Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động (Nghề Cơ điện tử Trình độ Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ Trình độ CAO ĐẲNG (Ban hành theo Quyết định số : /QĐ-CĐN ngày tháng năm 20… Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) MỤC LỤC Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ I KHÁI NIỆM CHUNG II ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỀU KHIỂN CÁC LOẠI BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU CHỈNH III KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 10 IV CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 11 V PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 14 VI QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 15 VII KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN 16 VIII CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 17 IV CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG LĨNH VỰC ĐKTĐ 18 BÀI 2:CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ…………………………… 19 I MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CÁC PHẦN TỬ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 19 II CÁC LOẠI CẢM BIẾN, THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 20 III ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 21 IV KỸ THUẬT GIAO TIẾP MÁY TÍNH 22 V CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 23 VI MỘT SỐ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN HAY 26 VII NHỮNG SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ 27 VIII PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 28 IX ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ 28 X ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN 29 XI MÁY ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ CNC 31 XII CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34 BÀI 3: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ I TÍN HIỆU 41 II THÔNG TIN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN 42 III TRUYỀN NHẬN THÔNG TIN 44 BÀI 4: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 46 II KHÁI NIỆM VỀ MƠ HÌNH TỐN HỌC 47 III BIẾN ĐỔI LAPLACE 51 BÀI 5: HÀM TRUYỀN 53 I KHÁI TIỆM HÀM TRUYỀN ĐẠT 53 II CÁCH TÌM HÀM TRUYỀN 54 III HÀM TRUYỀN CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG THƯỜNG GẶP 55 IV HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 56 V BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG SƠ ĐỒI KHỐI 66 VI SƠ ĐỒ VỊNG TÍN HIỆU 76 BÀI 6: KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 81 I CÁC MƠ HÌNH KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI 81 I.1 KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 81 I.2 KHÁI TIỆM VỀ MÔ HÌNH TỐN HỌC 82 II TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG 83 BÀI 7: ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 91 I KHÁI NIỆM ỔN ĐINH 91 II TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ROUTH 94 III TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH HURWITZ 95 IV BÀI TẬP VÍ DỤ 96 BÀI 8: QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ 105 I KHÁI NIỆM VỀ QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ 106 II ĐIỀU KIỆN VỀ BIÊN ĐỘ VÀ PHA 107 III BÀI TẬP VÀ BÀI GIẢI 121 BÀI 9:CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 122 I TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ 122 II ĐÁP ỨNG BIÊN ĐỘ- ĐÁP ỨNG PHA 123 III TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH NYQUIST 125 IV CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG 127 V SAI SỐ XÁC LẬP 128 VI ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 129 VII CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 133 VIII CHẤT LƯỢNG MIỀN TẦN SỐ VÀ MIỀN THỜI GIAN 135 IX BÀI TẬP VÍ DỤ 138 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần lĩnh vực điều khiển truyền động điện phát triển mạnh mẽ Đặc biệt với phát triển khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng nghề điện tử nêu khía cạnh nhỏ lĩnh vực điều khiển tự động Một u cầu thiết yếu đặt việc tạo thực giáo trình có tính chun mơn gần gũi với người học Để thực việc này, yêu cầu đặt phải có cho sinh viên nghề điện tử nắm vững kiến thức điện tử.Sau thời gian giảng dạy trường, giúp đỡ , góp ý nhiệt tình thầy giáo mơn, tơi thực hồn thành giáo trình: “Điện tử bản” để làm nguồn tài liệu cung cấp kiến thức bổ ích cho sinh viên Để giúp bạn đọc nắm vững nội dung khai thác tốt ứng dụng thực tế, đầu có phần tóm tắt nội dung, mục tiêu học cuối có phần câu hỏi ơn tập hay tập áp dụng Giáo trình có thực cịn nhiều sai sót chỉnh sửa năm sau, mong học viên, sinh viên giáo viên góp ý để tơi điều chỉnh tốt Xin chân thành cảm ơn BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ I KHÁI NIỆM CHUNG: Xem mơ hình đây: ▪ Mục tiêu điều khiển: Làm cho ngõ (OUTPUT) hệ thống gần với giá trị đặt (REFERENCE) tốt, hay nói cách khác, làm cho sai lệch (ERROR) nhỏ tốt ▪ Làm để mô tả hệ thống cần điều khiển (System to be controlled Modeling)? ▪ Làm thiết kế điều khiển (Control)? Phân loại hệ thống điều khiển ▪ Hệ thống điều khiển vòng hở (Basic open-loop control system) Disturbance Inputs Desired value/ setpoint Controller + + ? Plant Controlled Variables Hệ thống điều khiển vòng hở dùng khi: ➢ Sự thay đổi giá trị đặt ngõ vào không phức tạp ➢ Tác động nhiễu vào hệ thống không lớn ➢ Chất lượng hệ thống khơng địi hỏi cao Hệ thống điều khiển vịng hở có bù nhiễu (feedforward) Disturbance compensation + Desired value/ setpoint + ? + Controller ? Plant Controlled Variables Plant Controlled Variables Disturbance Inputs + ? + + Command compensator Desired value/ setpoint Disturbance Inputs + + Controller ? ➢ Đo lường nhiễu ➢ Ước lượng tác động nhiễu lên đối tượng điều khiển thực bù vào hệ thống Dựa vào đặc tính đối tượng điều khiển, việc bù nhiễu thực ngõ vào hệ thống Hệ thống điều khiển vịng kín (feedback control, close-loop control Disturbance Inputs Desired value/ setpoint + ? Controller + + ? _ Plant Controlled Variables Sensor ➢ Đo lường biến điều khiển ➢ So sánh giá trị biến điều khiển giá trị đặt II Khái niệm điều khiển điều chỉnh II.1 Điều khiển: Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động trình điều khiển khơng cần tác động người 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 Q 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 thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động trình điều khiển không 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 khơng 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 cơng cụ, kỹ thuật khơng gian hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, hệ thống giao thơng, 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 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 thông 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) 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 toán điều khiển thực tế quy vào ba tốn sau: -Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động biết cấu trúc thơng số Bài tốn đặt sở thông 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 u 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 Trong lý thuyết điều khiển tự động, điều khiển thiết bị giám sát tác động vào điều kiện làm việc hệ động học cho trước Các điều kiện làm việc đặc trưng cho biến đầu hệ thống mà tác động việc điều chỉnh biến đầu vào biết Ví dụ, hệ thống lị sưởi ngơi nhà trang bị với điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ khơng khí (biến đầu ra), bật tắt lò nung gia nhiệt nhiệt độ khơng khí q thấp q cao Trong ví dụ này, điều nhiệt điều khiển điều khiển hoạt động gia nhiệt Bộ gia nhiệt xử lý giúp làm nóng khơng khí bên ngơi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt) Nhiệt độ khơng khí đo bên ngơi nhà tín hiệu phản hồi Và cuối cùng, ngơi nhà mơi trường mà hệ thống lị sưởi làm việc Khái niệm điều khiển cịn mở rộng cho nhiều hệ thống phức tạp khác Trong giới tự nhiên, cá thể sinh vật trang bị điều khiển để đảm bảo cân nội cần thiết cho sinh tồn sinh vật Cả hai hệ thống nhân tạo tự nhiên biểu tập hợp hành vi cá thể điều khiển cố gắng đạt đến trạng thái cân Trong lý thuyết điều khiển tự động có hai dạng điều khiển Đó vòng hở phản hồi Đầu vào điều khiển phản hồi giống với thứ mà cố gắng điều khiển – biến điều khiển phản hồi vào điều khiển Bộ điều nhiệt nhà ví dụ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển dựa vào việc đo lường biến điều khiển, trường hợp nhiệt độ ngơi nhà, sau điều chỉnh đầu ra, qua việc đóng mở gia nhiệt Tuy nhiên, điều khiển phản hồi thường cho kết giai đoạn trung gian nơi biến điều khiển khơng điểm đặt mong muốn Với ví dụ điều nhiệt, cánh cửa nhà mở ngày lanh, nhà lạnh dần Nếu nhiệt độ xuống nhiệt độ mong muốn (điểm đặt), gia nhiệt mở, cần khoảng thời gian nhà lạnh nhiệt độ mong muốn Điều khiển vịng hở tránh chậm chạp điều khiển phản hồi Với điều khiển vịng hở, nhiễu đo lường tính tốn trước chúng có thời gian Nhận xét: + Muốn exl hệ thống tín hiệu vào hàm nấc hàm truyền G(s)H(s) phải có khâu tích phân lý tưởng + Muốn exl hệ thống tín hiệu vào hàm dốc hàm truyền G(s)H(s) phải có khâu tích phân lý tưởng + Muốn exl hệ thống tín hiệu vào hàm parabol hàm truyền G(s)H(s) phải có khâu tích phân lý tưởng VI Đáp ứng độ VI.1 Hệ quán tính bậc Đáp ứng độ: C(s) − → c(t) K (1 R(s)G(s) s Ts t K eT) Giản đồ cực –zero khâu quán tính bậc Đáp ứng độ khâu quán tính bậc tăng theo qui luật hàm mũ a.t 130 c(t) K (1 eT) Nhận xét hệ quán tính bậc 1: q lập Hệ qn tính bậc có cực thực (-1/T), đáp ứng q độ khơng có vượt Thời T: thời điểm đáp ứng khâu quán tính bậc đạt 63% giá trị xác Cực thực (-1/T) nằm xa trục ảo thời T nhỏ, hệ thống đáp ứng nhanh Thời gian độ hệ quán tính bậc là: với ε = 0,02 (tiêu chuẩn 2%) ε = 0,05 (tiêu chuẩn 5%) Quan hệ vị trí cực đáp ứng hệ quán tính bậc Cực nằm xa trục ảo đáp ứng hệ quán tính bậc nhanh, thời gian độ ngắn Giản đồ cực –zero khâu quán tính bậc Đáp ứng độ khâu quán tính bậc VI.2 Hệ dao động bậc 131 Giản đồ cực –zero khâu dao động bậc Đáp ứng độ khâu dao động bậc Nhận xét hệ dao động bậc Hệ dao động bậc có cặp cực phức, đáp ứng độ có dạng dao động với biên độ giảm dần Nếu ξ = 0, đáp ứng hệ dao động không suy giảm với tần số ωn → ωn gọi tần số dao động tự nhiên Nếu < ζ