Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Điều Khiển Tự Động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội 2021 1 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Departme[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Điều Khiển Tự Động Bộ môn: Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội - 2021 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering Nội dung Chương Khái quát điều khiển tự động Chương Mô tả tín hiệu hệ thống miền phức Chương Phân tích hệ thống thiết kế điều khiển miền phức Chương Điều khiển tuyến tính không gian trạng thái Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering Nội dung Chương Khái quát điều khiển tự động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering Mục lục chương 1 Khái niệm, mục tiêu ứng dụng hệ thống điều khiển tự động Cấu trúc điều khiển Các nguyên tắc điều khiển Phân loại hệ thống điều khiển Một số ví dụ hệ thống điều khiển Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Khái niệm • Định nghĩa 1.1: Điều khiển q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống đạt mục đích mong muốn Điều khiển tự động trình điều khiển khơng có tác động người Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Khái niệm • Ví dụ minh họa hệ điều khiển tự động: Hệ thống sản xuất dây chuyền robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Khái niệm • Ví dụ (tiếp) : Hệ thống sản xuất băng tải tự động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.2 Mục tiêu điều khiển tự động • Giảm thiểu tham gia người lĩnh vực kĩ thuật • Giảm nhân cơng • Tăng độ xác • Tăng suất chất lượng sản phẩm • Tăng hiệu làm việc • Giảm lao động nặng nhọc, tai nạn nghề nghiệp Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 Ứng dụng hệ thống điều khiển Áp dụng hầu hết lĩnh vực kĩ thuật: • Hệ thống sản xuất: Nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy, nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát • Q trình cơng nghiệp: Nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, tốc độ • Hệ điện tử: Robot di dộng, cánh tay máy, máy cơng cụ • Phương tiện giao thơng: điều khiển rada, tên lửa Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2.1 Các toán lĩnh vực điều khiển tự động • Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động biết cấu trúc thơng số Tìm đáp ứng hệ thống đánh giá chất lượng hệ • 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 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 10 4.3.2 Bộ quan sát trạng thái o Để ý giá trị riêng ma trận bất biến với phép chuyển vị, cơng việc xác định 𝐿 cho 𝐴 − 𝐿𝐶 có giá trị riêng chọn trước địng nghĩa với việc tìm 𝐿𝑇 để: 𝐴 − 𝐿𝐶 𝑇 = 𝐴𝑇 − 𝐶 𝑇 𝐿𝑇 nhận giá trị cho trước 𝑠1 , … , 𝑠𝑛 làm giá trị riêng o Đây toán thiết kế điều khiển cho trước điểm cực trình bày mục trước o Bài toán thiết kế quan sát Luenberger tốn thiết kế điều khiển gán điểm cực ứng với hệ đối ngẫu đối tượng cho o Điều kiện áp dụng: Hệ quan sát Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 215 4.3.2 Bộ quan sát trạng thái o Thuật toán xác định quan sát Luenberger: Chọn trước 𝑛 giá trị 𝑠1 , 𝑠2 , … , 𝑠𝑛 có phần thực âm với thời gian 𝑇 mong muốn để quan sát tín hiệu Các giá trị 𝑠1 , 𝑠2 , … , 𝑠𝑛 chọn nằm xa trục ảo phía trái so với giá trị riêng 𝐴 thời gian 𝑇 ngắn sai lệch 𝑒 𝑡 tiến Sử dụng phương pháp thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái biết để tìm điều khiển 𝐿𝑇 gán điểm cực 𝑠1 , 𝑠2 , … , 𝑠𝑛 cho đối tượng: 𝑥 = 𝐴𝑇 𝑥 + 𝐶 𝑇 𝑢 Tức tìm 𝐿 để thỏa mãn phương trình: det 𝑠𝐼 − 𝐴 + 𝐿𝐶 = 𝑠 − 𝑠1 𝑠 − 𝑠2 … 𝑠 − 𝑠𝑛 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 216 4.3.2 Bộ quan sát trạng thái Ví dụ 4: Xét đối tượng 𝑥= 𝑥+ 𝑢 −3 −5 𝑦= 0𝑥 Xác định quan sát trạng thái Luenberger để xấp xỉ 𝑧 = 𝑥 trạng thái đối tượng với hai điểm cực cho trước 𝜆1 = 𝜆2 = −10 Kết quả: Bộ quan sát trạng thái: 𝑅 = 15 22 , đó: 𝐿 = Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 𝑅𝑇 15 = 22 217 4.3.2 Bộ quan sát trạng thái Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 218 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu o Tại cần điều khiển phản hồi đầu ra? Dùng điều khiển phản hồi trạng thái cần phải đo tín hiệu trạng thái Tuy nhiên thực tế nhiều trạng thái không đo Cịn tín hiệu đầu ln đo Sử dụng thêm quan sát trạng thái với điều khiển phản hồi trạng thái để có điều khiển phản hồi đầu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 219 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu o Cấu trúc hệ thống sử dụng điều khiển phản hồi trạng thái quan sát Luenberger o Khi đó, giá trị riêng chọn cho ma trận 𝐴 − 𝐿𝐶 thường cách xa trục ảo so với điểm cực chọn cho ma trận 𝐴 − 𝐵𝑅 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 220 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Có: 𝑥 = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 = 𝐴𝑥 + 𝐵 𝑤 − 𝑅𝑧 = 𝐴𝑥 − 𝐵𝑅 𝑥 − 𝑒 + 𝐵𝑤 ⇒ 𝑥 = 𝐴 − 𝐵𝑅 𝑥 + 𝐵𝑅𝑒 + 𝐵𝑤 Có: 𝑒 = 𝐴 − 𝐿𝐶 𝑒 Mơ hình trạng thái hệ kín: 𝑥 𝐴 − 𝐵𝑅 = 𝑒 Θ 𝑥 𝐵𝑅 × 𝑒 + 𝐵𝑤 𝐴 − 𝐿𝐶 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 221 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu o Hệ kín ổn định 𝐴 − 𝐵𝑅 𝐴 − 𝐿𝐶 ổn định o Như công việc thiết kế điều khiển phản hồi đầu tách thành hai công việc: Thiết kế quan sát trạng thái 𝐿 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 𝑅 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 222 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Ví dụ 5: 𝑥= 𝑥+ 𝑢 −3 −5 𝑦= 0𝑥 Đã có quan sát trạng thái 𝐿 = 15 với điểm cực 𝜆1 = 𝜆2 = −10 22 Yêu cầu: thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 𝑅 với điểm cực 𝑠1 = 𝑠2 = −5 Kết quả: Bộ điều khiển phản hôi trạng thái: 𝑅 = 22 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 223 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 224 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 225 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Ví dụ 6: 𝑥= 1 𝑥+ 𝑢 −1 𝑦= 1𝑥 Yêu cầu: Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái với điểm cực: 𝑠1 = 𝑠2 = −2 Thiết kế quan sát trạng thái với điểm cực: 𝜆1 = 𝜆2 = − 10 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 226 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Kết quả: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái: 𝑅 = −7 −119 Bộ quan sát trạng thái: 𝐿 = 22 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 227 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 228 4.3.3 Bộ điều khiển phản hồi đầu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 229