Đây là cuốn sách bao gồm tất cả những gì về bộ môn điều khiển số
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐAI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BÀI GIẢNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TÊN HỌC PHẦN : ĐIỀU KHIỂN SỐ MÃ HỌC PHẦN :13310 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG - 2010 YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Điều khiển số Loại học phần: 4 Bộ môn phụ trách giảng dạy: Điện tự động công nghiệp Khoa phụ trách: Điện - ĐTTB Mã học phần: 13310 Tổng số TC: 03 TS tiết Lý thuyết Thực hành Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 60 45 15 0 X 0 Điều kiện tiên quuyết: Sinh viên phải học và thi đạt các học phần sau mới được đăng ký học phần này: Lý thuyết điều khiển tự động, Kỹ thuật vi xử lý, Tổng hợp hệ điện cơ. Mục tiêu của học phần: Môn học truyền đạt các kiến thức phục vụ phân tích, thiết kế các hệ thống điều khiển tự động sử dụng vi xử lý (µP, µC, DSP). Nội dung chủ yếu. - Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống điều khiển số, mô hình tín hiệu và mô hình hệ thống trên miền thời gian gián đoạn. - Khảo sát ổn định của hệ thống điều khiển số. - Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển số trên miền thời gian xấp xỉ liên tục và miền thời gian gián đoạn - Thực hiện kỹ thuật hệ thống điều khiển số trên vi xử lý, vi điều khiển, DSP. Nội dung chi tiết của học phần. TÊN CHƯƠNG MỤC PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TS LT BT TH KT Chương 1: Mô hình tín hiệu và hệ thống 12 7 1 3 1 1. Cấu trúc cơ sở của hệ thống ĐK số 3 3 0 0 0 2. Mô hình tín hiệu trên miền ảnh z 1 1 0 0 0 3. Mô hình hệ thống trên miền ảnh z 8 3 1 3 1 Chương 2: Điều khiển có phản hồi đầu ra 38 23 8 6 1 1. Xét ổn định của hệ thống số 11 6 2 2 1 2. Thiết kế trên miền thời gian xấp xỉ liên tục 8 4 2 2 0 3. Thiết kế trên miền thời gian gián đoạn 18 12 4 2 0 4. Một số dạng mở rộng 1 1 0 0 0 Chương 3: Điều khiển có phản hồi trạng thái 13 7 2 3 1 1. Ôn lại các kiến thức cơ sở 2 2 0 0 0 2. Mô hình trạng thái gián đoạn 1 1 0 0 0 3. Tính điều khiển được và tính quan sát được 6 2 2 1 1 4. Cấu trúc cơ bản của hệ thống ĐK số trên không gian trạng thái 3 1 0 2 0 5. Một số dạng mở rộng 1 1 0 0 0 Chương 4: Thực hiện kỹ thuật hệ thống ĐK số 12 7 2 3 0 1. Ảnh hưởng của số hóa (lượng tử hóa) biên độ 1 1 0 0 0 2. Thiết kế hệ thống bằng máy tính (MATLAB) 5 3 1 1 0 3. Thiết kế hệ thống vi điều khiển 5 2 1 2 0 Ôn tập. 1 1 0 0 0 Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường. Thí nghiệm đầy đủ, nộp báo cáo đúng hạn và hoàn thành bài tập lớn. Giáo trình và tài liệu tham khảo. 1. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi (1998), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 2. Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 3. GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2007), Điều khiển số - Digital control (Bachelor & Master) Bài giảng dành cho học viên cao học ngành TĐH và ĐKTĐ trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4. GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 5. Phạm Tuấn Anh (2010), Bài giảng điều khiển số 6. Dogan Ibrahim (2006), Microcontroller Based Applied Digital Control, John Wiley & Sons, Ltd 7. Houpis & Lamont (1995), Digital Control Systems, Mcgraw-Hill 8. Gene F. Franklin (2004), Digital control of dynamic systems- Third edition, Addision – Wesley Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: Thi viết, thời gian làm bài: 90 phút. Thang điểm: Thang điểm chữ A,B,C,D,F. Điểm đánh giá học phần: Z = 0,4X + 0,6Y. Bài giảng này là tài liệu chính thức và thống nhất của bộ môn Điện tự động công nghiệp, khoa Điện – ĐTTB và được dùng để giảng dạy cho sinh viên. Ngày phê duyệt: / / 2010 GV biên soạn Trưởng bộ môn Ths. Phạm Tuấn Anh TS. Hoàng Xuân Bình MỤC LỤC STT Nội dung Trang 1 Mô hình hệ thống điều khiển số 1 1.1 Khái quát chung 1 1.2 Mô hình tín hiệu và mô hình hệ thống 8 1.3 Điều khiển số trong truyền động điện 28 1.4 So sánh bộ điều khiển PLC với các bộ điều khiển khác 7 Bài tập chương 1 32 2 Ổn định của hệ thống điều khiển số 40 2.1 Ảnh hưởng của vị trí điểm cực đến ổn định của hệ thống 40 2.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số 48 2.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số 56 2.4 Quỹ đạo điểm cực và đặc tính của hệ thống 56 Bài tập chương 60 3 Thiết kế bộ điều khiển 62 3.1 Khái quát 62 3.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục 63 3.3 Thiết kế gián đoạn 66 Bài tập chương 78 4 Thực hiện kỹ thuật hệ thống điều khiển số 82 4.1 Khái quát 92 4.2 Mô hình hệ thống truyền động điện DC Servo 93 4.3 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm 87 4.4 Các kết quả nghiên cứu 101 4.5 Thực nghiệm trên mô hình 105 1 Chương 1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1. Khái quát chung 1.1.1. Những khái niệm cơ bản Trong các hệ thống cơ khí hiện đại, để điều khiển khiển hệ thống thay đổi theo thời gian đạt được chất lượng mong muốn theo yêu cầu với độ ổn định và sự chính xác cao thì cần thiết phải đưa bộ điều khiển vào. Vai trò của bộ điều khiển sẽ làm cho đầu ra của hệ thống đạt được chất lượng mong muốn theo yêu cầu. Để đảm bảo sự xuất hiện của nhiễu trong mô hình, hầu hết các bộ điều khiển thường có cấu trúc dạng phản hồi âm. Khi đó người ta dùng 1 cảm biến để đo đầu ra của hệ thống được điều khiển và so sánh nó so với tín hiệu đặt. Hoạt động của bộ điều khiển dựa trên giá trị tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu đặt và giá trị đo được của cảm biến. Bộ điều khiển dựa vào tín hiệu sai lệch để đưa ra tín hiệu điều khiển mong muốn cho hệ thống. Các đối tượng được điều khiển thường là các hệ thống tương tự bao gồm: Điện, thủy lực, khí nén hay các thành phần cơ khí. Đầu vào và đầu ra của đối tượng đều là các tín hiệu tương tự. Trong vài thập kỷ gần đây các bộ điều khiển số đã thay thế các bộ điều khiển tương tự thông thường. Chúng có thể là các mạch kỹ thuật số, các máy tính số hay các vi xử lý. Các ưu điểm của hệ thống điều khiển số so với hệ thống điều khiển tương tự thông thường Độ chính xác: Điều khiển số được biểu diễn với những số 0 và 1 với 12 bit hay nhiều hơn để biểu diễn 1 số đơn. Điều này làm cho sai lệch điều chỉnh sẽ nhỏ hơn so với điều khiển bằng tín hiệu tương tự. Bởi vì tín hiệu tương tự sẽ bị sự tác động của nhiễu làm cho việc điều khiển sẽ không còn chính xác nữa. Triệt tiêu các sai lệch: Quá trình xử lý số của các tín hiệu điều khiển bao gồm đến phép cộng và phép nhân được thực hiện bằng cách lưu trữ các giá trị số. Các giá trị sai lệch của việc biểu diễn bằng kỹ thuật số và số học là không đáng kể. Ngược lại, với bộ điều khiển tương tự được thực hiện với các phần tử kỹ thuật điện thông thường như: điện trở và tụ điện mà các giá trị thực của chúng luôn bị biến đổi do các tác động bên ngoài. Do vậy, so với bộ điều khiển tương tự thì bộ điều khiển số gần như đã triệt tiêu được các sai lệch đó. Tính linh hoạt: Một bộ điều khiển tương tự rất khó có thể thay đổi được thiết kế trong phần cứng. Ngược lại bộ điều khiển số được viết bằng phần mềm do đó ta có thể thay đổi cấu trúc chương trình của nó so với chương trình gốc mà không làm ảnh hưởng tới hệ thống. 2 Tốc độ: Kể từ năm 1980 đến nay tốc độ phần cứng trong máy tính tăng lên theo hàm mũ. Điều này đã làm tăng tốc độ xử lý quá trình, do đó hệ thống có thể lấy mẫu hay tạo ra các tín hiệu điều khiển ở tốc độ rất cao. Đồng thời chất lượng điều khiển sẽ tăng lên đáng kể dựa trên sự giám sát liên tục các biến được điều khiển. Chi phí: Hiện nay mặc dù giá cả của các loại hàng hóa và dịch vụ đều tăng, tuy nhiên chi phí cho các mạch kỹ thuật số lại giảm. Có được điều này là do sự tiến bộ của công nghệ VLSI trong những năm gần đây đã làm cho khả năng sản xuất các mạch số trở nên tốt hơn, chất lượng tốt với độ tin cậy cao. Người tiêu dùng có thể mua được các sản phẩm với chi phí thấp. Điều này sẽ làm cho việc sử dụng các bộ điều khiển số trở nên kinh tế và phổ biến hơn. 1.1.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển số Để điều khiển 1 hệ thống hay quá trình thì hệ thống điều khiển phải đo được các tín hiệu đầu ra của hệ thống hay quá trình đó, từ đó mới gửi các tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Hầu hết các ứng dụng trong thực tế thì đối tượng và cơ cấu chấp hành đều là các hệ thống tương tự. Như vậy ở đây ta thấy ngay được 1 vấn đề là bộ điều khiển và đối tượng điều khiển không “nói cùng 1 ngôn ngữ” . Ngôn ngữ của bộ điều khiển số là tín hiệu số, còn ngôn ngữ của đối tượng điều khiển là tín hiệu tương tự. Để chuyển đổi từ ngôn ngữ của bộ điều khiển sang ngôn ngữ của quá trình người ta thường dùng 1 bộ biến đổi từ số sang tương tự được gọi là DAC. Ngược lại để chuyển đổi ngôn ngữ của quá trình sang ngôn ngữ của bộ điều khiển người ta dùng 1 bộ biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được gọi là ADC. Để đo được đầu ra của quá trình được điều khiển người ta dùng 1 cảm biến lắp ở mạch phản hồi. Như vậy gộp tất cả các vấn đề đã bàn luận ở trên lại ta được 1 mạch vòng kín của hệ thống điều khiển số được trình bày như hình 1.1 . Hình 1.1: Cấu trúc của 1 hệ thống điều khiển số 3 1.1.3. Một vài hệ thống ứng điều khiển số trong thực tế a) Hệ thống chăm sóc y tế Một vài bệnh mãn tính có qui định khi truyền thuốc hoặc hóc môn vào trong cơ thể tương ứng với mức độ nặng nhẹ khác nhau của căn bệnh. Nổi bật trong số này là bệnh tiểu đường khi việc sản xuất hóc môn insulin giúp điều tiết nồng độ đường trong máu bị suy giảm. Khi đó người ta đã nghĩ ngay đến việc thiết kế 1 hệ thống truyền hóc môn insulin vào cơ thể giúp điều hòa lượng đường trong máu áp dụng điều khiển số. Với hệ thống này thì cần có 1 cảm biến để đo lượng hóc môn hay lượng chất dinh dưỡng có trong cơ thể. Thông tin đo được từ cảm biến được truyền đến máy tính số, ở đây sẽ tính toán lượng hóc môn cần thiết để truyền vào cơ thể của bệnh nhân. Sơ đồ khối của hệ thống được biểu diễn ở hình 1.2 . (a) (b) Hình 1.2: Hệ thống chăm sóc y tế (a) Cấu trúc của hệ thống điều khiển (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển b) Hệ thống điều khiển máy bay phản lực Các máy bay phản lực hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển số được trang bị các máy tính điều khiển tối tân. Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển số sử dụng máy tính dùng trên máy bay phản lực được trình bày trên hình 1.3. Ta thấy rằng ở sơ đồ hình 1.3 để có 4 thể điều khiển được cần có các thông tin trạng thái của động cơ (tốc độ, nhiệt độ và áp suất) và thông tin trạng thái của máy bay (tốc độ và hướng) và lệnh của phi công . (a) (b) Hình 1.3: Hệ thống điều khiển động cơ phản lực (a) Máy bay phản lực F-22 dùng trong chiến đấu (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển c) Hệ thống điều khiển cánh tay máy Robot Cánh tay robot có thể thực hiện được các công việc lặp đi lặp lại với các tốc độ và độ chính xác cao mà không người không thể làm được. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp trong quá trình hàn và sơn. Có được điều này chính là nhờ việc áp dụng điều khiển số để điều khiển tốc độ và vị trí của cánh tay robot. Tất cả các khớp trong tay máy robot thì được điều phối bằng 1 máy tính giám sát, mà sự chuyển động của mỗi khớp trong tay máy sẽ được điều khiển bằng 1 bộ điều khiển riêng biệt. Máy tính sẽ cung cấp 1 giao diện người – máy cho phép lập trình các bộ điều khiển để điều khiển chuyển động của tay máy. Các thuật toán điều khiển được tải xuống từ máy tính giám sát xuống các vi xử lý hay còn gọi là các chip xử lý tín 5 hiệu số DSP. Các chip DSP này sẽ thực thi các thuật toán điều khiển và tạo nên vòng điều khiển kín cho tay máy. Hình vẽ và sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy được biểu diễn ở hình 1.4 . (a) (b) Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tay máy robot (a) Tay máy Robot có 3 bậc tự do (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy d) Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng 6 Sơ đồ về hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng được minh họa như hình 1.5. Từ hình 1.5 ta thấy tín hiệu đầu ra từ cảm biến (cặp nhiệt ngẫu, điện trở nhiệt, .v.v ) được so sánh với nhiệt độ đặt. Khi có sự sai lệch giữa 2 giá trị nhiệt đọ thì bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển để đóng mở van điện từ điều chỉnh lượng gas cấp vào. Tín hiệu nhiệt độ đặt thì được điều chỉnh bằng 1 chiết áp . (a) (b) Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng (a) Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển e) Máy gia công được điều khiển bởi máy tính số (CNC) Thông tin về hình dạng của vật thể và hành trình chuyển động của bàn máy được lưu trữ trong 1 chương trình máy tính. Trong quá trình hoạt động, các thông tin này sẽ được so sánh với tín hiệu phản hồi, khi đó sẽ xuất hiện tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch này chính là tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển, tại đầu ra của bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này sẽ điều khiển biến đổi nguồn công suất để điều khiển động cơ DC Servo truyền [...]... các bộ điều khiển tương tự ta phải biểu diễn các tín hiệu hàm truyền trên miền s Trong chương này chúng ta đã nêu ra được khái quát về hệ thống điều khiển số, diễn tả được các lợi thế của các hệ thống điều khiển số so với các hệ thống điều khiển tương tự thông thường, từ đó đưa ra 1 cấu trúc chung của hệ thống điều khiển số Chúng ta cũng đưa ra 1 số hệ thống trong thực tiễn có ứng dụng điều khiển số như... thống điều khiển số Giống như đối với các bộ điều khiển tương tự, các mô hình toán rất cần thiết cho việc phân tích và thiết kế cho hệ thống điều khiển số Cấu trúc cơ sở chung cho các hệ thống điều khiển số được biểu diễn trên hình 1.8 Hình 1.8: Cấu hình chung cho hệ thống điều khiển số Trong mô hình hình 1.8 ta thấy gồm có các khối: DAC, hệ thống tương tự, ADC Khối DAC có nhiệm vụ biến đổi các dãy số. .. được thực hiện bởi các vi điều khiển hay các bộ vi xử lý động Các hoạt động điều khiển của chúng được diễn ra 1 cách rời rạc và được thực hiện từng bước nhờ các sự kiện ngắt của các vi điều khiển /DSP Khi phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển tốc độ số, ta phải biểu diễn các tín hiệu và hàm truyền bằng phép biến đổi z Khác với các bộ điều khiển tốc độ số hiện tại, các bộ điều khiển trước đây thường... của hệ thống điều khiển số chúng ta có được sơ đồ khối của mạch vòng kín như hình 1.18 C z GZAS z Hình 1.18: Sơ đồ khối mạch vòng kín trong hệ thống điều khiển số Mạch vòng kín trong hình 1.18 gồm có khâu so sánh, bộ điều khiển với hàm truyền C(z) và hàm truyền của đối tượng điều khiển GZAS(s) ( gồm có khâu ADC – đối tượng tương tự DAC ) Bộ điều khiển và khâu so sánh là các chương trình máy tính... thống chăm sóc y tế, hệ thống điều khiển máy bay phản lực, hệ thống điều khiển tay máy robot, hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng, máy gia công CNC, hệ thống lái tàu tự động v.v Đặc điểm chung của các hệ thống này là nó đều được điều khiển thông qua 1 máy tính số Trong chương này chúng ta cũng khái quát các mô hình tín hiệu và mô hình hệ thống trong hệ thống điều khiển số như mô hình khâu ADC, mô hình... Ia* - ia Bộ điều khiển dòng sẽ tạo ra 1 hiệu điện áp đặt uAB* bằng các hệ số kP và kI 30 * * Ia WSC s Tref km p A TL J M up ib B Tem ia Hình 1.21: Động cơ 1 chiều kích từ độc lập được cấp bởi 1 nguồn công suất có thể điều chỉnh được và được dùng như 1 cơ cấu dẫn động mômen trong hệ thống điều khiển tốc độ Hầu hết các bộ điều khiển tốc độ hiện tại đều là các bộ điều số, chúng được... và chúng được liên kết với bộ điều khiển dòng tương tự hay số Một bộ khuếch đại sẽ được cấp điện áp phần ứng uAB tới động cơ Dòng điện phần ứng thay đổi tương ứng với phương trình : La di a Ra ia u AB ea dt (1-87) Trong đó: La : điện cảm phần ứng Ra : điện trở phần ứng ea = ke p : sức điện động sinh ra bởi cuộn dây phần ứng Bộ điều khiển dòng sẽ đưa tín hiệu điều khiển cho các van công suất hoạt... đổi hướng đi của con tàu thì bộ điều khiển sẽ tính toán 1 góc lái phù hợp gửi tới cơ cấu lái Góc lái của con tàu được đo bằng 1 cảm biến và được so sánh với góc mong muốn Bánh lái sẽ đưa ra vị trí điều khiển thích hợp để điều khiển cho con tàu đi đúng hướng 7 (a) (b) Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống lái tàu tự động (a) Sơ đồ cấu trúc của hệ thống (b) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 1.2 Mô hình tín hiệu và... trong hệ thống điều khiển vị trí, cũng như các nhiễu từ các cảm biến hay từ cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, hầu hết tất cả các nhiễu đều là các tín hiệu tương tự và nó thường tác động đến đối tượng tương tự trong mạch vòng điều khiển số Chúng ta xét hệ thống với nhiễu đầu vào được biểu diễn như hình 1.19 D s Gd s C * s GZOH s G s Y * s Hình 1.19: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển số với nhiễu... thấy ở mẫu số của phương trình (1-19) gồm có hàm truyền của các khâu ZOH, hệ thống con Analog và khâu lấy mẫu Do đó ta có thể viết lại phương trình (1-83) dưới dạng sau: * GGd D s Y * s * 1 GZAS s C * s (1-84) Hay viết trên miền z ta có: * GGd D z Y* z * 1 GZAS z C * z (1-85) 1.3 Điều khiển số trong truyền động điện Trong lĩnh vực điều khiển chuyển . thống điều khiển số 1 1.1 Khái quát chung 1 1.2 Mô hình tín hiệu và mô hình hệ thống 8 1.3 Điều khiển số trong truyền động điện 28 1.4 So sánh bộ điều khiển PLC với các bộ điều khiển. các bộ điều khiển số đã thay thế các bộ điều khiển tương tự thông thường. Chúng có thể là các mạch kỹ thuật số, các máy tính số hay các vi xử lý. Các ưu điểm của hệ thống điều khiển số so với. ngay được 1 vấn đề là bộ điều khiển và đối tượng điều khiển không “nói cùng 1 ngôn ngữ” . Ngôn ngữ của bộ điều khiển số là tín hiệu số, còn ngôn ngữ của đối tượng điều khiển là tín hiệu tương