Chương 1 Các khái niệm và nguyên lý cơ bản C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-1 1. GIỚI THIỆU: Vai trò của điều khiển C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1.
Giới thiệu Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử (hay các hệ thống phụ trợ) được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hê thống. Ví dụ: Lò sưởi sản sinh ra nhiệt lượng do quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đối tượng điều khiển: Nhiệt độ lượng nhiên liệu Van nhiên liệu Caùc phaàn töû bao gồm: Cơ cấu tác động cho các van nhiên liệu, cảm biến nhiệt độ (thermostats) Hệ thống điều khiển đơn giản hình thành khi có một giá trị ngõ ra (đáp ứng – response) ứng với một ngõ vào. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-3 1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển hồi tiếp ra đời rất sớm trong lịch sử loài người.
Điều khiển bằng mực chất lỏng: a. Người Hy lạp cổ đại đã bắt đầu sử dụng hệ thống điều khiển có hồi tiếp khoảng năm 300 B. Đó là đồng hồ nước được Ktesibios phát minh. Ông cho nước nhỏ vào một thùng chứa với tốc độ không đổi, mực nước trong thùng cho biết thời gian.
Để tốc độ nhỏ không đổi thì bể chứa nước phải duy trì mực nước. Nguyên lý giữ mực này vẫn còn được sử dụng trong các wc ngày nay. Đèn dầu tự châm dầu của Byzantium. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động Điều khiển áp suất: a.
Năm 1681 Denis Papin đã phát minh ra van an toàn dùng để điều khiển áp suất hơi nước. Điều khiển tốc độ: Con quay của James Watt C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động Sự ổn định và ổn định hóa hệ thống: Khơi nguồn của lý thuyết điều khiển ngày nay bắt đầu vào những năm nữa sau thế kỷ 19. - Năm 1868 James Clerk Maxwell đề ra tiêu chuẩn ổn định cho hệ bậc ba dựa trên các hệ số của phương trình vi phân mô tả hệ thống.
- Năm 1874 Edward John Routh phát triển tiêu chuẩn ổn định cho hệ bậc 5. - Năm 1892 Luận án tiến sỹ của Lyapunov thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. Chebyshev tại đại học St. Petersburg về “Những vấn đề cơ bản trong ổn định chuyển động” - Năm 1874, Henry Bessemer nghiên cứu điều khiển ổn định di chuyển cabin của tàu thủy thông qua hệ thủy lực sử dụng cảm biến gyro.
Ngoài ra còn một số nghiên cứu khác giải quyết vấn đề duy trì góc bắn của đại bác trên tàu sử dụng con lắc đơn là cảm biến để cảm nhận sự dịch chuyển. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động Những phát triển của thế kỷ 20: Đầu những năm 1900 hệ thống lái tàu tự động đã đạt được những tiến bộ đáng kể. - Năm 1922 công ty Sperry Gyroscope đã thiết kế hệ thống lái tàu tự động có sử dụng các phần tử bù và thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. - Năm 1874 Edward John Routh phát triển tiêu chuẩn ổn định cho hệ bậc 5.
- Một nhà khoa học người Nga: Nicholas Minorsky đã phát triển lý thuyết của ông, ứng dụng vào vài toán lái tàu tự động theo phương pháp mà ngày nay chúng ta gọi là phương pháp Vi tích phân tỷ lệ (Proportional- Integral-Derivative - PID). Một phương pháp kinh điển nhưng rất hiệu quả. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động -Cuối những năm 1920 và đầu 1930, H. Nyquist phát triển những phân tích về bộ khuếch đại hồi tiếp tại phòng thí nghiệm điện thọai của Bell.
Những đóng góp này giúp hình thành nên phương pháp phân tích tần số và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp sử dụng ngày nay. Evans, một nhà khoa học trong lĩnh vực công nghiệp hàng không đã phát triển phương pháp biểu đồ để vẽ ra các nghiệm của phương trình đặc tính trong hệ thống hồi tiếp có những thông số thay đổi trong các khoảng giá trị nhất định. Ngày nay phương pháp này được gọi là phương pháp quỹ đạo nghiệm số (root locus). Nghiên cứu này cùng với Bode và Nyquist là nền tảng cho lý thuyết phân tích hệ tuyến tính và lý thuyết thiết kế hệ thống.
Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-9 C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-10 1. Sơ đồ khối và hàm truyền đạt Sơ đồ khối Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín vào từ một số bộ phận của hệ thống điều khiển và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác.
Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-11 1. Sơ đồ khối và hàm truyền đạt C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-12 1. Sơ đồ khối và hàm truyền đạt Hàm truyền đạt - là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra được thể hiện bằng toán tử Laplace, mối quan hệ đó gọi là hàm truyền y(t) TF x(t) C.
Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-13 1. Hệ thống điều khiển vòng hở 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. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-14 1. Hệ thống điều khiển vòng hở Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten - Vị trí ban đầu: 00 - Vị trí mong muốn: 300 - Động cơ: 10/giây (ở điện áp định mức) Để thực hiện chuyển động mong muốn, bộ điều khiển xuất ra một xung tín hiệu trong 30 giây.
Nếu động cơ làm việc chính xác, vị trí anten sẽ dừng chính xác ở 300. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-15 1. Hệ thống điều khiển vòng hở Thí dụ: xét một hệ thống hở như sau: Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V: Velocity = 0. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-16 1.
Hệ thống điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi. Ba thao tác chính của một hệ thống vòng kín - Đo lường: đo giá trị của biến được điều khiển - Ra quyết định: tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để ra quyết định điều khiển - Tác động: sử dụng giá trị điều khiển để tác động những biến khác trong quá trình theo hướng làm giá trị sai lệch. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-17 1. Hệ thống điều khiển vòng kín • Điểm điều chỉnh, biến được điều khiển, biến được đo, và điểm sai lệch.
• Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-18 1. 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. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-19 1. Hệ thống điều khiển vòng kín Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten - Vị trí ban đầu: 00 - Vị trí mong muốn: 300 ( xd) - Động cơ: 10 /sec (ở điện áp định mức vs) - Cảm biến góc: 10V / 3600 ( xa) Tín hiệu điều khiển vc được xác định tùy theo cơ chế điều khiển: vs xa xd vc = nếu 0 xa xd 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. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-20 1.
Hệ thống điều khiển vòng kín Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy như sau: 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. Giả sử thời gian lấy mẫu (phản hồi) là 0. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-21 1. Hệ thống điều khiển vòng kín G1 = 2 G1 = 2.
Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-22 1. Hệ thống điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng kín - đơn giản và chi phí đầu tư thấp - phức tạp và chi phí đầu tư cao - không kiểm soát được giá trị thực tế - có thể điểu khiển được giá trị thực tế - có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của - giá trị thực tế luôn ổn định bất chấp đặc những cơ cấu tác động và quá trình tương tính làm của những cơ cấu tác động và đối ổn định quá trình. - thường xuyên thực hiện quá trình cân - thỉnh thoảng chỉ cần kiểm tra đặc tính làm chỉnh hệ thống việc của bộ cảm biến C. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-23 1.
Tuyến tính và 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. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-24 1. Tuyến tính và phi tuyến • Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tín hiệu ra Y.
Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-25 1. Tuyến tính và phi tuyến • Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệu vào X tăng hay giảm. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-26 1. Tuyến tính và phi tuyến • Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y.
Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-27 1. Giảm chấn và ổn định Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển xác định một đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển, đó là dạng giảm chấn – dạng mất ổn định. Đặc tính này được hệ thống thể hiện ra như là một đáp ứng dưới tác động của tín hiệu nhiễu. Pham 207003 – Kỹ thuật điều khiển tự động 1-28 1.