Bài giảng điều khiển tự động chương 1 tổng quan về điều khiển tự động

Điều Khiển
Tự Động
9/9/2014

1


Mục đích môn học


Nghiên cứu các phương pháp, công cụ
toán học để mô tả, phân tích và thiết kế
các hệ thống điều khiển tự động.

9/9/2014

2


Nội dung môn học










Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động

Chương 2: Mô tả toán học
phần tử và hệ thống điều khiển
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

9/9/2014

3


Chương 1:

Tổng quan về điều khiển tự động
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
9/9/2014

4


1.1 Các khái niệm cơ bản
1) Điều khiển

Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h

9/9/2014

5


1.1 Các khái niệm cơ bản
1) Điều khiển
Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h
1. Mắt quan sát đồng hồ tốc độ  Thu thập thông tin
2. Não so sánh v mong muốn và v thực tế, ra quyết định
tăng/giảm ga  Xử lý thông tin
3. Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga  Tác động
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 để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho
đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước.
Điều khiển tự động = quá trình điều khiển không cần
sự tham gia trực tiếp của con người.

9/9/2014

6

1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)
Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H0
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 H0 có thể
thay đổi bằng cách điều
chỉnh độ dài thanh nối
phao-đòn bẩy.

9/9/2014

7


1.1 Các khái niệm cơ bản (tt)
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

9/9/2014

8

• Ví dụ về các tín hiệu vào, ra
điện áp u(t)

lưu lượng, áp suất
công suất
vị trí nòng van
(độ nâng, góc mở)

Động cơ điện

Xylanh lực
Lò nhiệt

Van

vận tốc n(t)
góc quay(t)
vận tốc, vị trí, lực

Nhiệt độ
lưu lượng, áp suất

Chiết áp
9/9/2014

9


vị trí con trỏ

Chiết áp

Điện áp

(góc xoay)
9/9/2014

10


vị trí con trỏ

Chiết áp

Điện áp

(góc xoay)
9/9/2014

11


Linear potentiometer

9/9/2014

12


1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển



3 thành phần cơ bản: Đối tượng điều khiển, thiết bị đo
(cảm biến), bộ điều khiển.
z(t)
r(t)

e(t)

Bộ điều khiển

yht (t)

u(t)

Đối tượng ĐK

y(t)

Thiết bị đo

r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (Set Value)
y(t) : tín hiệu ra (output), biến quá trình, giá trị thực tế (Process Value)
yht(t) : tín hiệu hồi tiếp, biến đo lường ( Measure Variable)
e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error)
yht = K.y ; e= r- yht
u(t) : tín hiệu điều khiển /tác động (control signal,
NếuManipulate
K=1 thì: Variable)
e=r-y

z(t): tín hiệu nhiễu ( Noise, Disturbance)
9/9/2014

13


9/9/2014

14


9/9/2014

15


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).
9/9/2014

16


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định
1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control)
 Sơ đồ:
z(t)
r(t)


Bộ điều khiển

u(t)

Đối tượng

y(t)

Ví dụ:

Nđộ
yêu cầu

Nđộ ngoài trời

Nhiệt kế
Rơle

van

Lò sưởi

Phòng

Nđộ phòng

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.


9/9/2014

17


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định


Ví dụ:

Nđộ
yêu cầu

9/9/2014

Nđộ ngoài trời

Nhiệt kế
Rơle

van

Lò sưởi

Phòng

Nđộ phòng

18


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control)
 Sơ đồ:
z(t)
r(t)
e(t)
y(t)
u(t)
Bộ điều khiển
Đối tượng


Ví dụ:
Nđộ đặt

Nđộ ngoài trời
e

Bộ ĐK

u

Máy lạnh

Phòng

Nđộ phòng

Cảm biến nhiệt

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).


9/9/2014

19


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
3) Điều khiển phối hợp
 Sơ đồ:

r(t)

e(t)

Bộ điều khiển

z(t)
u(t)

Đối tượng

y(t)

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.


9/9/2014

20




Ví dụ:

9/9/2014

21


1.3.3 Nguyên tắc ĐK thích nghi


Sơ đồ:

z(t)

Chỉnh định
r(t)

v(t)
Điều khiển

u(t)

Đối tượng

y(t)

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.


9/9/2014

22


1.4 Phân loại hệ thống điều khiển
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.

9/9/2014

23


1.4 Phân loại hệ thống điều khiển

9/9/2014

24


1.4 Phân loại hệ thống điều khiển
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

9/9/2014

25