Khảo sát ứng dụng MATLAB điều khiển tự động GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng phát triển khoa học kỹ thuật Lónh vực hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy quy trình sản xuất đại, đời sống hàng ngày: điều khiển nhiệt độ, độ ẩm Phát minh khởi đầu cho việc phát triển lóng vực điều khiển tự động điều tốc ly tâm để điều chỉnh nhiệt độ máy nước Jame Watt năm 1874 Các công trình đáng ý bước đầu phát triển lý thuyết điều khiển nhà khoa học Minorsky, Hazen, Nyquist năm 1922 Minorky thực hệ thống điều khiển tự động tàu chứng minh tính ổn đònh hệ thống xác đònh từ phương trình vi phân mô tả hệ thống Năm 1932, Nyquist đưa nguyên tắc tương đối đơn giản để xác đònh tính ổn đònh hệ thống vòng kìn dựa sở đáp ứng vòng hở tính hiệu vào hình sin trạng thái xác lập Năm 1934, Hazen giới thiệu thuật ngữ điều chỉnh tự động (servo mechanism) cho hệ thống điều khiển đònh vò vâà thảo luận đến việc thiết kế hệ thống relay điều chỉnh động với ngõ vào tín hiệu thay đổi Trong suốt thập niên 40 kỷ 20 phương pháp đáp ứng tần số giúp cjo kỹ sư thiết kế hệ thống vòng kín tuyến tính thỏa yêu cầu chất lượng điều khiển Từ cuối thập niên 40 đầu thập niên 50 phương pháp quỹ đạo nghiệm Evan phát triển toàn vẹn Phương pháp quỹ đạo nghiệm đáp ứng tần số xem cốt lõi lý thuyết điều khiển cổ điển cho phép ta thiết kế hệ thống ổn đònh thỏa tiêu chất lượng điều khiển Những hệ thống chấp nhận chưa phải tối ưu, hoàn thiện Cho tới cuối thập niên 50 kỷ 20 việc thiết kế hay nhiều hệ thống chuyển qua việc thiết kế hệ thống tối ưu với ý nghóa đầy đủ Khi máy móc đại ngày phức tạp với nhioều tín hiệu vào việc mô tả hệ thống điều khiển đại đòi hỏi lượng lớn phương trình Lý thuyết điều khiển cổ điển liên quan hệ thống ngõ vào ngõ trở nên bất lực để phân tích hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu Kể từ khoảng năm 1960 trở nhờ máy tính sốcho phép ta phân tích hệ thống phức tạp miền thời gian, lý thuyết điều khiển đại phát triển để đối phó với phức tạp hệ thống đại Lý thuyết điều khiển đại dựa phân tích miền thới gian tổng hợp dùng biến trạng thái, cho phép giải Thực hiện: cdt39.mta@gmail.com -1- Học Viện Kỹ Thuật Qn Sự Khảo sát ứng dụng MATLAB điều khiển tự động toán điều khiển có yêu cầu chặt chẽ độ xác, trọng lượng giá thành hệ thống lónh vực kỹ nghệ không gian quân Sự phát triển gần lý thuyết điều khiển đại nhiều lónh vực điểu khiển tối ưu hệ thống ngẫu nhiên tiền đònh Hiện máy vi tính ngày rẽ, gọn khả xử lý lại mạnh nên dùng phần tử hệ thống điều khiển Những áp dụng gần lý thuyết điều khiển đại vào ngành kỹ thuật như: sinh học, y học, kinh tế, kinh tế xã hội I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Điều khiển học (Cybernctics): Là khoa học nghiên cứu trình điều khiển truyền thông máy móc, sinh vật kinh tế Điều khiển học mang đặc trưng tổng quát phân chia thành nhiều lónh vực khác như: toán điều khiển, điều khiễn học kỹ thuật, điều khiển học sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế Lý thuyết điều khiển tự động: Là sở lý thuyết điều khiển học kỹ thuật Điều khiển tự động thuật ngữ trình điều khiển đối tượng kỹ thuật mà tham gia người (automatic) ngược lại với trình điều khiển tay (manual) Hệ thống điều khiển tự động: Một hệ thống điều khiển tự động bao gồm phần chủ yếu: Thiết bò điều khiển (TBĐK) - Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) - Thiết bò đo lường Hình 1.1 sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động N R TBĐK ĐTĐK C F TBĐL Hình 1.1 Trong đó: C: tín hiệu cần điều khiển, thường gọi tín hiệu (output) Thực hiện: cdt39.mta@gmail.com -2- Học Viện Kỹ Thuật Qn Sự Khảo sát ứng dụng MATLAB điều khiển tự động U: tín hiệu điều khiển R: tín hiệu chủ đạo, chuẩn, tham chiếu (reference) thường gọi tín hiệu vào (input) N: tín hiệu nhiễu tác động từ bên vào hệ thống F: tín hiệu hồi tiếp, phản hồi (feedback) Hệ thống điều khiển kín (closed loop control system): Là hệ htống điều khiển có phản hồi (feeback) nghóa tín hiệu đo lường đưa thiết bò điều khiển Tín hiệu hồi tiếp phối hợp với tín hiệu vào để tạo tín hiệu điều khiển Hình 1.1 sơ đồ hệ thống kín Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống kín lý thuyết điều khiển tự động Hệ thống điều khiển hở: Đối với hệ thống hở, khâu đo lường không dùng đến Mọi thay đổi tín hiệu không phản hồi thiết bò điều khiển Sơ đồ hình 1.2 hệ thống điều khiển hở R U TBĐK ĐTĐK C Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hở Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống hở lý thuyết relay lý thuyết ôtômát hữu hạn II PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hệ thống điều khiển phân loại nhiều cách khác Sau số phương pháp phân loại: Hệ tuyến tính phi tuyến: Có thể nói hầu hết hệ thống vật lý hệ phi tuyến, có nghóa hệ thống có phần tử phần tử phi tuyến (quan hệ vào quan hệ phi tuyến) Tuy nhiên, phạm vi thay đổi biến hệ thống không lớn, hệ thống tuyến tính hóa phạm vi biến thiên biến tương đối nhỏ Đối với hệ tuyến tính, phương pháp xếp chồng áp dụng Hệ bất biến biến thiên theo thời gian: Hệ bất biến theo thời gian (hệ dừng) hệ thống có tham số không đổi (theo thời gian) Đáp ứng hệ không phụ thuộc vào thời điểm mà tín hiệu vào đặt vào hệ thống điều khiển phi thuyền không gian, với khối lượng giảm theo thời gian tiêu thụ lượng bay Hệ liên tục gián đoạn theo thời gian: Thực hiện: cdt39.mta@gmail.com -3- Học Viện Kỹ Thuật Qn Sự Khảo sát ứng dụng MATLAB điều khiển tự động Trong hệ liên tục theo thìi gian, tất biến hàm liên tục theo thời gian Công cụ phân tích hệ thống liên tục phép biến đổi Laplace hay Fourier Tronh đó, hệ gián đoạn hệ thống có tín hiệu hàm gián đoạn theo thời gian Người ta phân biệt hệ thống gián đoạn gồm: - Hệ thống xung: hệ thống mà có phần tử xung (khóa đóng ngắt) tín hiệu lấy mẫu (sample) giữ (hold) (Hình 1.3) e(t) r(t) H (-) Đối tượng điều khiển c(t) G(p) F(p) Hình 1.3: Hệ thống điều khiển xung - Hệ thống số: hệ thống gián đoạn tín hiệu mã hóa logic 1, Đó hệ thống có khâu biến đổi tương tự / số (A/D), số/ tương tự (D/A) để kết nối kết nối tín hiệu với máy tính số (Hình 1.4) Ngã vào dang số MTS D/A Đối tượng điều khiển c(t) G(p) G(p) Hình 1.4: Hệ thống điều khiển số Công cụ để phân tích hệ thống gián đoạn phép biến đổi Laplace, Fourier gián đoạn hay phép biến đổi Z Hệ đơn biến đa biến: Hệ đơn biến hệ có ngõ vào ngõ Công cụ để phân tích tổng hợp hệ đơn biến lý thuyết điều khiển cổ điển Ví dụ: hệ điều khiển đònh vò (vò trí) Hệ đa biến hệ có nhiều ngõ vào nhiều ngõ Công cụ để phân tích tổng hợp hệ đa biến lý thuyềt điều khiển đại dựa sở biểu diễn hệ không gian trạng thái Ví dụ: hệ điều khiển trình (Process Control System) gồm có điều khiển nhiệt độ áp suất Hệ thống thích nghi hệ thống không thích nghi: Thực hiện: cdt39.mta@gmail.com -4- Học Viện Kỹ Thuật Qn Sự Khảo sát ứng dụng MATLAB điều khiển tự động Hệ thống thích nghi hệ htống hoạt động theo nguyên tắc tự chỉnh đònh, hệ thống tự phát thay đổi tham số ảnh hưởng môi trường bên thực việc điều chỉnh tham số để đạt tiêu tối ưu đề Hệ xác đònh (deterministic) hệ ngẫu nhiên (stochastic): Một hệ thống điều khiển xác đònh đáp ứng ngõ vào đònh biết trước (predictable) lặp lại (repeatable) Nếu không thỏa mãn điều kiện trên, hệ thống điều khiển ngẫu nhiên III NHIỆM VỤ CỦA LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Để khảo sát thiết kế hệ thống điều khiển tự động người ta thực bước sau: a) Dựa yêu cầu thực tiễn, mô hình vật lý ta xây dựng mô hình toán học dựa quy luật, tượng, quan hệ đối tượng vật lý Mô hình toán học hệ thống xây dựng từ mô hình toán học phần tử riêng lẻ b) Dựa lý thuyết ổn đònh, ta khảo sát tính ổn đònh hệ thống Nếu hệ thống không ổn đònh ta thay đổi đặc tính hệ thống cách đưa vào khâu bổ (compensation) hay thay đổi thay đổi tham số hệ để hệ thành ổn đònh c) Khảo sát chất lượng hệ theo tiêu đề ban đầu Nếu hệ không đạt tiêu chất lượng ban đầu, ta thực bổ hệ thống d) Mô hệ thống máy tính để kiểm tra lại thiết kế e) Thực mô hình mẫu (prototype) kiểm tra thiết kế thực nghiệm f) Tinh chỉnh lại thiết kế để tối ưu hóa tiêu chất lượng hạ thấp giá thành nều có yêu cầu g) Xây dựng hệ thống thực tế Thực hiện: cdt39.mta@gmail.com -5- Học Viện Kỹ Thuật Qn Sự Khảo sát ứng dụng MATLAB điều khiển tự động Thực hiện: cdt39.mta@gmail.com -6- Học Viện Kỹ Thuật Qn Sự