giáo trình điều khiển tự động

*
Boọ Moõn : Cụ ẹieọn Tửỷ

•Bộ mơn : Cơ Điện Tử •2


GV: Th.S NGUYỄN TẤN PHÚC.
TEL: 01267102772.
EMAIL:
Website lưu trữ slide giảng :





Bộ Môn : Cơ Điện Tử

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CƠ SỞ
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •3
*
*Số tiết : 30 tiết Lý Thuyết – 15 tiết thực hành.
*Giảng viên: ThS. Nguyễn Tấn Phúc.
Giáo trình- tài liệu tham khảo :
*Slide bài giảng – giáo trình.
*Sách: Lý Thuyết điều khiển tự động ,
Nguyễn Thị Phương Hà, ĐH BK TpHCM.
* Sách : bài tập lý thuyết điều khiển tự động,
Nguyễn Thị Phương Hà, ĐH BK TpHCM.
*Sách: Modern Control Engineering , K. Ogaka

Modern Control Systems, RC. Dorf .
Phần mềm MATHLAB 2008B

•Bộ môn : Cơ Điện Tử •4
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •5
*
*Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả,
phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •6
*
• Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động
• Chương 2: Mô tả toán học các hệ thống điều khiển.
(Mô hình hoá một số hệ thống )
• Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống
• Chương 4: Tính ổn định của hệ thống
• Chương 5: Chất lượng hệ thống điều khiển
• Chương 6: Thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống.
• Chương 7: Hệ thống điều khiển rời rạc.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử
•7
*
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển
1.3 Các nguyên tắc điều khiển
1.4 Phân loại hệ thống
1.5 Các bài toán cơ bản
1.6 Ví dụ ứng dụng
1.7 Sơ lược lịch sử phát triển
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •8
*

1) Điều khiển
Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h
1. Thu thập thông tin: Mắt quan sát đồng hồ tốc độ.
2. Xử lý thông tin: Não so sánh v mong muốn và v thực tế  ra
quyết định tăng / giảm ga.
3. Tác động: Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga.
Kết quả : xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h
*Điều khiển = quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và
tác động lên hệ thống.
*Điều khiển = “can thiệp” vào hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh
sao cho đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước.
*Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con
người gọi là điều khiển tự động.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •9
*
Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H
0
1. Thu thập thông tin: Thiết bị đo = phao
2. Xử lý thông tin: Bộ điều khiển = hệ thống đòn bẩy.
3. Tác động: Cơ cấu tác động = van.

Mức nước H
0
có thể
thay đổi bằng cách điều
chỉnh độ dài thanh nối
phao-đòn bẩy.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •10
*
2) Tín hiệu

*Lý thuyết thông tin: tín hiệu = nội dung thông tin.
*Bản chất vật lý: tín hiệu = đại lượng vật lý.
(điện áp, dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ,…)
*Toán học: tín hiệu = hàm số theo thời gian.
( u(t), i(t), v(t), x(t), p(t), (t), )
*Trên sơ đồ khối: các tín hiệu vào/ra = các mũi tên

•Bộ môn : Cơ Điện Tử •11
•
điện áp u(t) vận tốc n(t)
góc quay(t)
Động cơ điện
lưu lượng, áp suất
vận tốc, vị trí, lực
Xylanh lực
Nhiệt độ
công suất
Lò nhiệt
Van
lưu lượng, áp suất
vị trí nòng van
(độ nâng, góc mở)
Chiết áp
Điện áp
vị trí con trượt
(lượng di động)
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •12
*
r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (SetPoint)
y(t) : tín hiệu ra (output), biến được điều khiển (controlled variable),

giá trị thực (Process Value)
yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback)
e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error)
u(t) : tín hiệu điều khiển
z(t): tín hiệu nhiễu
yht = K.y ; e= r- yht
Nếu K=1 thì: e=r-y
e(t) u(t)
Bộ điều khiển
r(t)
Đối tượng ĐK
y(t)
Thiết bị đo
yht (t)
z(t)
 3 thành phần cơ bản: Đối tượng điều khiển, thiết bị đo
(cảm biến), bộ điều khiển.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •13
* 1.3 Các nguyên tắc điều khiển
1.3.1 Nguyên tắc điều khiển giữ ổn định
Mục tiêu: Duy trì đáp ứng y= hằng số định trước
 Điều khiển bù nhiễu
 Điều khiển san bằng sai lệch
 Điều khiển phối hợp
1.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình
Mục tiêu: Tạo đáp ứng y(t) có đặc tính thời gian
định trước (chương trình=hàm thời gian).
1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi
Mục tiêu: Điều khiển các đối tượng có mô hình
toán và thông số động (thay đổi trong quá trình

làm việc do ảnh hưởng của môi trường).
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •14
* 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định
1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control)
 Sơ đồ:


 Ví dụ:
u(t)
Bộ điều khiển
r(t)
Đối tượng
y(t)
z(t)
 Đặc điểm:
- u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu.
- Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu.
- Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không đo được)
thì đáp ứng sẽ kém chính xác.

Nđộ ngoài trời
Lò sưởi
Nđộ phòng
Nhiệt kế
Phòng
Bộ ĐK
Nđộ yêu cầu
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •15
* 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
*Đặc điểm:

- u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra.
- Có thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu không biết trước/
không đo được

có khả năng tạo đáp ứng chính xác.
- Quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai -> sửa sai).
2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control)
 Sơ đồ:


 Ví dụ:
e(t)
u(t)
Bộ điều khiển
r(t)
Đối tượng
y(t)
z(t)
Nđộ ngoài trời
Máy lạnh
Nđộ phòng
Phòng
Bộ ĐK
Nđộ đặt
u
e
Cảm biến nhiệt
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •16
* 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
*Đặc điểm: Kết hợp mạch bù nhiễu và mạch hồi tiếp.

- Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước
ảnh hưởng của các nhiễu đo được.
- Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo
ra bởi các nhiễu không đo được.
3) Điều khiển phối hợp
 Sơ đồ:
e(t)
u(t)
Bộ điều khiển
r(t)
Đối tượng
y(t)
z(t)
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •17
* 1.3.3 Nguyên tắc ĐK thích nghi
*Đặc điểm:
- Sử dụng thêm một bộ chỉnh định.
- Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số của bộ điều khiển sao cho
hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường.
 Sơ đồ:
u(t)
Điều khiển
r(t)
Đối tượng
y(t)
z(t)
Chỉnh định
v(t)
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •18
*

1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp
*Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp.
Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp.
*Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp  chỉ phù hợp với các ứng
dụng không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao.
1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học
*Hệ liên tục
*Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian
*Mô tả bằng phương trình vi phân
*Hệ rời rạc
*Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số
*Mô tả bằng phương trình sai phân

•Bộ môn : Cơ Điện Tử •19
*
*Hệ tuyến tính (lý tưởng)
*Đặc tính tĩnh của các phần tử là tuyến tính
(tín hiệu ra ở xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào).
*Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân tuyến tính.
*Áp dụng được nguyên lý xếp chồng đáp ứng.
 Nếu có nhiều tín hiệu vào đồng thời: r1, r2,…, rn
Thì tín hiệu ra: y = y1 + y2 +…+ yn
*Hệ phi tuyến
*Các hệ thống thực tế đều là phi tuyến (Rơle ON-OFF,
khuếch đại bão hoà, khe hở, trễ, chết,…).
*Có thể tuyến tính hoá nếu giá trị các biến chỉ thay đổi
trong phạm vi nhỏ.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •20
*
*Hệ bất biến (hệ dừng)

*Các thông số của hệ (như khối lượng, độ cứng, ma sát, R, L, C)
là hằng số theo thời gian.
*Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng.
*Đáp ứng của hệ không phụ thuộc thời điểm tác động tín hiệu vào.
*Hệ biến đổi theo thời gian (hệ không dừng)
*Ví dụ : tên lửa có khối lượng m= m(t).
1.4.3 Phân loại theo số lượng tín hiệu vào-ra
*Hệ SISO (Single Input – Single Output): một ngõ vào – một ngõ ra.
*Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output) : nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra.
Môn học Điều khiển tự động (30 tiết) chủ yếu khảo sát
các hệ thống tuyến tính bất biến SISO.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •21
*
1) Bài toán phân tích
Biết cấu trúc và thông số của hệ thống.
Yêu cầu:
*Xét tính ổn định của hệ thống

y(

) = const ?
*Tìm hàm đáp ứng y(t) khi biết tín hiệu vào r(t).
*Biểu diễn y(t) bằng đồ thị.
*Đánh giá chất lượng quá trình điều khiển (xác định sai
số xác lập e

(

), thời gian ổn định t
s

, độ vọt lố
POT,…).

•Bộ môn : Cơ Điện Tử •22
*
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •23
*
2) Bài toán thiết kế
Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển.
Yêu cầu:
*Thiết kế bộ điều khiển (xác định loại và thông số tối
ưu của bộ điều khiển) để hệ thống đạt yêu cầu chất
lượng đã đề ra.
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •24
*
*Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi
•Bộ môn : Cơ Điện Tử •25
*
*Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC