BÀI GIẢNG NGUYÊN LÝ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

BàI GIảNG CHI TIếT Môn nguyên lý tự động Chơng I Khái quát chung kỹ thuật điều chỉnh tự động Đ 1.1 số kháI niệm 1.1.1 Điều chỉnh tự động vị trí kỹ thuật điều khiển Thuật ngữ điều chỉnh tự động thuật ngữ dùng để hoạt động điều khiển đợc thực máy móc bàn tay động tác ngời Điều đợc phân biệt với trình điều chỉnh đợc thực với tham gia ngời Nh định nghĩa mà nói nhiệm vụ điều chỉnh trì hay nhiều đặc tính đại lợng cho công nghệ (kinh tế hay sinh học ) giá trị cố định chơng trình cho trớc chống lại nhiễu loạn tác động bên Quá trình điều chỉnh thực chất phần hoạt động điều khiển kỹ thuật điều khiển ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu quy luật khả thực trình điều khiển tự động, hoạt động có ý thức nhằm khởi động, trì, làm thay đổi chấm dứt qua trình kỹ thuật Trong toàn chức chức trì nhiệm vụ điều chỉnh tự động Để thấy rõ vị trí điều chỉnh tự động kỹ thuật điều khiển ta xem sơ đồ sau đây: Kỹ thuật điều khiển Điều chỉnh tự động Duy trì Truy theo Tự động hoá phức hợp Điều chỉnh theo chơng trình Khống chế Khống chế theo chơng trình Khống chế truy theo Hình 1-1 1.1.2 Thành phần chủ yếu hệ thống điều chỉnh tự động: Một hệ thống điều chỉnh tự động có hai thành phần : + Thành phần thứ nhất: đối tợng điều chỉnh + Thành phần thứ hai: thiết bị điều chỉnh - Trong lĩnh vực kỹ thuật, thiết bị hay tổ hợp thiết bị đợc gọi đối tợng điều chỉnh diễn trình biến đổi vật chất lợng mà hoạt động điều chỉnh ta tác động trực tiếp vào trình nhằm làm cho hoạt động phù hợp với mong muốn - Thiết bị điều chỉnh tổ hợp cấu thực nhiệm vụ điều chỉnh qua bớc: đo lờng, so sánh tiến hành can thiệp vào đối tợng điều chỉnh theo yêu cầu cho trớc 1.1.3 Những khái niệm để tìm hiểu hệ thống điều chỉnh tự động Trong trình điều chỉnh hệ thống xảy biến động định Để đạt đợc thay đổi theo chiều hớng mong muốn đại lợng vật lý cần phải có thời gian Vì vậy, đối tợng nghiên cứu hệ động học mà hệ đó, giá trị tức thời đại lợng (đặc tính ra) phụ thuộc vào giá trị tức thời đại lợng vào (đặc tính vào) thời điểm khảo sát mà phụ thuộc vào giá trị trớc - Đặc tính đợc điều chỉnh đại lợng vật lý, đo lờng đợc cách trực tiếp hay gián tiếp cần đợc điều chỉnh Sự xuất tồn nhiễu loạn bên làm cho đặc tính đợc điều chỉnh không đạt đợc giá trị momg muốn gọi giá trị đạo đặc tính sở - Đặc tính sở tác động đặt lối vào hệ thống mà giá trị giá trị mong muốn đặc tính đợc điều chỉnh cần đạt đợc nhờ hoạt động điều chỉnh Ví dụ : Số vòng quay danh nghĩa điều chỉnh vòng quay động máy đo sâu - Đặc tính điều khiển tác động vào thiết bị điều chỉnh hiệu số đặc tính vào đặc tính phản hồi - Đặc tính nhiễu đặc tính xuất cách ngẫu nhiên, độc lập với trình điều chỉnh, nhng lại tác động trực tiếp vào đối tợng điều chỉnh trình làm thay đổi đặc tính đợc điều chỉnh - Đặc tính can thiệp tác động có ý thức thiết bị điều chỉnh tạo nhằm chống lại ảnh hởng nhiễu lên đối tợng điều chỉnh Xét tổng thể nói đặc tính đợc điều đặc tính ra, đặc tính nhiễu hay đặc tính sở đặc tính vào Khái niệm "đặc tính" thờng gắn liền với tính chất vật lý đại lợng Đôi ngời ta gọi " tín hiệu " Ví dụ : tín hiệu ra, tín hiệu vào, khái niệm tín hiệu gắn liền với phạm trù thông tin, lợng thông tin 1.1.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều chỉnh tự động Một trình đòi hỏi áp dụng hoạt động điều chỉnh thoả mãn điều kiện sau: - Tồn hay nhiều đặc tính đợc điều chỉnh đo lờng đợc - Thực tồn hay nhiều đặc tính nhiễu - Có khả tạo đợc hay nhiều tác động can thiệp Trong trình biến động ngời ta không muốn làm thay đổi không cần có hoạt động điều chỉnh Nếu đại lợng cần điều chỉnh nhng không đo lờng đợc khả điều chỉnh không tồn Một trình không bị ảnh hởng nhiễu loạn bên không cần tới hoạt động điều chỉnh Nguyên lý hoạt động hệ thống điều chỉnh tự động dựa ba phơng thức điều khiển là: điều khiển theo chơng trình, điều khiển bù nhiễu điều khiển theo sai lệch - Phơng thức điều khiển theo chơng trình đợc sử dụng tác động can thiệp đợc hình thành từ trớc theo chơng trình - Phơng thức điều khiển bù nhiễu tác động can thiệp đợc hình thành có nhiễu tác động lên hệ thống - Phơng thức điều khiển theo sai lệch đợc sử dụng rộng rãi tác động can thiệp đợc hình thành dựa vào giá trị sai lệch đặc tính sở giá trị đo đợc đặc tính đợc điều chỉnh 1.1.5 Phơng pháp thể hệ thống điều chỉnh tự động Để thể hệ điều chỉnh tự động nói chung ta dùng loại sơ đồ sau : sơ đồ kết cấu, sơ đồ hoạt động, sơ đồ khối - Sơ đồ kết cấu hình vẽ kết cấu dới dạng sơ đồ hay kí hiệu phần tử thực, thể phần quan trọng hệ quan điểm điều chỉnh - Sơ đồ hoạt động phơng pháp mô tả phần tử kết cấu chuỗi tác động gồm hình vẽ, ký hiệu vai trò chức kết cấu tinh thần điều chỉnh Các phần kết cấu đợc thể khung chữ nhật dòng nối thể đờng tín hiệu Ví dụ : Xa Xr Bộ điều chỉnh Xb Cơ cấu can thiệp Xm Đối tợng điều chỉnh Xz (Xr = Xa-Xe) Vật chất & Xe Cơ cấu đo lờng lợng Xs Hình 1-2 Trong : Xr: đặc tính điều khiển Xb: đặc tính can thiệp Xs: đặc tính đợc điều chỉnh Xm: đặc tính biến đổi Xe: đặc tính kiểm tra Xa: Xz: - đặc tính sở đặc tính nhiễu Sơ đồ khối cách thể trừu tợng nguyên lý chuỗi tác động, ký hiệu ô chữ nhật, ô hàm biểu diễn mối quan hệ tín hiệu vào tín hiệu đặc trng động lực đó, ô chữ nhật dùng để phần tử Các tín hiệu, hớng tác động, chỗ phân nhánh, hợp nhánh đợc ký hiệu đoạn thẳng mũi tên Để ký hiệu phép cộng hay trừ tín hiệu, ngời ta dùng vòng tròn có dấu X mà phần ô có mũi tên vào đánh dấu cộng (+) hay trừ (-), biểu thị cộng hay trừ tín hiệu không dùng dấu phần ô có mũi tên mang dấu âm (-) vào bị tô đen, dấu dơng (+) không bị tô Ví dụ : ne Tm CzKv - C + e KC Kv + C6 1+T1P 1+T2 C4 Hình 1-3 Đ 1.2 Một số ví dụ hệ thống điều chỉnh tự động Trong thiết bị hàng hải nh la bàn quay, máy đo sâu, tốc độ kế có phận ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh tự động Ngoài có hệ thống điều chỉnh tự động hoàn toàn nh hệ thống máy lái tự động, giảm lắc tự động Sau ta xét số ví dụ minh họa hệ thống điều chỉnh tự động 1.2.1 Hệ thống truy theo la bàn quay Ta xét sơ đồ nguyên lý hệ thống truy theo la bàn quay kiểu KYRC Nhiễu Quả cầu theo U Bộ phát t/h lệch Khuếch đại U1 I Cơ cấu thực Cơ cấu biến đổi Bộ truyền động Hình 1-4 Hệ thống truy theo la bàn quay dùng để giảm độ lệch phận nhạy cảm cầu truy theo xuất trình làm việc máy nh để đảm bảo việc truyền số la bàn xa Ta xét hoạt động nó: Giả sử đối tợng điều chỉnh (quả cầu theo) lúc bị lệch khỏi cầu nhạy cảm (do tàu đảo hớng) Khi đó, đầu vào hệ thống sinh góc lệch Bộ phát tín hiệu lệch (cầu điện trở Winston) làm nhiệm vụ biến góc lệch thành tín hiệu điện lệch U Bởi công suất tín hiệu U không đủ lớn lên phải cho qua khuếch đại U1, tín hiệu U1 tới cấu biến đổi (động truy theo) Động đợc nối với xen xin phát truyền tín hiệu xa Xen xin phát nối điện với xen xin thu (động Azimut) cấu thực nối với la bàn phản ảnh Khi roto xen xin phát quay có dòng điện cờng độ I chạy roto động Azimut làm cho động Azimut quay đồng với xen xin phát Roto động Azimut nối khí với cầu truy theo làm cho cầu truy theo quay theo hớng làm giảm độ lệch cầu nhạy cảm cầu truy theo Nh vậy, hệ thống truy theo la bàn quay theo dõi cân vị trí cầu truy theo cầu nhạy cảm 1.2.2 Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ chất lỏng nâng la bàn quay Hệ thống đợc cấu tạo hai thành phần rơle nhiệt phận điều chỉnh lu lợng nớc Rơle nhiệt ống có dạng nh cốc (1) đồng thau tráng ebonit Trong cốc có hộp xếp (2) Đáy dới hộp xếp kín có cần (3) gắn vào Cần xuyên qua nắp cốc nhô lên tỳ vào kẹp (4) Giữa cốc hộp xếp chứa đầy dầu có hệ số giãn nở cao Cốc (1) đợc nhúng vào dung dịch chậu nâng la bàn (8) Lò so Dầu Hình 1-5 Bộ phận điều chỉnh lu lợng nớc gồm kẹp có (4) (5) nối lề với Giữa kẹp có ống cao su dẫn nớc (6) qua Vít (9) mũ vít (7) dùng để điều chỉnh lò xo (10) Khi nhiệt độ chất lỏng nâng lên dầu giãn nở làm tăng áp suất cốc (1) Hộp xếp (2) bị nén lại làm cần (3) nâng lên, đẩy kẹp (4) xa so so với kẹp (5) làm tiết diện ống (6) tăng Nh vậy, lợng nớc chảy qua ống (6) nhiều làm giảm nhiệt độ chậu la bàn xuống Đ 1.3 Cấu trúc tổng quát v cấu chung hệ thống điều chỉnh tự động Đối với trình điều chỉnh, ngời ta phải đa vào hệ thống cấu phù hợp để thực nhiệm vụ toàn trình điều chỉnh: quan sát, nhận định, can thiệp Hình vẽ dới sơ đồ hoạt động thể cấu trúc tổng quát trình điều chỉnh Nhiễu Xz Đối tọng đIều chỉnh Hình 1-6 Xm Xs Thiết bị đIều chỉnh Xk Xr Xe Xa T/h định mức T/h huy Xb Trong sơ đồ hoạt động, tín hiệu vào đối tợng điều chỉnh đặc tính biến đổi Xm Tín hiệu vào cấu can thiệp đặc tính can thiệp Xb, tín hiệu Xm Địa điểm mà cấu can thiệp tác động vào đối tợng điều chỉnh nơi can thiệp Tín hiệu đối tợng điều chỉnh đặc tính đợc điều chỉnh Xs Đặc tính đợc điều chỉnh tác động vào cấu đo lờng, nhờ tạo đợc tín hiệu kiểm tra Xe, nơi lấy tín hiệu đợc điều chỉnh vào cấu đo lờng đợc gọi nơi quan sát Đối với đối tợng điều chỉnh nơi can thiệp nơi quan sát khác tuỳ thuộc vào đặc tính đợc điều chỉnh đặc tính đại lợng vật lý Cơ cấu tạo tín hiệu sở điều chế tín hiệu tỷ lệ với giá trị sở Tín hiệu vào cấu tín hiệu định mức điều chỉnh trì tín hiệu huy điều chỉnh truy theo Tín hiệu cấu tín hiệu sở Xa Cơ cấu so sánh tạo độ lệch tín hiệu kiểm tra Xe tín hiệu sở Xa, có tín hiệu tín hiệu điều khiển Xr (Xr= Xa -Xe ) Cơ cấu khuếch đại nâng mức lợng tín hiệu điều khiển trờng hợp cần thiết làm thay đổi chất vật lý tín hiệu này, nói cách khác làm thay đổi dòng vật chất mang tín hiệu Tín hiệu vào cấu khuếch đại tín hiệu điều khiển Xr hay dới dạng biến đổi Xk Tín hiệu đặc tính can thiệp Xb Bây ta xét sơ cấu nói 1- Cơ cấu đo lờng Mục đích thiết bị đo lờng biến đổi đại lợng cần đo thành tín hiệu quan sát đợc Ngợc lại tín hiệu cấu đo lờng tạo phải có khả so sánh đợc Ví dụ : Sự dịch chuyển góc quay, lực, mô men, áp suất, điện áp Nếu đặc tính đợc điều chỉnh đại lợng vật lý không so sánh đợc nh nhiệt độ, số vòng quay phải dùng thêm chuyển đổi tín hiệu Bộ chuyển đổi tín hiệu đợc tiến hành theo nhiều cấp sử dụng lợng phụ 2- Cơ cấu tín hiệu sở Cơ cấu điều chế tín hiệu tỷ lệ với giá trị mong muốn đặc tính đợc điều chỉnh Nếu điều chỉnh trì cần phải có kết cấu có khả trì với độ xác cao, giá trị tín hiệu có chất vật lý độ lớn so với tín hiệu kiểm tra có khả thay đổi tuỳ ý độ lớn miền cho 3- Cơ cấu tạo chênh lệch (Cơ cấu so sánh) Cơ cấu làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu sở với tín hiệu kiểm tra Tín hiệu cấu tạo chênh lệch tín hiệu điều khiển, tín hiệu tỷ lệ thuận với tín hiệu sở tín hiệu kiểm tra 4- Cơ cấu khuếch đại Trong trờng hợp điều chỉnh hoạt động trực tiếp không cần lợng phụ trợ tín hiệu phát từ cấu so sánh đủ để phát động cấu can thiệp Trong thực tế, có nhiều trờng hợp khả tồn nhng điều kiện áp dụng phải đảm bảo tín hiệu có đợc công suất cần thiết mà không làm ảnh hởng đến cấu quan sát độ bền độ xác đo lờng Nhng thông thờng lợng tín hiệu điều khiển nhỏ phải dùng lợng phụ trợ để khuếch đại tín hiệu cho đủ mức lợng tác động vào cấu can thiệp hoàn thành nhiệm vụ 5- Cơ cấu nắn tín hiệu Nếu đặc tính động học hệ thống điều chỉnh không đạt yêu cầu (chẳng hạn nh độ nhạy, độ ổn định ) Khi phải thêm vào hệ thống cấu nắn tín hiệu, cấu tác động tốt đến toàn trình điều chỉnh 6- Cơ cấu can thiệp Cơ cấu có nhiệm vụ thay đổi giá trị đặc tính biến đổi theo mức độ cần thiết Nếu đặc tính can thiệp dịch chuyển vị trí mà tín hiệu cấu khuếch đại đại lợng vật lý khác, ngời ta phải dùng động trợ động làm vai trò chung gian Đ 1.4 Những yêu cầu chung trình điều chỉnh Nhiệm vụ hoạt động điều chỉnh là: a) Trong điều chỉnh trì hoạt động điều chỉnh phải bảo đảm trì đặc tính đợc điều chỉnh giá trị không đổi, chống lại ảnh hởng nhiễu bên tác động lên hệ thống b) Trong điều chỉnh truy theo phải làm cho đặc tính đợc điều chỉnh bám sát biến động đặc tính sở, bất chấp ảnh hởng nhiễu bên Nói chung, yêu cầu trình điều chỉnh phải tạo đợc trạng thái xác lập, ổn định Sau ta xét số yêu cầu hệ điều chỉnh 1.4.1 Độ sai lệch điều chỉnh ( hay gọi sai số tĩnh ) Một trình điều chỉnh đợc coi lý tởng diễn biến theo thời gian đặc tính đợc điều chỉnh giống nh đặc tính sở Khi đó, độ sai lệch điều chỉnh trạng thái xác lập nh trình độ Tuy nhiên có trình điều chỉnh lý tởng đặc tính sở đặc tính đợc điều chỉnh có phần tử trễ Càng gần trình điều chỉnh lý tởng hệ thống phức tạp nhiêu Vấn đề phải dung hoà hợp lý hai yêu cầu: chất lợng bảo đảm cấu trúc đơn giản Độ sai lệch điều chỉnh đặc trng cho độ xác hệ thống điều chỉnh tự động 1.4.2 Độ nhạy Cũng khái niệm đặc trng cho độ xác chất lợng điều chỉnh Độ nhạy cho biết biến thiên tơng đối thông số thuộc hệ gây biến thiên tơng đối nh theo hàm số đặc tính Độ nhạy lớn biến thiên đặc tính nhiễu ảnh hởng đến trạng thái ban đầu hệ Bằng toán học độ nhạy đợc biểu diễn nh sau : S pw = w p w w Trong đó: S pw độ nhạy; p: thông số thay đổi; w: hàm đặc tính thuộc hệ thống (hàm truyền, hàm tần ); Giá trị S pw lớn biến thiên đặc tính nhiễu ảnh hởng 1.4.3 Quá trình độ Diễn biến trình độ đặc trng cho chất lợng điều chỉnh Yêu cầu trình độ đặc trng chất lợng không đợc thấp giá trị trình công nghệ đặt Sau định nghĩa số đặc trng chất lợng điều chỉnh Định nghĩa trình độ: đặc tính vào thay đổi đặc tính đợc điều chỉnh thay đổi theo Hệ thống điều chỉnh chuyển từ trạng thái ổn định sang trạng thái ổn định khác Quá trình thay đổi gọi trình độ hay chuyển tiếp Hình 1-7 XS( t ) a ) XS ( XS ( Max) XS( ) Độ điều chỉnh S Độ điều chỉnh đợc biểu diễn công thức: = Xs max Xs ( ) 100 % Xs ( ) Trong đó: S S max giá trị cực trị chu kỳ dao động; S S () giá trị đặc tính đợc điều chỉnh trạng thái xác lập Trong thực tế kỹ thuật, độ điều chỉnh nhỏ tốt Thời gian độ Hay gọi thời gian điều chỉnh thời gian cần thiết để đặc tính đợc điều chỉnh sai khác với giá trị trạng thái xác lập nhiều % Nghĩa tồn bất đẳng thức t TS ( TS : thời gian độ) Giá trị đợc gọi độ xác động kỹ thuật thờng có giá trị 5% Ngoài ra, ý đến số chu kỳ dao động thời gian độ Quá trình điều chỉnh có chất lợng cao độ điều chỉnh nhỏ, thời gian độ ngắn, độ xác động nhỏ số chu kỳ dao động thời gian độ Việc đa vào sử dụng khái niệm đặc trng chất lợng để tạo khả giúp ta so sánh cách trực quan phơng án điều chỉnh chọn mục đích điều chỉnh Yêu cầu kỹ thuật có tính chất định Nh hình vẽ dới có ba phơng án để giải toán điều chỉnh XS 2 10 tàu y , ta phải cho r tín hiệu vào tác động vào khối tích phân INT ta t thu đợc tín hiệu y = r.dt Nh vậy, ta có mô hình tàu nh sau: y INT FIO b Động thực cấu lái Để đơn giản kết hợp phần tử vào khối thay khối quán tính bậc FIO với tham số: K , i : u FIO c La bàn quay Trong trờng hợp coi nh có la bàn tốt, tức hàm truyền (có thể coi khối điều chỉnh tỷ lệ đợc mô khối khuếch đại GAI với tham số 1) d Tác động nhiễu Tác động nhiễu đợc xem nh gió tạo mô men quay tàu tơng ứng với góc Chúng ta mô nhiễu gió khối CON e Bộ điều chỉnh Có nhiều loại điều chỉnh, điều chỉnh có chức khác chúng đợc sử dụng tuỳ theo yêu cầu thực tế Thông thờng máy lái tự động ngời ta dùng điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân đợc mô khối PID Trong trờng hợp ta chọn điều chỉnh tỷ lệ đợc mô khối khuếch đại GAI f Hớng cho trớc Giả sử hớng cho trớc góc Trong việc mô không cần nhập giá trị góc mà đợc mô khối PLS với tham số Cuối ta có mô hình khối Tutsim hệ thống máy lái tự động nh sau: PLS r SUM e GAI u FIO d SUM CON 95 FIO r INT c Hình 6-10 6.6.2 Chơng trình mô MATLAB Matlab chơng trình phần mềm trợ giúp cho việc tính toán hiển thị, chạy hầu hết hệ máy tính Matlab đợc điều khiển tập lệnh tác động qua bàn phím cửa sổ điều khiển Ngoài ra, cho phép lập trình với cú pháp Script file Với Matlab vấn đề cần giải thờng đợc phân tích xử lý theo ba bớc nh sau: Bớc 1: Đặt vấn đề Bài toán đa cần đợc phân tích, biểu diễn cách rõ ràng cụ thể Đây bớc mở đầu quan trọng, định toàn hớng giải toán Bớc 2: Mô tả giá trị liệu vào Việc mô tả thông tin cần thiết có liên quan trực tiếp đến tham số đợc sử dụng tính toán Do đó, bớc cần phải đợc tiến hành thận trọng Bớc 3: Chuyển toán sang chơng trình Matlab Trong bớc phải sử dụng hàm toán, lệnh th viện Simulink Th viện Simulink bao gồm toàn th viện khối nh khối nhận tín hiệu, nguồn tín hiệu, phần tử tuyến tính phi tuyến, đầu nối chuẩn Dĩ nhiên ngời sử dụng thay đổi hay tạo khối riêng Các mô hình toán Simulink đợc xây dựng có thứ bậc hay gọi theo mô hình phân cấp, điều cho phép ngời sử dụng xây dựng mô hình theo hớng từ dới lên hay từ xuống Ngời sử dụng vừa quan sát hệ thống mức tổng quan, vừa đạt đợc mức độ cụ thể cách nháy kép vào khối xác định để xem xét chi tiết mô hình khối Với cách xây dựng kiểu này, ngời sử dụng hiểu đợc sâu sắc tổ chức mô hình tác động qua lại phần mô hình nh Cần nhấn mạnh điều quan trọng việc mô hệ thống việc thành lập đợc mô hình 96 Chơng VII Tự động hoá bi toán tránh va chạm tu biển Đ 7.1 Cơ sở hình học bi toán tránh va chạm tu biển 7.1.1 Đặc điểm toán tránh va chạm tàu - Việc điều động tàu để tránh va chạm tàu biển toán có nhiều đáp số, tức có nhiều phơng pháp điều động tàu Trong điều kiện, để tránh va chạm tàu thay đổi hớng đi, thay đổi vận tốc đồng thời thay đổi hớng vận tốc, tránh sang phải hay sang trái Nh hàng loạt phơng án ta phải chọn phơng án tối u việc tiêu chuẩn phơng án tối u là: mức độ an toàn, tính kinh tế, luật khó công thức hoá toán học phơng án tối u - Trong quan sát radar, tín hiệu hữu ích, đặc trng cho vị trí tàu mục tiêu thực tế bị sai lệch nhiễu ngẫu nhiên - Trong thời gian quan sát ngắn khó mà tính toán yếu tố chuyển động tàu mục tiêu Trong số trờng hợp việc tính toán không thực đợc Ví dụ hai tàu (tàu ta tàu mục tiêu) chuyển động không theo quy luật quán - Tín hiệu đặc trng cho vị trí tàu mục tiêu tĩnh Đối với hệ thống tự động điều khiển với loại tín hiệu vào nh vậy, việc tổng hợp tín hiệu điều khiển hợp lý phức tạp Qua việc phân tích đặc điểm nh ta thấy việc tự động hoá hoàn toàn toán tránh va chạm cha có khả mà dừng mức độ nửa tự động Tức sỹ quan trực ca tham gia vào trình với vai trò ngời định phơng án cuối Trong chơng dừng lại việc phân tích nguyên tắc chủ yếu việc giải toán tránh va 7.1.2 Cơ sở hình học toán tránh va 97 a Trờng hợp tàu có vận tốc lớn tàu mục tiêu Hình vẽ 7-1 trình bày tình lại gần hai tàu Tàu A tàu mục tiêu M Vận tốc tàu A lớn vận tốc tàu M (V> VM ) yếu tố chuyển động tơng đối HTd Vtd Hớng tơng đối thu đợc quan sát radar vận tốc tơng đối thu đợc tính toán Dựng tam giác vận tốc ta thu đợc VM HTM Trong phép tính giá trị HTd ý nghĩa mà thay vào ngời ta ý đến góc góc kẹp HTd PT0 Trị số góc dùng để đánh giá mức độ nguy va chạm, gần giá trị không nguy va chạm lớn Dmin có ý nghĩa nh cho phép đánh giá khả va chạm hai tàu Dat1 Dmin HTd1 HTd0 HT0 V cf1 B1 V1 VM V2 Vtd cf2 B2 HTd2 V td = V M - V Dat2 Hình 7-1 Chẳng hạn việc xác định Dmin cho thấy chúng nhỏ mức độ cho phép hai tàu có nguy va chạm Ta phải tiến hành thao tác đồ họa để thu đợc HTd HTd ứng với khoảng cách lại gần nhất, an toàn Dat Khi đó, ta xác định đợc hai véctơ vận tốc V1 V2 mà tàu ta chuyển hớng sang đảm bảo việc tránh va chạm với tàu M khoảng cách Dat Cũng qua tàu M cự ly Dat cách giữ nguyên hớng cũ, thay đổi giá trị vận tốc ( B3 A ' ) ( B3 0) Trờng hợp vận tốc tàu ta nhỏ tàu mục tiêu b Trờng hợp tàu có vận tốc nhỏ tàu mục tiêu Dat1 V1 Dmin VM Vtd V3 Vtd3 Dat2 98 V td = V M - V Hình 7-2 Trên hình vẽ trình bày tình Làm tất nh trờng hợp (a) ta thu đợc bốn hớng ta để tàu qua cự ly an toàn ( Dat ) 7.1.3 Đặc điểm xử lý trung tâm toán tránh va tự động Trong toàn trình giải vấn đề tránh va chạm phơng pháp thủ công, ta thấy có bớc tiến hành nh sau: - Quan sát đánh dấu vị trí tàu mục tiêu trạm radar - Tính thông số chuyển động tơng đối tàu mục tiêu - Tính thông số chuyển động thật tàu mục tiêu - Tính yếu tố hiển thị mức độ nguy va chạm - Đánh giá tình hình - Tính toán yếu tố chuyển động cho tàu ta để tránh nguy va chạm với tàu mục tiêu Có điều là, mặt lý thuyết kết giải toán nhng cha đáp ứng mặt thực hành Chẳng hạn với việc đổi hớng tàu, nhiểu ta phải đổi hớng lớn mức độ cần thiết nhằm mục đích làm cho tàu mục tiêu nhận thấy rõ rệt thay đổi tàu ta không nghi ngờ hành động tàu ta Một đặc điểm khác mô hình toán học toán tránh va khác nhau: hình học, giải tích Tuỳ thuộc vào phơng pháp áp dụng nguyên lý máy tính Đặc điểm thứ ba hình thức thị kết toán mà ngời sỹ quan hàng hải phải phân tích kết Cần phải lu ý điểm tình phức tạp, tầm nhìn xa bị hạn chế Sỹ quan trực ca khó mà rời khỏi ảnh radar phân tích kết máy tính cho dới dạng mã số không trực quan Tất đặc điểm đề điều kiện định cho việc lựa chọn phơng pháp lập chơng trình cho máy tính Chọn loại máy tính hình thức thị kết Sơ đồ chung chơng trình máy tính gồm bớc chủ yếu sau: - Đa vào thông số radar PTij , Dij ; tij liên tục qua i thời điểm quan sát j mục tiêu 99 - Chế biến thống kê số hiệu - Tính toán thông số điều động tàu Quá trình bớc đến bớc ba sau lại quay tính toán bớc Chu trình tính toán nh kết toán thoả mãn điều kiện định Đ 7.2 Tự động hoá chế biến thống kê thông tin radar 7.2.1.Tính yếu tố chuyển động Khi quan sát mục tiêu radar hàng hải, thông số vị trí thông số chuyển động mục tiêu biến thành tổ hợp tín hiệu điện Các tín hiệu điện thông tin radar Tín hiệu radar bao gồm tín hiệu có ích tín hiệu nhiễu ồn, nói chung chúng đợc xem trình ngẫu nhiên Nhng mức độ gần coi sai số giá trị đo đạc thông số mục tiêu biến ngẫu nhiên độc lập Sau ta xét phơng pháp tính thông số chuyển động tàu mục tiêu, thông số đặc trng cho mức độ nguy va chạm Giả thiết trớc điều động tránh va tàu chuyển động thẳng thời điểm t i tiến hành đo (bằng radar) phơng vị Pi cự ly Di đến tàu mục tiêu Số phép đo n y (x1,y1) (x0,y0) Vtd (xn,yn) ( x , y ) 2 ( x n, y n) ( x 1, y 1) V tdx Vtdy (x2,y2) Pn Dmin P2 x Hình 7-3 Ta lập hệ Oxy mà gốc vị trí tàu ta, trục Oy kinh tuyến thông số chuyển động tơng đối toạ độ ( xi ; y i ) vận tốc tơng đối vtd tàu M Chiếu vtd lên trục Ox, Oy ta đợc vtdx vtdy Biết trị số ta tính đợc khoảng cách lại gần Dmin thời gian T lúc hai tàu gần 100 Vtd = Vtdx2 + Vtdy2 Ta có: Dmin = TDm = (7-1) y Vtdx x0 Vtdy (7-2) Vtd x0 Vtdx + y Vtdy (7-3) Vtd2 Chỉ cần hai lần quan sát ta tính đợc đại lợng cần thiết: Vtdx = D1 sin P1 D2 sin P2 t t1 (7-4) Vtdy = D1 cos P1 D2 cos P2 t t1 (7-5) Thay vào ta tính đợc: Dmin = TDmin = (t1 t ) D1 D2 sin( P1 P2 ) D12 D1 D2 cos( P1 P2 ) + D22 D1 D12 D1 D2 cos( P1 P2 ) + D22 cos ( P1 P2 ) ( D12 D1 D2 cos( P1 P2 ) + D22 (7-6) (7-7) 7.2.2 Các sai số tính giá trị Dmin Ta giả thiết sai số ngẫu nhiên cho phép phép đo khoảng cách phơng vị tuân theo luật phân phối chuẩn với kỳ vọng toán không (tức kết đo sai số hệ thống) với phơng sai không phụ thuộc vào quan sát (tức ta có P2 D ) Thông thờng, số liệu kỹ thuật trạm radar, phép đo khoảng cách phơng vị, ngời ta sử dụng giá trị sai số cực đại, mà với xác suất 0,95 chúng có giá trị hai lần sai số bình phơng trung bình Tức là: p = P ; D = 2D (7-8) Bởi giá trị Dmin có ý nghĩa quan trọng nên ta đánh giá sai số phép tính Dmin Muốn ta sử dụng công thức (7-6) (7-8) Do ( P1 P2 ) nên ta coi sin( P1 - P2 ) P1 - P2 Và coi ( P1 - P2 ) Ta tìm đợc biểu thức sai số phép tính Dmin đo hai lần nh sau: D = (P1 - P2 )(D1 -) D = ( P1 P2 )( D12 D2 D22 D1 ( D1 D2 ) 101 + D1D2 ( P1 P1 ) ( D1 D2 ) (7-9) Vì Dmin > d2 hayJ p2 >> d2 Bằng điều ta tìm đợc giá trị tới hạn phơng sai: vt đ 12.J n(n 1)n (xn yn ) (7-20) (2n 1) J p2 (7-21) (n + 1)n Từ công thức (7-20), (7-21) rút kết luận việc sai số việc tính vị trí tàu mục tiêu tỷ lệ nghịch với bậc hai số lần quan sát ( n ), sai số việc xác định Vtđ tỷ lể nghịch với ( n ) khoảng thời gian quan sát n Dùng phơng sai theo công thức (7-20) (7-21) ngời ta tìm giá trị: D = Dmin Dmin n. n J G p ( n 1) ( n + 1( 2n 1)) ( n + 1) ++ (7-22) 0,2 3.Vt đ Kết tính toán D cho phép đánh giá độ xác việc tính toán Dmin, đồng thời xác định thời điểm kết thúc trình tích luỹ thông tin Nghĩa máy luôn có so sánh bất đẳng thức: D Trong đó: giá trị quy định trớc theo độ xác yêu cầu việc tính Dmin máy tính; : Trị số sai số tối đa tránh đợc máy tính Nếu bất đẳng thức cha đợc thoả mãn trình tiếp tục Việc tích luỹ thông tin dừng lại bất đẳng thức đợc thoả mãn Một vấn đề đợc tiến hành đồng thời với trình chế biến tích luỹ thông tin Rada chuyển động tàu mục tiêu việc kiểm tra giả thuyết 104 chuyển động thẳng tàu mục tiêu Bởi việc tính toán yếu tố chuyển động tơng đối yếu tố khác toán tránh va bảo đảm tin cậy tàu chuyển động thẳng với Tiêu chuẩn để kiểm tra tính thẳng chuyển động điều kiện sau: in=1 ( xi xi ) + ( yi yi) C j. p n (7-23) C số thực nghiệm, lấy giá trị C với xác suất 0,95 Nếu bất đẳng thức không đợc thoả mãn hay có thoả mãn nhng xác suất 0,05 chứng tỏ chuyển động tơng đối chuyển động thẳng Nếu máy móc phát tàu mục tiêu thay đổi hớng trình tích luỹ thông tin lại đầu Đ 7.3 Thuật toán tính phần tử điều động để phân tán tu giao 7.3.1 Đặc điểm việc thuật toán hoá toán tránh va Việc mô hình hoá toán tránh va không đơn giản lý sau: Các tình gặp tàu đa dạng Không lúc có hai tàu gặp mà tình phức tạp nhiều Trong tình hai tàu vừa đối tợng vừa chủ thể Cho nên hai tàu không đợc đạo dới hệ điều khiển thống theo quy định qui tắc tránh va Quốc tế va chạm tàu biển Có nhiều phơng pháp điều động để đạt kết Quy tắc tránh va Quốc tế quy định cụ thể cho trờng hợp hai tàu gặp nhau, nhiều tàu quy định chung chung Đối với việc lựa chọn phơng án điều động tàu hợp lý phải tính đến yếu tố sau: - Trớc hết phải xác định thực giả thiết tính chất chuyển động tàu gặp - Không nên cho tất tàu mà ta gặp tình tránh va đợc trang bị thiết bị tránh va với máy tính điện tử sử dụng thuật toán nh 105 - Kể trờng hợp tàu bạn có máy tính điện tử không nên tin tởng tuyệt đối có đầy đủ thông tin tình gặp thời - Nếu giả thiết đặc tính kỹ thuật Rada tàu nh đợc coi tàu mục tiêu biết đợc chuyển động tàu ta nắm đợc hoàn toàn chuyển động tàu 7.3.2 Những yêu cầu thuật toán Khi lập chơng trình cho máy tính, để lập nên phơng án điều động tàu ta cần phải ý đến yêu cầu Những yêu cầu nhiệm vụ mà thuật toán phải giải đợc để đạt đợc mục đích đa phơng án điều động tàu tốt a Trớc hết phải xác định đợc mức độ nguy va chạm Nghĩa tình nh ta có cần điều động tàu hay không Chỉ cần thiết điều động tàu thấy điều kiện cần đủ để tiến hành quay trở lại đợc thoả mãn Điều kiện cần là: hai tàu có nguy va chạm thực giữ nguyên trạng thái chuyển động Một đặc trng nguy là: Dmin < Dat Ngoài theo luật tránh va Quốc tế tàu ta phải nhờng đờng cho tàu gặp Điều kiện đủ là: khả chuyển động tàu ta tình cụ thể Ngời ta phân chia hai trờng hợp điều động tàu: + Trờng hợp điều động tàu bình thờng trờng hợp mà vào thời điểm bắt đầu điều động tàu, cự ly hai tàu không nhỏ từ 2-3 Dat + Trờng hợp điều động tàu bất bình thờng: trờng hợp ngợc với trờng hợp Khi cần phải làm hành động trái với bình thờng nhằm đảm bảo an toàn, điều đợc luật Quốc tế quy định b Nếu tàu gặp lại khu vực không quan sát đợc tàu phải giữ nguyên phơng hớng vận tốc chu trình kiểm tra đợc lặp lại sau số vòng quay anten Rada c Sau tính toán chuyển động tàu mục tiêu, phải xác định vùng cho phép điều động tàu ta ứng với tàu mục tiêu Sau đó, tổng hợp chúng lại để xác định vùng điều động chung tàu mục tiêu Đó phần chung vùng riêng tàu Nều tìm đợc vùng điều động chung có vô số phơng án điều động tàu nằm phân tán an toàn Thực tế, để xác định hớng điều động vùng điều động chung cho hình chiếu véc tơ vận tốc tàu ta lên đờng chuyển động tơng đối đề cực đại Điều ứng với thời gian điều động tránh va cực tiểu Đồng thời, véc tơ vận tốc VA phải phù hợp với 106 tinh thần quy tắc tránh va Quốc tế, nghĩa nên đổi hớng sang phải giảm vận tốc d Nếu véc tơ vận tốc VA thoả mãn việc sang phải phải tìm véc tơ vận tốc VA khác sang trái Điều phù hợp với tinh thần Quốc tế, cho phép tình bất thờng làm trái quy tắc để đảm bảo tính an toàn e Nếu véc tơ vận tốc VA sang trái phải giữ nguyên hớng vận tốc thời vòng thời gian (810 giây) trình tính toán f Nếu giữ nguyên đợc vận tốc tàu phải tiến hành điều động theo quy tắc điều 17 quy tắc tránh va chạm Quốc tế g Phơng án điều động tàu an toàn hợp lý phải đợc xác định điều kiện tình liên quan đến tàu mà ta nắm đợc chuyển động chúng h Nếu tình va chạm lại hình thành có lại gần tàu hay có tàu mục tiêu thay đổi chuyển động trình tính toán việc điều động tàu đợc lặp lại 107 PHụ LụC bảng biến đổi laplace số hm kỹ thuật stt 10 hm thời gian F (s ) e e S S2 S n +1 S +a ( S + a) a S ( S + a) a S + a2 S S + a2 ( S a)( S b) t tn n! e at t.e at e at Sinat 12 Cosat S S 1(1 ) 11 13 biến đổi laplace f (t ) (t ) (t ) 1(t ) (e at ebt ) a b 108 14 (a.e at b.ebt ) ab 15 (b c)e at + (c a )ebt + (a b)e ct (a b)(b c)(c a ) (1 Cosat ) a2 (at Sinat ) a3 t Sinat 2a a S a2 S S a2 S (S + a ) 2 S (S + a ) S (S + a )2 hm thời gian biến đổi laplace ( Sinat + atCosat ) 2a S2 (S + a )2 t.Cosat S a2 (S + a )2 S 2 ( S + a )(S + b ) (S a)2 + b S a (S a)2 + b 16 Shat 17 Chat 18 19 20 stt 21 22 23 24 25 S ( S a)( S b) ( S a)( S b)( S c) Cosat Cosbt b2 a at e Sinbt b e at Cosbt 109 [...]... trong những nhiệm vụ cơ bản của lý thuyết điều chỉnh tự động là phải nghiên cứu đợc tính chất của đối tợng điều chỉnh Các thông tin về đối tợng điều chỉnh thu thập càng đầy đủ thì việc tổng hợp hệ thống điều chỉnh tự động càng đơn giản và quá trình điều chỉnh càng dễ đạt độ chính xác cao Việc nghiên cứu đối tợng điều chỉnh phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tợng lý hoá xảy ra trong đối tợng Các... thống điều chỉnh tự động là duy trì của đặc tính đợc điều chỉnh trên một giá trị cố định, xác định bởi đặc tính cơ sở hoặc làm thay đổi đặc tính đợc điều chỉnh theo đặc tính cơ sở biến động, nhằm chống lại ảnh hởng của nhiễu loạn bên ngoài Hoạt động điều chỉnh phải thoả mãn những yêu cầu chất lợng mà quá trình kỹ thuật cần điều chỉnh đặt ra Những yêu cầu đó là độ sai lệch điều chỉnh và dáng điệu động. .. tính đợc điều chỉnh y Tác động lớn nhất lên đặc tính đợc điều chỉnh gọi là đặc tính can thiệp, đặc tính này đợc tạo ra từ bộ điều chỉnh Sơ đồ khối của một hệ thống điều chỉnh tự động đợc thể hiện trên hình 3-11 Nguồn thiết bị điều chỉnh Dòng vào đối tợng điều chỉnh Dòng ra y Hình 3-11 Hai tính chất cơ bản của đối tợng điều chỉnh là khả năng tích luỹ hay còn gọi là tính dung lợng và tính tự cân bằng... gian Nh ta đã biết đặc tính động học của phần tử đợc biểu dới dạng đặc tính thời gian của nó là hàm quá độ và hàm trọng Tơng tự, tính dung lợng và tính tự cân bằng của đối tợng điều chỉnh cũng đợc phản ánh thông qua đặc tính thời gian của nó 3.3.2 Mô tả tính động học của đối tợng điều chỉnh Đối tợng điều chỉnh là một phần tử của hệ thống điều chỉnh tự động, do đó đặc tính động học của nó có thể mô tả... miền thời gian 25 Chơng III mô tả động học hệ thống điều chỉnh tự động Đ 3.1 các đặc tính của phần tử Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, hệ thống điều chỉnh tự động đợc cấu thành bởi những phần nhỏ gọi là các phần tử của hệ thống Mỗi phần tử có tác động từ ngoài vào gọi là đặc tính vào của phần tử và ký hiệu là xb (t ) Tín hiệu biểu hiện phản ứng của phần tử đối với tác động ở đầu vào gọi là đặc tính... tác động phá vỡ trạng thái cân bằng của nó thì nó sẽ tự trở lại trạng thái cân bằng mà không cần có sự tác động từ bên ngoài vào Đối tợng có tính tự cân bằng đợc gọi là đối tợng tĩnh Đối tợng không có tính tự cân bằng đợc gọi là đối tợng phi tĩnh 35 Nh ta đã biết, tốc độ thay đổi của đặc tính đợc điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị mất cân bằng Q Đối tợng sẽ có tính tự cân bằng nếu theo thời gian vận động. .. mối liên hệ giữa đặc tính ra và đặc tính vào của phần tử ở trạng thái xác lập khi thay đổi tần số của tín hiệu dao động điều hoà tác động ở đầu vào của phần tử Nếu ở đầu vào của phần tử cho tác động một dao động điều hoà thì sau một thời gian quá độ ở đầu ra của nó sẽ nhận đợc một dao động điều hoà có cùng tần số nhng khác biên độ và lệch pha so với tín hiệu vào Ta tìm đợc hàm tần của phần tử có dạng... tốc độ thay đổi của đặc tính đợc điều chỉnh giảm dần và đối tợng ở trạng thái cân bằng khi tốc độ thay đổi này xác lập ở không Nh vậy, đối tợng sẽ có tính tự cân bằng nếu có sự liên hệ nghịch âm giữa đặc tính đợc điều chỉnh y và giá trị mất cân bằng Q Giá trị: = Q đợc gọi là mức độ tự bằng của đối tợng y Do đó, ta có kết luận: đối tợng sẽ có tính tự cân bằng khi mức độ tự cân bằng dơng Nếu = 0 thì... tợng điều chỉnh luôn có khả năng tích luỹ môi trờng hoạt động, dự trữ nó trong lòng Khả năng đó gọi là dung lợng của đối tợng điều chỉnh Đối tợng có dung lợng càng nhỏ thì tốc độ thay đổi của đặc tính đợc điều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn đến quá trình điều chỉnh càng phức tạp Ngợc lại, dung lợng của đối tợng càng lớn thì tốc độ thay đổi của đặc tính đợc điều. .. cần điều chỉnh đặt ra Những yêu cầu đó là độ sai lệch điều chỉnh và dáng điệu động học của điều chỉnh Để nghiên cứu các quá trình kỹ thuật, vật lý, hoá học rất khác nhau ngời ta có thể dùng phơng trình vi phân có cùng dạng Nh vậy, nhờ chơng trình vi phân có thể xác định đợc dáng điệu của một hệ thống điều chỉnh tự động trong quá trình quá độ cũng nh trong trạng thái xác lập Nhng việc lập và giải phơng ... động điều chỉnh Nguyên lý hoạt động hệ thống điều chỉnh tự động dựa ba phơng thức điều khiển là: điều khiển theo chơng trình, điều khiển bù nhiễu điều khiển theo sai lệch - Phơng thức điều khiển. .. học hệ thống điều chỉnh tự động Hệ thống điều chỉnh tự động gồm hai thành phần đối tợng điều chỉnh điều chỉnh mà đặc tính đợc giới thiệu mục Việc mô tả động học hệ thống điều chỉnh tự động kết hợp... lợng thông tin 1.1.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều chỉnh tự động Một trình đòi hỏi áp dụng hoạt động điều chỉnh thoả mãn điều kiện sau: - Tồn hay nhiều đặc tính đợc điều chỉnh đo lờng đợc