Tổng quan về điều khiển tự động xe 2 bánh tự cân bằng

Small tutorial Tổng quan về điều khiển tự động – phần 1

1

I.Khái niệm về điều khiển tự
động
Mở đầu
Bài viết này nhằm làm rõ một số kiến thức cho
các bạn đã và đang học nhưng chưa hiểu rõ
lắm về hệ thống điều khiển tự động. Các bạn
có ý định theo ngành này cũng có thể đọc để
nắm sơ qua về điều khiển tự động.
Kiến thức cơ bản cần cho điều khiển học là
phương trình vi phân và biến đổi Laplace.
Ngoài ra, để thiết kế bộ điều khiển số thì cần
biết thêm về biến đổi Z. Các kiến thức về Đại
số tuyến tính, Hàm biến phức, Tối ưu hóa
cũng sẽ có ích rất nhiều. Tất cả các môn này
đều được dạy ở các năm đại cương ở các
trường đại học về kỹ thuật. Trong bài viết này,
tác giả xem bạn là người đã biết về phương
trình vi phân và biến đổi Laplace.
Điều khiển và điều khiển tự động
Điều khiển :
Vd1: điều khiển xe máy. Ta vặn tay ga thì xe
chạy, vặn mạnh thì nó chạy nhanh, vặn nhẹ thì
nó chạy chậm. Ở đây, xe là đối tượng (hay hệ
thống) cần điều khiển; mức vặn ga là tín hiệu
điều khiển; còn tốc độ xe là đáp ứng của hệ
thống. Khái quát ví dụ trên lên ta hiểu nôm na
điều khiển là sự tác động lên tín hiệu điểu

khiển nhằm làm cho hệ thống có đáp ứng như
ta mong muốn.
Cần hiểu kỹ khái niệm “Tín hiệu điều khiển”
vì nó rất quan trọng. Từ kinh nghiệm học tập
của tôi, nhiều khi ở trên bảng thầy giáo cứ lặp
đi lặp lại “tín hiệu điều khiển” mà tôi không
biết thầy đang muốn nói đền cái biến nào trong
bài toán, u, I, hay là V.
Điều khiển tự động :
Vd2: giả sử có một chiếc xe máy có chức năng
sau : ta quay kim tốc độ tới vạch mong muốn
chẳng hạn là 50km/h, một bộ phận nào đó của
xe máy tự động vặn ga sao cho xe đạt 50km/h,
khi đó khái niệm điều khiển tự động xuất hiện.
Ta không trực tiếp điều khiển, ta chỉ ra yêu
cầu và hệ thống tự động điều chỉnh sao cho có
đáp ứng ra như yêu cầu. So với ví dụ trước thì
ở đây xuất hiện thêm “bộ phận nào đó của xe
máy tự động vặn ga sao cho…”. Ta gọi đó là
bộ điều khiển.
Nguyên lý bộ điều khiển : có nhiều nguyên lý
khác nhau, nhưng đơn giản và tự nhiên nhất là
bắt chước hành vi con người. Con người dùng
các giác quan để cảm nhận mọi thứ, rồi đưa ra
hành động thích hợp. Tương tự, bộ điều khiển
dùng các thiết bị cho phép đo đạc gọi là cảm
biến, rồi so sánh cái đo được với cái mong
muốn để đưa ra điều chỉnh thích hợp dựa trên
một số quy tắc mà ta thiết lập cho nó.
Trong vd2, bô điều khiển có thể được thiết kế

như sau : dùng 1 thiết bị để đo vận tốc xe. So
sánh giá trị đo được với giá trị mong muốn là
50km/h. Nếu vận tốc nhỏ hơn 50km/h thì tăng
ga để tăng tốc, ngược lại thì giảm ga để giảm
tốc.
Figure 1: Nguyên lý một bộ điều khiển đơn giản
V > Vo : giảm tốc
V < Vo : tăng tốc
So sánh
Vo Vo - V
Tín hiệu
điều
khiển
Cảm biến
V

Công cụ phân tích và thiết kế trong điều
khiển học cổ điển.
Trong điều khiển học cổ điển, mọi phân tích
và thiết kế đều được tiến hành trong miền tần
số, hay còn gọi là miền Laplace.
Vì sao lại là biến đổi Laplace ? Đó là bởi vì
các đối tượng vật lý được mô hình hóa bằng
các phương trình vi phân, và biến đổi Laplace
cho phép chuyển phương trình vi phân tuyến
tính sang một phương trình đa thức, mà
phương trình đa thức thì trực quan và dễ xử lý
hơn nhiều so với phương trình vi phân.
Small tutorial Tổng quan về điều khiển tự động – phần 1

2

Hàm truyền và mô hình của hệ thống
Hàm truyền của một hệ thống mô tả quan hệ
giữa đầu ra và đầu vào của nó. Hàm truyền
chính là mô hình của hệ thống, cho phép dự
đoán đầu ra của hệ thống mà không cần phải
đo đạc trên một hệ thống bằng xương bằng
thịt.
Lấy ví dụ ta có một cái máy, ta muốn biết xem
nó hoạt động như thể nào. Ta lần lượt cấp cho
nó dòng điện 1A, 2A, 3A,… rồi đo vận tốc
xem nó biến thiên như thể nào.
Thay vì làm như vậy, ta nghiên cứu các quy
luật khoa học của máy và đưa ra một công
thức tổng quát sao cho hễ biết đầu vào là ta có
thể suy ra ngay được đầu ra.


Mô hình lý tưởng sẽ cho ta vận tốc dự đoán
bằng vận tốc thật đo được. Tuy nhiên không
có gì lý tưởng, thông thường ta chỉ cần một
mô hình đủ tốt.
Trong điều khiển học, người ta toán học hóa
quan hệ vào-ra để có thể phân tích và thiết kế.
Biểu diễn hàm truyền bằng toán học
Ví dụ ta có một điện trở R, nếu ta đặt vào 2
đầu của nó một điện áp V, thì hỏi dòng điện
qua nó bằng bao nhiêu?
Đương nhiên  =






=
1


Như vậy 1/R là hàm truyền giữa dòng điện và
điện áp của một điện trở.
Nếu là cuộn cảm thì sao?
 = 


 



= 













=
1


Vậy 1/Ls là hàm truyền giữa dòng và áp của
một cuộn cảm.
Vậy nếu hệ thống có đầu vào là I(s), và đầu ra
là O(s) thì hàm truyền đươc định nghĩa :




=
()
()

Hàm truyền còn được gọi là đáp ứng tần số.
Các bài viết sau sẽ giải thích rõ hơn về điểm
này.
(…)
2/11/2012
Klong19
Tham khảo :
Bài viết chỉ bao gồm các kiến thức cơ bản có ở
khắp nơi nên người viết nghĩ không cần thiết
chỉ ra nguồn tham khảo. Nếu có tham khảo cụ
thể nguồn nào khi viết thì sẽ được liệt kê ở
đây:

Dòng điện thật
Vận tốc
đo được
Máy thật
Dòng điện
tưởng tượng
Vận tốc
dự đoán
Máy mô
hình
H(s)
Figure 2 : Mô hình và thực tế