K thut diu khin t dng bien tp bi

Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên 1/207 Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Phiên trực tuyến: http://voer.edu.vn/m/0d7fe2e0/1 2/207 MỤC LỤC Bài 1: Cơ hệ thống điều khiển tự động 1.1 Khái niệm điều khiển 1.2 Các nguyên tắc điều khiển 1.3 Phân loại điều khiển 1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển 1.5 Một số ví dụ phần tử hệ thống tự động Bài 2: Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển liên tục Bài 3: Đặc tính động học hệ thống 3.1 Khái niệm đặc tính động học 3.2 Các khâu động học điển hình 3.3 Đặc tính động học hệ thống tự động 3.4 Khảo sát đặc tính động học hệ thống Bài 4: Khảo sát tính ổn định hệ thống 4.1 Khái niệm ổn định 4.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số 4.3 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số 4.4 Tiêu chuẩn ổn định tần số Bài 5: Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 5.1 Các tiêu chuẩn chất lượng 5.2 Sai số xác lập 5.3 Đáp ứng độ 5.4 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng độ Bài 6: Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục Bài 7: Mô tả toán học hệ thống điều khiển rời rạc 7.1 Hệ thống điều khiển rời rạc 7.2 Phép biến đổi Z 7.3 Mô tả hệ thống rời rạc hàm truyền 7.4 Mơ tả hệ thống rời rạc phương trình trạng thái Bài 8: Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc 8.1 Hệ thống điều khiển rời rạc :Khái niệm chung 8.2 Các tiêu chuẩn ổn định 8.3 Đánh giá chất lượng hệ thống 8.4 Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển rời rạc 3/207 Bài 9: Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển tự động 10 Bài 10: Lập trình điều khiển hệ thống tự động từ máy tính 11 Bài 11: Thảo luận tống kết 11.1 MÔ TẢ HỆ RỜI RẠC DÙNG MATLAB Tham gia đóng góp 4/207 Bài 1: Cơ hệ thống điều khiển tự động 5/207 Khái niệm điều khiển Khái niệm Một câu hỏi phổ biến với người làm quen với lý thuyết điều khiển “Điều khiển gì?” Để có khái niệm điều khiển xét ví dụ sau Giả sử lái xe đường, muốn xe chạy với tốc độ cố định 40km/h Để đạt điều mắt phải quan sát đồng hồ đo tốc độ để biết tốc độ xe chạy Nếu tốc độ xe 40km/h ta tăng ga, tốc độ xe 40km/h ta giảm ga Kết trình xe chạy với tốc độ “gần” tốc độ mong muốn Quá trình lái xe q trình điều khiển Trong trình điều khiển cần thu thập thông tin đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin tốc độ xe), tùy theo thông tin thu thập mục đích điều khiển mà có cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hay giảm ga), cuối ta phải tác động vào đối tượng (tác động vào tay ga) để hoạt động đối tượng theo yêu cầu mong muốn Điều khiển q trình thu thập thơng tin, xử lý thơng tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động q trình điều khiển khơng cần tác động người Câu hỏi thứ hai thường gặp người làm quen với lý thuyết điều khiển “Tại cần phải điều khiển?” Câu trả lời tùy thuộc vào trường hợp cụ thể, nhiên có hai lý người không thỏa mãn với đáp ứng hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ xác, tăng suất, tăng hiệu kinh tế Ví dụ lĩnh vực dân dụng, cần điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm cho hộ cao ốc tạo tiện nghi sống Trong vận tải cần điều khiển xe hay máy bay từ nơi đến nơi khác cách an tồn xác Trong cơng nghiệp, q trình sản xuất bao gồm vơ số mục tiêu sản xuất thỏa mãn đòi hỏi an tồn, độ xác hiệu kinh tế Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển (HTĐK) có vai trị quan trọng việc phát triển tiến kỹ thuật công nghệ văn minh đại Thực tế khía cạnh hoạt động ngày bị chi phối vài loại hệ thống điều khiển Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, hệ thống giao thông, hệ thống lượng, robot, Ngay vấn đề kiểm toán hệ thống kinh tế xã hội áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động Khái niệm điều khiển thật khái niệm rộng, nội dung sách đề cập đến lý thuyết điều khiển hệ thống kỹ thuật 6/207 Các thành phần hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Chú thích ký hiệu viết tắt: - r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t) (controlled output): tín hiệu - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t) (error): sai số - u(t) : tín hiệu điều khiển Để thực trình điều khiển định nghĩa trên, hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần thiết bị đo lường (cảm biến), điều khiển đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức thu thập thơng tin, điều khiển thực chức xử lý thông tin, định điều khiển đối tượng điều khiển chịu tác động tín hiệu điều khiển Hệ thống điều khiển thực tế đa dạng, sơ đồ khối hình 1.1 cấu hình hệ thống điều khiển thường gặp Trở lại ví dụ lái xe trình bày ta thấy đối tượng điều khiển xe, thiết bị đo lường đồng hồ đo tốc độ đôi mắt người lái xe, điều khiển não người lái xe, cấu chấp hành tay người lái xe Tín hiệu vào r(t) tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu c(t) tốc độ xe xe, tín hiệu hồi tiếp cht(t) vị trí kim đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) sai lệch tốc độ mong muốn tốc độ tại, tín hiệu điều khiển u(t) góc quay tay ga Một ví dụ khác hệ thống điều khiển mực chất lỏng hình 1.2 dù đơn giản có đầy đủ ba thành phần kể Thiết bị đo lường phao, vị trí phao cho biết mực chất lỏng bồn Bộ điều khiển cánh tay địn mở van tùy theo vị trí phao, sai lệch lớn góc mở van lớn Đối tượng điều khiển bồn chứa, tín hiệu c(t) mực chất lỏng bồn, tín hiệu vào r(t) mực chất lỏng mong muốn Muốn thay đổi mực chất lỏng mong muốn ta thay đổi độ dài đoạn nối từ phao đến cánh tay đòn 7/207 Hệ thống điều khiển mực chất lỏng Các toán lĩnh vực điều khiển tự động Trong lĩnh vực điều khiển tự động có nhiều tốn cần giải quyết, nhiên tốn điều khiển thực tế quy vào ba toán sau: Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động biết cấu trúc thơng số Bài tốn đặt sở thơng tin biết tìm đáp ứng hệ thống đánh giá chất lượng hệ Bài tốn ln giải Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc thông số đối tượng điều khiển Bài toán đặt thiết kế điều khiển để hệ thống thỏa mãn yêu cầu chất lượng Bài tốn nói chung giải Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc thông số hệ thống Vấn đề đặt xác định cấu trúc thông số hệ thống Bài tốn khơng phải lúc giải 8/207 Các nguyên tắc điều khiển Các nguyên tắc điều khiển xem kim nam để thiết kế hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao có hiệu kinh tế Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thơng tin phản hồi Muốn q trình điều khiển đạt chất lượng cao, hệ thống phải tồn hai dịng thơng tin: từ điều khiển đến đối tượng từ đối tượng ngược điều khiển (dịng thơng tin ngược gọi hồi tiếp) Điều khiển khơng hồi tiếp (điều khiển vịng hở) khơng thể đạt chất lượng cao, có nhiễu Các sơ đồ điều khiển dựa nguyên tắc thông tin phản hồi là: Điều khiển bù nhiễu (hình 1.3): sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu c(t) Về nguyên tắc, hệ phức tạp điều khiển bù nhiễu cho chất lượng tốt Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu Điều khiển san sai lệch (hình 1.4): Bộ điều khiển quan sát tín hiệu c(t) , so sánh với tín hiệu vào mong muốn r(t) để tính tốn tín hiệu điều khiển u(t) Nguyên tắc điều khiển điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm sửa sai Đây nguyên tắc điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san sai lệch Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu điều khiển san sai lệch hình 1.5 9/207 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng Muốn trình điều khiển có chất lượng đa dạng điều khiển phải tương xứng với đa dạng đối tượng Tính đa dạng điều khiển thể khả thu thập thông tin, lưu trữ thơng tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn định, Ý nghĩa nguyên tắc cần thiết kế điều khiển phù hợp với đối tượng Hãy so sánh yêu cầu chất lượng điều khiển điều khiển sử dụng hệ thống sau: - Điều khiển nhiệt độ bàn ủi (chấp nhận sai số lớn) với điều khiển nhiệt độ lò sấy (không chấp nhận sai số lớn) - Điều khiển mực nước bồn chứa khách sạn (chỉ cần đảm bảo ln có nước bồn) với điều khiển mực chất lỏng dây chuyền sản xuất (mực chất lỏng cần giữ không đổi) Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngồi Một hệ thống ln tồn hoạt động mơi trường cụ thể có tác động qua lại chặt chẽ với mơi trường Ngun tắc bổ sung ngồi thừa nhận có đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống ta phải điều khiển hệ thống lẫn hộp đen Ý nghĩa nguyên tắc thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống có chất lượng cao khơng thể bỏ qua nhiễu mơi trường tác động vào hệ thống Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ Vì ngun tắc ln coi thơng tin chưa đầy đủ phải đề phòng bất trắc xảy khơng dùng tồn lực lượng điều kiện bình thường Vốn dự trữ khơng sử dụng, cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp Đối với hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm Cấu trúc phân cấp thường sử dụng cấu trúc hình cây, ví dụ hệ thống điều khiển giao thông đô thị đại, hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất 10/207 Bài 9: Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển tự động 193/207 Lựa chọn hệ thống Mục tiêu: xác định hệ thống thiết kế gì? Mục tiêu, giới hạn phạm vi thực Thực hiện: sinh viên làm việc nhóm, thảo luận, lựa chọn hệ thống thiết kế, lên kế hoạch thực Phân tích hệ thống Muc tiêu: xác định chức năng, hoạt động khâu hệ thống thiết kế Nhóm sinh viên thực việc phân tích tổng hợp báo cáo Thiết kế điều khiển cho hệ thống Thực việc thiết kế hệ thống dựa kết phân tích 194/207 Bài 10: Lập trình điều khiển hệ thống tự động từ máy tính 195/207 Phân tích giao thức Trên cở sở hệ thống phân tích trước Nhóm sinh viên tiến hành phân tích, xây dựng giao thức truyền thông, quy ước làm việc để cài đặt phần lập trình điều khiển Lập trình giao diện Mục tiêu thiết kế lập trình giao diện phần mềm máy tính để điều khiển hoạt động hệ thống Giao diện đẹp, đảm bảo chức điều khiển, thể kết quả, thông số kỹ thuật (nếu có) hệ thống điều khiển báo Lập trình truyền thơng điều khiển Dựa giao thức truyền thơng thiết kế, nhóm sinh viên tiến hành cài đặt phần truyền thông để điều khiển hoạt động hệ thống đạt mục tiêu đặt 196/207 Bài 11: Thảo luận tống kết 197/207 MÔ TẢ HỆ RỜI RẠC DÙNG MATLAB Các lệnh mơ tả tốn học hệ rời rạc tương tự lệnh mơ tả tốn học hệ liên tục, khác tạo hệ thống ta không nhập vào thông số hệ thống (tử số, mẫu số hàm truyền ma trận trạng thái) mà phải nhập vào chu kỳ lấy mẫu Hãy so sánh với phụ lục chương • Tạo hệ thống mô tả hàm truyền: lệnh tf (transfer function) Cú pháp: G = tf(TS,MS,T) tạo hệ thống rời rạc mơ tả hàm truyền G có tử số đa thức TS, mẫu số đa thức MS chu kỳ lấy mẫu T Nếu không xác định T đặt T = -1 Ví dụ: • Đơn giản hàm truyền: lệnh minreal Cú pháp: G=minreal(G) triệt tiêu thành phần giống tử số mẫu số để dạng hàm truyền tối giản Ví dụ: 198/207 • Các lệnh ghép nối hệ rời rạc hoàn toàn giống lệnh ghép nối hệ liên tục, cụ thể: - Tính hàm truyền hệ thống nối tiếp: lệnh series toán tử “*” Cú pháp: G=series(G1, G2) tính hàm truyền G = G1*G2 - Tính hàm truyền hệ thống song song: lệnh parallel tốn tử “+” Cú pháp: G=parallel(G1,G2) tính hàm truyền G = G1+G2 - Tính hàm truyền hệ thống hồi tiếp: lệnh feedback Cú pháp: Gk=feedback(G1,G2,) tính hàm truyền hệ hồi tiếp âm Gk = G1/(1+G1*G2) Gk=feedback(G1,G2,+1) tính hàm truyền hệ hồi tiếp dương Gk = G1/(1–G1*G2) Ví dụ: 199/207 • Tạo hệ thống mơ tả phương trình trạng thái: lệnh ss (state space) Cú pháp: PTTT=ss(A,B,C,D,T) tạo hệ thống rời rạc mô tả phương trình trạng thái PTTT có ma trận trạng thái A, B, C, D chu kỳ lấy mẫu T Nếu khơng xác địn T đặt T= –1 Ví dụ: 200/207 • Các lệnh biến đổi hàm truyền phương trình trạng thái hệ rời rạc hoàn toàn giống hệ liên tục - Biến đổi phương trình trạng thái dạng hàm truyền: lệnh tf Cú pháp: G=tf(PTTT) - Biến đổi hàm truyền dạng phương trình trạng thái: lệnh ss Cú pháp: PTTT=tf(G) Ví dụ: (xem thí dụ 7.15) 201/207 Để ý sau biến đổi ngược từ hàm truyền dạng phương trình trạng thái ta ma trận trạng thái hoàn toàn khác với ma trận trạng thái nhập vào ban đầu, điều khơng có vơ lý hệ thống tùy theo cách đặt biến trạng thái khác ta có phương trình trạng thái khác 202/207 Tham gia đóng góp Tài liệu: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Biên soạn bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://voer.edu.vn/m/0d7fe2e0/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Khái niệm điều khiển Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/a4081d5c/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Các nguyên tắc điều khiển Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/a4b67b4b/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Phân loại điều khiển Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/4ed8432c/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/0d08bf6b/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Một số ví dụ phần tử hệ thống tự động Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/46a424fa/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Bài 2: Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển liên tục Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/41ea3e15/1 203/207 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Khái niệm đặc tính động học Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/237f6413/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Các khâu động học điển hình Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/1a487418/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Đặc tính động học hệ thống tự động Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/be9adb1a/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Khảo sát đặc tính động học hệ thống Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/6feb5fa4/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Khái niệm ổn định Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/4e431d16/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Tiêu chuẩn ổn định đại số Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/8bdb9353/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Phương pháp quỹ đạo nghiệm số Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/c888537c/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ 204/207 Module: Tiêu chuẩn ổn định tần số Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/44eb501b/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Các tiêu chuẩn chất lượng Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/78d3982e/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Sai số xác lập Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/83a5c64f/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Đáp ứng độ Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/a3cb74fa/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng độ Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/02521a7d/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Bài 6: Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/16c98536/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Hệ thống điều khiển rời rạc Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/95e5ddea/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Phép biến đổi Z 205/207 Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/a89757f3/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Mô tả hệ thống rời rạc hàm truyền Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/7d8c4f27/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Mô tả hệ thống rời rạc phương trình trạng thái Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/138d2ef0/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Hệ thống điều khiển rời rạc :Khái niệm chung Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/7986df83/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Các tiêu chuẩn ổn định Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/6e223a25/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Đánh giá chất lượng hệ thống Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/76536471/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển rời rạc Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/aa7b4d67/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Bài 9: Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển tự động Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên 206/207 URL: http://www.voer.edu.vn/m/8365713e/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: Bài 10: Lập trình điều khiển hệ thống tự động từ máy tính Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/9ceb3b00/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ Module: MÔ TẢ HỆ RỜI RẠC DÙNG MATLAB Tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên URL: http://www.voer.edu.vn/m/3e7fe340/1 Giấy phép: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ 207/207