Lý thuyết điều khiển tự động hệ thống điều khiển hành trình

Hệ thống kiểm soát là một phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại. Nhiều ứng dụng ở xung quanh chúng ta: Tên lửa khai hỏa và tàu con thoi bay lên quỹ đạo trái đất; trong nước làm mát bắn tung tóe, một bộ phận kim loại được gia công tự động; một chiếc xe tự hướng dẫn vận chuyển vật liệu đến các máy trạm trong một nhà máy lắp ráp hàng không vũ trụ lướt dọc theo sàn nhà để tìm kiếm điểm đến của nó. Đây chỉ là một vài ví dụ về các hệ thống được điều khiển tự động mà chúng tôi có thể tạo ra. Chúng tôi không phải là người duy nhất tạo ra các hệ thống được điều khiển tự động; nhưng những hệ thống này cũng tồn tại trong tự nhiên. Trong cơ thể chúng ta có rất nhiều hệ thống kiểm soát, chẳng hạn như tuyến tụy, điều chỉnh lượng đường trong máu của chúng ta. Trong thời gian chiến đấu hoặc bay, adrenaline của chúng ta tăng lên cùng với nhịp tim, khiến lượng oxy được cung cấp đến các tế bào của chúng ta nhiều hơn. Đôi mắt của chúng ta nhìn theo một đối tượng chuyển động để giữ cho nó trong tầm nhìn; tay của chúng ta nắm lấy đối tượng và đặt nó chính xác vào một vị trí đã định trước. Ngay cả thế giới phi vật lý dường như cũng được tự động điều chỉnh. Các mô hình đã được đề xuất hiển thị kiểm soát tự động kết quả học tập của học sinh. Đầu vào của mô hình là thời gian học hiện có của sinh viên và đầu ra là điểm. Mô hình có thể được sử dụng để dự đoán thời gian cần thiết để tăng điểm nếu thời gian học tập tăng đột ngột. Sử dụng mô hình này, bạn có thể xác định xem việc học tập tăng lên có xứng đáng với nỗ lực trong tuần cuối cùng của học kỳ hay không.

BÀI TẬP LỚN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hệ thống điều khiển hành trình Giảng viên mơn học: TS Nguyễn Ngọc Linh Mục lục I Lý thuyết I.1.Chương I.1.1 Giới thiệu I.1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển I.1.3 Cấu hình hệ thống I.1.4 Mục tiêu Phân tích Thiết kế .11 I.1.5 Quy trình thiết kế .18 I.1.6 Thiết kế có hỗ trợ máy tính 24 I.1.7 Kỹ sư điều khiển hệ thống .25 I.2 Chương 29 I.2.1 Giới thiệu 29 I.2.2 Cải thiện lỗi trạng thái ổn định thông qua bù xếp tầng 36 I.2.3 Cải thiện phản hồi thống qua thơng qua bù xếp tầng 52 I.2.4 Cải thiện lỗi trạng thái ổn định phản hồi tạm thời .75 I.2.5 Bù hồi tiếp 95 I.2.6 Thực vật lý bù 109 II Thực hành 130 II.1.Giới thiệu chung 130 II.1.1.Giới thiệu chung 130 II.1.2.Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 130 II.1.3.Khai báo mơ hình hệ thống MATLAB – M-file 137 II.2.Khảo sát đặc tính hệ thống 139 II.2.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống 139 II.2.2.Xét tính ổn định hệ thống .145 II.3.Xây dựng mơ hình hệ thống simulink .147 II.3.1.Xây dựng mơ hình hệ thống Simulink .148 II.3.2Phản hồi vòng lặp mở 152 II.3.3.Giải nén mơ hình tuyến tính vào MATLAB 155 II.3.4.Quỹ tích vịng mở 156 II.3.5.Lead Controller 158 II.3.6.Selecting the gain (chọn độ lợi) 159 II.3.7.Lập biểu đồ phản hồi vịng kín 160 II.3.8.Xây dựng bù chì ( building a Lead Compensator) .161 II.4 Xây dựng mơ hình hệ thống Simscape .164 II.4.1.Thiết lập vật lý 164 II.4.2.Tạo nhóm khung cấu hình 165 II.4.3.Lắp ráp bánh .167 II.4.4.Thêm đòn bẩy .174 II.4.5.Thêm dầm .177 II.4.6.Thêm bóng 182 II.4.7.Triển khai điều khiển 188 II.4.8 Triển khai điều khiển Simcape .194 II.5 Thiết kế điều khiển sử dụng quỹ đạo nghiệm số 197 II.5.1 Tiêu chí thiết kế 197 II.5.2 Hệ thống phương trình 197 II.5.3 Thiết kế hệ thống MATLAB .201 II.6 Thiết kế điều khiển PID cho toán Beam-Ball .207 II.6.1.Cấu trúc hệ điều khiển 207 II.6.2 Thiết kế điều khiển PID cho toán beam and ball 207 II.7.Thiết kế điều khiển miền tần số 215 II.7.1.Biểu đồ vòng mã mở .216 II.7.2.Bộ điều khiển dây pha 216 II.7.3.Thêm giai đoạn khác 219 II.8.Thiết kế điều khiển không gian trạng thái 221 II.8.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI ĐẦY ĐỦ 221 II.8.2.ĐẦU VÀO THAM CHIẾU 225 II.9.Thiết kế điều khiển PID kỹ thuật số .228 II.9.1.Giới thiệu điều khiển kỹ thuật số 228 II.9.2.Bộ bù PID với xấp xỉ song tuyến 230 II.9.3.Bộ điều khiển PID kỹ thuật số .230 II.9.4.Chức hàm truyền rời rạc 230 II.9.5.Phản hồi vòng lặp mở 232 II.9.6.Kiểm soát tỷ lệ 233 II.9.7.Kiểm soát phát sinh tỷ lệ 234 II.10.Nhận xét đánh giá 237 Kết luận 237 Đánh giá 238 I Lý thuyết I.1.Chương Kết học tập Chương Sau hoàn thành chương này, học sinh có thể: Xác định hệ thống điều khiển mô tả số ứng dụng (Mục 1.1) Mô tả phát triển lịch sử dẫn đến lý thuyết kiểm soát ngày (Mục 1.2) Mơ tả tính cấu hình hệ thống điều khiển (Phần 1.3) Mô tả mục tiêu phân tích thiết kế hệ thống điều khiển (Mục 1.4) Mơ tả quy trình thiết kế hệ thống điều khiển (Phần 1.5-1,6) Mơ tả lợi ích từ việc nghiên cứu hệ thống điều khiển (Mục 1.7) Kết học tập nghiên cứu điển hình Bạn giới thiệu nghiên cứu điển hình chạy hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng-ten dùng để minh họa nguyên tắc chương Trong chương này, hệ thống sử dụng để chứng minh cách định tính cách thức hoạt động hệ thống kiểm soát xác định tiêu chí hoạt động làm sở cho việc phân tích thiết kế hệ thống kiểm soát I.1.1 Giới thiệu Hệ thống kiểm soát phần thiếu xã hội đại Nhiều ứng dụng xung quanh chúng ta: Tên lửa khai hỏa tàu thoi bay lên quỹ đạo trái đất; nước làm mát bắn tung tóe, phận kim loại gia công tự động; xe tự hướng dẫn vận chuyển vật liệu đến máy trạm nhà máy lắp ráp hàng khơng vũ trụ lướt dọc theo sàn nhà để tìm kiếm điểm đến Đây vài ví dụ hệ thống điều khiển tự động mà chúng tơi tạo Chúng tơi người tạo hệ thống điều khiển tự động; hệ thống tồn tự nhiên Trong thể có nhiều hệ thống kiểm sốt, chẳng hạn tuyến tụy, điều chỉnh lượng đường máu Trong thời gian "chiến đấu bay", adrenaline tăng lên với nhịp tim, khiến lượng oxy cung cấp đến tế bào nhiều Đôi mắt nhìn theo đối tượng chuyển động để giữ cho tầm nhìn; tay nắm lấy đối tượng đặt xác vào vị trí định trước Ngay giới phi vật lý dường tự động điều chỉnh Các mơ hình đề xuất hiển thị kiểm sốt tự động kết học tập học sinh Đầu vào mơ hình thời gian học có sinh viên đầu điểm Mơ hình sử dụng để dự đốn thời gian cần thiết để tăng điểm thời gian học tập tăng đột ngột Sử dụng mơ hình này, bạn xác định xem việc học tập tăng lên có xứng đáng với nỗ lực tuần cuối học kỳ hay không Định nghĩa hệ thống điều khiển Một hệ thống kiểm soát bao gồm hệ thống quy trình (hoặc cây) lắp ráp nhằm mục đích thu đầu mong muốn với hiệu suất mong muốn, với đầu vào xác định Hình 1.1 hiển thị hệ thống điều khiển dạng đơn giản nhất, đầu vào đại diện cho đầu HÌNH 1.1 Mơ tả đơn giản hệ thống điều khiển Ví dụ, xem xét thang máy Khi nhấn nút tầng tầng 1, thang máy lên tầng với tốc độ độ xác tầng thiết kế để tạo thoải mái cho hành khách Việc nhấn nút tầng thứ tư đầu vào đại diện cho đầu mong muốn chúng tôi, hiển thị dạng hàm bước Hình 1.2 Hiệu suất thang máy nhìn thấy từ đường cong đáp ứng thang máy hình HÌNH 1.2 Phản hồi thang máy Hai thước đo hiệu suất rõ ràng: (1) phản ứng thời (2) lỗi trạng thái ổn định Trong ví dụ chúng tơi, thoải mái hành khách kiên nhẫn hành khách phụ thuộc vào phản ứng thời Nếu phản ứng nhanh, thoải mái hành khách bị hy sinh; chậm, kiên nhẫn hành khách bị hy sinh Lỗi trạng thái ổn định đặc điểm kỹ thuật quan trọng khác an tồn tiện lợi hành khách bị hy sinh thang máy không hạ mức Ưu điểm hệ thống điều khiển Với hệ thống điều khiển, chúng tơi di chuyển thiết bị lớn với độ xác mà khơng khơng thể Chúng ta hướng ăng-ten khổng lồ phía xa vũ trụ để thu tín hiệu vơ tuyến yếu ớt; Điều khiển ăng-ten tay điều Nhờ hệ thống điều khiển, thang máy đưa nhanh chóng đến đích, tự động dừng tầng bên phải (Hình 1.3) Một chúng tơi khơng thể cung cấp lượng cần thiết cho tải tốc độ; động cung cấp lượng, hệ thống điều khiển điều chỉnh vị trí tốc độ HÌNH 1.3 a Một thang máy ban đầu điều khiển dây thừng thang máy nhà điều hành Ở sợi dây cắt để chứng minh phanh an toàn, đổi thang máy thời kỳ đầu; b Một hai thang máy Duo-lift đại lên Grande Arche Paris Hai thang máy dẫn động động cơ, ô tô hoạt động đối trọng với ô tô Ngày nay, thang máy hoàn toàn tự động, sử dụng hệ thống điều khiển để điềuchỉnh vị trí vận tốc Chúng tơi xây dựng hệ thống kiểm sốt bốn lý chính: Khuếch đại cơng suất Điều khiển từ xa Sự thuận tiện biểu mẫu đầu vào Bồi thường cho xáo trộn Ví dụ, angten radar, định vị cách quay công suất thấp núm đầu vào, yêu cầu lượng lớn lượng cho việc quay đầu Một hệ thống điều khiển tạo khuếch đại công suất cần thiết công suất thu Robot thiết kế theo nguyên tắc hệ thống điều khiển bù đắp cho khuyết tật người Hệ thống điều khiển hữu ích vị trí xa xơi nguy hiểm Ví dụ, cánh tay robot điều khiển từ xa sử dụng để lấy vật liệu mơi trường phóng xạ.Nhân vật 1,4 cho thấy cánh tay robot thiết kế để làm việc mơi trường bị nhiễm HÌNH 1.4 Rover xây dựng để làm việc khu vực bị ô nhiễm Three Mile Đảo Middleton, Pennsylvania, nơi xảy vụ tai nạn hạt nhân năm 1979 Cánh tay dài robot điều khiển từ xa nhìn thấy đầu xe Hệ thống điều khiển sử dụng để tạo thuận tiện cách thay đổi hình thức đầu vào Ví dụ, hệ thống điều khiển nhiệt độ, đầu vào vị trí điều nhiệt Đầu nhiệt Do đó, đầu vào vị trí thuận tiện tạo sản lượng nhiệt mong muốn Một ưu điểm khác hệ thống điều khiển khả bù nhiễu Thông thường, chúng tơi kiểm sốt biến nhiệt độ hệ thống nhiệt, vị trí vận tốc hệ thống khí điện áp, dịng điện tần số hệ thống điện Hệ thống phải có khả mang lại đầu xác có nhiễu Ví dụ, xem xét hệ thống ăng-ten theo hướng có hiệu lệnh Nếu gió đẩy ăng ten khỏi vị trí định tiếng ồn xâm nhập vào bên trong, hệ thống phải có khả phát nhiễu điều chỉnh vị trí ăng ten Rõ ràng, đầu vào hệ thống không thay đổi để thực hiệu chỉnh Do đó, thân hệ thống phải đo lượng nhiễu định vị lại vị trí ăng-ten sau đưa ăng-ten trở lại vị trí đầu vào huy I.1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển phản hồi lâu đời loài người Nhiều hệ thống kiểm soát sinh học xây dựng cho cư dân hành tinh Bây xem xét lịch sử ngắn gọn hệ thống điều khiển người thiết kế.1 Kiểm soát mức chất lỏng