Kỹ thuật điều khiển tự động

Kü thuËt ®iÒu khiÓn tù ®éng © THM
LỜI GIỚI THIỆU
Nội dung chính của cuốn sách gồm những chương như sau:
Chương 1. Giới thiệu công nghệ điều khiển: Khái quát lịch sử phát triển
hệ thống tự động và lý thuyết điều khiển tự động.
Chương 2. Mô hình hóa hệ thống: Phát triển mô hình toán học cho các hệ
thống điều khiển và các phần tử của hệ thống tự động nhằm mục đích phân tích,
tìm hiểu đặc tính động và thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Mô hình hóa hệ
thống cơ bản dựa trên các định luật vật lý.
Chương 3. Phân tích trong miền thời gian: Giới thiệu các phương pháp
kinh điển phân tích đặc tính động của hệ thống điều khiển như biến đổi Laplace,
hàm truyền và phân tích các đáp ứng hệ thống khi áp dụng một tín hiệu đầu vào.
Chương 4. Hệ thống điều khiển vòng kín: Khái quát những phương pháp
biểu diễn hệ điều khiển vòng kín và giới thiệu hệ thống điều khiển PID (tỷ lệ
tích phân vi phân).
Chương 5. Thiết kế điều khiển kinh điển trong mặt phẳng S: Giới thiệu
các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển trong miền S như tiêu
chuẩn ổn định Routh-Hurwitz, phương pháp quỹ tích nghiệm.
Chương 6. Thiết kế điều khiển kinh điển trong miền tần số: Giới thiệu
các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển trong miền tần số sử
dụng các biểu đồ như Biểu đồ Bode, Biểu đồ Nyquist và Biểu đồ Nichols.
Chương 7. Thiết kế hệ thống điều khiển số: Giới thiệu hệ thống điều
khiển xung số sử dụng bộ vi xử lý và trình bày các khái niệm và nguyên lý phân
tích thiết kế hệ thống điều khiển xung số như biến đổi z, hàm truyền xung số và
tính ổn định trong miền z.
Chương 8. Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển không gian trạng
thái: Giới thiệu phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng mô hình
không gian trạng thái. Chương này cũng giới thiệu một số phương pháp thiết kế
bộ quan sát trạng thái.
1/16
Kü thuËt ®iÒu khiÓn tù ®éng © THM

Phụ lục 1. Thiết kế hệ thống điều khiển dùng MATLAB: Cung cấp các
chương trình mẫu bằng MATLAB® và Simulink® để minh họa các thuật toán
điều khiển đã trình bày trong các chương trước.
Phụ lục 2. Khái niệm cơ bản về ma trận: Tóm tắt một số khái niệm cơ
bản ma trận làm cơ sở toán học cho lập trình với MATLAB.
Với nội dung trên, cuốn sách phù hợp cho các khóa học cơ sở về điều
khiển tự động ở các đại học. Với nội dung không quá nặng về lý thuyết có kết
hợp với thực hành cuốn sách cũng còn có thể dùng được cho cả sinh viên các
khóa học về thiết bị điều khiển tự động ở các trường cao đẳng kỹ thuật. Những
nội dung trong cuốn sách đã được tác giả lựa chọn công phu bằng kinh nghiệm
giảng dạy lâu năm về lĩnh vực điều khiển tự động tại Đại học Plymouth, Anh
Quốc.
2/16
Hỡnh 1.1 B iu tc ly tõm ca James Watt
Kỹ thuật điều khiển tự động â THM
Chơng i. giới thiệu các hệ thống điều khiển tự động
1.1. Khỏi quỏt lch s
Tri qua lch s con ngi vn ang c gng iu khin th gii m h
ang sng. T nhng ngy u tiờn con ngi ó nhn thy rng sc lc yu
ui ca mỡnh khụng cnh tranh vi nhng sinh vt xung quanh mỡnh. Con
ngi ch cú th tn ti bng cỏch s dng trớ khụn v s khộo lộo ca mỡnh. Ti
sn chớnh ca con ngi so vi tt c cỏc loi khỏc trờn trỏi t l trớ thụng minh
tuyt nh ca mỡnh. Con ngi Thi k ỏ (Stone Age) ó phỏt minh ra
dng c v v khớ t viờn ỏ la, ỏ v xng v ó phỏt hin ra rng cú th
hun luyn ng vt tuõn mnh lnh ca mỡnh, v ó nhn bit c mt dng
s khi u tiờn ca h thng iu khin. Trc ú mt thi gian di, con ngi
ó bit khai thỏc sc nga v sc bũ thc hin nhiu cụng vic khỏc nhau,
bao gm c vn ti. Phi tri qua mt thi gian rt di con mi ngi hc c
cỏch thay th ng vt bng mỏy múc.
3/16

Kü thuËt ®iÒu khiÓn tù ®éng © THM
Bước quan trọng nhất trong thiết kế máy móc, mà lần lượt sứ giả đưa tin cho
cách mạng công nghiệp, là sự phát triển của máy hơi nước. Một vấn đề thách
thức kỹ sư tại thời đó là làm sao có thể điều khiển được vận tốc quay của máy
mà không cần có sự can thiệp của con người. Trong số nhiều phương pháp được
thử, phương thành công nhất là sử dụng con lắc hình nón, có góc nghiêng là một
hàm số (nhưng không phải là một hàm tuyến tính) của tốc độ góc quay của trục.
Nguyên lý này được James Watt khai thác vào năm 1769 trong việc thiết kế quả
bóng bay (flyball) của ông, hay còn gọi là máy điều tốc ly tâm. Vì vậy có lẽ hệ
thống đầu tiên để điều khiển tự động máy móc đã được khai sinh.
Nguyên lý làm việc của máy điều tốc Watt được biểu diễn trong Hình 1.1,
trong đó thay đổi vận tốc trục quay sẽ làm cho góc hình nón khác nhau của
những quả bóng bay. Góc hình nón thay đổi tiếp theo sẽ tạo nên chuyển động
tuyến tính của ống ngoài kết quả là điều chỉnh được lưu lượng hơi vào máy bằng
một chiếc van.
Watt là một kỹ sư thực hành và không có nhiều thời gian để phân tích lý
thuyết. Tuy nhiên ông đã quan sát thấy rằng trong những điều kiện nhất định nào
đó thì máy xem ra như săn đuổi theo vận tốc đầu ra dao động xung quanh một
giá trị mong muốn. Sự loại trừ việc săn đuổi hoặc tên phổ biến hơn không ổn
định là một đặc điểm quan trọng trong thiết kế tất cả các hệ thống điều
khiển.
- Trong công trình của mình “Về các bộ điều tốc” Maxwell (1868) đã phát
triển phương trình vi phân cho bộ điều tốc, tuyến tính hóa điểm cân bằng và
chứng minh rằng tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào nghiệm của phương
trình đặc trưng có các phần thực âm.
- Bài toán nhận dạng tiêu chuẩn ổn định cho hệ thống tuyến tính được nghiên
cứu bởi Hurwitz (1875) và Routh (1905). Bài toán này được mở rộng để xét tính
ổn định của hệ phi tuyến tính bởi nhà toán học Nga Lyapunov (1893). Phần cốt
lõi toán học để phân tích lý thuyết đuợc Laplace (1749-1827) và Fourier (1758-
1830) phát triển.

4/16
Kü thuËt ®iÒu khiÓn tù ®éng © THM
- Một hướng tiếp cận quan trọng khác để thiết kế hệ thống điều khiển được
Evans (1948) phát triển. Dựa trên tác phẩm của Maxwell và Routh, Evans bằng
phương pháp quỹ tích nghiệm đã thiết kế những quy tắc và kỹ thuật cho phép
nghiệm của phương trình đặc trưng được biểu thị bằng đồ thị.
- Sự ra đời của máy tính trong thập niên 1950s đã làm gia tăng việc biểu diễn
phương trình vi phân bằng không gian trạng thái, nghĩa là sử dụng ký hiệu ma
trận véc tơ, chính nó góp phần sẵn sàng vào việc tính toán (machine
computation).
- Thập niên 1980s đã trải qua những tiến bộ lớn về lý thuyết điều khiển để
thiết kế hệ thống bền vững với tính không chắc chắn trong đặc tính động. Công
trình của Athans (1971), Safanov (1980), Chiang (1988), Grimble (1988) và
những người khác đã trình diễn cách có thể mô hình hóa tính không chắc chắn
và đưa ra khái niệm và lý thuyết tổng hợp.
Thập niên 1990s đã mở ra cho cộng đồng điều khiển khái niệm những hệ
thống điều khiển thông minh. Mạng trí năng nhân tạo chứa đựng nhiều phần tử
tính toán đơn giản hoạt động song song với nhau nhằm cố gắng cạnh tranh với
những đối tác sinh học. Lý thuyết dựa trên công trình thực hiện bởi Hebb
(1949), Rosenbatt (1961), Kohanen (1987), Widrow-Hoff (1960) và những
người khác. Khái niệm lô gíc mờ được Zadeh (1965) giới thiệu. Lô gíc mờ này
đã được phát triển cho phép máy tính mô hình hóa tính lơ đãng của con người
(human vagueness). Những bộ điều khiển lô gíc mờ, trong khi thiếu vắng
phương pháp thiết kế mãnh liệt chính thức những kỹ thuật khác, đã cho đưa ra
điều khiển bền vững mà không cần thiết phải mô hình hóa hành vi động của hệ
thống. Những tác giả trong lĩnh vực này có thể kể đến (bao gồm): Mamdani
(1976), Sugeno (1985), Sutton (1991) và Tong (1978).
1.2 Cơ sở hệ thống điều khiển
1.2.1 Khái niệm hệ thống
Trước khi thảo luận cấu trúc một hệ điều khiển cần phải định nghĩa một hệ

thống (a system) có nghĩa là gì? Hệ thống có nghĩa những vật khác nhau đối với
người khác nhau, có thể bao gồm những hệ thống thuần vật lý như bàn máy của
5/16
Hình 1.2 Khái niệm hệ thống
Hình 1.3 Tàu thủy là một hệ động
Kü thuËt ®iÒu khiÓn tù ®éng © THM
công cụ máy điều khiển máy tính số (CNC) hoặc nói một cách khác những thủ
tục cần thiết để mua những vật liệu thô cùng với điều khiển hàng tồn kho (kiểm
kê, inventory) trong một hệ thống kế hoạch hóa yêu cầu vật liệu (Material
Requirements Planning System).
Tổng quát, một hệ thống có thể được định nghĩa là một bộ sưu tập của vật
chất, các bộ phận, các phần tử hoặc các thủ tục được bao gồm trong một giới
hạn được định rõ nào đó như trong Hình 1.2. Một hệ thống có thể có nhiều đầu
vào và nhiều đầu ra.
Trong công nghệ học điều khiển, cách mà đầu ra hệ thống đáp ứng đối với sự
thay đổi đầu vào hệ thống (nghĩa là đáp ứng hệ thống) rất quan trọng.
Trong trường hợp tàu thủy được cho trong Hình 1.3. Bánh lái và máy là đầu
vào điều khiển mà giá trị của chúng có thể được điều chỉnh để điều khiển đầu ra
nào đó, ví dụ hướng tàu và vận tốc chạy tới. Gió, sóng và dòng chảy là những
đầu vào nhiễu loạn và chúng làm phát sinh sai số trong các đầu ra (được gọi là
biến số được điều khiển) vị trí, hướng, tốc độ chạy tới. ngoài ra, nhiễu loạn sẽ
gây ra chuyển động của tàu gia tăng (lắc ngang, lắc dọc và trượt dọc) là những
chuyển động không mong muốn.
6/16