Bài giảng Lý thiết điều khiển tự động: Chương 1 - Đại cương về hệ thống điều khiển

BÀI GIẢNG

LÝ THIẾT

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Thạc sĩ VÕ VĂN ĐỊNH

NĂM 2009


CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
1.3 Phân loại điều khiển
1.4 Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển
1.5 Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.1 Điều khiển là gì?
Định nghĩa:
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 “gần”
với mục đích định trước
Điều khiển tự động quá trình điều khiển không cần sự tác
động của con người


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.1 Điều khiển là gì?
Tại sao ta phải điều khiển?

 Con ngươi không thỏa mãn với đáp ứng hệ thống
 Hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng năng
suất, tăng hiệu quả kinh tế
 Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển càng có
vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ
thuật công nghệ và văn minh hiệ đại


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
r(t)

+

e(t)
-

Bộ điều khiển

u(t)

Đối tượng

Cht(t)
Cảm biến

Trong đó:

 r(t) (Reference input) : tín hiệu vào
 c(t) (Controlled output) : tín hiệu ra

 cht(t) : tín hiệu hồi tiếp
 e(t) (Error) : sai số
 u(t) : tín hiệu điều khiển

c(t)


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa hệ
thống bắt buộc có các thành phần sau:
 Thiết bị đo lường (cảm biến)
 Bộ điều khiển
 Và đối tượng điều khiển


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin
Bộ điều khiển có chức năng xử lý thông tin, ra quyết định
điều khiển
Đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động
Trong lĩnh vực điều khiển tự động có ba bài toán cơ bản sau:
 Phân tích hệ thống
 Thiết kế hệ thống
 Nhận dạng hệ thống

1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động
 Phân tích hệ thống:
Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số. Bài toán
đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tìm đáp ứng của
hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ
 Bài toán này luôn giải được


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động
 Thiết kế hệ thống:
Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Bài toán
đặc ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn
các yêu cầu về chất lượng
 Bài toán này giải được


1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN
1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động
 Nhận dạng hệ thống:
Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Vấn đề đặt ra
là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống.
 Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi

Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng
Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ xung ngoài
Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ
Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp
Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống
phải tồn tại hai dòng thông tin:
 Từ bộ điều khiển đến đối tượng
 Từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (thông tin hồi tiếp)
Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vòng hở) không đạt
chất lượng cao, nhất là khi có nhiễu


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Điều khiển bù nhiễu :

r(t)

Bộ điều khiển

n(t)

u(t)

Đối tượng

c(t)

Đạt được đầu ra c(t) mong muốn mà không cần quan sát
tín hiệu ra c(t)
Đối với hệ phức tạp điều khiển bù nhiễu không thể cho
chất lượng tốt


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Điều khiển sai lệch:
r(t)

+

e(t)
-

Bộ điều khiển

u(t)

Đối tượng

c(t)

Cht(t)
Cảm biến

Bộ điều khiển quan sát tín hiệu ra c(t) so sánh với tín hiệu vào
mong muống r(t) để tính toán tín hiệu điều khiển u(t)
Nguyên tắc này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm
và sửa sai
Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
n(t)

Điều khiển phối hợp:
r(t)

+

e(t)
-

Bộ điều khiển

u(t)

Đối tượng

c(t)

Cht(t)
Cảm biến

Các hệ thống chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển
bù nhiễu và điều khiển sang bằng sai lệch


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương ứng
Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của
bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng
Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khã năng:
- Thu thập thông tin
- Lưu trữ thông tin
- Truyển tin
- Phân tích xử lý
- Chọn quyết định …
Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển
phù hợp với đối tượng


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong một môi trường cụ
thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó
Nguyên tắc bổ sung ngoài thừa nhận có một đối tượng chưa biết
(hộp đen) tác động vào hệ thống và ta điều khiển cả hệ thống và
hộp đen
Ý nghĩa của nguyên tắc này là khi thiết kế hệ thống tự động, muốn
hệ thống có chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu của môi
trường tác động vào hệ thống

1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ
Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng
các bất trắc xẩy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng
trong điều kiện bình thường
Vốn dự trữ không sử dụng, nhưng cần đảm bảo cho hệ thống
an toàn


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp
Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều
lớp điều khiển bổ xung cho trung tâm
Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây


1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN
Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội
Mỗi hệ thống cần xây dựng cân bằng nội để có khã năng tự
giải quyết các biến động xẩy ra


1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN
Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển tùy theo mục đích
của sự phân loại:
 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
 Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống
 Phân loại theo mục tiêu điều khiển

1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN
1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
a. Hệ thống tuyến tính – hệ thống không tuyến tính
Hệ thống tuyến tính không tồn tại trong thực tế, vì trong tất cả
các hệ thống vật lý đều là phi tuyến
Hệ thống tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn giản hóa quá
trình phân tích và thiết kế hệ thống
Tất cả các hệ thống thực tế đều có đặc tính phi tuyến.


1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN
1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
a. Hệ thống tuyến tính – hệ thống không tuyến tính
Các đặc tính phi tuyến thường được đưa vào HTĐK nhằm cải thiện
chất lược hay tăng hiệu quả điều khiển
Các hệ phi tuyến thường khó xử lý theo toán học và cũng chưa có
phương pháp chung nào để giải quyết cho tất cả một lớp hệ phi tuyến


1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN
1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
b. Hệ thống bất biến – hệ thống biến đổi theo thời gian
Khi các thông số của HTĐK không đổi trong suốt thời gian hoạt
động của hệ thống, thì hệ thống được gọi là hệ thống bất biến
Thực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần tử trôi hay
biến đổi theo thời gian
Mặc dù hệ thống biến đổi theo thời gian không có đặc tính phi
tuyến, vẫn được coi là hệ tuyến tính, nhưng việc phân tích và thiết
kế hệ thống này phức tạp hơn nhiều so với hệ tuyến tính theo thời
gian