Đang tải... (xem toàn văn)
Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động. Trong mọi thời đại, các quá trình sản xuất luôn được điều khiển theo các qui luật kinh tế. Có thể nói giá thành là một trong những yếu tố quan trọng xác định nhu cầu phát triển tự động hóa. Không một sản phẩm nào có thể cạnh tranh được nếu giá thành sản phẩm cao hơn các sản phẩm cùng loại, có tính năng tương đương với các hãng khác. Trong bối cảnh nền kinh tế đang phải đối phó với các hiện tượng như lạm phát, chi phí cho vật tư, lao động, quảng cáo và bán hàng ngày càng tăng buộc công nghiệp chế tạo phải tìm kiếm các phương pháp sản xuất tối ưu để giảm giá thành sản phẩm. Điều khiển tự động sẽ góp phần làm tốt những nội dung trên
MỞ ĐẦU Ngày Điều khiển tự động ứng dụng hầu hết lĩnh vực kinh tế đời sống sinh hoạt hàng ngày an ninh - quốc phòng Do việc nắm vững kiến thức điều khiển tự động yêu cầu tất yếu cán kỹ thuật tất ngành nghề liên quan Môn học Lý thuyết điều khiển tự động nhằm trang bị cho học viên kiến thức hệ thống điều khiển tự động, phương pháp biểu diễn hệ thống điều khiển tự động, đánh giá tính ổn định, thiết kế hệ thống điều khiển tự động thực hành số nội dung học Bài chương trình nhằm giới thiệu khái niệm điều khiển tự động, thành phần hệ thống điều khiển tự động, nguyên tắc điều khiển phân loại hệ thống điều khiển tự động NỘI DUNG I KHÁI NIỆM A KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống đạt mục đích định trước Điều khiển tự động q trình điều khiển khơng cần tác động người Vai trò điều khiển: - Cải thiện đáp ứng hệ thống - Tăng suất, hiệu kinh tế B CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Trong đó: - r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t) (controlled output): tín hiệu - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t) (error): sai số - u(t) : tín hiệu điều khiển C CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động biết cấu trúc thơng số Bài tốn đặt sở thơng tin biết tìm đáp ứng hệ thống đánh giá chất lượng hệ Bài toán giải Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc thông số đối tượng điều khiển Bài toán đặt thiết kế điều khiển để hệ thống thỏa mãn yêu cầu chất lượng Bài tốn nói chung giải Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc thông số hệ thống Vấn đề đặt xác định cấu trúc thông số hệ thống Bài tốn khơng phải lúc giải II CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN A NGUYÊN TẮC CƠ BẢN: THƠNG TIN PHẢN HỒI Muốn q trình điều khiển đạt chất lượng cao, hệ thống phải tồn hai dòng thơng tin: từ điều khiển đến đối tượng từ đối tượng ngược điều khiển (dòng thơng tin ngược gọi thơng tin phản hồi tín hiệu hồi tiếp) 2 Điều khiển bù nhiễu: sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu c(t) mong muốn mà khơng cần quan sát tín hiệu c(t) Về nguyên tắc, hệ phức tạp điều khiển bù nhiễu khơng thể cho chất lượng tốt Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu Điều khiển san sai lệch : Bộ điều khiển quan sát tín hiệu c (t ), so sánh với tín hiệu vào mong muốn r(t ) để tính tốn tín hiệu điều khiển u (t ) Ngun tắc giúp điều khiển linh hoạt, loại bỏ sai lệch, thử nghiệm sửa sai liên tục Đây nguyên tắc điều khiển Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san sai lệch Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu điều khiển san sai lệch Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp B CÁC NGUYÊN TẮC THƯỜNG GẶP KHÁC Nguyên tắc đa dạng tương xứng Muốn trình điều khiển có chất lượng đa dạng điều khiển phải tương xứng với đa dạng đối tượng Tính đa dạng điều khiển 3 thể khả thu thập thông tin, lưu trữ thơng tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn định Ý nghĩa nguyên tắc cần thiết kế điều khiển phù hợp với đối tượng Nguyên tắc bổ sung Một hệ thống tồn hoạt động môi trường cụ thể có tác động qua lại với mơi trường Ngun tắc bổ sung ngồi thừa nhận có đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống ta phải điều khiển hệ thống lẫn hộp đen Vì vậy, thiết kế hệ thống điều khiển tự động, muốn hệ thống có chất lượng cao khơng thể bỏ qua nhiễu Ngun tắc dự trữ Để đề phòng bất trắc xảy thiếu thông tin thân hệ thống mơi trường hoạt động nó, cần phải thiết kế hệ thống có khả hoạt động điều kiện xấu thực tế (tức hệ thống thiết kế có thơng số tốt u cầu hoạt động thực tế) Vốn dự trữ không sử dụng điều kiện bình thường, cần thiết để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn Nguyên tắc phân cấp Để xây dựng hệ thống điều khiển cho đối tượng điều khiển phức tạp, cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho điều khiển trung tâm Đa số hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất sử dụng cấu trúc phân cấp hình chia làm ba cấp : cấp thực thi, cấp phối hợp, cấp tổ chức quản lý Hình 1.5 Cấu trúc phân cấp hình Nguyên tắc cân nội Để hệ thống hoạt động ổn định bền bỉ, cần xây dựng chế cân nội để tự giải biến động xảy bên hệ thống III PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN A PHÂN LOẠI DỰA TRÊN MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG Hệ thống liên tục: Hệ thống mơ tả tốn học phương trình vi phân Hệ thống rời rạc: Hệ thống mơ tả tốn học phương trình sai phân Hệ thống tuyến tính: Hệ thống mơ tả phương trình vi phân/sai phân tuyến tính 4 Hệ thống phi tuyến: Hệ thống mô tả phương trình vi phân/sai phân phi tuyến Hệ thống bất biến theo thời gian: Hệ số phương trình vi phân/sai phân mô tả hệ thống không đổi theo thời gian Hệ thống biến đổi theo thời gian: Hệ số phương trình vi phân/sai phân mơ tả hệ thống thay đổi theo thời gian B PHÂN LOẠI DỰA TRÊN SỐ NGÕ VÀO – NGÕ RA CỦA HỆ THỐNG Hệ thống SISO (Single Input – Single Output): Hệ thống ngõ vào - ngõ Hệ thống MIMO (Multi Input – Multi Output): Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ C PHÂN LOẠI TRÊN CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN Điều khiển ổn định hóa Mục tiêu điều khiển kết tín hiệu tín hiệu vào chuẩn r(t) với sai lệch cho phép exl (sai số chế độ xác lập) Khi tín hiệu vào r(t) khơng đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổn định hóa hay hệ thống điều chỉnh, ví dụ hệ thống ổn định nhiệt độ, điện áp, áp suất, nồng độ, tốc độ, Điều khiển theo chương trình Nếu r(t) hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng hệ thống chép lại giá trị tín hiệu vào r(t) ta có hệ thống điều khiển theo chương trình Điều khiển theo dõi Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) hàm trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng c(t) bám sát r(t), ta có hệ thống theo dõi Điều khiển theo dõi sử dụng rộng rãi HTĐK vũ khí, hệ thống lái tàu, máy bay Điều khiển thích nghi Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số điều khiển cho hệ thích nghi với biến động điều kiện hoạt động 5 Hình 1.6 Nguyên tắc tự chỉnh định Điều khiển tối ưu - hàm mục tiêu đạt cực trị Ví dụ tốn quy hoạch, vận hành kỹ thuật, kinh tế phương pháp điều khiển tối ưu, thơng số điều khiển tính tốn để đạt cực trị (cực đại cực tiểu) IV MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hệ thống điều chỉnh mực nước bể Hình 1.7 Hệ thống tự động định vị bệ phóng tên lửa Hình 6 Hệ thống điều khiển tốc độ động nhiệt Hình 1.9 7 KẾT LUẬN Nội dung học khái niệm, thành phần, nguyên tắc điều khiển phương pháp phân loại hệ thống điều khiển tự động mà trọng tâm phần nguyên tắc điều khiển hệ thống điều khiển tự động Yêu cầu học viên nắm nội dung học để làm sở tiếp thu nội dung 8 ...A KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống đạt mục đích định trước Điều khiển tự động q trình điều khiển khơng... thống điều khiển tốc độ động nhiệt Hình 1.9 7 KẾT LUẬN Nội dung học khái niệm, thành phần, nguyên tắc điều khiển phương pháp phân loại hệ thống điều khiển tự động mà trọng tâm phần nguyên tắc điều. .. hiệu điều khiển u (t ) Ngun tắc giúp điều khiển linh hoạt, loại bỏ sai lệch, thử nghiệm sửa sai liên tục Đây nguyên tắc điều khiển Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san sai lệch Điều khiển