Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương 1 pot

Ch 1: Các khái ni
ệ
m và n
g
u
y
ên l
ý
cơ bản
ệ gy ý
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-1
1.1. Giới thiệu
Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử 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.
Denis Papin
’
s water float regulator
Wall
’
sfly
-
ball governor
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-2
Denis

Papin s

water

float

regulator
Wall s

fly
ball

governor
1.2. Sơ đồ khối và hàm tru
y
ền đạt
y
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.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-3
1.2. Sơ đồ khối và hàm tru
y
ền đạt
y
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-4
1.2. Sơ đồ khối và hàm tru
y
ền đạt
y
Hàm tru
y

ền đạt
y
- là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của phần tử:
x(t)
y(t)
TF =
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-5
1.3. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
hở
g g
Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ
ấ
thuộc vào b
ấ
t kỳ tín hiệu nào từ quá trình.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-6
1.3. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
hở
g g
Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten
-Vị trí ban đầu: 0
0

-Vị trí mong muốn: 30
0
- Động cơ: 1
0
/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 30
0
.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-7
1.3. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
hở
Thí dụ: xét một hệ thống hở như sau:
g g
Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V:
Velocity
=
0.05
*
0.5
*
100
*
12
=

30 m/min
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-8
Velocity

0.05

0.5

100

12

30

m/min
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín
g g
Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào
ố ồ
sự sai lệch giữa tín hiệu mong mu
ố
n và tín hiệu phản h
ồ
i.
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 giảmgiátrị sai lệch
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-9
hướng

làm

giảm

giá

trị

sai

lệch
.
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín
g g
ể ề ế ề ể ế ể
• Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động.
•
Đ

i
ể
m đi
ề
u chỉnh, bi
ế
n được đi
ề
u khi
ể
n, bi
ế
n được đo, và đi
ể
m sai lệch.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-10
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín
g g
•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 giảmgiátrị sai lệch

làm

giảm

giá

trị

sai

lệch
.
• Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều khiển
thành tín hiệu tác động.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-11
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín
Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten
g g
-Vị trí ban đầu: 0
0
-Vị trí mong muốn: 30
0
(→ x
d
)

- Động cơ: 1
0
/sec (ở điện áp định mức v
s
)
-Cảm biến góc: 10V / 360
0
(→ x
a
)
Tín hiệu điều khiển v
c
được xác định tùy
theo cơ chế điều khiển:
x
a
≠ x
d
x
a
= x
d
v
c
=nếu
v
s
0
v
c

= C(x
d
−x
a
)
Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như
độ chính xác củabộ truyềncơ khí
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-12
độ

chính

xác

của

bộ

truyền

cơ

khí
.
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín

g g
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)
san
g
bên
p
hải ở v
ị
trí 0.64 m. Giả sử thời
g
ian lấ
y
mẫu
(p
hản hồi
)
là 0.1
g
iâ
y
.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-13
gp ị g y (p )gy
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín

g g
G
1
=
2
G
1
=
25
T (s) V
i
(V) V
f
(V) V
e
(V)
∆P (mm)
Pos (mm)
2.5 2.5 0 0 400
00
4
25
15
0
400
T (s) V
i
(V) V
f
(V) V

e
(V)
∆P (mm)
Pos (mm)
2.5 2.5 0 0 400
00
4
25
15
0
400
G
1

2
G
1

2
.
5
0
.
0
4
2
.
5
1
.

5
0
400
0.1 4 2.5 1.5 2.250 402.250
0.2 4 2.514 1.486 2.229 404.479
0.3
4
2.528
1.472
2.208
406.687
0
.
0
4
2
.
5
1
.
5
0
400
0.1 4 2.5 1.5 2.813 402.813
0.2 4 2.518 1.482 2.779 405.592
0.3
4
2.535
1.465
2.747

408.339
0.3
4
2.528
1.472
2.208
406.687
0.4 4 2.542 1.458 2.187 408.874
0.5 4 2.555 1.445 2.167 411.041
:: : : : :
0.3
4
2.535
1.465
2.747
408.339
0.4 4 2.552 1.448 2.715 411.054
0.5 4 2.569 1.431 2.683 413.737
:: : : : :
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-14
60.0 4 3.995 0.005 0.008 639.157 48.0 4 3.995 0.005 0.01 639.163
1.4. Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín
Hệ thốn
g
điều khiển vòn

g
hở Hệ thốn
g
điều khiển vòn
g
kín
g g
g g
g g
- đơn giản và chi phí đầu tư thấp
- không kiểm soát được giá trị thực tế
-phức tạp và chi phí đầu tư cao
-có thể điểu khiển được giá trị thực tế
-có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của
những cơ cấu tác động và quá trình tương
đối ổn định
- giá trị thực tế luôn ổn định bất chấp đặc
tính làm của những cơ cấu tác động và
quá trình.
-thường xuyên thực hiện quá trình cân
chỉnh hệ thống
-thỉnh thoảng chỉ cần kiểm tra đặc tính làm
việc của bộ cảm biến
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-15
1.5. Tu
y
ến tính và phi tu
y
ến

y y
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.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-16
1.5. Tu
y
ến tính và phi tu
y
ến
y y
• Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tín hiệu ra Y.
Linear element with a dead band nonlinearity
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-17
1.5. Tu
y
ến tính và phi tu
y
ến
y y
• Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệu vào X
tăng hay giảm.
Nonlinear element with hysteresis
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-18
1.5. Tu
y
ến tính và phi tu

y
ến
y y
• Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y.
Linear element with a saturation nonlinearity
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-19
1.6. 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.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-20
1.7. Mục tiêu của hệ thốn
g
điều khiển
g
Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo 3 mục
tiêu sau:
•Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất.
ể
•Giảm thi
ể
u thời gian xác lập.
•Giảm thiểu độ sai lệch dư.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-21
1.8. Tiêu chuẩn đánh
g
iá hệ thốn

g
điều khiển
g g
Phương pháp kiểm nghiệm thường dùng là thay đổi giá trị điều chỉnh theo hàm bậc
thang và dùng 3 tiêu chuẩn sau đây để đánh giá một hê thống.
•
Suy giảmmộtphầntư biên độ
:xácđịnh biên độ của dao động tắtdầnmàở đóbiênđộ
Suy

giảm

một

phần

tư

biên

độ
:

xác

định

biên

độ

của

dao

động

tắt

dần

mà

ở

đó

biên

độ

của một đỉnh dương bằng một phần tư biên độ của một đỉnh dương trước nó.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-22
1.8. Tiêu chuẩn đánh
g
iá hệ thốn
g
điều khiển
g g

• Tích phân sai lệch tối thiểu: xác định tổng diện tích nằm dưới đường cong sai lệch phải
là tối thiểu.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-23
1.8. Tiêu chuẩn đánh
g
iá hệ thốn
g
điều khiển
g g
•Giảm chấn tới hạn: được dùng khi mong muốn không xảy ra độ vọt lố.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-24
1.9. Đơn
g
iản sơ đồ khối
g
Hà t ề ủ hệ thố òhở
Hà
m
t
ruy
ề
n c
ủ
a
hệ

thố
ng v

ò
ng
hở
:
Hàm truyềncủahệ thống vòng kín:
Hàm

truyền

của

hệ

thống

vòng

kín:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-25
1.10. Phân loại hệ thốn
g
điều khiển
g
Hê thống điều khiển rất đa dạng, nó tùy thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháp
điều khiển, điều kiện sử dụng …
¾ Mạch phản hồi
•
không sử dụng
→

h
ệ thống hở
•
không

sử

dụng

→
h
ệ

thống

hở
•có sử dụng → hệ thống kín
¾ Loại tín hiệu
• liên tục → hệ thống tương tự
•rời rạc → hệ thống số
¾ Giá trị điều chỉnh
• ít thay đổi → hệ thống điều chỉnh (regulator system)
• thay đổi liên tục → hệ thống tùy động (follow-up system)
¾ Vị trí của bộ điều khiển
• ở phòng điều khiển trung tâm → hệ thống điều khiển tập trung
ầ ấ ế ấ
ố ề ể ố
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-26
• đặt g

ầ
n các cơ c
ấ
u cảm bi
ế
n và cơ c
ấ
u tác động → hệ th
ố
ng đi
ề
u khi
ể
n phân b
ố
1.10. Phân loại hệ thốn
g
điều khiển
g
¾ Môi trường công nghiệp
•Xử lý, chế biến → hệ thống điều khiển quá trình
 quá trình liên tục
 quá trình gián đoạn
• chi tiết rời → hệ thống điều khiển chế tạo
 gia công - điều khiển số

lắpráp
-
hệ thống điềukhiển các cánh tay máy


lắp

ráp

-
hệ

thống

điều

khiển

các

cánh

tay

máy
¾ Các nhóm khác
ấ tù độ
(hi)
•cơ c
ấ
u
tù
y
độ
ng

(
servo mec
h
an
i
sm
)
• điều khiển trình tự
 theo sự kiện
th thờii

th
eo
thời
g
i
an
•bộ điều khiển khả trình (programmable controller)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-27
Bộ điều khiển số và tươn
g
tự
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-28
Bộ điều khiển số và tươn
g
tự
g

Bộ điều khiển tươn
g
tự
g
- được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu tương tự
- các tín hiệu được cập nhật liên tục
Bộ điều khiển số
- được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu số
- các tín hiệu được cập nhật dựa vào xung nhịp
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-29
Hệ thốn
g
điều khiển quá trình
g
Hê thống điều khiển quá trình duy trì một đại lượng nào đó của quá trình ở giá trị điều
chỉnh (mong muốn).
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-30
Hệ thốn
g
điều khiển quá trình
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-31
Hệ thốn
g
điều khiển quá trình
g
Individual local controllers

Direct computer control system
Distributed control system
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-32
Hệ thốn
g
điều khiển trình tự
g
Time-driven operation
Event-driven operation
Hệ thốn
g
điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tác được xác định trước.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-33
g
Cơ cấu tù
y
độn
g

(
servo mechanism
)
y g( )
Cơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đối tượng được điều khiển
là vị trí (hay sự chuyển động).
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-34
Hệ thốn

g
điều khiển số
Hê thống điều khiển số là một hệ thống sử dụng các lệnh đã xác định trước để điều
g
khiển một loạt các nguyên công.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-35
Hệ thốn
g
ta
y
má
y
gy y
Pick-and-
p
lace robot
p
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-36
Hệ thốn
g
ta
y
má
y
gy y
Industrial robot
Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm di chuyển
những đối tượng khác nhau theo một trình tự chuyển

động xác định để thựchiệnmột nhiệmvụ cụ thể
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-37
động

xác

định

để

thực

hiện

một

nhiệm

vụ

cụ

thể
.
Hệ thốn
g
ta
y
má

y
gy y
Tế bào sản xuất
Là sự kết hợp giữa một nhóm các
máy công cụ và một nhóm các
cánh tay máy nhằm làm tăng hiệu
quả sản xuất một loại sản phẩm
đặc biệt nào đó.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-38
Vài thí dụ về các hệ thốn
g
điều khiển
g
Hệ thốn
g
điều khiển tốc độ
g
(bằng cơ khí)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-39
Vài thí dụ về các hệ thốn
g
điều khiển
g
Hệ thốn
g
điều khiển tốc độ
g
(bằng điện)

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-40
Vài thí dụ về các hệ thốn
g
điều khiển
Hệ thốn
g
điều khiển mực nước
g
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-41
Vài thí dụ về các hệ thốn
g
điều khiển
Hệ thốn
g
điều khiển nhiệt độ
g
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-42