Giới thiệu về điều khiển số

Chương Giới thiệu điều khiển số M.S Le Thi Van Anh – Electrical Engineering – Automatic Control Giảng viên: Lê Thị Vân Anh Office: G204 Email: anhltv_cntd@epu.edu.vn Tài liệu tham khảo Katsuhiko Ogata, “Discrete time control systems”, Mc GrawHill International Edition , 1995 D Ibrahim, “Microcontroller Based Applied Digital Control” Gene F Franklin, J.David Powell, Michael Workman “Digital Control Dynamic Systems” 3rd Edition, Pearson, 2003 Ng Ph Quang, “Bài giảng Điều khiển số”, 2009 L H Viet, “Bài giảng điều khiển số” N.T.P.Hà & H.T.Hoàng, “giáo trình lý thuyết điều khiển tự động” Lược sử phát triển Đặc điểm HTĐK số Các dạng tín hiệu Dạng hệ thống Cấu trúc HTĐK số Ví dụ HTĐK số Lược sử phát triển Thời kỳ cổ đại Water clock (Greeks, 300 BC) Lược sử phát triển Thời kỳ trung đại Steam engine Lược sử phát triển Thời kỳ đại Classical Control (1930 – 1960) Feedback amplifiers, servomechanisms Continuous time, time invariant, SISO, mostly linear Root locus, Nyquist methods, Bode plot Modern Control – State space approach Kalman (1960) MIMO, time-varying Use of linear feedback to place all poles of LTI systems With the advent of low cost computation → digital control implementations became preferred Lược sử phát triển Điều khiển số 1960: Máy tính trình thiết lập ứng dụng điều khiển trình 1970: Bắt đầu ứng dụng rộng rãi máy tính điều khiển trình với loại ống bán dẫn tia Kathode 1971: Kỷ nguyên vi xử lý vi máy tính bắt đầu với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo bán dẫn Cho phép thực thi vi hệ thống điều khiển số 1975: Bộ điều khiển số khả trình dựa vi xử lý bắt đầu sản xuất có mặt thị trường Why Use Digital Control ? Often Cheaper Usually Smaller/lighter Usually needs Less power Often More precise Can Re-program Can use same component (with different programming) Generality Vấn đề hạn chế điều khiển số? Tốc độ tính toán xử lý hữu hạn Tính trễ xử lý gây ảnh hưởng xấu đến tính ổn định hệ thống điều khiển vòng kín Các dạng tín hiệu 10 Dạng hệ thống Trong hệ thống điều khiển số phân biệt hai loại hệ thống bản: Hệ thống có chất gián đoạn: Các tín hiệu vào/ ra/ trạng thái rời rạc thời gian mức →các thiết bị số Hệ thống có chất liên tục: Thường đối tượng điều khiển → điều khiển điều khiển số, phải thực gián đoạn hoá tín hiệu vào/ ra/ trạng thái từ mô hình liên tục đối tượng 11 Cấu trúc hệ thống điều khiển số 12 Cấu trúc hệ thống điều khiển số 13 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Bộ điều chỉnh: Sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP), vi điều khiển (microcontroller: µC), vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP) Chip khả trình mảng FPGA, CPLD, ASIC… 14 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Bộ chuyển đổi ADC Bộ trích mẫu lý tưởng trích mẫu mà hoạt động đóng mở thực tức thời theo chu kỳ T khoảng thời gian trích mẫu coi zero Khi trích mẫu thực chất chuỗi xung đơn vị mô tả toán học ∞ sau: δ T ( t ) = ∑ δ ( t − kT ) k =0 Đầu trích mẫu biểu diễn miền thời gian: ∞ ∞ x ( t ) = ∑ x ( kT ) δ ( t − kT ) = x ( t ) ∑ δ ( t − kT ) = x ( t ) δ T ( t ) * k =0 k =0 15 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Cấu trúc chuyển đổi ADC ADC 16 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Cần trích mẫu với tần số bao nhiêu? Các trích mẫu thường hoạt động với thiết bị vật lý có tốc độ trích mẫu hữu hạn Nếu tín hiệu cần trích mẫu biến đổi nhanh việc trích mẫu thực chậm làm thông tin tín hiệu phục hồi lại tín hiệu gốc từ thông tin nhận từbộ trích mẫu Lý thuyết trích mẫu phát biểu sau: “Nếu tín hiệu không chứa hài tần số lớn tầnsố trích mẫu hoàn toàn đặc trưng giá trị đo khoảng thời gian cách T = π / ωc “ Thực tế tần số trích mẫu mà thấp gây hậu nghiêm trọng đến tính ổn định hệ điều khiển vòng kín Do nên lựa chọn tốc độ trích mẫu lớn nhiều lần tần số tối thiểu theo lý thuyết trích mẫu .” 17 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Bộ chuyển đổi DAC: Có thể không tồn cách tường minh, mà ẩn dạng thiết bị có chức DA Ví dụ: khâu điều chế vector điện áp (khi điều khiển digital động ba pha) Các đối tượng điều khiển hệ thống số nói riêng hệ thống nói chung điều khiển trực tiếp tín hiệu tương tự ví dụ dạng dòng áp Vì tín hiệu điều khiển trích mẫu (rời rạc) phải chuyển đổi thành dạng tín hiệu tương tự Về lý thuyết việc phục hồi tín hiệu khoảng trích mẫuthực chất trình ngoại suy dựa thông tin giá trị trích mẫu trước kT, (k-1)T, (k-2)T,…,0 Để tăng tốc độ phục hồi, đơn giản hoá giảm giá thành thiết bị, tín hiệu phục hồi khoảng xấp xỉ giá trị trích mẫu thời điểm kT 18 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Để tăng tốc độ phục hồi, đơn giản hoá giảm giá thành thiết bị, tín hiệu phục hồi khoảng xấp xỉ giá trị trích mẫu thời điểm kT xk ( t ) = x ( kT ) kT ≤ t ≤ ( k + 1) T Hàm truyền đạt khâu giữ mẫu bậc − e− sT GZOH ( s ) = s 19 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Cấu trúc DAC 20 Ví dụ hệ thống điều khiển số 21 Ví dụ hệ thống điều khiển số Hệ thống điều khiển số máy công cụ 22 Ví dụ hệ thống điều khiển số Điều khiển lực nắm cánh tay Robot 23 Ví dụ hệ thống điều khiển số Hệ thống điều khiển động DC 24 Ví dụ hệ thống điều khiển số Hệ thống điều khiển động AC 25