Chương 1 TỔNG QUAN 1. Các khái niệm trong điều khiển tích cực Điều khiển tích cực nói một cách chung nhất là lĩnh vực nghiên cứu cách thiết kế một hệ thống có khả năng tác động vào một quá trình và buộc quá trình đó tuân theo một yêu cầu nhất định. Cách ứng xử của một quá trình được xác định bởi một hệ động lực mà trạng thái của nó theo thời gian sẽ phụ thuộc vào tương tác với môi trường và phụ thuộc vào các tương tác bên trong. Mối quan hệ giữa hệ động lực và môi trường ngoài có thể được hiểu bằng khái niệm đầu vào và đầu ra.
Các đầu ra là các biến đo thể hiện đáp ứng của hệ thống còn các đầu vào thể hiện kích động ngoài tác động vào hệ thống. Đầu vào được phân làm hai loại: nhiễu và điều khiển. Nhiễu là các tác động bên ngoài liên quan đến các kích động của tự nhiên và không thể điều khiển được. Bộ điều khiển là các hệ thống được thiết kế để thay đổi đầu vào sao cho đầu ra của hệ thống đạt được một số thể hiện mong muốn.
Điều khiển tích cực trong cơ học là một trường hợp riêng của điều khiển tích cực, trong đó các hệ động lực được mô tả bởi các phương trình chuyển động. Đầu ra là các đại lượng cơ học như dịch chuyển, vận tốc,gia tốc. Đầu ra được đo bằng các bộ cảm biến. Đầu vào nhiễu được sinh ra bởi các tác động của môi trường như gió, động đất, sóng, va chạm, phương tiện vận tải hay bất kỳ các nguồn gây dao động nào khác.
Đầu vào điều khiển là các đại lượng cơ học như lực, mômen, gia tốc,. được tạo ra bởi các máy kích động thích hợp. Sơ đồ của một hệ được điều khiển tích cực được cho trên Hình 1. Một hệ thống điều khiển tích cực bao gồm 3 phần chính: các cảm biến để đo đáp ứng hoặc kích động ngoài hoặc cả hai, bộ điều khiển là các máy tính được tích hợp các thuật toán điều khiển thích hợp và các máy kích động sinh lực tác động vào hệ cần được điều khiển.
10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cảm biến đo Bộ điều khiển Cảm biến đo Tín hiệu điều khiển Máy kích động Lực điều khiển Kích động ngoài Hệ được điều khiển Đáp ứng tích cực Hình 1.1: Sơ đồ khối của một hệ điều khiển tích cực Bộ điều khiển được coi như một bộ xử lý thông tin để khép kín vòng lặp điều khiển. Vai trò của bộ điều khiển là cung cấp tín hiệu điều khiển như một hàm của các tín hiệu đo. Vì vậy, khi thiết kế, bộ điều khiển được coi như một đối tượng toán học và được mô tả trong khuôn khổ của lý thuyết điều khiển nói chung. Nếu đầu vào của hệ được điều khiển (tức là kích động ngoài) được giám sát và điều khiển thì người ta gọi hệ là được điều khiển mở (open-loop control) hay điều khiển dẫn tiếp (feedforward control).
Nếu đầu ra của hệ được điều khiển (tức là các đáp ứng) được giám sát và điều khiển thì người ta gọi hệ là được điều khiển đóng (closed-loop control) hay điều khiển hồi tiếp hoặc phản hồi (feedback control). Trường hợp cả đầu vào và đầu ra của hệ được giám sát và điều khiển thì sẽ dẫn tới khái niệm điều khiển đóng mở (closed-open loop control) hay điều khiển hồi tiếp-dẫn tiếp (feedback-feedforward control). Về mặt vật lý, hiệu quả của điều khiển hồi tiếp là làm thay đổi các tham số của kết cấu (độ cứng và độ cản) để kết cấu có thể phản ứng tốt hơn với kích động ngoài. Trong khi đó, hiệu quả của điều khiển dẫn tiếp là làm giảm bớt hoặc triệt tiêu hoàn toàn kích động ngoài.
Một vòng lặp của điều khiển tích cực trải qua 3 bước bao gồm đo đạc, xử lý tín hiệu và sinh lực điều khiển. Hiệu quả của điều khiển phụ thuộc vào khả năng thực hiện chính xác 3 bước này. Các yếu tố quyết định bao gồm công nghệ cảm biến [Lynch 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vcs 2006], khả năng xử lý của máy tính, thuật toán điều khiển thích hợp, khả năng, độ chính xác và tốc độ của máy kích động cũng như hiệu quả của cơ cấu tác động lực, công nghệ vật liệu mới và cơ khí chính xác. Máy kích động và các phương thức điều khiển 1.
Các loại máy kích động Tất cả các thiết bị khi được điều khiển có khả năng sinh lực đều được coi là máy kích động. Máy kích động có nhiều loại với nguyên lý hoạt động và khả năng sinh lực khác nhau, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Có những loại cỡ rất nhỏ ứng dụng trong các lĩnh vực của cơ điện tử, lại có những loại cỡ rất lớn ứng dụng trong điều khiển kết cấu công trình. Trong số các dạng máy kích động cỡ lớn có thể kể đến các loại sau - Máy kích động dạng thuỷ lực sinh ra lực bằng cách tạo ra áp suất trên bề mặt của đầu pittông trong xi lanh nhờ vào dòng chất lỏng được bơm vào hoặc ra xy lanh.
Loại này có khả năng lớn nhất khoảng vài trăm meganewton. - Máy kích động dạng môtơ điện sinh lực nhờ vào chuyển động quay của các mô tơ điện. Nếu cần thiết, máy kích động loại này có thêm hệ thống truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Loại này có khả năng lớn nhất khoảng vài trăm kilonewton.
- Máy kích động dạng điện từ là loại máy kích động không sử dụng sự tương tác giữa các thiết bị cơ khí mà sử dụng lực từ giữa 2 dòng điện. Loại này có khả năng lớn nhất khoảng vài kilonewton. - Ba loại máy kích động kể trên được phát triển trong nhiều lĩnh vực điều khiển chuyển động và đã được nghiên cứu khá nhiều về mặt công nghệ để có thể trở thành sản phẩm thương mại. Hiện nay, người ta cũng đang phát triển các loại máy kích động mới dựa trên các bộ giảm chấn có van đóng mở [Feng vcs 1990, Kurata vcs 1994, Sack vcs 1993] hoặc dựa trên các vật liệu thông minh.
Các vật liệu thông minh có thể kể đến bao gồm chất lỏng từ biến (magnetorheological fluids) có khả năng thay đổi tính chất khi thay đổi từ trường [Carlson vcs 1996, Spencer vcs 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1998a], vật liệu áp điện (piezzoelectric material) có khả năng biến dạng khi chịu dòng điện [Ikeda 1997, Crawley 1987], vật liệu nhớ hình dạng (shape memory alloy) có khả năng thay đổi hình dạng khi đốt nóng hoặc làm lạnh [Wayman vcs 1972, Fremond vcs 1996]. Các loại máy kích động này có chung ưu điểm là rất dễ điều khiển nhưng có một số nhược điểm như lực kích động luôn ngược chiều với vận tốc chuyển động, khả năng sinh lực lớn còn hạn chế và giá thành của các vật liệu thông minh còn khá cao. Các phương thức sinh lực điều khiển Về nguyên lý cơ học, khi hệ cần được điều khiển dao động thì một cơ cấu bất kỳ có khả năng sinh công cơ học đều có thể tạo ra lực điều khiển. Cơ cấu nào có khả năng sinh công càng cao thì hiệu quả điều khiển càng tốt.
Có 3 phương thức chính để tạo ra lực điều khiển: - Phương thức tác động lực thứ nhất tạo ra lực điều khiển là ngoại lực từ bên ngoài tác động vào hệ cần được điều khiển. Chẳng hạn, trên Hình 1.2a là sơ đồ một cách tác động lực vào cầu để giảm dao động thẳng đứng gây ra bởi phương tiện. Máy kích động có một đầu tì vào mố cầu, một đầu gắn vào dầm cầu. Trong quá trình dao động, điểm đặt của lực điều khiển tại dầm cầu dao động còn điểm đặt tại mố cầu đứng yên.
Vì vậy cơ cấu này sinh công và có thể dùng để điều khiển dao động. Tương tự như vậy, trên Hình 1.2b máy bay phản lực cũng được điều khiển bởi ngoại lực là lực tác động của khối khí phụt về phía sau u u a) b) Hình 1.2: Phương thức tác động lực từ bên ngoài - Phương thức tác động lực thứ hai tạo ra lực điều khiển giữa 2 bộ phận chuyển động tương đối với nhau bên trong hệ cần được điều khiển. Chẳng hạn với 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kết cấu khung trên Hình 1.3a , khi kết cấu dao động, 2 điểm đặt của lực điều khiển đều dao động nhưng không giống nhau. Vì vậy, tổng công do lực điều khiển sinh ra tại 2 điểm đặt là khác 0 và cơ cấu có thể dùng để điều khiển dao động.
Tuy nhiên, hiệu quả của điều khiển phụ thuộc vào chuyển động tương đối giữa 2 điểm đặt. Khi kết cấu khung quá cứng thì 2 điểm đặt chuyển động gần như nhau. Do lực điều khiển tại 2 điểm đặt là ngược chiều nên dù lực điều khiển có rất lớn thì tổng công sinh ra vẫn nhỏ và hiệu quả điều khiển thấp. Một cơ cấu điều khiển dạng này cũng có thể thấy ở bánh lái của máy bay hay bánh lái của tàu thuỷ.3b, khi bánh lái quay sẽ tạo ra chuyển động tương đối giữa bánh lái và máy bay, mômen điều khiển dùng để quay bánh lái sẽ sinh công và như thế cơ cấu bánh lái có thể dùng để điều khiển.3: Phương thức điều khiển qua chuyển động tương đối - Phương thức tác động lực thứ ba là tạo ra lực điều khiển giữa hệ cần được điều khiển và một khối lượng phụ gắn thêm.
Chẳng hạn, trên Hình 1.4a là cơ cấu tạo ra lực điều khiển để giảm dao động ngang của kết cấu. Khi kết cấu và khối lượng phụ có dao động tương đối với nhau thì lực điều khiển sẽ sinh công. Chú ý rằng với cơ cấu trên Hình 1.4a thì lực điều khiển sẽ tỷ lệ thuận với khối lượng và gia tốc hệ phụ. Do đó để công sinh ra đủ lớn thì khối lượng của hệ phụ cũng phải đủ lớn.4b cũng là một cách thức tương tự nhưng hệ phụ lúc này không 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chuyển động tịnh tiến mà chuyển động quay.
Mômen điều khiển sẽ sinh công qua chuyển động tương đối giữa hệ phụ và hệ cần được điều khiển. u Hệ phụ a) b) Hình 1.4: Phương thức điều khiển nhờ lực quán tính Như vậy bài toán tìm cơ cấu điều khiển thích hợp rõ ràng là một vấn đề cần có sự nghiên cứu. Một cơ cấu điều khiển tốt nếu nó có khả năng sinh công cao, tức là sinh được lực lớn nhưng phải trên một chuyển động đủ dài.