Giáo trình kỹ thuật điều khiển 12 pdf

117 × σ i ω u iv 0 0 Hình 9.3. Ví dụ minh họa định lý của Cauchy × σ i ω u iv 0 0 Hình 9.4. Ví dụ minh họa định lý của Cauchy 9.3. Điều kiện Nyquist Để hệ thống ổn định, tất cả các nghiệm của phương trình đặc trưng F(s) = 0 đều phải nằm bên trái trục ảo trong mặt phẳng s. Chọn một chu tuyến Γ s sao cho chu tuyến này nằm ở nửa bên phải trục ảo trong mặt phẳng s, đồng thời toàn bộ vùng bên phải cũng nằm bên trong vùng đóng kín bởi chu tuyến này. Chu tuyến Nyquist là một chu tuyến đáp ứng được điều kiện nêu trên. Chu tuyến này được tạo thành bởi trục ảo của mặt phẳng s và một nửa đường tròn nằm bên phải trục ảo, có tâm tại gốc tọa độ và bán kính r → ∞ (Hình 9.5). Xem xét một hệ thống vòng kín có phương trình đặc trưng được biểu diễn dưới dạng của phương trình (9.1). Điều kiện Nyquist sẽ sử dụng ánh xạ bởi hàm P(s) của chu tuyến Nyquist thay cho hàm F(s), vì P(s) thường đã được biểu diễn ở dạng đã nhân tử hóa nên xác định các điểm không và điểm cực của P (s) dễ dàng hơn là của F(s). Các điểm cực của P(s) cũng chính là các điểm cực của F(s). Vì 1)()( −= sFsP , điểm gốc tọa độ trong mặt phẳng F(s) sẽ trở thành điểm (−1, 0) trong mặt phẳng P(s). Điều kiện ổn định Nyquist được phát biểu như sau: Một hệ thống phản hồi ổn định khi và chỉ khi chu tuyến Γ P trong mặt phẳng P(s) không bao quanh điểm (−1, 0) khi số điểm cực của P(s) nằm ở nửa bên phải của 118 mặt phẳng s bằng không, hoặc số lần chu tuyến Γ P bao quanh điểm (−1, 0) theo chiều ngược chiều quay của kim đồng hồ đúng bằng số điểm cực của P(s) nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng s. Chúng ta có thể thấy rất rõ ràng rằng, điều kiện Nyquist chính là một hệ quả của sự kết hợp giữa điều kiện cân bằng dựa trên vị trí các nghiệm c ủa phương trình đặc trưng, nghĩa là các điểm không của F(s), trong mặt phẳng s và định lý của Cauchy nêu trên. i ω σ 0 r → ∞ Hình 9.5. Chu tuyến Nyquist  Ví dụ 9.1 Một hệ thống phản hồi âm có hàm chuyển của quá trình là: )1( 1 )( + = ss sG τ (9.7) và hệ số phản hồi K. Phương trình đặc trưng của hệ thống có dạng: 1 + KG(s) = 0 (9.8) Vì vậy, chúng ta có được: )1( )()( + == ss K sKGsP τ (9.9) Trong trường hợp này, do P(s) có một điểm cực nằm ở gốc tọa độ, để có thể áp dụng định lý của Cauchy cho chu tuyến Nyquist, chúng ta cần phải tránh điểm gốc tọa độ trong mặt phẳng s theo một nửa đường tròn nhỏ tâm tại gốc tọa độ có bán kính ε → 0 (Hình 9.6a). Chúng ta sẽ chia chu tuyến Nyquist ra làm bốn phần và xác định ánh xạ của từng phần bởi hàm P(s) như sau: (a) Gốc tọa độ trong mặt phẳng s: Đoạn chu tuyến tránh gốc tọa độ trong mặt phẳng s được biểu diễn bằng phương trình s = ε e i φ , ở đó góc φ thay đổi từ −90 o tại ω = 0 − đến +90 o tại ω = 0 + . Vì ε → 0, chúng ta xác định được ánh xạ P(s): 119 φ ε φ ε φφ εε ε ετεε i iii e K e K ee K sP − →→→→ == + = 0000 limlim )1( lim)(lim (9.10) Vì vậy, ánh xạ của đoạn chu tuyến quanh gốc tọa độ trong mặt phẳng s là nửa đường tròn có tâm tại gốc tọa độ trong mặt phẳng P(s), bán kính bằng ∞ và có góc cực thay đổi từ +90 o tại ω = 0 − đến −90 o tại ω = 0 + (Hình 9.6b). (b) Đoạn trên trục ảo trong mặt phẳng s từ ω = 0 + đến ω = + ∞ : Ánh xạ của đoạn này chính là đồ thị cực của hàm P(i ω ) với ω thay đổi từ 0 + đến +∞. Khi ω tiến đến +∞, độ lớn của hàm P(i ω ) được tính như sau: 0lim )1( lim)(lim 2 == + = ∞→∞→∞→ τω ωτω ω ωωω K ii K iP (9.11) Giá trị của góc cực ∠P(i ω ) khi ω → +∞ được tính như sau: o 180π)arctan(lim 2 π )]1()([lim)(lim −=−=−−= + ∠ − − ∠ = ∠ ∞→ ∞→∞→ ωτ ω τ ω ω ω ωω iiiP (9.12) i ω σ r → ∞ Hình 9.6. Chu tuyến Nyquist và ánh xạ bởi hàm P(s) = K/[s( τ s + 1)] ε → 0 ω = 0 − ω = 0 + ω = −∞ ω = +∞ u iv ω = 0 − ω = 0 + ω = + ∞ ω = − ∞ − 1 (a) (b) r' → ∞ (c) Nửa đường tròn từ ω = + ∞ đến ω = −∞ : Đường tròn này được biểu diễn trong mặt phẳng s bằng phương trình s = re i φ , ở đó r → ∞ và góc φ thay đổi từ +90 o tại ω = +∞ đến −90 o tại ω = −∞. Ánh xạ của đoạn này trong mặt phẳng P(s) được xác định như sau: φ φφ φ τ 2 2 lim )1( lim)(lim i r ii r i r e r K rere K reP − ∞→∞→∞→ = + = (9.13) 120 Phương trình (9.13) là phương trình của một đường tròn có bán kính tiến tới không và góc cực thay đổi từ −180 o tại ω = +∞ đến +180 o tại ω = −∞. (d) Đoạn trên trục ảo trong mặt phẳng s từ ω = −∞ đến ω = 0 − : Ánh xạ của đoạn này chính là đồ thị cực của hàm P(i ω ) với ω thay đổi từ −∞ đến 0 − hay là đồ thị cực của hàm P(−i ω ) với ω thay đổi từ +∞ đến 0 + . Ánh xạ của đoạn này đối xứng với ánh xạ của đoạn ω = 0 + đến ω = +∞ đã xét ở trên qua trục thực trong mặt phẳng P(s). Sau khi đã xác định được chu tuyến Γ P trong mặt phẳng P(s), chúng ta sẽ xem xét đến tính ổn định của hệ thống. Vì P(s) không có điểm không nào và số điểm cực của P(s) nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng s cũng bằng không, để hệ thống ổn định, chu tuyến Γ P không được bao quanh điểm (−1, 0) trong mặt phẳng P(s). Điều đó luôn đúng với mọi giá trị của K và τ , vì vậy hệ thống trong ví dụ này luôn ổn định. Từ ví dụ trên, chúng ta có thể rút ra hai kết luận chung: 1. Đồ thị của chu tuyến Γ P trong khoảng −∞ < ω < 0 − là liên hợp phức của đồ thị trong khoảng 0 + < ω < +∞. Vì vậy, chu tuyến Γ P có dạng đối xứng với trục đối xứng là trục thực của mặt phẳng P(s). 2. Độ lớn của P(s) tiến tới không hoặc là một hằng số khi s nằm trên đường tròn tâm ở gốc tọa độ của mặt phẳng s và có bán kính r → ∞. 9.4. Tính ổn định tương đối và điều kiện Nyquist Chúng ta đã đưa ra một định nghĩa tính ổn định tương đối của hệ thống như một thuộc tính trong mặt phẳng s được đo bằng thời gian quá độ tương đối tương ứng với mỗi nghiệm hay cặp nghiệm của phương trình đặc trưng của hệ thống. Chúng ta sẽ đưa ra một số đo tương tự của tính ổn đị nh tương đối để sử dụng cho phương pháp đáp ứng tần số. Điều kiện Nyquist cung cấp cho chúng ta những thông tin thích hợp để xem xét tính ổn định tuyệt đối và còn có thể sử dụng để định nghĩa và xác định tính ổn định tương đối của hệ thống. Điều kiện ổn định Nyquist được định nghĩa dựa trên điểm (−1, 0) trên đồ thị cực, tương ứng với các giá trị 0dB và −180 o trong đồ thị Bode. Điểm này được gọi là điểm ổn định. Khoảng cách giữa đồ thị của P(i ω ) và điểm ổn định là một số đo tính ổn định tương đối của hệ thống.  Ví dụ 9.2 Một hệ thống phản hồi âm có hàm chuyển của quá trình là: )1)(1( 1 )( 21 ++ = sss sG ττ (9.14) và hệ số phản hồi K. Vì vậy, chúng ta có được: )1)(1( )()( 21 ++ == sss K sKGsP ττ (9.15) Theo những kết luận trong mục trước, để xem xét tính ổn định của hệ thống, 121 chúng ta chỉ cần xác định phần của chu tuyến Γ P là đồ thị cực của hàm P(i ω ) khi ω thay đổi từ 0 + đến +∞ để suy ra toàn bộ chu tuyến Γ P . P(i ω ) được biểu diễn như sau: )1)(1( )( 21 ++ = ωτωτω ω iii K iP (9.16) Khi ω → 0 + , độ lớn của P(i ω ) tiến tới vô cùng và góc cực ∠P(i ω ) được tính như sau: o 90 2 π 00 2 π )]arctan()[arctan(lim 2 π )]1()1()([lim 21 0 21 0 −=−=−−−= +−−= + ∠ − + ∠ − − ∠ + + → → ωτωτ ω τ ω τ ω ω ω iii (9.17) Khi ω → +∞, chúng ta sẽ có: 0 1 lim)(lim 3 == ∞→∞→ ω ω ωω iP (9.18) và o 270 2 3π 2 π 2 π 2 π )]arctan()[arctan(lim 2 π )]1()1()([lim 21 21 −=−=−−−= +−−= + ∠ − + ∠ − − ∠ +∞→ +∞→ ωτωτ ω τ ω τ ω ω ω iii (9.19) Dạng của chu tuyến Γ P được thể hiện trong Hình 9.7. Để tính giao điểm của hàm P(i ω ) với trục thực của đồ thị, chúng ta cần giải phương trình sau đây: 0 )(1 )1)(1( )]([imag 2 2 2 1 42 2 2 1 2 21 2 = +++ −− = ττωττω ττωω ω K iP (9.20) Giải phương trình (9.20), chúng ta có được: 01 21 2 =− ττω hay 21 1 ττ ω = (9.21) Vì vậy, hàm P(i ω ) cắt trục thực của đồ thị tại điểm: [ ] 21 21 21 )(real ττ τ τ ττ + −== K iPu (9.22) 122 Hình 9.7. Đồ thị Nyquist với P(s) = K/[s( τ 1 s + 1)( τ 2 s + 1)] u iv ω = 0 + ω = + ∞ −1 Vì P(s) không có điểm không nào và số điểm cực của P(s) nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng s cũng bằng không, để hệ thống ổn định, chu tuyến Γ P không được bao quanh điểm (−1, 0) trong mặt phẳng P(s), nghĩa là: 1 21 21 −> + − ττ τ τ K hay 21 21 ττ τ τ + <K (9.23) Khi 21 21 ττ τ τ + =K , chu tuyến Γ P sẽ đi qua điểm ổn định (−1, 0). Giá trị 21 21 ττ τ τ + = r K được gọi là giá trị ranh giới. Khi K càng nhỏ so với giá trị ranh giới thì tính ổn định tương đối của hệ thống càng cao, vì vậy sự chênh lệch giữa giá trị ranh giới K r và K có thể sử dụng để thể hiện tính ổn định tương đối. Số đo này được gọi là dự trữ gia lượng (gain margin) và được định nghĩa là nghịch đảo của độ lớn của P(i ω ) tại tần số mà ở đó góc pha đạt ±180 o (hay imag[P(i ω )] = 0). Trong ví dụ 9.2, dự trữ gia lượng được tính như sau: K KK iP r = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = −1 21 21 )( 1 ττ ττ ω (9.24) Dự trữ gia lượng còn có thể được định nghĩa dưới dạng logarit (dB): (dB) log20log20 )(log20 )( 1 log20 1010 1010 KK iP iP r −= −= ω ω (9.25) Như vậy, số đo dự trữ gia lượng biểu thị một hệ số mà gia lượng K của hệ thống 123 có thể tăng thêm trước khi hệ thống đạt tới ranh giới của trạng thái ổn định. Một lựa chọn khác cho số đo tính ổn định tương đối được định nghĩa dưới dạng chênh lệch góc pha giữa một hệ thống nhất định và một hệ thống nằm ở ranh giới của trạng thái ổn định. Số đo này, được gọi là dự tr ữ pha (phase margin), được định nghĩa là góc pha mà hàm P(i ω ) phải quay đi để điểm có |P(i ω )| = 1 trùng với điểm (−1, 0) trong mặt phẳng P(i ω ). Số đo này biểu thị mức chậm pha có thể thêm trước khi hệ thống trở nên không ổn định, và có thể xác định được từ đồ thị Nyquist như trong Hình 9.7. Dự trữ gia lượng (dB) và dự trữ pha đều có thể ước lượng được từ đồ thị Bode. Đây là một thuận lợi lớn, vì việc vẽ đồ thị Bode thường là dễ dàng hơn so với đồ thị c ực. Hình 9.8 thể hiện phương pháp xác định dự trữ gia lượng (dB) và dự trữ pha của hệ thống với P(i ω ) như sau từ đồ thị Bode của P(i ω ): )12,0)(1( 1 )( ++ = ωωω ω iii iP (9.26) 20log 10 |P(i ω )| (dB) φ ( ω ) ( o ) ω Hình 9.8. Xác định dự trữ gia lượng và dự trữ pha trên đồ thị Bode Dự trữ gia lượng Dự trữ pha Sử dụng các số đo dự trữ gia lượng và dự trữ pha, chúng ta có thể trả lời được câu hỏi hệ thống nào ổn định hơn trong hai hệ thống được so sánh. Một câu hỏi nữa được đặt ra là các số đo trong miền tần số thực có quan hệ như thế nào với đáp ứng nhất thời của hệ thống? Chúng ta sẽ tìm cách trả lời câu hỏ i này trong ví dụ sau bằng cách xác định mối liên hệ giữa dự trữ pha với tỷ số cản ζ của một hệ thống vòng kín bậc hai. Xem xét một hệ thống phản hồi đơn vị âm có hàm chuyển của quá trình là: 124 )2( )( 2 n n ss sG ζω ω + = (9.27) Chúng ta có được hàm chuyển của hệ thống như sau: 22 2 2 )( nn n ss sT ωζω ω ++ = (9.28) Các nghiệm của phương trình đặc trưng của T(s) là: 2 1 ζωζω −±−= nn is (9.29) Tiếp theo, chúng ta sẽ xác định đáp ứng tần số của P(s) = G(s)H(s): )( 2 )( )2( )( ωφ ω ζωωω ω ω i n n eiP ii iP = + = (9.30) ở đó độ lớn của P(i ω ) được tính như sau: 222 2 2224 2 44 )( n n n n iP ωζωω ω ωωζω ω ω + = + = (9.31) và góc pha của P(i ω ) là: n n ii ζω ω ζωωωωφ 2 arctan 2 π )2()()( −−=+∠−−∠= (9.32) Để xác định dự trữ pha của hệ thống, chúng ta cần xác định tần số ω c ở đó độ lớn |P(i ω )| = 1: 1 4 222 2 = + ncc n ωζωω ω (9.33) hay: 42222 )4( nncc ωωζωω =+ (9.34) Giải phương trình (9.34), chúng ta tính được ω c : 142 42 ++−= ζζωω nc (9.35) Từ đó, chúng ta tính được dự trữ pha của hệ thống: 125 142 2 arctan 2 142 arctan 2 π 2 arctan 2 π π )π()( 42 42 ++− = ++− −= −−= − − = ζζ ζ ζ ζζ ζω ω ω φ φ n c cpm (9.36) Đồ thị của φ pm khi ζ thay đổi được biểu diễn trong Hình 9.9. Chúng ta có thể dùng xấp xỉ tuyến tính φ pm = 100 ζ ( o ) khi ζ ≤ 0,7. Xấp xỉ này cũng có thể dùng cho các hệ thống có bậc cao hơn, nếu như đáp ứng nhất thời của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào cặp nghiệm trội. Ví dụ, hệ thống bậc ba với P(i ω ) được biểu diễn bằng phương trình (9.26) có dự trữ pha được xác định từ đồ thị Bode trong Hình 9.8 là 45 o . Khi đó, chúng ta có thể xác định được giá trị của tỷ số cản ζ của hệ thống: ζ ≅ φ pm /100 = 0,45 (9.37) ζ φ pm ( o ) Hình 9.9. Đồ thị của dự trữ pha φ pm khi tỷ số cản ζ thay đổi Chúng ta cũng có thể tính được xấp xỉ của giá trị cực đại M p của đáp ứng nhất thời bằng cách sử dụng công thức (5.20) dùng để tính M p cho hệ thống bậc hai: 2,11 2 1π ≅+= −− ζζ eM p (9.38) 126 Qua mối liên hệ giữa dự trữ pha và giá trị cực đại của đáp ứng nhất thời được thể hiện ở trên, chúng ta có thể kết luận rằng dự trữ pha cũng có thể sử dụng như một chỉ số để mô tả hiệu suất nhất thời của hệ thống. 9.5. Đáp ứng tần số của hệ thống vòng kín Hiệu suất nhất thời của một hệ thống phản hồi có thể ước lượng được từ đáp ứng tần số của hàm chuyển vòng kín, nghĩa là từ đáp ứng tần số của hàm chuyển T(i ω ). Trong mục trước, chúng ta đã đề cập tới điều kiện Nyquist và chỉ số dự trữ pha, đều được định nghĩa trên hàm P(i ω ) = G(i ω )H(i ω ). Một chỉ số hiệu suất trong miền tần số nữa là độ lớn cực đại của đáp ứng tần số của hệ thống, M p ω , đã được đề cập tới ở Chương VIII. Chúng ta cũng đã xác định được mối quan hệ giữa M p ω và tỷ số cản ζ của hệ thống vòng kín có hàm chuyển T(s) như ở phương trình (9.28) bằng công thức (8.32): 21 khi 12 1 2 < − = ζ ζζ ω p M (9.39) Vì mối quan hệ giữa M p ω và tỷ số cản ζ thể hiện mối quan hệ giữa đáp ứng tần số và đáp ứng nhất thời của hệ thống, chúng ta sẽ muốn xác định được M p ω từ đồ thị Nyquist. Về ý nghĩa, điều đó cho phép chúng ta xác định đáp ứng tần số của hệ thống vòng kín từ đáp ứng tần số của P(i ω ) = G(i ω )H(i ω ), chính là hàm chuyển vòng hở của hệ thống vòng kín. Chúng ta sẽ xem xét mối quan hệ giữa đáp ứng tần số của hệ thống vòng kín và của hệ thống vòng hở, khi H(i ω ) = 1. Khi đó, hàm chuyển của hệ thống vòng kín sẽ là: )(1 )( )( ω ω ω iG iG iT + = (9.40) Đặt G(i ω ) = u + iv, với u và v là các tọa độ trong mặt phẳng G(i ω ). Độ lớn của đáp ứng tần số vòng kín được tính như sau: 22 22 )1( 1 )()( vu vu ivu ivu iTM ++ + = ++ + == ωω (9.41) Phương trình (9.41) có thể viết lại như sau: 22222 ])1[( vuvuM +=++ (9.42) hay: 222222 )1(2)1( MvMuMuM =−+−− (9.43) Chia cả hai vế của phương trình (9.43) cho (1 − M 2 ), sau đó cộng [M 2 /(1 − M 2 )] 2 vào cả hai vế, chúng ta có được phương trình sau: . kính r → ∞ (Hình 9.5). Xem xét một hệ thống vòng kín có phương trình đặc trưng được biểu diễn dưới dạng của phương trình (9.1). Điều kiện Nyquist sẽ sử dụng ánh xạ bởi hàm P(s) của chu tuyến. Chúng ta có thể thấy rất rõ ràng rằng, điều kiện Nyquist chính là một hệ quả của sự kết hợp giữa điều kiện cân bằng dựa trên vị trí các nghiệm c ủa phương trình đặc trưng, nghĩa là các điểm không. φ φφ φ τ 2 2 lim )1( lim)(lim i r ii r i r e r K rere K reP − ∞→∞→∞→ = + = (9.13) 120 Phương trình (9.13) là phương trình của một đường tròn có bán kính tiến tới không và góc cực thay đổi từ −180 o