Bài giảng lý thuyết điều khiển tự động chương 1 ts nguyễn thu hà

TS Nguyễn Thu Hà Bộ môn Điều khiển tự động Viện Điện, Trường ĐHBK HN hanguyenac@gmail.com 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động Mục tiêu • Phân tích chất lượng hệ thống; • Các nguyên tắc điều khiển (truyền thẳng, phản hồi); • Các phương pháp thiết kế điều khiển liên tục tuyến tính miền tần số miền thời gian 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Bộ môn ĐKTĐ Kết mong đợi – Nắm bắt phương pháp tiếp cận đối tượng điều khiển, tín hiệu vào đối tượng – Hiểu phương pháp mô tả đối tượng tuyến tính, mơ hình tốn học thơng dụng – Tiếp cận phương pháp phân tích hệ thống tuyến tính Chỉ rõ vai trị việc phân tích hệ thống đánh giá chất lượng hệ thống – Nắm bắt nguyên lý điều khiển khác cách chọn nguyên lý thích hợp Giới thiệu phương pháp thiết kế điều khiển 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động Phương pháp đánh giá kết Thí nghiệm: (tự làm nhà) ❑ Các đặc tính hệ thống điều khiển tự động ❑ Ứng dụng MATLAB khảo sát tính ổn định chất lượng hệ thống ❑ Ứng dụng SIMULINK để tổng hợp hệ thống điều khiển tự động ❑ Hệ thống điều khiển khơng gian trạng thái • Điểm đánh giá ❑ Kết kiểm tra kỳ (bài tập nhóm+ tập nhà+ kỳ+ điểm chuyên cần) : 50% ❑ Thi cuối kỳ (được sử dụng tài liệu chuẩn bị trước tờ A4) 50% • 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động Tài liệu tham khảo Nguyễn Doãn Phước Cơ sở lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất Bách khoa, 2016 Nguyễn Văn Hòa Cơ sở điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2001 Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thơng thường đại: Hệ tuyến tính Quyển Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2005 R.C.Dorf Mordern Control System John J D'Azzo, Constantine H Houpis Linear Control System Analysis And Design: Conventional and Modern 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động Nội dung 1.1 Khái niệm điều khiển 1.2 Các phần tử hệ thống điều khiển 1.3 Ví dụ hệ thống điều khiển cơng nghiệp 1.4 Phân loại tốn điều khiển 1.5.Trình tự bước thực tốn điều khiển 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 1.1 Khái niệm Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40km/h Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ => thu thập thông tin Bộ não điều khiển tăng tốc v40km/h => xử lý thông tin Tay giảm ga tăng ga => tác động lên hệ thống Kết trình điều khiển xe chạy với vận tốc 40km/h Định nghĩa 1.1: Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống đạt mục đích mong muốn Điều khiển tự động q trình điều khiển khơng có tác động người 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động Ví dụ hệ thống điều khiển tự động 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 1.2.Tại cần phải điều khiển tự động? • Giảm thiểu tham gia người lĩnh vực kỹ thuật kể – Giảm nhân cơng – Tăng độ xác – Tăng suất chất lượng sản phẩm – Tăng hiệu • Giảm lao động nặng nhọc, tai nạn nghề nghiệp 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 10 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch • Tín hiệu điều khiển hình thành sai lệch giá trị mong muốn giá trị đo đại lượng cần điều khiển u=f(e) Trong e = r- ŷ Bộ so sánh r(t) + e(t) _ yˆ (t ) 11/02/2020 TBĐK u(t) Thiết bị CH ĐTĐK y(t) Thiết bị đo Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 21 Ngun tắc điều khiển theo bù nhiễu • Tín hiệu điều khiển hình thành xuất nhiễu loạn tác động lên hệ thống Tín hiệu điều khiển phát nhằm bù lại tác động nhiễu loạn để giữ cho giá trị đại lượng điều khiển khơng đổi Vì hệ thống cịn gọi hệ thơng điều khiển bất biến r 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 22 Ngun tắc điều khiển thích nghi • Tác động điều chỉnh dựa sở phân tích tính tốn biến đổi ĐTĐK, tác động nhiễu tín hiệu chủ đạo Hệ thống sử dụng phương pháp gọi hệ thống tự động tự chỉnh n(t) Tự chỉnh v(t) r(t) _ 11/02/2020 TB Điều khiển u(t) Đối tượng Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động c(t) 23 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình • Tín hiệu điều khiển phát chương trình định sẵn thiết bị điều khiển 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 24 11/02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 25 3.1 Theo cấu trúc HT điều khiển vịng hở HT điều khiển vịng kín 3.2 Theo giá trị đặt Giá trị đặt số • Giá trị mong muốn số • Bộ điều khiển làm việc để giữ cho tín hiệu đầu thay đổi xung quanh giá trị đặt Ví dụ: Điều khiển nhiệt độ, mức, áp suât Điều khiển bám • Giá trị đặt khơng biết thay đổi • Bộ điều khiển làm việc để tín hiệu đầu bám theo thay đổi giá trị đặt e.g Hệ thống điều khiển hướng tự động thuyền máy bay Điều khiển theo chương trình • Đầu vào thay đổi theo chương trình • Bộ điều khiển theo chương trình lập trình trước Ví dụ: máy giặt, đèn giao thơng 3.3 Theo tính chất hệ thống f ( x1 ) = y1 f ( x2 ) = y2 Nguyên lý xếp chồng f ( x1 + x2 ) = f ( x1 ) + f ( x2 ) = y1 + y2 HT điều khiển tuyến tính • áp dụng ngun lý xếp chồng • mơ tả phương trình vi phân tuyến tính HT điều khiển phi tuyến • mơ tả phương trình vi phân phi tuyến 3.4 Theo dạng tín hiệu HT điều khiển liên tục HT điều khiển rời rạc Tất tín hiệu hàm liên tục theo thời gian t Các tín hiệu dạng xung mã hóa Ví dụ HT điều khiển số 3.5 Theo thông số Hệ tham số Hệ biến đổi theo thời gian Các thông số thống số Hệ thống chứa thành phần bị trôi thay đổi theo thời gian Ví dụ: hệ thống tên lửa dẫn đường Lịch sử phát triển 4.1 Điều khiển kinh điển (classical control) Điều khiển kinh điển có trước năm 1960 Mơ tả hệ thống miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace) Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống lý thuyết điều khiển kinh điển gồm có phương pháp Nyquist, Bode, và phương pháp quỹ đạo nghiệm số Điều khiển tỷ lệ – tích phân – vi phân (PID) Lịch sử phát triển 4.2 Điều khiển đại (modern control) Điều khiển đại từ khoảng năm 1960 đến Kỹ thuật thiết kế hệ thống đại dựa miền thời gian Mơ tả tốn học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống phương trình trạng thái Bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái Với sự phát triển lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết ĐK đại thích hợp để thiết kế bợ ĐK chương trình phần mềm chạy vi xử lý và máy tính sớ Lịch sử phát triển 4.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) Điều khiển kinh điển và điều khiển đại gọi điều khiển thông thường, có khuyết điểm để thiết kế HTĐK cần phải biết mơ hình tốn học đối tượng Trong đó có đối tượng ĐK phức tạp, khó khơng thể xác định mơ hình tốn Điều khiển thơng minh có thể giải Các phương pháp điều khiển thông minh điều khiển mờ, mạng nơ ron, thuật tốn di truyền mơ phỏng/bắt chước hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc khơng cần dùng mơ hình tốn học để thiết kế hệ thống, đó có khả ứng dụng thực tế cao Các bước thiết kế hệ thống điều khiển 1.Nghiên cứu đối tượng cần ĐK định loại cảm biến thiết bị chấp hành sử dụng 2.Mơ hình hóa hệ thống cần ĐK; đơn giản hóa mơ hình cần thiết 3.Phân tích mơ hình; xác định tính chất 4.Quyết định tiêu chất lượng hệ 5.Quyết định cấu trúc điều khiển 11/02/2020 NGuyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 34 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển 6.Thiết kế ĐK thỏa mãn tiêu CL đặt ra, không, giảm bớt tiêu tổng quát hóa cấu trúc ĐK 7.Mô phỏng hệ thống ĐK vừa nhận được, máy tính đối tượng thử nghiệm 8.Lặp lại bước cần thiết 9.Chọn phần cứng phần mềm thực ĐK 10.Chỉnh định trực tuyến (on-line) ĐK cần thiết 11/02/2020 NGuyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 35 ... người 11 /02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động Ví dụ hệ thống điều khiển tự động 11 /02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 1. 2.Tại cần phải điều khiển tự động? • Giảm... khiển 1. 5.Trình tự bước thực toán điều khiển 11 /02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 11 /02/2020 Nguyễn Thu Hà _ Lý thuyết điều khiển tự động 1. 1 Khái niệm Lái xe, mục tiêu giữ... Phước Cơ sở lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất Bách khoa, 2 016 Nguyễn Văn Hòa Cơ sở điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học kỹ thu? ??t, 20 01 Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thông