Bài giảng lý thuyết điều khiển tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÒN - BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ThS NGUYỄN XUÂN NGUYÊN Tp Hồ Chí Minh, tháng 9.2007 Page - Bai Giang KT Mở đầu Giới thiệu chương trình Chương Khái niệm điều khiển tự động Chương Cơ sở toán học Chương Mô tả toán học hệ tuyến tính liên tục Chương Khảo sát tính ổn đònh hệ thống Chương Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển Chương Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục Page - Bai Giang KT Chương Khái niệm điều khiển tự động I Khái niệm điều khiển Điều khiển ? Ví dụ lái xe với tốc độ mong muốn 50 Km/h Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ: ⇒ thu thập thông tin Bộ não điều khiển: tăng tốc v < 50 Km/h giảm tốc v >50 Km/h ⇒ xử lí thông tin Page - Bai Giang KT I Khái niệm điều khiển Tay giảm tăng ga: ⇒ tác động lên hệ thống Kết trình điều khiển xe chạy với tốc độ gần 50 Km/h Đònh nghóa: Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lí thông tin tác dộng lên hệ thống để đáp ứng hệ thống gần với mục tiêu đònh trước Điều khiển tự động trình điều khiển không cần tác động người Page - Bai Giang KT I Khái niệm điều khiển Tại phải điều khiển ? Có hai lý để thực điều khiển, là: Con người không thoả mãn với đáp ứng hệ thống - Điều hoà nhiệt độ : không thoả mãn với nhiệt độ nóng hay lạnh - Ổn đònh điện áp : không thoả mãn với việc điện áp thay đổi thất thường, Page - Bai Giang KT I Khái niệm điều khiển Muốn tăng độ xác, tăng suất hiệu kinh tế - Điều khiển xe hay máy bay từ nơi đến nơi khác cách an toàn xác, - Các trình sản xuất với vô số mục tiêu cần điều khiển để thoả mãn yêu cầu an toàn, độ xác hiệu kinh tế,… Page - Bai Giang KT I Khái niệm điều khiển Các thành phần hệ thống điều khiển ? Hệ thống điều khiển gồm có thành phần bản: - Đối tượng điều khiển, - Cảm biến hay thiết bò đo lường, - Bộ điều khiển Page - Bai Giang KT I Khái niệm điều khiển r(t) e(t) Bộ điều khiển u(t) Đối tượng c(t) cht(t) Cảm biến Các ký hiệu r(t) : tín hiệu vào c(t) : tín hiệu cht(t) : tín hiệu hồi tiếp e(t) : tín hiệu sai lệch u(t) : tín hiệu điều khiển Page - Bai Giang KT II Phân loại điều khiển Sự phân loại hệ thống điều khiển mang tính qui ước Tuỳ theo mục đích, có nhiều cách phân loại khác Phân loại theo cấu trúc hệ thống - Hệ thống vòng hở : Là hệ thống có tác động điều khiển độc lập với tín hiệu ngõ - Hệ thống vòng kín : Là hệ thống có tác động điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu ngõ Page - Bai Giang KT Hệ thống điều khiển vòng hở Page 10 - Bai Giang KT III THIẾT KẾ TRONG MIỀN S Phương pháp thiết kế Bước 1: Thiết kế khâu sớm pha GSF(s) để thoả mãn yêu cầu đáp ứng độ Có thể sử dụng phương pháp triệt tiêu nghiệm để xác đònh cực zero trường hợp nhằm hạ bậc hệ thống Bước 2: Ta đặt: G1(s) = GSF (s).G(s) Thiết kế khâu trễ pha GTF (s) mắc nối tiếp G1(s) để thỏa mãn yêu cầu sai số xác lập mà không làm thay đổi đáng kể đáp ứng độ sau hiệu chỉnh sớm pha Page 167 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ Hiệu chỉnh sớm pha Hàm truyền cần thiết kế có dạng: Gc ( s ) = K c αTs + Ts + ( α > 1) ⇒ Phải chọn hệ số Kc , α T để đáp ứng hệ thống thoả mãn yêu cầu sai số xác lập độ dự trữ ổn đònh mong muốn Page 168 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ Phương pháp thiết kế Bước 1: Tìm Kc - Xác đònh Kc để thỏa mãn yêu cầu sai số xác lập - Vẽ biểu đồ Bode G1(s)=KcG(s), tìm tần số cắt biên ωc độ dự trữ pha ΦM Φ M = + ϕ 1( ω c ) Page 169 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ Bước 2: Tìm α - Xác đònh góc pha cần bù: ϕm = Φ M * − Φ M + θ - ΦM* dự trữ pha mong muốn - θ chọn từ đến 20 - Tính hệ số α : + sin ϕ m α= − sin ϕ m Page 170 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ Bước 3: Tìm T - Xác đònh tần số cắt sau hiệu chỉnh : L (ω ) = − 10 lg α * c - Tính số thời gian T : T = Bước 4: ω * c α Kiểm tra lại độ dự trữ ổn đònh, không đạt thực lại bước thiết kế từ việc chọn gócθ Page 171 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ Hiệu chỉnh trễ pha Hàm truyền cần thiết kế có dạng: Gc ( s ) = K c αTs + Ts + ( α < 1) ⇒ Phải chọn hệ số Kc , α T để đáp ứng hệ thống thoả mãn yêu cầu sai số xác lập độ dự trữ ổn đònh mong muốn Page 172 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ Phương pháp thiết kế Bước 1: Tìm Kc - Xác đònh Kc để thỏa mãn yêu cầu sai số xác lập - Vẽ biểu đồ Bode G1(s)=KcG(s) Bước 2: Tìm α - Xác đònh tần số cắt biên sau hiệu chỉnh: ϕ ( ω ) = − 180 + Φ M + θ , c * Page 173 - Bai Giang KT II THIẾT KẾ TRONG MIỀN TẦN SỐ - Tính hệ số α : G1 ( jω ) = * c Bước 3: α Tìm T - Chọn zero khâu hiệu chỉnh : *