Cơ sở tự động doc

Môn học Môn học
CƠ SỞ TỰ ĐỘNGCƠ SỞ TỰ ĐỘNG
Biên soạn: TS. Huỳnh Thái Hồng
ề ể
Bộ mơn đi
ề
u khi
ể
n tự động
Khoa Điện – Điện Tử
Đại học Bách Khoa TPHCM
Email:
Homepage: www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/
Giảng viên: HTHồng, NVHảo, NĐHồng, BTHuyền, HHPhương, HMTrí
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 1
Ch
1
Gii
hi

h
h
i
khi

Noọi dung moõn hoùcNoọi dung moõn hoùc

Ch
ng
1
:

Gii
t
hi
uv

h
t
h
ng
i
u
khi
nt


ng
Chng 2: Mụ hỡnh toỏn hch thng liờn tc
Chng 3: c tớnh ng hc
Chng 4: ỏnh giỏ tớnh n nh cah thng
Chng 5: Chtlng cah thng iu khin
Chng 6: Thitk h thng iu khin liờn tc
Chng 7: Mụ t toỏn hch rirc
Chng 8: Phõn tớch h rirc
Chng 9: Thitk h rirc
Chng 10: ng dng
9 September 2011 â H. T. Hong - éHBK TPHCM 2
Gi ù
h
ù
há

đi à
khi å
đ
Tài liệu tham khảoTài liệu tham khảo

Gi
a
ù
otrìn
h
: Ly
ù
t
h
uye
á
t
đi
e
à
u
khi
e
å
ntự
đ
ộng
Nguyễn Thò Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng
NXB Đa
ï

iho
ï
c
Q
uốc Gia TPHCM
ï
ï
Q
 Bài tập: Bài tập điều khiển tự động
Nguye
ã
n
Thò
Phương
Ha
ø
Nguyen
Thò
Phương
Ha
NXB Đại học Quốc Gia TPHCM
Th
kh û
á
û
ù
øi
li ä
ù
ù

ø
kh ù

Th
am
kh
a
û
o: ta
á
tca
û
ca
ù
cta
øi
li
e
ä
uco
ù
ca
ù
ctư
ø
kh
o
ù
a:
control, control theory, control system, feedback control

TD: Automatic Control S
y
stems,B.C.Kuo.
y
Modern Control Engineering, K. Otaga.
Modern Control System Theory and Design, S.M. Shinners
Feedback
Control
Systems
J
V
De
Vegte
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 3
Feedback
Control
Systems
,
J
.
V
.
De
Vegte
.
Chöông 1Chöông 1
GIỚITHIỆUVỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNGGIỚITHIỆUVỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
GIỚI

THIỆU

VỀ

HỆ

THỐNG

TỰ

ĐỘNGGIỚI

THIỆU

VỀ

HỆ

THỐNG

TỰ

ĐỘNG
9 September 2011 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4
Khái iệ điề khiể
Noäi dung chöông 1Noäi dung chöông 1

Khái
n
iệ
m

điề
u
khiể
n
 Các nguyên tắc điều khiển

Các phầntử trong hệ thống điều khiểntự động

Các

phần

tử

trong

hệ

thống

điều

khiển

tự

động
 Phân loại hệ thống điều khiển tự động
 M
ộ

t
số

v
í
dụ

về

c
á
c
h
ệ
th
ố
n
g

đ
i
ều
khi
ể
n
ộ số vdụ về cc ệ ố g đ ều ể
9 September 2011 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5
àà åàà å
Khaùi nieäm ve
à

ñie
à
u khie
å
nKhaùi nieäm ve
à
ñie
à
u khie
å
n
9 September 2011 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6

Thí
d
1
Lùi
ti â
iữ
tá
đä
å
đò h
40
k/h
Khái niệm về điều khiểnKhái niệm về điều khiển

Thí
d
ụ

1
:
L
a
ùi
xe, mục
ti
e
â
ug
iữ
t
o
á
c
đ
o
ä
xe o
å
n
đò
n
h
v=
40
k
m
/h
Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ

 thu tha
äp
thôn
g
tin.
äp g
Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v<40km/h,
giảm tốc nếu v>40km/h
û
 xư
û
lý thông tin
 Tay giảm ga hoặc tăng ga

ta
ù
c động le
â
n hệ tho
á
ng

tac

động

len

hệ

thong
Kết quả của quá trình điều khiển trên: xe chạy với tốc độ “gần”
bằng 40km/h.
 Đònh nghóa: 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
“
g
ần” với mu
ï
cđíchđ
ò
nh trước.
Đ
iều khiển tư
ï
đo
ä
n
g
là
q
uá trình
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 7
g
ï
ò
ï
äg
q
điều khiển không có sự tác động của con người.

Hệ thống điều khiển mực chất lỏng đơn giảnHệ thống điều khiển mực chất lỏng đơn giản
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 8
Điều khiển tốc độ động cơ hơi nướcĐiều khiển tốc độ động cơ hơi nước
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 9
Điều khiển tốc độ động cơ hơi nướcĐiều khiển tốc độ động cơ hơi nước
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 10
ù
ù
û
h
há
kh
hû
à
Tại sao cần phải điều khiển tự độngTại sao cần phải điều khiển tự động
 Đa
ù
pư
ù
ng cu
û
a
h
ệ t
h
o
á
ng
kh
ông t

h
o
û
a mãn yêu ca
à
u
 Tăng độ chính xác
 Tăng hiệu quả kinh tế
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 11
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiểnCác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
3
høh
hà
bû
đái
b
đi à
khi å
û
bi á
3
t
h
a
ø
n
h
p
h
a

à
ncơ
b
a
û
n:
đ
o
ái
tượng,
b
ộ
đi
e
à
u
khi
e
å
n, ca
û
m
bi
e
á
n
Bộ điều khiển
y(t)
r(t)
Đốitượng

u(t)
e(t)
Bộ

điều

khiển

Đối

tượng
ế
y
ht
(t)
Cảm bi
ế
n
Các
ký
hiệu
viết
tắt
:
Các
ký
hiệu
viết
tắt
:

 r(t): tín hiệu đặt hay tín hiệuchuẩn
 u(t): tín hiệuvàcủa đốitượng điều khiển

(
t
)
:
tín
hiệu
ra
của
đối
tượng
điều
khiển

y
(
t
)
:
tín
hiệu
ra
của
đối
tượng
điều
khiển
 y

ht
(t): tín hiệuhồitiếp
 e(t): sai số
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 12
Đối tượngĐối tượng

Ra
á
t
đa
dang

Rat
đa
da
ï
ng
 Các lớp đối tượng cơ bản:

Điện

Điện
 Cơ

Nhi ät

Nhi
e
ät
 Lưu chất

 Hóa
 Hệ thống thực tế có thể bao gồm trong nó nhiều quá trình cơ
ba
û
n
ban
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 13
Cảm biếnCảm biến

Ca
û
m
bie
á
n
nhiệt
độ

Cam
bien
nhiệt
độ
 Cảm biến vò trí

Ca
û
m
bie
á
n

to
á
c
độ

Cam
bien
toc
độ
 Cảm biến gia tốc
 Cảm biến khoản
g
cách
g
 Cảm biến lưu lượng
 Cảm biến mức
 Cảm biến áp suất
 Cảm biến lực
 Cảm biến màu sắc
 Cảm biến nồng độ,
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 14
Bộ điều khiểnBộ điều khiển

Cơ

Cơ
 Điện

Đie
à

u
khie
å
n
tương
tư
(analog)

Đieu
khien
tương
tư
ï
(analog)
 Điều khiển số (digital)
Đi à
khi å
dø
i
ử
lù
i
đi à
khi å
DSP

Đi
e
à
u

khi
e
å
n
d
u
ø
ng v
i
x
ử
l
y
ù
,v
i
đi
e
à
u
khi
e
å
n,
DSP
 Điều khiển dùng máy tính
à
å
à
å

 Đie
à
u khie
å
n dùng các bộ đie
à
u khie
å
n lập trình (PLC)
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 15
Các bài toán cơ bản trong lónh vực điều khiển tự độngCác bài toán cơ bản trong lónh vực điều khiển tự động
Ph
íh
h
há
Ch
h
há
đ
đ
bi á
á
ù
ø

Ph
ân t
í
c
h

h
ệ t
h
o
á
ng:
Ch
o
h
ệ t
h
o
á
ng tự
đ
ộng
đ
ã
bi
e
á
tca
á
utru
ù
cva
ø
thông số. Bài toán đặt ra là tìm đáp ứng của hệ thống và đánh
g
iá chất lươ

ï
n
g
của he
ä
.
g
ïg
ä
 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
hä
th
á
th
ûõùâàà
h
á
t
lươ
h
e
ä
th
ong
th
oa man cac yeu cau ve c
h
a
t

lươ
ïng.
 Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ
thốn
g
. Vấn đề da
ë
t ra là xác đ
ò
nh cấu trúc và thôn
g
số của he
ä
g
ë
ò
g
ä
thống.
á
Môn học Cơ sở t
ự
động chỉ giải quye
á
t bài toán phân tích hệ
thống và thiết kế hệ thống. Bài toán nhận dạng hệ thống sẽ
đươc n
g
hiên cứu tron
g

môn hoc khác.
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 16
ï
g
g
ï
Các nguyên tắc điều khiểnCác nguyên tắc điều khiển
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 17
Nguyên tắc 1Nguyên tắc 1:: Nguyên tắc thông tin phản hồiNguyên tắc thông tin phản hồi
á
h
há
đi à
khi å
ù
há
l
h
bé
b
hûi
 Muo
á
n
h
ệ t
h
o
á
ng

đi
e
à
u
khi
e
å
nco
ù
c
h
a
á
t
l
ượng cao t
h
ì
b
a
é
t
b
uộc p
h
a
ûi
có phải hồi thông tin, tức phải có đo lường các tín hiệu từ đối
tươ
ï

n
g
.
ïg
 Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc phản hồi thông tin:
 Điều khiển bù nhiễu
 Điều khiển san bằng sai lệch
Đi à
khi å
hái
h

Đi
e
à
u
khi
e
å
np
h
o
ái
h
ợp
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 18
Nguyeõn taộc 1Nguyeõn taộc 1:: Nguyeõn taộc thoõng tin phaỷn hoi (tt)Nguyeõn taộc thoõng tin phaỷn hoi (tt)
S
ủ
ủi

khi ồ
bứ
hi ó

S
ụ
ủ
o

ủi
e

u
khi
e
ồ
n
b
u
ứ
n
hi
e
ó
u
n
(
t
)
B i khi

y
(
t
)
r
(
t
)
it
u
(
t
)
n
(
t
)
B

i
u
khi
n
y
(
)
(
)
i

t
n
g
(
)
9 September 2011 â H. T. Hong - éHBK TPHCM 19
Nguyên tắc 1Nguyên tắc 1:: Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt)Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt)
S
đà
đi à
khi å
bè
i
lh

S
ơ
đ
o
à
đi
e
à
u
khi
e
å
nsan
b
a

è
ng sa
i
l
ệc
h
n(t)
Bộ điều khiển
y(t)
r(t)

Đối tượng
u(t)
e(t)
Cảm biến
y
ht
(
t
)
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 20
Nguyên tắc 1Nguyên tắc 1:: Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt)Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt)
S
đà
đi à
khi å
ká
h

S

ơ
đ
o
à
đi
e
à
u
khi
e
å
n
k
e
á
t
h
ợp
n
(
t
)
y
(
t
)
r
(
t
)

u
(
t
)
e
(
t
)
n
(
t
)
Bộ điều khiển
y
(
t
)
r
(
t
)

Đối tượng
u
(
t
)
e
(
t

)
y
ht
(t)
Cảm biến
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 21
Nguyên tắc 2Nguyên tắc 2:: Nguyên tắc đa dạng tương xứngNguyên tắc đa dạng tương xứng
á
ù
h
đi à
khi å
ù
há
l
h
đ
d
û
b
 Muo
á
n qua
ù
trìn
h
đi
e
à
u

khi
e
å
nco
ù
c
h
a
á
t
l
ượng t
h
ìsự
đ
a
d
ạng cu
û
a
b
ộ
điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng. Tính đa
da
ï
n
g
của bo
ä
điều khiển thể hie

ä
nởkhảnăn
g
thu tha
äp
thôn
g
tin
,
ïg
ä
ä
g
äp
g
,
lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn quyết đònh,
 Ý nghóa: Cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng.
à
á
à
å
à
 Thí dụ: Hãy so sánh yêu ca
à
ucha
á
t lượng đie
à
u khie

å
n và bộ đie
à
u
khiển sử dụng trong các hệ thống sau:

Đie
à
u
khie
å
n
nhiệt
độ
ba
ø
n
u
û
i
(cha
á
p
nhận
sai
so
á
lơ
ù
n)

vơ
ù
i
đie
à
u

Đieu
khien
nhiệt
độ
ban
ui
(chap
nhận
sai
so
lơn)
vơi
đieu
khiển nhiệt độ lò sấy (không chấp nhận sai số lớn).
 Điều khiển mực nước trong bồn chứa của khách sạn (chỉ cần
à
à
å
á
đảm bảo luôn có nước trong bo
à
n) với đie
à

u khie
å
n mực cha
á
t
lỏng trong các dây chuyền sản xuất (mực chất lỏng cần giữ
khôn
g
đổi
)
.
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 22
g
)
 …
Nguyên tắc 3Nguyên tắc 3:: Nguyên tắc bổ sung ngoàiNguyên tắc bổ sung ngoài
 Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể
và có tác đo
ä
n
g
q
ua la
ï
icha
ë
t chẽ với môi trườn
g
đó. N
g

u
y
ên tắc bổ
äg
q
ï
ë
g
gy
sung ngoài thừa nhậân có một đối tượng chưa biết (hộp đen) tác
động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.

Y
Ù
hó
Khi
thi át
ká
hä
th á
tư
đä
á
hä
th á
ù
ù

Y
n

g
hó
a:
Khi
thi
e
át
k
e
á
h
e
ä
th
o
á
ng
tư
ï
đ
o
ä
ng, muo
á
n
h
e
ä
th
o

á
ng co
ù
co
ù
chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 23
Nguyên tắc 4Nguyên tắc 4:: Nguyên tắc dự trữNguyên tắc dự trữ
 Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các
bất trắc xả
y
ra và khôn
g
đươ
ï
c dùn
g
toàn bo
ä
lư
ï
clươ
ï
n
g
tron
g
điều
y
g

ï
g
ä
ï
ïg
g
kiện bình thường. Vốn dự trữ không sử dụng, nhưng cần để đảm
bảo cho hệ thống vận hành an toàn.
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 24
Nguyên tắc 5Nguyên tắc 5: : Nguyên tắc phân cấpNguyên tắc phân cấp
 Một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều
khiển bổ sung cho trung tâm. Cấu trúc phân cấp thường sử dụng
la
ø
ca
á
u
tru
ù
c
hình
ca
â
y
.
la
cau
truc
hình
cay

.
 Đa số hệ thống điều khiển trong các dây chuyền sản suất hiện
nay
co
ù
the
å
chia
la
ø
m
3
ca
á
p
:
nay
co
the
chia
lam
3
cap
:
 Cấp thực thi: điều khiển thiết bò, đọc tín hiệu từ cảm biến.

Ca
á
p
pho

á
i
hơp
Cap
phoi
hơ
ï
p
 Cấp tổ chức và quản lý
9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 25