 1 Tất cả hệ thống thực đều là phi tuyến, khi biên độ tín hiệu còn nhỏ hệ thống có thể xem là tuyến tính nhưng khi tín hiệu trở nên lớn tính phi tuyến sẽ bộc lộ, vi dụ ngõ ra của OPAM dùng trong các bộ điều khiển bị giới hạn bởi điện áp nguồn, đặc tính từ của lõi sắt là phi tuyến, khe hở giữa các bánh răng, đặc tính phi tuyến của lò xo… Lấy ví dụ ngõ vào của đối tượng có tính bão hoà, ta điều khiển nhiệt độ lò bằng cách dùng Triac thay đổi công suất điện bởi tín hiệu điều khiển u, công suất vào lò là uPmax như vậy nếu bộ điều khiển cung cấp tín hiệu u lớn hơn 1 hay âm thì đều bị giới hạn, u bị giới hạn từ 0 đến 1, và chất lượng điều khiển thực tế sẽ khác so với khi khảo sát bằng phương pháp tuyến tính. Với những dạng phi tuyến loại này ta thường thiết kế trên cơ sở tuyến tính sau đó mô phỏng trên máy tính với mô hình phi tuyến và chỉnh sửa lại.
Mặc dù đối tượng điều khiển đa số là phi tuyến tuy nhiên khi hoạt động ở lân cận một điểm làm việc nào đó, có thể dùng phương pháp tuyến tính hoá để đưa hệ thống về hệ tuyến tính. Lý thuyết điều khiển tuyến tính khảo sát hệ thống tuyến tính và dùng làm cơ sở để khảo sát các hệ phức tạp hơn. - HTĐK phi tuyến (nonlinear control system): nhiều đối tượng được mô tả bằng phương trình vi phân phi tuyến và phải dùng lý thuyết điều khiển phi tuyến để khảo sát, đây là bài toán khó do sự đa dạng của tính phi tuyến. - HTĐK liên tục (continuous control): các tín hiệu là liên tục theo thời gian, bộ điều khiển được thực hiện trên cơ sở các linh kiện analog OPAM và khó thực hiện các thuật toán xử lý phức tạp, đây là các thiết kế cổ điển khi công nghệ vi xử lý chưa phát triển, ngày nay việc xử lý thông tin và tính toán đều dựa trên vi xử lý, do đó hầu hết các bộ điều khiển hiện đại đều dùng công nghệ vi xử lý theo lỳ thuyết hệ thống điều khiển rời rạc.
- HTĐK rời rạc còn gọi là hệ thống điều khiển số (discrete control, digital control) (Hình 1.4): các tín hiệu có dạng rời rạc theo chu kỳ lấy mẫu và được lượng tử hoá. Bộ điều khiển đươc thiết kế dùng vi điều khiển hay máy tính, các thuật toán phức tạp được thực hiện dễ dàng nhờ phần mềm.4 HTĐK số - HTĐK bất biến: các thông số hệ thống không thay đổi theo thời gian, HTĐK tuyến tính bất biến (LTI Linear Time Invariant) là đối tượng khảo sát chính của giáo trình này. - HTĐK thông số thay đổi theo thời gian: khó khảo sát, ví dụ như điều khiển hành trinh tên lửa khi khối lượng nhiên liệu giảm dần theo thời gian. 4 ĐẠI CƢƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - HTĐK tiền định (deterministic) và ngẫu nhiên (stochastic): HTĐK ngẫu nhiên là hệ thống chịu tác động nhiễu bất định ngẫu nhiên không biết trước, còn HTĐK tiền định có nhiễu đã được biết và có cách đối phó phù hợp.
- HTĐK tối ưu (optimal): luật điều khiển cực tiểu chỉ tiêu xác định - HTĐK thích nghi (adaptive): bộ điều khiển thay đổi luật điều khiển cho phù hợp với sự thay đổi của đối tượng và môi trường. - HTĐK bền vững (robust): hệ thống được thiết kế sao cho chất lượng được thoả mãn khi thông số đối tượng hay nhiễu loạn thay đổi trong giới hạn. - HTĐK thông minh (intelligent): bộ điều khiển được thiết kế theo suy luận mờ (fuzzy logic), mô phỏng sinh vật (thuật toán di truyền, mạng nơrôn) 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐKTĐ ĐKTĐ đã xuất hiện ngay cả trước công nguyên và vẫn tiếp tục phát triển cho đến ngày nay.