Bài giảng kỹ thuật điều khiển tự động

1 1 KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNGKĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Thời gian: 45 tiếtThời gian: 45 tiết Giảng viên: Giảng viên: PGS.TS.PGS.TS. Lê Công ThànhLê Công Thành Hà nội 04/2013Hà nội 04/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢITRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BM Kĩ thuật ĐiệnBM Kĩ thuật Điện 2 1 Những khái niệm cơ bản1 Những khái niệm cơ bản 2 Mô tả toán học hệ thống ñk tự ñộng2 Mô tả toán học hệ thống ñk tự ñộng 3 Khảo sát ñộng học hệ thống3 Khảo sát ñộng học hệ thống 4 Khảo sát chất lượng hệ thống4 Khảo sát chất lượng hệ thống 5 Hệ thống ñiều khiển kín5 Hệ thống ñiều khiển kín [1] Lê Công Thành Điện khí hoá trong nông nghiệp thuỷ lợiĐiện khí hoá trong nông nghiệp thuỷ lợi NXB Giao thông vận tải Hà nội, 2002 [2] Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết ñiều khiển tuyến tínhLý thuyết ñiều khiển tuyến tính NXB Khoa học và kỹ thuật Hà nội 2009 MỤC LỤC & TL THAM KHẢOMỤC LỤC & TL THAM KHẢO 2 3 1.1 Khái niệm chung1.1 Khái niệm chung 1.2 Tín hiệu và thông tin1.2 Tín hiệu và thông tin 1.3 Đối tượng, chức năng và mục đích1.3 Đối tượng, chức năng và mục đích 1.4 Các quan điểm1.4 Các quan điểm 1.5 Cấu trúc cơ bản1.5 Cấu trúc cơ bản 1.6 Các nhóm thiết bị chính1.6 Các nhóm thiết bị chính 1.7 Hệ thống điều khiển hở/kín1.7 Hệ thống điều khiển hở/kín 1.8 Phân loại1.8 Phân loại C1 C1 KHÁI NIỆM CƠ BẢNKHÁI NIỆM CƠ BẢN 4 Điều khiển, tự động, tự động hoáĐiều khiển, tự động, tự động hoá Hệ thống, phần tử, cấu trúcHệ thống, phần tử, cấu trúc  Hệ thốngHệ thống  Phần tử và cấu trúcPhần tử và cấu trúc P.tử 1 P.tử 2 P.tử 2 Đầu vàoĐầu vào Đầu raĐầu ra Môi trườngMôi trường BiênBiên Hệ thốngHệ thống 1.1 Khái niệm chung1.1 Khái niệm chung 3 5 TínTín hiệuhiệu là biểu hiện vật chất của thôngthông tintin và thôngthông tintin là nội dung của tíntín hiệuhiệu. 1.2 Tín hiệu và thông tin1.2 Tín hiệu và thông tin Tín hiệuTín hiệu  Những biến đổi theo thời gian hoặc/và không gian của các đại Những biến đổi theo thời gian hoặc/và không gian của các đại lượng vật lý được gọi là tín hiệu lượng vật lý được gọi là tín hiệu Thông tinThông tin  Thông tin là phần nội dung hữu ích chứa trong tín hiệuThông tin là phần nội dung hữu ích chứa trong tín hiệu 6 1.3 Đối tượng, chức năng và mục ñích1.3 Đối tượng, chức năng và mục ñích Đối tượngĐối tượng  Các máy móc, phương tiện Các máy móc, phương tiện kỹ thuật và các cơ sở lý kỹ thuật và các cơ sở lý thuyếtthuyết Chức năngChức năng  kiểm tra, canh gáckiểm tra, canh gác  bảo vệ quá trìnhbảo vệ quá trình  điều khiển quá trình điều khiển quá trình  ổn định hoá quá trìnhổn định hoá quá trình  tối ưu hoá quá trìnhtối ưu hoá quá trình Mục đíchMục đích  Làm chủ được các quá trình Làm chủ được các quá trình phức tạp hơn, rộng lớn hơn phức tạp hơn, rộng lớn hơn  Đạt được hiệu quả kinh tế và Đạt được hiệu quả kinh tế và mức độ cạnh tranh cao hơn mức độ cạnh tranh cao hơn  Nâng cao độ tin cậy, độ an Nâng cao độ tin cậy, độ an toàn và thời gian phục vụ của toàn và thời gian phục vụ của th. bị th. bị  Cải thiện điều kiện sống và Cải thiện điều kiện sống và làm việc làm việc 4 7  Quan ñiểm công nghệQuan ñiểm công nghệ  Quan ñiểm kỹ thuậtQuan ñiểm kỹ thuật  Quan ñiểm kinh tếQuan ñiểm kinh tế  Quan Quan ñiểm tâm lý và xã hộiñiểm tâm lý và xã hội 1.4 Các quan ñiểm1.4 Các quan ñiểm 8 zz Thiết bị vàoThiết bị vào 22 Tạo luật ĐKTạo luật ĐK 33 Thực hiệnThực hiện 44 Đối tượngĐối tượng 77 Người ĐK,Người ĐK, nguồn TTnguồn TT 11 Thiết bị đoThiết bị đo 55 Thiết bị raThiết bị ra 66 ww xxyy BỘ ĐIỀU KHIỂNBỘ ĐIỀU KHIỂN  w w tín hiệu chủ đạotín hiệu chủ đạo  y y tín hiệu đặttín hiệu đặt  x x tín hiệu điều khiểntín hiệu điều khiển  z z nhiễunhiễu 1.5 Cấu trúc cơ bản1.5 Cấu trúc cơ bản 5 9  Thiết bị phát hiện và tạo Thiết bị phát hiện và tạo thông tinthông tin  các ccác cảảm biến,m biến, các thiết bị các thiết bị đo, đo,  Thiết bị tạo luật Thiết bị tạo luật điều khiển điều khiển  các bộ vi xử lý,các bộ vi xử lý,  các máy tính, các bộ các máy tính, các bộ điều khiển, điều khiển,  TThiết bị thực hiệnhiết bị thực hiện  các van, các van,  các thiết bị các thiết bị đóng cắt, phân phối, đóng cắt, phân phối, truyền động, truyền động,  Thiết bị vào/ra Thiết bị vào/ra  các bàn phím, các nút bấm, các bàn phím, các nút bấm, các hộp chỉ huy, các hộp chỉ huy,  các bộ hiển thị, lưu , ghi thông các bộ hiển thị, lưu , ghi thông tin, tin,  Thiết bị truyền thông tin Thiết bị truyền thông tin  các dây dẫn điện, quang, các các dây dẫn điện, quang, các đường ống dẫn thuỷ lực, khí đường ống dẫn thuỷ lực, khí nén, nén, 1.6 Các nhóm thiết bị chính1.6 Các nhóm thiết bị chính 10 Đối tượngĐối tượng 77 Bộ điều khiểnBộ điều khiển 2,3,4,5,62,3,4,5,6 zz ww yy xx Đối tượngĐối tượng 77 Bộ điều khiểnBộ điều khiển 2,3,4(,5),62,3,4(,5),6 zz ww yy xx  Hệ thống hởHệ thống hở  Hệ thống kínHệ thống kín 1.7 Hệ thống ñiều khiển hở/kín1.7 Hệ thống ñiều khiển hở/kín 6 11  TTự động canh gác ự động canh gác  TTự động bảo vệự động bảo vệ  TTự động ổn định hoá ự động ổn định hoá  TTự động điều khiểnự động điều khiển  TTự động tối ưu hoáự động tối ưu hoá 1.8 Phân loại theo chức năng1.8 Phân loại theo chức năng 12 2.1 Khái niệm2.1 Khái niệm 2.2 Quan hệ tĩnh và động 2.2 Quan hệ tĩnh và động 2.3 Quan hệ xác lập và quá độ2.3 Quan hệ xác lập và quá độ 2.4 Tuyến tính và phi tuyến2.4 Tuyến tính và phi tuyến 2.5 Dừng và không dừng2.5 Dừng và không dừng C2 C2 MÔ TẢ HỆ THỐNG MÔ TẢ HỆ THỐNG 7 13  Mô tả hệ thống, quan hệ truyền đạtMô tả hệ thống, quan hệ truyền đạt  Quan hệ tĩnh và động Quan hệ tĩnh và động  Quan hệ xác lập và quá độQuan hệ xác lập và quá độ  Tuyến tính và phi tuyếnTuyến tính và phi tuyến  Dừng và không dừngDừng và không dừng 2.1 Khái niệm 2.1 Khái niệm 14 ub dt du b dt ud bya dt dy a dt yd a m m m n n n 0101 ++++=++++  Phương phápPhương pháp phương trình vi phânphương trình vi phân  CácCác đạođạo hàmhàm ởở vếvế tráitrái mômô tảtả sựsự chậmchậm vềvề thờithời giangian củacủa tíntín hiệuhiệu rara soso vớivới tíntín hiệuhiệu vàovào  CácCác đạođạo hàmhàm ởở vếvế phảiphải mômô tảtả sựsự bùbù phầnphần nàonào đóđó sựsự chậmchậm trêntrên  CácCác hệhệ thốngthống thựcthực cócó bậcbậc củacủa vếvế tráitrái khôngkhông nhỏnhỏ hơnhơn bậcbậc củacủa vếvế phải,phải, nn ≥≥ mm VD 2.1VD 2.1 22 2.2 Phương pháp phương trình vi phân2.2 Phương pháp phương trình vi phân 8 15 2.2 Phương pháp phương trình vi phân2.2 Phương pháp phương trình vi phân Hệ cơ khí và ñiệnHệ cơ khí và ñiện Khối lượng M Ma sát f Lực r(t) y K Nguồn dòng điện r(t) R L C v(t) ( ) ( ) ( ) ( ) trtKy dt tdy f dt tyd M =++ 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) trdttv Ldt tdv C R tv t =++ ∫ 0 1 16 ( ) ( ) ∫ ∞ − = 0 dtetxsX st ( ) ( ) { } txsX L = ( ) ( ) { } sXtx 1− = L ( ) ( ) sXs dt txd n n n =       L ( ) { } ( ) sX s dttx n n 1 = ∫ ∫ L ( ) ( ) { } ( ) { } ( ) { } txbtxatxbtxa 2121 L L L + = + ( ) { } ( ) sXeTtx sT− =− L ( ) { } ( ) asXtxe at += − L  Phép biến đổiPhép biến đổi XX((ss) ) ảnhảnh xx((tt)) gốcgốc ss biến Laplacebiến Laplace  Các tính chấtCác tính chất đạo hàm gốcđạo hàm gốc tích phân gốctích phân gốc dịch gốcdịch gốc dịch ảnhdịch ảnh tuyến tínhtuyến tính VD 2.3VD 2.3 VD 2.5VD 2.5 2.3 Biến ñổi 2.3 Biến ñổi LAPLACELAPLACE 9 17Jun-13 17 2.3 Biến ñổi 2.3 Biến ñổi LAPLACELAPLACE Các cặp ảnh Các cặp ảnh –– gốc quan trọnggốc quan trọng 18Jun-13 18 2.3 Biến ñổi 2.3 Biến ñổi LAPLACELAPLACE Các cặp ảnh Các cặp ảnh –– gốc quan trọnggốc quan trọng 10 19  Hàm hữu tỉ (thực sự) với Hàm hữu tỉ (thực sự) với ss::  Khai triển về dạng:Khai triển về dạng:  s i -nghiệm ñơn:  s i -nghiệm bội bậc m i :  Cần xác ñịnh các hằng số:Cần xác ñịnh các hằng số: Jun-13 19 : thặng dư của G(s) tại cực s i 2.3 Biến ñổi 2.3 Biến ñổi LAPLACELAPLACE Khai triển phân thức ñơn giảnKhai triển phân thức ñơn giản 20  Xác ñịnh các hằng sốXác ñịnh các hằng số  PP1: cân bằng hệ số  PP2: thế các giá trị thích hợp  PP3: công thức tổng quát Heaviside j = 1, 2, 3, …, m i m i - bậc của ñiểm cực s i Jun-13 20 2.3 Biến ñổi 2.3 Biến ñổi LAPLACELAPLACE Khai triển phân thức ñơn giảnKhai triển phân thức ñơn giản [...]... = 0 Im s xR(t) Re s xR(t) +jω t 0 Re s 0 t -jω -jω Hệ dao động ổn định Hệ dao động không ổn định 61 4.2 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH Điều kiện cần • Điều kiện cần: Các hệ số của phương trình cần: phương đặc tính của hệ thống cùng dấu đại số 62 3 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH Điều kiện cần - Ví dụ 4.1 • Hệ thống điều khiển kín – Đối tượng: G2 ( s ) = K2 s – Bộ điều khiển: G1 ( s ) = K1 s w e G1(s) y G2(s) • Khảo sát ổn định... luận 57 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG Các chỉ tiêu chất lượng Độ ổn định Độ chính xác Độ nhanh Độ tắt 58 1 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG Hàm truyền đạt hệ thống kín Cấu trúc hệ thống kín Hệ thống điều khiển kín w - tín hiệu chủ đạo e - sai lệch điều khiển y - tín hiệu đặt x - tín hiệu ra z - tín hiệu nhiễu w e G1(s) y z G2(s) x X ( s) = G2 ( s) {Y ( s) + Z (s)} Y ( s ) = G1 ( s) E ( s ) = G1 ( s) { ( s) − X ( s )} W X (... s Biểu ñồ Bode LdB D < 0,7 20 lg k 20 -40dB/dec D > 0,7 0 00 -900 -1800 -ϕ 0,1 D < 0,7 D > 0,7 0,2 0,5 1 2 3 5 7 10 ωT Biểu đồ Bode của khâu dao động bậc 2 56 10 C4 - KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG LƯỢNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG • 4.1 Khái niệm chung • 4.2 Khảo sát ổn định – Điều kiện cần – Các tiêu chuẩn đại số – Các tiêu chuẩn tần số • 4.3 Khảo sát sai số tĩnh – Hệ bậc 0 – Hệ bậc1 – Hệ bậc 2 – Kết luận 57 4.1 KHÁI NIỆM... NI M Các tín hi u m u x Bước nhảy ñơn vị 1 0, t < 0 1(t ) =  1, t ≥ 0 Bước nhảy đơn vị x Xung ñơn vị 0, t ≠ 0 ∞ , t = 0 δ (t ) =  t 0 +∞ ∫ δ ( t ) dt t 0 Xung đơn vị =1 x 1 −∞ Điều hoà t 0 x(t ) = sin ωt Tín hiệu điều hòa 39 3.2 KH O SÁT TRONG MI N TH I GIAN Hàm quá ñộ h(t) Đ/nghĩa: ñáp ứng của hệ thống (từ trạng thái nghỉ) với bước nhảy ñơn vị Hàm trọng lượng g(t) Đ/nghĩa: ñáp ứng của hệ thống...   a1 a3 a5 a0 a2 a4 L 0   a1 a3 H = 0 a1 a3 L 0  a1 > 0, a a > 0, a0 a2 a4 > 0, L 0 2   0 a1 a3 LLL  0 0 L a  n  67 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH THEO TIÊU CHUẨN HURWITZ- Ví dụ 4.4 HURWITZHệ thống điều khiển kín w e Khảo sát ổn định y 0 , 25 s 1 10 s + 1 x Hàm truyền đạt hệ hở: G 0 ( s ) = G1 ( s ).G 2 ( s ) = 0, 25 s (10 s + 1) Hàm truyền đạt hệ kín: G (s) = G0 ( s ) 0,25 = 1 + G0 ( s ) 10 s 2 +...       x n   a n1 a n 2 a nn   x n   x1  x  y = [c1 c 2 c n ] 2  M     xn   h1  h   2 u M     hn  & x = Ax + b u y = cT x x – vector trạng thái n chiều A – ma trận động học n x n chiều b – vector vào n chiều; c – vector ra n chiều 29 2.7 Phương pháp biến trạng thái Xử lí chung Mô tả (với an = 1 và n – m = 1) dny d n −1 y dy d n −1 u d n− 2u du + a n −1 n −1 + +... t Phương trình vi phân Phương trình ñặc tính Sơ ñồ khối T2 d 2 xR dx + 2TD R + xR = k xV ;0 < D < 1 2 dt dt T 2 s 2 + 2TDs + 1 = 0 s1( 2 ) = − D ± i 1− D2 T XV(s) k 2 2 T s + 2 TDs + 1 XR(s) Khâu dao động bậc 2, D . Hệ thống điều khiển hở/kín1.7 Hệ thống điều khiển hở/kín 1.8 Phân loại1.8 Phân loại C1 C1 KHÁI NIỆM CƠ BẢNKHÁI NIỆM CƠ BẢN 4 Điều khiển, tự động, tự động ho Điều khiển, tự động, tự động hoá Hệ. ñiều khiển hở/kín1.7 Hệ thống ñiều khiển hở/kín 6 11  TTự động canh gác ự động canh gác  TTự động bảo vệự động bảo vệ  TTự động ổn định hoá ự động ổn định hoá  TTự động điều khiển động. 1 1 KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNGKĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Thời gian: 45 tiếtThời gian: 45 tiết Giảng viên: Giảng viên: PGS.TS.PGS.TS. Lê Công ThànhLê Công