Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động: Bài 1 - Trường ĐH Công nghiệp TP.HCM

Kỹ thuật điều khiển tự động

BÀI 1: KHÁI NIỆM

VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN




Giới thiệu

Denis Papin’s water float regulator



Wall’s fly-ball governor


Giới thiệu
Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm
duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến
nào đó trong hê thống.

Denis Papin’s water float regulator

Wall’s fly-ball governor




Giới thiệu

Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt
Sơ đồ khối
Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín hiệu vào từ một số bộ phận của hệ
thống điều khiển và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác.




Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt




Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt




Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt
Hàm truyền đạt

- là mối quan hệ tốn học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của
phần tử:

y(t)
TF =
x(t)


Hệ Thống Điều Khiển




Hệ Thống Điều Khiển

Trong đó:
r(t): tín hiệu vào, chuẩn tham chiếu (reference input), giá trị đặt trước
y(t): tín hiệu ra (output), biến / đại lượng cần điều khiển, giá tri thực
yht(t): tín hiệu hồi tiếp

e(t): tín hiệu sai lệch, sai số
u(t): tín hiệu điều khiển
z(t): tín hiệu nhiễu



Hệ Thống Điều Khiển

Xét hệ thống điều khiển như trên:
-Đối tượng điều khiển là bồn nước

-Mục tiêu điều khiển là giữ mức nước trong bồn luôn ổn định và bằng trị số H0
cho trước dù lương nước tiêu thụ thay đổi như thế nào

Hệ Thống Điều Khiển
Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển khơng
có phụ thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình.




Hệ Thống Điều Khiển Vịng Hở
Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten

- Vị trí ban đầu: 00
- Vị trí mong muốn: 300
- Động cơ: 10/giây (ở điện áp định
mức)

Để thực hiện chuyển động mong muốn, bộ điều khiển xuất ra một xung tín hiệu
trong 30 giây.
Nếu động cơ làm việc chính xác, vị trí anten sẽ dừng chính xác ở 300.




Hệ Thống Điều Khiển Vòng Hở

Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V:
Velocity = 0.05 * 0.5 * 100 * 12 = 30 m/min

Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín
Hệ thống điều khiển vịng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ
thuộc vào sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi.

Ba thao tác chính của một hệ thống vịng kín: Đo lường, ra quyết định và tác
động



Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín

• Điểm điều chỉnh, biến được điều khiển, biến được đo, và điểm sai lệch.
• Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động.




Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín
• Bộ cảm biến: thực hiện đo giá trị thực
của biến được điều khiển, biến đổi thành
một đại lượng có thể sử dụng được và
phản hồi về bộ điểu khiển.
• Bộ điều khiển (bao gồm cả bộ so sánh):
thực hiện cơ chế điều khiển thích hợp
nhằm làm giảm giá trị sai lệch.
• Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều
khiển thành tín hiệu tác động.

Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín
Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten
- Vị trí ban đầu: 00

- Vị trí mong muốn: 300 (→ xd)
- Cảm biến góc: 10V / 3600
(→ xa)




Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín
Tín hiệu điều khiển vc được xác định tùy
theo cơ chế điều khiển:

vc =

vs
0

nếu

xa  xd
xa = xd

vc = C(xd −xa)

Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ
cũng như độ chính xác của bộ truyền cơ khí.




Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín
Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy

Khảo sát sự chuyển động của bàn máy khi bàn máy dịch chuyển từ vị trí 0.4 m
(ban đầu) sang bên phải ở vị trí 0.64 m. Giả sử thời gian lấy mẫu (phản hồi) là
0.1 giây.



Hệ Thống Điều Khiển Vịng Kín

Vi (V)

Vf (V)

Ve (V)

P (mm)

Pos (mm)

Vi (V)

Vf (V)

Ve (V)

P (mm)

Pos (mm)

2.5

2.5

0

0

400

2.5

2.5

0

0

400

0.0

4

2.5

1.5

0

400

0.0

4

2.5

1.5

0

400

0.1

4

2.5

1.5

2.250

402.250

0.1

4

2.5

1.5

2.813

402.813

0.2

4

2.514

1.486

2.229

404.479

0.2

4

2.518

1.482

2.779

405.592

0.3

4

2.528

1.472

2.208

406.687

0.3

4

2.535

1.465

2.747

408.339

0.4

4

2.542

1.458

2.187

408.874

0.4

4

2.552

1.448

2.715

411.054

0.5

4

2.555

1.445

2.167

411.041

0.5

4

2.569

1.431

2.683

413.737

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

60.0

4

3.995

0.005

0.008

639.157

48.0

4

3.995

0.005

0.01

639.163

T (s)

T (s)




HTDK: Vịng Hở vs Vịng Kín
Hệ thống điều khiển vịng hở
- đơn

giản và chi phí đầu tư

thấp
- khơng kiểm sốt được giá
trị thực tế
- có thể ứng dụng khi đặc
tính làm việc của những cơ
cấu tác động và quá trình
tương đối ổn định

- thường xuyên thực hiện
quá trình cân chỉnh hệ thống

Hệ thống điều khiển vịng kín
- phức

tạp và chi phí đầu tư

cao
- có thể điểu khiển được giá
trị thực tế
- giá trị thực tế luôn ổn định
bất chấp đặc tính làm của
những cơ cấu tác động và
q trình.
- thỉnh thoảng chỉ cần kiểm
tra đặc tính làm việc của bộ
cảm biến




Tuyến Tính & Phi Tuyến
Khi phân tích và thiết kế, hầu hết các hệ thống điều khiển được giả sử là bao
gồm các phần tử tuyến tính – phần tử cho tín hiệu ra tỷ lệ thuận với tín hiệu
vào.

Phần tử tuyến tính bảo tồn dạng hình học của tín hiệu vào

Tuyến Tính & Phi Tuyến
• Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X khơng làm thay đổi tín
hiệu ra Y.

Linear element with a dead band nonlinearity

T


Tuyến Tính & Phi Tuyến
• Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y khơng trùng nhau khi tín hiệu
vào X tăng hay giảm.

Nonlinear element with hysteresis