Untitled 1 CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I GIÁO TRÌNH MÔN HỌC LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGHỀ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết[.]
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGHỀ: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số QĐ/ ngày .tháng năm ) , năm TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Lý thuyết điều khiển tự động môn học đào tạo chuyên ngành quan trọng sinh viên ngành công nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa Giáo trình mơ đun “Lý thuyết điều khiển tự động” biên soạn sở đề cương chi tiết môn học “Lý thuyết điều khiển tự động” dùng cho sinh viên chuyên ngành công nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa Trường Cao đẳng Hàng Hải I Giáo trình cung cấp kiến thức tổng quan khâu hệ thống điều khiển tự động Cách xét tính ổn định hệ thống tự đông, cách xác định tham số PID để tổng hợp điều khiển Giáo trình làm tài liệu cho giảng viên giảng dạy, học sinh - sinh viên trường kỹ thuật Nội dung giáo trình bao gồm chương: Chương 1: Nhập môn Chương 2: Mô hình tốn học hệ thống điều khiển Chương 3: Đặc tính động học Chương 4: Sự ổn định hệ thống Chương 5: Thiết kế điều khiển PID Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo khoa Điện - Điện tử trường Cao đẳng Hàng hải I động viên đóng góp nhiều ý kiến cho giáo trình Trong q trình biên soạn giáo trình khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong thầy, giáo, bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa Khoa Điện - Điện tử Trường Cao đẳng Hàng Hải I, số 498 Đà Nẵng - Đông Hải I - Hải An - Hải Phòng Hải Phòng, ngày tháng năm 201 Tham gia biên soạn Chủ biên: Phạm Thị Dung MỤC LỤC TT Nội dung Trang Lời giới thiệu Mục lục Danh mục bảng, biểu, hình ảnh Nội dung 11 Chương1 Nhập mơn 10 1.1 Nội dung tốn điều khiển 10 1.2 Những cấu trúc hệ thống điều khiển 11 1.3 Phân loại hệ thống tự động 14 Bài tập chương 15 Chương Mơ hình tốn học hệ thống điều khiển 16 2.1 Phân loại khâu 16 2.2 Mơ hình tốn học miền thời gian 23 2.3 Chuyển từ hàm truyền đạt sang không gian trạng thái ngược lại 27 Câu hỏi tập chương 30 Chương Đặc tính động lực học 31 3.1 Đáp ứng thời gian 31 3.2.Đáp ứng tần số 34 Bài tập chương 37 Chương Sự ổn định hệ thống 38 4.1 Khái niệm ổn định điều khiển tự động 38 4.2 Các tiêu chuẩn ổn định 40 Câu hỏi tập chương 45 Chương Thiết kế điều khiển PID 46 5.1 Thiết kế điều khiển PID 46 5.2 Các phương pháp xác định tham số PID 48 Bài tập chương 54 Tài liệu tham khảo 55 Danh mục hình vẽ stt Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Hệ thống điều khiển 12 Hình 1.2 Hệ thống điều khiển hở 14 Hình 1.3 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái 14 Hình 1.4 Hệ thống có điều khiển mạch phản hồi 14 Hình 1.5 Hệ thống có điều khiển nằm mạch 15 Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ có điều khiển nằm mạch phản hồi 15 Hình 2.1 Khâu khuếch đại 18 Hình 2.2 Khâu qn tính bậc 18 Hình 2.3 Khâu qn tính bậc hai 19 10 Hình 2.4 Khâu dao động bậc 20 11 Hình 2.5 Khâu tích phân 21 12 Hình 2.6 Khâu vi phân 22 13 Hình 2.7 Khâu trễ 23 14 Hình 2.8 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển không gian trạng thái 25 15 Hình 2.9 Sơ đồ mạch RLC mắc hỗn hợp 26 16 Hình 3.1 Biểu đồ hàm độ 32 17 Hình 3.2 Đường cong Nyquist 35 18 Hình 3.3 Đồ thị Nyquist 36 19 Hình 4.1 Hệ thống có hệ số khuếch đại K chưa biết 44 21 Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống PID 47 22 Hình 5.2 Sơ đồ thay PID 50 23 Hình 5.3 Đồ thị Bode 53 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Lý thuyết điều khiển tự động Mã số môn học: MH 15 Thời gian môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành: giờ) I Vị trí, tính chất mơn học - Vị trí: Sinh viên phải học xong mơn học mạch điện máy điện - Tính chất: Mơn học cung cấp cho người học kiến thức về: Các khái niệm hệ thống tự động điều khiển, mơ hình tốn học đối tượng điều khiển, ổn định hệ điều khiển, chất lượng hệ điều khiển Phân tích hệ thống, tổng hợp hệ tự động điều khiển, hệ điều khiển xung số, hệ điều khiển tối ưu Nhận dạng đối tượng điều khiển II Mục tiêu môn học - Về kiến thức: + Mơ tả mơ hình tốn học đối tượng điều khiển, khảo sát tính ổn định hệ điều khiển, chất lượng hệ điều khiển; - Về kỹ năng: + Khảo sát, phân tích tổng hợp hệ thống tự động điều khiển; - Về lực tự chủ trách nhiệm: Có ý thức rèn luyện, vận dụng kiến thức học vào thực tế III Nội dung môn học: BÀI MỞ ĐẦU Giới thiệu: Nội dung học đưa vấn đề mang tính khái quát để người học hiểu tầm quan trọng điều khiển tự động đời sống số ví dụ thực tế hệ điều khiển tự động Mục tiêu: - Khái quát tầm quan trọng môn Lý thuyết điều khiển tự động - Nêu ứng dụng cua lý thuyết điều khiển tự động - Rèn phương pháp học tư nghiêm túc cơng việc Nội dung 1.Thế điều khiển tự động Điều khiển tự động ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động vào việc điều khiển q trình khác mà khơng cần tới can thiệp người Một dạng điều khiển đơn giản điều khiển vịng kín, điều khiển so sánh giá trị đo với giá trị đặt, xử lý tín hiệu sai số thu để thay đổi đầu vào q trình, theo đầu điều khiển ổn định quanh giá trị đặt Điều khiển vịng kín ứng dụng điều khiển phản hồi âm Cơ sở toán học lý thuyết điều khiển kỷ 18, phát triển hoàn thiện vào kỷ 20 Việc thiết kế hệ thống với đặc điểm lý thuyết điều khiển thường yêu cầu phản hồi điện để thu nhận biến đổi đặc tính động học hệ thống điều khiển Việc điều khiển thực thông qua điều chỉnh lượng đầu vào hệ thống 2.Một ví dụ lý thuyết điều khiển tự động Xét ô tô điều khiển hành trình, thiết bị thiết kế để trì tốc độ khơng đổi; tốc độ mong muốn đặt trước, cung cấp trình điều khiển Hệ thống trường hợp xe Đầu hệ thống tốc độ, biến điều khiển vị trí điều tiết động cơ, ảnh hưởng đến mô-men xoắn động đầu Cách sơ khai để thực điều khiển hành trình đơn giản giữ nguyên vị trí điều tiết ga trình điều khiển Tuy nhiên, địa hình miền núi, xe bị hãm lại leo dốc tăng tốc xuống dốc Trong thực tế, tham số khác với giả định thời gian thiết kế trở thành sai số tỷ lệ tốc độ đầu ra, bao gồm khối lượng xác xe, độ cản gió, áp lực lốp xe Bộ điều khiển loại gọi điều khiển vịng hở khơng có kết nối trực tiếp đầu hệ thống (tốc độ xe) điều kiện thực tế gặp phải, đó, hệ thống không bù lại lực khơng mong muốn Trong hệ thống điều khiển vịng kín, cảm biến giám sát đầu (tốc độ xe) cung cấp liệu máy tính để điều chỉnh cách liên tục tín hiệu điều khiển đầu vào (điều tiết ga)khi cần thiết để giữ cho sai số điều khiển mức độ tối thiểu (đó là, để trì tốc độ mong muốn) tín hiệu phản hồi hệ thống cho phép điều khiển(máy tính bên xe) bù cách linh động cho thay đổi hệ thống, chẳng hạn thay đổi độ dốc mặt đất tốc độ gió Một hệ thống điều khiển phản hồi lý tưởng loại bỏ tất sai số, có tác dụng giảm thiểu tác động lực khơng thể phát sinh suốt trình làm việc tạo phản ứng hệ thống mà phù hợp hoàn hảo với mong muốn người dùng Trong thực tế, điều thực sai số đo lường cảm biến, độ trễ điều khiển, khơng hồn hảo điều khiển đầu vào Các chủ đề lý thuyết điều khiển tự động - Độ ổn định hệ thống - Tính điều khiển quan sát CHƯƠNG 1: NHẬP MƠN MH.6520227.15.01 Giới thiệu Mơn học nghiên cứu nguyên tắc chung để xây dựng hệ thống tự động, phương pháp khảo sát chúng mà không phụ thuộc vào chất vật lý trình Là sở để thiết kế hệ tự động Nó có hai nhiệm vụ 1.Phân tích hệ thống : khảo sát nguyên lý hoạt động phần tử hệ thống với cấu trúc thông số cho với tác động đầu vào khác Nói cách khác thơng qua mơ hình có ta khảo sát tính ổn định, đánh giá chất lượng tĩnh, động hệ thống 2.Tổng hợp điều khiển : từ đối tượng điều khiển, từ yêu cầu chất lượng hệ ta phải chọn khâu hiệu chỉnh, điều chỉnh thơng số thoả mãn yêu cầu Mục tiêu - Nhận biết nguyên tắc điều khiển; - Phân loại hệ thống điều khiển; - Có ý thức tìm tịi kiến thức Nội dung 1.1 Nội dung toán điều khiển 1.1.1.Định nghĩa Hệ thống tự động tập hợp thiết bị nhằm thực mục đích người Ví dụ : Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ, điều khiển chuyển dịch từ vị trí xang vị trí khác Một hệ thống mô tả mơ hình tốn học Mơ hình biểu y1 t diễn mối quan hệ véc tơ tín hiệu (có s phần tử) y t (đáp ứng ys t u1 t hệ thống) phụ thuộc vào véc tơ tín hiệu vào (có r phần tử) u t (tín hiệu ur t 10 ... GIỚI THIỆU Lý thuyết điều khiển tự động môn học đào tạo chuyên ngành quan trọng sinh viên ngành công nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa Giáo trình mơ đun ? ?Lý thuyết điều khiển tự động? ?? biên... nghiêm túc công việc Nội dung 1.Thế điều khiển tự động Điều khiển tự động ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động vào việc điều khiển trình khác mà không cần tới can thiệp người Một dạng điều khiển. .. trọng điều khiển tự động đời sống số ví dụ thực tế hệ điều khiển tự động Mục tiêu: - Khái quát tầm quan trọng môn Lý thuyết điều khiển tự động - Nêu ứng dụng cua lý thuyết điều khiển tự động -