Controller Area Network ra đời là một sự phát triển lớn về truyền thông dữ liệu trong phương tiện giao thông và ngày càng có nhiều ứng dụng trong thực tế.1.2.Mục đích nghiên cứuÁp dụng k
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu đề tài
Cùng với sự phát triển của kĩ thuật, các hệ thống trong công nghiệp ngày càng tiên tiến và tự động hóa, yêu cầu điều khiển và giám sát ngày càng trở nên phức tạp hơn, đòi hỏi sự ra đời của các mạng truyền thông, các phương thức truyền đạt và giám sát dữ liệu mới tối ưu hơn Controller Area Network ra đời là một sự phát triển lớn về truyền thông dữ liệu trong phương tiện giao thông và ngày càng có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Mục đích nghiên cứu
Áp dụng kiến thức đã học trong môn LTDKTĐ2 về hệ thống liên tục, rời rạc và thiết kế hệ điều khiển PID.
Đối tượng nghiên cứu
Bộ điều khiển SPRING-MASS-DASHPOT.
Phạm vi nghiên cứu
Tính toán và mô phỏng trên máy tính.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm điều khiển
Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước (bám đuổi kịp mục đích điều khiển và theo sát yêu cầu thiết kế) Điều khiển tự động là qua trình điều khiển không cần sự tác động cảu can người. Điều khiển học nghiên cứu những hệ thống có bản chất khác nhau, có khả năng thu thập, lưu trữ, biến đổi thông tin và sử dụng thông tin để ra quyết định điều chỉnh và điều khiển hệ thống đạt yêu cầu cần thiết.
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối dưới đây là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất.
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản đó là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển.
Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển.
Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động
Trong lĩnh vực điều khiển tự động có rất nhiều bài toán cần giải quyết, tuy nhiên các bài toán điều khiển trong thực tế có thể quy vào ba bài toán cơ bản sau:
Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số Bài toán đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tim đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ thống Bài toán này luôn giải được.
Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển Bài toán đặt ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng.
Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống Vấn đề đặt ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được.
Các nguyên tắc điều khiển
Các nguyên tắc điều khiển có thể xem là kim chỉ nam để thiết hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao và có hiệu quả kinh tế nhất.
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai dòng thông tin: một từ bộ điều khiển đến đối tượng và một từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (dòng thông tin ngược gọi là hồi tiếp) Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vòng hở) không thể đạt chất lượng cao, nhất là khi cóp nhiễu.
Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc thông tin phản hồi: Điều khiển bù nhiễu: là sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu ra c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra c(t) Về nguyên tắc, đối với hệ thống phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốt.
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu. Điều khiển sang bằng sai lệch: Bộ điều khiển quan sát tín hiệu ra c(t), so sánh với tín hiệu ra mong muốn r(t) để tính toán tín hiệu điều khiển u(t) Nguyên tắc điều khiển này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa sai Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển.
Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển san bằng sai lệch.
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp.
Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng
Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đã dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn quyết định,…
Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặc chẽ với môi trường đó Nguyên tắc bổ sung ngoài thừa nhận có một đối tượng chưa biết tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn đối tượng đó Vì vậy khi thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống có chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu của môi trường tác động vào hệ thống.
Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ
Vì thông tin luôn được coi là chưa đầy đủ, phải đề phòng các bất trắc xẩy ra do đó không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều khiển bình thường Vốn dự trữ có thể không sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn
Nguyên tắc 5: Nguyên tắc khẩn cấp Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây, ví dụ như hệ thống điều khiển giao thông đô thị hiện đại, hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất.
Hình 2.5: Sơ đồ điều khiển phân cấp
Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội
Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra.
Phân loại điều khiển
2.5.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế:
Hệ thống tuyến tính - Hệ thống phi tuyến:
Hệ thống phi tuyến không tồn tại trong thực tế, vì tất cả hệ thống vật lý đều là phi tuyến HTĐK tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn giản hóa quá rình phân tích và thiết kế hệ thống.
Hệ thống bất biến - hệ thống biến đổi theo thời gian:
Khi các thông số của hệ thống điều khiển không đổi trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống, thì hệ thống được gọi là hệ thống bất biến theo thời gian.
Thực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần tử trôi hay biến đổi theo thời gian.
2.5.2 Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống:
Hệ thống liên tục là hệ thống mà tín hiệu ở bất cứ phần nào của hệ cũng là hàm liên tục theo thời gian Trong tất cả các HTĐK liên tục, tín hiệu được phân thành AC hay DC.
Khác với HTĐK liên tục, HTĐK rời rạc có tín hiệu ở một hay nhiều điểm trong hệ thống là dạng chuổi xung hay mã số Thông thường HTĐK rời rạc được phân chia làm hai loại: HTĐK lấy mẫu dữ liệu và HTĐK số Hệ thông lấy mẫu dữ liệu ở dạng dữ liệu xung HTĐK số liên quang đến sử dụng máy tính số hay bộ điều khiển số vì vậy tín hiệu trong hệ thống được mã số hóa.
2.5.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển:
Muc tiêu điều khiển là kết quả tín hiệu ra bằng tín hiệu vào chuẩn r(t) với sai lệch cho phép e xl (sai số ở chế độ xác lập).
Khi tín hiệu vào r(t) không đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổn định hóa hay hệ thống điều chỉnh, ví dụ như hệ thống ổn định nhiệt độ, điện áp, áp suất, nồng độ, tốc độ,…
Điều khiển theo chương trình:
Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì t có hệ thống điều khiển theo chương trình.
Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không biết trước theo thời gian,yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t), ta có thể theo dõi Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các HTĐK vũ khí, hệ thống lái tàu,máy bay,…
Hệ thống điều khiển rời rạc
HTĐK có hồi tiếp, trong đó tín hiệu tại một hay nhiều điểm là một chuỗi xung, không phải là hàm liên tục theo thời gian Tùy thuộc vào phương pháp lượng tử hóa tín hiệu mà ta có các loại hệ thống xử lý tín hiệu khác nhau Phương pháp lượng tử hóa theo thời gian cho tín hiệu có biên độ liên tục, thời gian rời rạc Hệ thống xử lý tín hiệu này được gọi là hệ thống rời rạc.
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điêu khiển rời rạc
Hình 2.7: Quá trình lấy mẫu dữ liệu Lấy mẫu là biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành tín hiệu rời rạc theo thời gian
Khâu giữ dữ liệu là khâu chuyển tín hiệu rời rạc theo thời gian thành tín hiệu liên tục theo thời gian.
Khâu giữ dữ liệu có nhiều dạng khác nhau, đơn giản nhất và được sử dụng nhiều nhất trong các HTĐK rời rạc là khâu giữ bậc 0 (Zero-Order Hold – ZOH).
Hình 2.8: Khâu giữ bậc 0 (ZOH)
Ta tìm hàm tuyền của khâu ZOH Để ý rằng nếu tín hiệu vào của khâu ZOH là xung dirac thì tín hiệu ra là xung vuông có biên độ rộng bằng T.
2.6.4 Phép biến đổi Z Định nghĩa:
Cho x(k) là chuỗi tín hiệu rời rạc Biến đổi Z của x(k) là:
Trong đó: z=e Ts (s là biến Laplace)
Nếu x(k)=0 ,∀k
