bài giảng môn học điều khiển tự động

Bộ Môn : Cơ Điện Tử Bài giảng môn học Điều Khiển Tự Động Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC Điều Khiển Tự Động ∗ Số tiết : 45 tiết ∗ Giảng viên: ThS Nguyễn Tấn Phúc ∗ Giáo trình: Sách: Điều khiển tự động, NTH, ĐHSPKT, 2006 File: tinyurl.com/gtdktd3 (1,6MB) ∗ Tài liệu tham khảo: Sách: Modern Control Engineering , K Ogaka Modern Control Systems, RC Dorf File: tinyurl.com/mcepdf (46MB) tinyurl.com/mcspdf11 (34MB) ∗ Đánh giá : Chun cần 10% + Thi cuối kỳ 90% •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •2 •01/2009 Mục đích mơn học ∗ Nghiên cứu phương pháp, cơng cụ tốn học để mơ tả, phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •3 •01/2009 Nội dung mơn học • Chương 1: Tổng quan điều khiển tự động • Chương 2: Mơ tả tốn học phần tử hệ thống điều khiển • Chương 3: Đặc tính động học hệ thống • Chương 4: Tính ổn định hệ thống • Chương 5: Chất lượng hệ thống điều khiển • Chương 6: Thiết kế hiệu chỉnh hệ thống • Chương 7: Hệ thống điều khiển rời rạc •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •4 Chương 1: Tổng quan điều khiển tự động 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Các khái niệm Cấu trúc hệ thống điều khiển Các ngun tắc điều khiển Phân loại hệ thống Các tốn Ví dụ ứng dụng Sơ lược lịch sử phát triển •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •5 1.1 Các khái niệm 1) Điều khiển Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h Thu thập thơng tin: Mắt quan sát đồng hồ tốc độ Xử lý thơng tin: Não so sánh v mong muốn v thực tế ⇒ định tăng / giảm ga Tác động: Tay vặn tay ga để thực tăng/giảm ga Kết : xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h ∗ Điều khiển = q trình thu thập thơng tin, xử lý thơng tin tác động lên hệ thống ∗ Điều khiển = “can thiệp” vào hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh cho đáp ứng hệ đạt mục đích định trước ∗ Q trình điều khiển khơng cần tham gia trực tiếp người gọi điều khiển tự động •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •6 •01/2009 1.1 Các khái niệm (tt) Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H0 Thu thập thơng tin: Thiết bị đo = phao Xử lý thơng tin: Bộ điều khiển = hệ thống đòn bẩy Tác động: Cơ cấu tác động = van Mức nước H0 thay đổi cách điều chỉnh độ dài nối phao-đòn bẩy •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •7 •01/2009 1.1 Các khái niệm (tt) 2) Tín hiệu ∗ Lý thuyết thơng tin: tín hiệu = nội dung thơng tin ∗ Bản chất vật lý: tín hiệu = đại lượng vật lý (điện áp, dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ,…) ∗ Tốn học: tín hiệu = hàm số theo thời gian ( u(t), i(t), v(t), x(t), p(t), θ(t), ) ∗ Trên sơ đồ khối: tín hiệu vào/ra = mũi tên •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •8 •01/2009 • Ví dụ tín hiệu vào, điện áp u(t) lưu lượng, áp suất cơng suất vị trí nòng van (độ nâng, góc mở) vị trí trượt (lượng di động) •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC ðộng điện Xylanh lực Lò nhiệt vận tốc n(t) góc quay ϕ(t) vận tốc, vị trí, lực Nhiệt độ lưu lượng, áp suất Van Chiết áp •9 ðiện áp •01/2009 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển thành phần bản: ðối tượng điều khiển, thiết bị đo (cảm biến), điều khiển z(t) r(t) e(t) Bộ điều khiển yht (t) u(t) ðối tượng ðK y(t) Thiết bị đo r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (SetPoint) y(t) : tín hiệu (output), biến điều khiển (controlled variable), giá trị thực (Process Value) yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback) yht = K.y ; e= r- yht e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error) Nếu K=1 thì: e=r-y u(t) : tín hiệu điều khiển z(t): tín hiệu nhiễu •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •10 •01/2009 10 1.3.1 Ngun tắc ĐK giữ ổn định (tt) 3) ðiều khiển phối hợp S
đ : r(t) e(t) z(t) Bộ điều khiển u(t) y(t) ðối tượng ∗ Đặc điểm: Kết hợp mạch bù nhiễu mạch hồi tiếp - Mạch bù nhiễu tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng nhiễu đo - Mạch hồi tiếp tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo nhiễu khơng đo •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •14 •01/2009 14 1.3.3 Ngun tắc ĐK thích nghi S
đ : z(t) Chỉnh định r(t) v(t) u(t) ðiều khiển y(t) ðối tượng ∗ Đặc điểm: - Sử dụng thêm chỉnh định - Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thơng số điều khiển cho hệ thích ứng với biến động mơi trường •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •15 •01/2009 15 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển 1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp ∗ Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp Hệ kín có loại vòng hồi tiếp nhiều vòng hồi tiếp ∗ Hệ hở: Khơng dùng mạch hồi tiếp ⇒ phù hợp với ứng dụng khơng đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao 1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mơ tả tốn học ∗ Hệ liên tục ∗ Tín hiệu truyền hệ hàm số liên tục theo tgian ∗ Mơ tả phương trình vi phân ∗ Hệ rời rạc ∗ Tín hiệu truyền hệ dạng chuỗi xung / mã số ∗ Mơ tả phương trình sai phân •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •16 •01/2009 16 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt) ∗ Hệ tuyến tính (lý tưởng) ∗ Đặc tính tĩnh phần tử tuyến tính (tín hiệu xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào) ∗ Mơ tả phương trình vi phân/sai phân tuyến tính ∗ Áp dụng ngun lý xếp chồng đáp ứng ⇔ Nếu có nhiều tín hiệu vào đồng thời: r1, r2,…, rn Thì tín hiệu ra: y = y1 + y2 +…+ yn ∗ Hệ phi tuyến ∗ Các hệ thống thực tế phi tuyến (Rơle ON-OFF, khuếch đại bão hồ, khe hở, trễ, chết,…) ∗ Có thể tuyến tính hố giá trị biến thay đổi phạm vi nhỏ •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •17 •01/2009 17 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt) ∗ Hệ bất biến (hệ dừng) ∗ Các thơng số hệ (như khối lượng, độ cứng, ma sát, R, L, C) số theo thời gian ∗ Mơ tả phương trình vi phân/sai phân hệ số ∗ Đáp ứng hệ khơng phụ thuộc thời điểm tác động tín hiệu vào ∗ Hệ biến đổi theo thời gian (hệ khơng dừng) ∗ Ví dụ : tên lửa có khối lượng m= m(t) 1.4.3 Phân loại theo số lượng tín hiệu vào-ra ∗ Hệ SISO (Single Input – Single Output): ngõ vào – ngõ ∗ Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output) : nhiều ngõ vào – nhiều ngõ Mơn học Điều khiển tự động (45 tiết) chủ yếu khảo sát hệ thống tuyến tính bất biến SISO •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •18 •01/2009 18 1.5 Các tốn 1) Bài tốn phân tích Biết cấu trúc thơng số hệ thống u cầu: ∗ Xét tính ổn định hệ thống ⇔ y(∞) = const ? ∗ Tìm hàm đáp ứng y(t) biết tín hiệu vào r(t) ∗ Biểu diễn y(t) đồ thị ∗ Đánh giá chất lượng q trình điều khiển (xác định sai số xác lập e (∞), thời gian ổn định ts , độ vọt lố POT,…) •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •19 •01/2009 19 1.5 Các tốn •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •20 •01/2009 20 1.5 Các tốn 2) Bài tốn thiết kế Biết cấu trúc thơng số đối tượng điều khiển u cầu: ∗ Thiết kế điều khiển (xác định loại thơng số tối ưu điều khiển) để hệ thống đạt u cầu chất lượng đề •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •21 •01/2009 21 1.6 Các ví dụ ứng dụng ∗ Hệ điều khiển tốc độ động Diesel, tuabin •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •22 •01/2009 22 1.6 Các ví dụ ứng dụng ∗ Hệ điều khiển tốc độ động DC •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •23 •01/2009 23 1.6 Các ví dụ ứng dụng ∗ Hệ điều khiển tốc độ động servo •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •24 •01/2009 24 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) ∗ Hệ thống điều khiển máy trộn •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •25 •01/2009 25 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) ∗ Hệ thống điều khiển nhiệt độ •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •26 •01/2009 26 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) ∗ Hệ thống điều khiển máy CNC •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •27 •01/2009 27 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển ∗ Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960) ∗ Maxwell (1968) mơ tả hệ thống ph trình vi phân, tuyến tính hố điểm làm việc, chứng minh tính ổn định hệ phụ thuộc vào nghiệm có phần thực dương ph trình đặc tính ∗ Routh (1877), Hurwitz (1895): Tiêu chuẩn ổn định đại số Nyquist (1932), Bode (1940s): Tiêu chuẩn ổn định tần số Evans (cuối 1940s - đầu 1950s): Phương pháp quỹ đạo nghiệm Sử dụng mơ hình tốn: hàm truyền, đáp ứng tần số Ứng dụng thiết kế hệ liên tục tuyến tính SISO, điều khiển PID, điều khiển sớm-trễ pha ∗ Lý thuyết điều khiển đại (~ 1960 đến nay) ∗ Sử dụng mơ hình tốn: phương trình trạng thái ∗ Ứng dụng thiết kế hệ MIMO, điều khiển số: vi xử lý, máy tính ∗ Lý thuyết điều khiển thơng minh ∗ Điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật tốn di truyền ∗ Thiết kế hệ thống khơng cần dùng mơ hình tốn học ∗ ∗ ∗ ∗ •Bộ mơn : Cơ ðiện Tử Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC •28 •01/2009 28