Lý thuyết điều khiển tự động  thông thường và hiện đại, q 1  hệ tuyến tính

y e xoa dona chu O NHÀ XUẤT BẢN KHOA ~~ Oo LY THUYET Ö a =, + mm Lu > — © =< oP) xả, “) 0A O 'Á PGS.TS NGUYEN THUONG NGO Ly thuyét DIEU KHIEN TU DONG THONG THUONG VA HIỆN ĐẠI Quyén HỆ TUYẾN TÍNH (In lần thứ có sửa chữa bổ sung) NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2009 LỜI MỞ ĐẦU sử phát triển từ trước Cơng ngun, bắt dầu Điều khiển tự động có lịch chỉnh nhiệt từ đơng hơ nước có phao điêu chỉnh Ktesibios Hy Lạp Hệ điều sáng chế Hệ độ đâu tiên Cornelis Drebbel (1572-1633) người Hà Lan Hệ điều chỉnh điều chỉnh mức Pelzunov người Nga (1776) Watt (1769) tốc độ ứng dụng công nghiệp đầu tién la cada Jame theo trực Thời kỳ trước năm 1868 thời Kỳ chế tạo hệ tự động l, đề cập đến giác Các cơng trình nghiên cứu lý thuyết Maxwel Vysnhegradshi với ảnh hưởng thông số chất lượng hệ I A cơng trình tốn học bệ điều ứng dụng để Thế chiến lần thứ Hai dòi hỏi phát triển lý thuyết loại pháo, có máy bay lái tự động, hệ điều khiển vị trí điểu khiển tự động rađa Những năm 1950, phương pháp toán học Ở Mỹ thịnh hành phân tích phát triển đưa vào ứng dụng nhanh chóng ứng dụng Bode, hướng nghiên cứu miễn số với cơng trình Liên Xô Nyquist Black trung tâm thử nghiệm điện tín Trong miễn thời gian (cđ) ngự trị lĩnh vực lý thuyết điều khiển ứng dụng rãi, cho Từ năm 1980, máy tính số bắt đầu sử dụng rộng phép điều khiển với độ xác cao đối tượng khác Với đời vệ tỉnh, thời đại vũ trụ bắt đầu, hệ điều khiển phương pháp ngày phức tạp đòi hỏi chất lượng cao Các tối ưa dai L Liapunốp, Minorsky lý thuyết điều khiển lớn Các nguyên tắc S Pontryagin (Lién X6 cit), Bellman (M3) có ý nghĩa điêu khiển thích nghỉ, điều khiển bên vững, điểu khiển mờ, minh” doi áp dụng có hiệu vào thực tiên “hệ thông nay, Rõ ràng việc phân tích tổng hợp hệ điều khiển thiết [71 việc sử dụng đồng thời miền tân số miền thời gian cần tâm đến Ở Việt Nam từ năm 1960, Đảng Nhà nước ta quan việc đào tạo cán nghiên cứu khoa học lĩnh vực Hiện công nghệ tự động rrong hướng phát triển công nghệ nhọn đái nước kỷ 21 Nghị 27CP Chính phú Chương trình Tự động hố Quốc gia khẳng định trọng ngành cơng nghệ vai trị quan Những cơng trình cơng nghiệp lớn trọng điển tự động hoá mức độ tương đối cao chủ yếu nước đảm nhiệm, Để làm chủ công nghệ này, cán kỹ thuật khơng có khả sử dụng tốt mà phải có kiến thức cần thiết chuyên tâm nghiên cứu, ứng dụng để theo kip nhịp điện phát triển chung giới Mang Internet sử dụng rộng rãi cho việc phổ biến kiến thức cho việc học tập, nghiên cứu Tuy nhiên khơng phải ai, đâu sử dụng có h quả, việc học tập, nghiên cứu kiến thức sở cách có hệ thống Cơng cụ để điều khiển tự động khơng ngừng đổi hồn thiện, NUS ¡ lý không thay đổi đáng kể Tuy nhiên nay, tài liệu vấn để nêu vén it, điều thúc bách tác giả biên soạn sách Bộ sách “Lý thuyế t điều khiển tự động thông thường đại” gâm bổn quyển: Quyển 1: “Hệ tuyến tính”, Quyển 2: “Hệ xung số”, Quyển 3: “Hệ phi tuyến - Hệ ngẫu nhiên”, Quyển 4: “Hệ tối uu - Hệ thích nghỉ”, Quyển I: “Hé tuyển tính” tái lần có sửa chữa bổ sung Quyển có chương: Chương 1: Sau bắt dân ví dụ ba thời kỳ phát triển kỹ thuật tự động, nêu lên phân loại hệ điều khiển khác để có khái niệm bao quát hệ tự động nói chung Chương HH: Cơ sở toán học lý thuyết điều khiển tự động Sau nhắc lại phương trình ví phân toán tử Laplace, nêu lên khái niệm hàm truyền đại, đặc tính vào miễn thời gian miễn tân số, đặc tính phần tử thường gẵp Chương HH: Nêu lên tiêu chuẩn thường dùng Hurwitz, Routh, Nyquist để khảo sát ổn định hệ điều khiển cách ding cơng cụ máy tính theo chương trình Tutsim [6] , Matlab [7] để mô phẳng Chương H; Đề cập đến phương pháp xác định cấu trúc thông số đối tượng phương pháp quỹ đạo nghiệm số, chía miễn Gn định phương pháp hữu hiệu việc phân tích tổng hợp hệ thống, Chương V: Nêu lên khái niệm chất lượng nhị tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tự động Chương VỊ: Tổng hợp hệ điều khiển tự động Ở nêu lên việc đàng hiệu chỉnh nhự điều khác nhan, điện tử, khí nén để nâng cao chất lượng hệ điều khiển (SSO MIMO), có bổ sung thêm phần dùng máy tính để tổng hợp hệ thống tối ưu Chương VII: Phương pháp biển trạng thái hệ diéu khiển tự động Ở có nêu lên mối liên hệ phương pháp khảo sát hệ thống miễn thời gian, phương pháp dùng máy tính để miền tần số mô tả hệ thống không gian trạng thái, khái niệm điều khiển quan sắt được, dùng máy tính để phân tích tổng hợp hệ thống Trong chương đề cập đến điều khiển tích phân, cách xây dựng quan sát động Quyển sách để cập đến nhiều vấn dé co gắn liên với khái niệm thực tế, nhiề» ví dụ chứng mình, dùng máy tính để họa, nhiều tập với đáp án đầy đủ Sách dùng làm tài liệu học tập, tham khảo cho sinh viên, nghiên cứu sinh cán khoa học Kỹ thuật lĩnh vực tự động diéu khiển Tác giả mong bạn đọc góp ý kiến để sách ngày hoàn thiện hơn, Tác giả chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp, cán thuộc Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật giấp đỡ thiết thực để hoàn thành sách Tác giả Chương Ï KHÁI NIỆM CHUNG L1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA L1.1 Vi phát Ở du vé diéu chỉnh hình 1.1 tay có sơ đồ điện áp tay nguyên lý Hình hệ điều chỉnh điện áp máy 11 Đồng hồ đối I Võ tíng; Bộ giảm tốc Vam; Tuabin E Máy phát n tác làm việc hệ : Theo sơ đồ nguyên lý, cd thể biết nguyê điện áp Nếu điện áp thấp Người điều khiển quan sát đồng hồ đo hạn), người điều khiển quay trị số định mức (khi phụ tải tăng chẳng để tăng lưu lượng nhiên vô lãng 1, qua biến tốc mở thêm van làm tăng tốc độ n liệu q vào tuabin Lưu lượng nhiên liệu tăng tuabin Truc tuabin 1& true cua réto máy phát 5, sức điện động (hay điện áp U) cla máy phát tang phục hồi, lại điện áp định mức cẩn thiết, Nếu điện áp tảng vượt định mức, trình ngược lại người điểu khiển đóng bớt van để giảm lưu lượn g nhiên Ứng liệu vào với hình tuabin l1, phần từ mô tả khối chữ hình 12, ta cđ sơ đồ khối 8d đồ khối giúp cho phân tích hệ thống giản đơn hệ có nhiều phần Mỗi phần tử có vdo, dau Người điều khiển kim đồng hồ đo 6, quay vô làng gúc tương ứng nhận gốc quay để tạo thành góc quay œ; mở thêm van lượng q nhiên liệu, tốc độ tuab in tàng máy phát áp U trường hợp tảng phụ tải việc tử nhật nghiên cứu quan sát géc ¢ ơi, giảm tốc vA tang lưu sé tăng điện XS ay “CRE REEEF Ebe EE Hinh Mỗi phần mũi tên có đầu Cả tử oo hướng Mỗi phẩn tử tác động đầu vào đếu eđ vào tốc độ n tuabin hai 1.2 định nhiều đầu thể vào, ví dụ máy điện áp kích từ U,, máy làm thay đổi điện áp U Ó tử khái niệm tương giảm tốc giảm tốc vô lăng phương diện chức Về khối 1, Cơ cẩu Đối Dụng phần hệ thừa tượng cụ hành diéu đo tử (về mật phần Có cấu tử thể xem lý) có đẩu vào a, phần 1.3, dé bao (ĐTĐC) đồng hồ bánh vật hình (CCTH) trúc nang, chỉnh (DCĐ) đối tử hay có có thể gồm vơ làng, gồm tổ điện hợp áp đến xem la ay dau thể hợp thành giảm tuabin U điện va la: tốc máy phát áp kích từ khơng đổi (Uk, = const) nén chi cén quan tâm thay đổi tốc độ n tuabin làm ảnh hưởng đến trình, Phần chiều phát ba van phát ; ; Tiệ hỏ tín khơng liên với tác mà thơng điểu khiển hiệu hệ trực động ø tiếp vào qua Nhược di %; ccrH | _Í„ipTÐĐCL người điểm co Hình ~|pcÐ 1.3 hệ điểu chỉnh tay nói người điều khiển ln theo đơi cách cảng thẳng vị trí kim thuộc vào người nhược điểm I.1.2 Một đồng điểu đo, khiển khả Dưới tác động nhanh phương án hay chậm tùy khác phục phương Hình hổ 1⁄4 sơ án tự động hóa hệ diều chỉnh điện áp máy dé tự động hóa hệ điều chỉnh điện áp máy phát phát So đồ khối tương ứng hình 15 © day, he tự động điểu chỉnh điện áp tiếp dương sau hệ kín, làm việc theo sai /ệch AU = U„- Uụ, Hệ kín hệ có đồi điếp (phản hồi, liên hệ ngược) Hồi tiếp có hồi tiếp âm, hồi Ị hệ kín, đầu phần Hình L4 tử đầu vào phần tử Động điều khiền van ; Bộ giảm tốc ¡ Van ;¡ Tuabin ; May phát ; Biến trở ¡ Chiết áp ¡ Cơ cấu so sánh ; Khuếch đại fa „ - hy, L— LL tô J Là Hink Hệ làm việc có mục đích 15 triệt tiêu sai lệch AU, nghĩa Uy = U, AU = 0; đồng thời sai lệch động lực hệ Trên chiết áp có trị số điện áp đặt (setpoint) ; Ủy tương ứng với điện áp định mức mong muốn U Khi AU = 0, tác động mạch vịng kín khơng thay đổi : điện áp Uy, dat vao mach phdn ứng động 0, động không chuyển động, œ; œ; giữ ngun vị trí nó, lưu lượng nhiên liệu q không thay đổi, tuabin Biữ nguyên tốc độ n máy phát không thay đổi điện áp (U) phát ra, có trị số định mức cẩn thiết đổi mở điện mức Khi phụ tải tăng U giảm, điện áp hồi gidm theo va AU = Ủy ~ Um > Điện áp đặt vào mạch phần ứng động thêm van tăng lưu lượng nhiên áp máy phát tăng sau thời cần thiết Quá trình thiết, cần Muốn cách thay thay Sơ ngược đổi đại đổi vị trí đố tổng quát lại lượng điện trượt hệ sánh ®, lý áp U, chỉnh ta thay chiết áp điểu tiếp Uy, la phần U (điện áp dat U,, khéng thay co Uy, lam cho động quay, liệu q, tuabin tăng tốc độ n, gian phục hồi lại trị số định đổi tự động mà nói U tảng mức dat U, bang lượng hình 1,6 © day đối tượng điều chỉnh (ĐTĐC) bao gồm phần tử từ l đến hình 1.ð Cơ cấu so khuếch đại chiết áp tạo thành diéu chỉnh tỷ lệ điện ap Uy, tỷ lệ với sai lệch AU Khí khảo sát cẩn quan cụ đo (DCP) có hồi với tín thể không cấu tâm đến U, nén bé qua chiết áp có ghép chung vào đối liếp don vi Trong tạo lượng đặt Khối dụng tượng điều chỉnh, lúc hiệu đặt U, ( U, trường thể hợp cho cho sai lệch e hệ, lượng hệ mà dụng cụ đo biến đồng chuyển đổi với đại Ư ví dụ trên, ay, vi Uy, cd cing lượng mong chất vật qua trở thứ muốn) lý, Uy, nguyên nén nói cảm biến biến đổi AU chung hay từ đại lượng điện U lớn thành lượng điện áp phản hổi bé Uạ, Đối 10 tượng điều (ĐTDC) số cố chỉnh thực Au chất phần tử có thơng ngồi định, tuabin Ge u cịn bao cấu thừa hành gồm giảm tốc cơ, động }27Ø€Ƒ—T ~ oo u ` DCD máy phát gồm - Bbc 1.6 Hinh van, Tín hiệu 1A tin điệu (hay đại lượng) điều chỉnh ty), Tín hiệu từ điều chỉnh tác động vào đối tượng tín hiệu (hay đại lượng) điều chỉnh u(t) (sự phân biệt điều khiển điểu chỉnh để cập đến mục L2) Khác với hệ hở, hệ kín, có nhiễu (fj, f; hình 1.7) tác động, mạch qua thông hổi tiếp, điều chỉnh cảm nhận mà lệch sai chỉnh hiệu tý eT a e lại tín hiệu điều chất hệ, BBC oe khối lượng đồ Sơ đồ sơ 1.7 hình cấu tạo tín hiệu đặt, ví dụ quát tổng tự ký “— au chỉnh U để nâng cao lê ) Hình 1.7 hồi tiếp với khơng ¥ -@ T J7 TT” (âm), vị đơn mang tính khơng có vật lý chất L1.3 Dùng máy tính để điều khiển tổ hợp tuabin - máy phát [7] 8ơ 1.8 điều đồ Khác với khiển ví tổ hợp tuabin trên, dụ lưu - máy lượng phát thể nước điểu khiển hình từ nguồn nước (van Vị) Ngồi ra, từ trung tâm diéu khiển (máy tính) cịn điều khiển lưu lượng khí đốt (gaz) qạ (van V2), lưu lượng khơng khí vào lị q3 (van V3) tốc độ tuabin thông qua điều khiển độ nghiêng cánh tỉnh Trị số đạt không điện áp mong muốn Ủ, mà nhiệt độ lò t„ áp suất P„ lugng Oxy cẩn thiet O¿o Các tín hiệu hồi tiếp lấy từ dụng cụ đo : điện áp, nhiệt độ, áp suất, lượng khí oxy Vì máy tính điều khiển cơng cụ số nên từ cấu đo điện áp, nhiệt độ, áp suất, khí oxy, đại lượng liên tục phải 11