Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên 1/207 Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Phiên bản trực tuyến: http://voer.vn/m/0d7fe2e0/1 2/207 MỤC LỤC 1. Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển tự động 1. Khái niệm điều khiển 1. Các nguyên tắc điều khiển 1.
Phân loại điều khiển 1. Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển 1. Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động 2. Bài 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển liên tục 3.
Bài 3: Đặc tính động học của hệ thống 3. Khái niệm về đặc tính động học 3. Các khâu động học điển hình 3. Đặc tính động học của hệ thống tự động 3.
Khảo sát đặc tính động học của hệ thống 4. Bài 4: Khảo sát tính ổn định của hệ thống 4. Khái niệm về ổn định 4. Tiêu chuẩn ổn định đại số 4.
Phương pháp quỹ đạo nghiệm số 4. Tiêu chuẩn ổn định tần số 5. Bài 5: Đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển 5. Các tiêu chuẩn chất lượng 5.
Sai số xác lập 5. Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ 6. Bài 6: Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục 7. Bài 7: Mô tả toán học hệ thống điều khiển rời rạc 7.
Hệ thống điều khiển rời rạc 7. Phép biến đổi Z 7. Mô tả hệ thống rời rạc bằng hàm truyền 7. Mô tả hệ thống rời rạc bằng phương trình trạng thái 8.
Bài 8: Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc 8. Hệ thống điều khiển rời rạc :Khái niệm chung 8. Các tiêu chuẩn ổn định 8. Đánh giá chất lượng của hệ thống 8.
Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển rời rạc 3/207 9. Bài 9: Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển tự động 10. Bài 10: Lập trình điều khiển hệ thống tự động từ máy tính 11. Bài 11: Thảo luận và tống kết 11.
MÔ TẢ HỆ RỜI RẠC DÙNG MATLAB Tham gia đóng góp 4/207 Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển tự động 5/207 Khái niệm điều khiển Khái niệm Một câu hỏi khá phổ biến với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “Điều khiển là gì?”. Để có khái niệm về điều khiển chúng ta xét ví dụ sau. Giả sử chúng ta đang lái xe trên đường, chúng ta muốn xe chạy với tốc độ cố định 40km/h. Để đạt được điều này mắt chúng ta phải quan sát đồng hồ đo tốc độ để biết được tốc độ của xe đang chạy.
Nếu tốc độ xe dưới 40km/h thì ta tăng ga, nếu tốc độ xe trên 40km/h thì ta giảm ga. Kết quả của quá trình trên là xe sẽ chạy với tốc độ “gần” bằng tốc độ mong muốn. Quá trình lái xe như vậy chính là quá trình điều khiển. Trong quá trình điều khiển chúng ta cần thu thập thông tin về đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin về tốc độ xe), tùy theo thông tin thu thập được và mục đích điều khiển mà chúng ta có cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hay giảm ga), cuối cùng ta phải tác động vào đối tượng (tác động vào tay ga) để hoạt động của đối tượng theo đúng yêu cầu mong muốn.
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 đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Câu hỏi thứ hai cũng thường gặp đối với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “Tại sao cần phải điều khiển?”. Câu trả lời tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, tuy nhiên có hai lý do chính là con người không thỏa mãn với đáp ứng của hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng năng suất, tăng hiệu quả kinh tế.
Ví dụ trong lĩnh vực dân dụng, chúng ta cần điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm cho các căn hộ và các cao ốc tạo ra sự tiện nghi trong cuộc sống. Trong vận tải cần điều khiển các xe hay máy bay từ nơi này đến nơi khác một cách an toàn và chính xác. Trong công nghiệp, các quá trình sản xuất bao gồm vô số mục tiêu sản xuất thỏa mãn các đòi hỏi về sự an toàn, độ chính xác và hiệu quả kinh tế. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại.
Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,. Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động. Khái niệm điều khiển thật sự là một khái niệm rất rộng, nội dung quyển sách này chỉ đề cập đến lý thuyết điều khiển các hệ thống kỹ thuật.
6/207 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Chú thích các ký hiệu viết tắt: - r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t) (controlled output): tín hiệu ra - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t) (error): sai số - u(t) : tín hiệu điều khiển. Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối ở hình 1.1 là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất.
Trở lại ví dụ lái xe đã trình bày ở trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe, thiết bị đo lường là đồng hồ đo tốc độ và đôi mắt của người lái xe, bộ điều khiển là bộ não người lái xe, cơ cấu chấp hành là tay người lái xe. Tín hiệu vào r(t) là tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu ra c(t) là tốc độ xe hiện tại của xe, tín hiệu hồi tiếp cht(t) là vị trí kim trên đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) là sai lệch giữa tốc độ mong muốn và tốc độ hiện tại, tín hiệu điều khiển u(t) là góc quay của tay ga. Một ví dụ khác như hệ thống điều khiển mực chất lỏng ở hình 1.2 dù rất đơn giản nhưng cũng có đầy đủ ba thành phần cơ bản kể trên. Thiết bị đo lường chính là cái phao, vị trí của phao cho biết mực chất lỏng trong bồn.
Bộ điều khiển chính là cánh tay đòn mở van tùy theo vị trí hiện tại của phao, sai lệch càng lớn thì góc mở van càng lớn. Đối tượng điều khiển là bồn chứa, tín hiệu ra c(t) là mực chất lỏng trong bồn, tín hiệu vào r(t) là mực chất lỏng mong muốn. Muốn thay đổi mực chất lỏng mong muốn ta thay đổi độ dài của đoạn nối từ phao đến cánh tay đòn. 7/207 Hệ thống điều khiển mực chất lỏng Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động Trong lĩnh vực điều khiển tự động có rất nhiều bài toán cần giải quyết, tuy nhiên các bài toán điều khiển trong thực tế có thể quy vào ba bài toán cơ bản sau: Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số.
Bài toán đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ. Bài toán này luôn giải được. Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Bài toán đặt ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng.
Bài toán nói chung là giải được. Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Vấn đề đặt ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống. Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được.
8/207 Các nguyên tắc điều khiển Các nguyên tắc điều khiển có thể xem là kim chỉ nam để thiết kế hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao và có hiệu quả kinh tế nhất. Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai dòng thông tin: một từ bộ điều khiển đến đối tượng và một từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (dòng thông tin ngược gọi là hồi tiếp). Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vòng hở) không thể đạt chất lượng cao, nhất là khi có nhiễu. Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc thông tin phản hồi là: Điều khiển bù nhiễu (hình 1.3): là sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu ra c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra c(t).
Về nguyên tắc, đối với hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốt. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu Điều khiển san bằng sai lệch (hình 1.4): Bộ điều khiển quan sát tín hiệu ra c(t) , so sánh với tín hiệu vào mong muốn r(t) để tính toán tín hiệu điều khiển u(t). Nguyên tắc điều khiển này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa sai. Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển san bằng sai lệch như hình 1. 9/207 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng. Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn quyết định,. Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng.