Bài giảng Lý thiết điều khiển tự động: Chương 1 - Đại cương về hệ thống điều khiển

Bài giảng Lý thiết điều khiển tự động: Chương 1 - Đại cương về hệ thống điều khiển nêu lên khái niệm về hệ thống điều khiển, các nguyên tắc điều khiển, phân loại điều khiển, lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển.

BÀI GIẢNG LÝ THIẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Thạc sĩ VÕ VĂN ĐỊNH NĂM 2009 CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển 1.2 Các nguyên tắc điều khiển 1.3 Phân loại điều khiển 1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển 1.5 Một số ví dụ phần tử hệ thống tự động 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.1 Điều khiển gì? Định nghĩa: Điều khiển q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước Điều khiển tự động q trình điều khiển khơng cần tác động người 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.1 Điều khiển gì? Tại ta phải điều khiển?  Con không thỏa mãn với đáp ứng hệ thống  Hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ xác, tăng suất, tăng hiệu kinh tế  Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển có vai trị quan trọng việc phát triển tiến kỹ thuật công nghệ văn minh hiệ đại 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển r(t) + e(t) - Bộ điều khiển u(t) Đối tượng Cht(t) Cảm biến Trong đó:  r(t) (Reference input) : tín hiệu vào  c(t) (Controlled output) : tín hiệu  cht(t) : tín hiệu hồi tiếp  e(t) (Error) : sai số  u(t) : tín hiệu điều khiển c(t) 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển Để thực trình điều khiển định nghĩa hệ thống bắt buộc có thành phần sau:  Thiết bị đo lường (cảm biến)  Bộ điều khiển  Và đối tượng điều khiển 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển Thiết bị đo lường có chức thu thập thơng tin Bộ điều khiển có chức xử lý thông tin, định điều khiển Đối tượng điều khiển chịu tác động tín hiệu điều khiển 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.3 Các toán lĩnh vực điều khiển tự động Trong lĩnh vực điều khiển tự động có ba tốn sau:  Phân tích hệ thống  Thiết kế hệ thống  Nhận dạng hệ thống 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.3 Các toán 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 tốn ln giải 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.3 Các toán lĩnh vực điều khiển tự động  Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc thông số đối tượng điều khiển Bài toán đặc thiết kế điều khiển để hệ thống thỏa mãn yêu cầu chất lượng  Bài toán giải 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân nội Mỗi hệ thống cần xây dựng cân nội để có khã tự giải biến động xẩy 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển tùy theo mục đích phân loại:  Phân loại theo phương pháp phân tích thiết kế  Phân loại theo loại tín hiệu hệ thống  Phân loại theo mục tiêu điều khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích thiết kế a Hệ thống tuyến tính – hệ thống khơng tuyến tính Hệ thống tuyến tính khơng tồn thực tế, tất hệ thống vật lý phi tuyến Hệ thống tuyến tính mơ hình lý tưởng để đơn giản hóa q trình phân tích thiết kế hệ thống Tất hệ thống thực tế có đặc tính phi tuyến 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích thiết kế a Hệ thống tuyến tính – hệ thống khơng tuyến tính Các đặc tính phi tuyến thường đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lược hay tăng hiệu điều khiển Các hệ phi tuyến thường khó xử lý theo tốn học chưa có phương pháp chung để giải cho tất lớp hệ phi tuyến 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích thiết kế b Hệ thống bất biến – hệ thống biến đổi theo thời gian Khi thông số HTĐK không đổi suốt thời gian hoạt động hệ thống, hệ thống gọi hệ thống bất biến Thực tế, hầu hết hệ thống vật lý có phần tử trôi hay biến đổi theo thời gian Mặc dù hệ thống biến đổi theo thời gian khơng có đặc tính phi tuyến, coi hệ tuyến tính, việc phân tích thiết kế hệ thống phức tạp nhiều so với hệ tuyến tính theo thời gian 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.2 Phân loại theo loại tín hiệu hệ thống a Hệ thống liên tục Hệ thống liên tục hệ thống mà tín hiệu phần hệ thống hàm liên tục theo thời gian Trong tất HTĐK liên tục, tín hiệu phân thành AC hay DC HTĐK AC có nghĩa tất tín hiệu hệ thống điều điều chế vài dạng sơ đồ điều chế HTĐK DC hiểu đơn giản hệ có tín hiệu khơng điều chế, có tín hiệu xoay chiều 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.2 Phân loại theo loại tín hiệu hệ thống b Hệ thống rời rạc Khác với HTĐK liên tục, HTĐK rời rạc có tín hiêu hay nhiều điểm HT dạng chuỗi xung hay mã số Thông thường HTĐK rời rạc phân thành loại:  HTĐK lấy mẫu liệu  HTĐK số HTĐK DC hiểu đơn giản hệ có tín hiệu khơng điều chế, có tín hiệu xoay chiều 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển a Điều khiển ổn định hóa Mục tiêu điều khiển kết tín hiệu tín hiệu vào chuẩn r(t) với sai lệc cho phép exl (sai số chế độ xác lập) e(t) = r(t) – c(t)  exl Khi tín hiệu vào r(t) khơng đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổ định hóa hay hệ thống điều chỉnh 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển b 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 HTĐK theo chương trình Ví dụ: HTĐK máy công cụ CNC, hệ thống thu tập truyền số liệu hệ thống điện … 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển c 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) ln 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 … 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển d Điều khiển thích nghi n(t) Tự chỉnh r(t) v(t) Điều khiển u(t) c(t) Đối tượng Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số tham số điều khiển cho hệ thích nghi với biến động mơi trường ngồi 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển e Điều khiển tối ưu – hàm mục tiêu đạt cực trị Ví dụ tốn quy hoạch, vận trù kinh tế, kỹ thuật điều phương pháp tối ưu 1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 1.4.1 Điều khiển kinh điển (classical control) Điều khiển kinh điển có trước năm 1960 Lý thuyết điều khiển kinh điển mô tả hệ thống miền tần số (phép biến đổi Fourier) mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace) Lý thuyết điều khiển kinh điển chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian, mặt dù có vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, ví dụ phương pháp hàm mơ tả Các phương pháp phân tích thiết kế hệ thống lý thuyết điều khiển kinh điển gồm có phương pháp Nyquist, Bode, phương pháp quỷ đạo nghiệm số 1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 1.4.2 Điều khiển đại (modern control) Điều khiển đại từ khoảng năm 1960 đến Kỹ thuật thiết kế hệ thống đại dựa miền thời gian Mơ tả tốn học dùng để phân tích thiết kế hệ thống phương trình trạng thái Bộ điều khiển sử dụng chủ yếu thiết kế hệ thống điều khiển đại điều khiển hồi tiếp trạng thái Với phát triển lý thuyết điều khiển số hệ thống rời rạc, lý thuyết ĐK đại thích hợp để thiết kế ĐK chương trình phần mềm chạy vi xử lý máy tính số 1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 1.4.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) Điều khiển kinh điển điều khiển đại gọi điều khiển thơng thường, có khuyết điểm để thiết kế HTĐK cần phải biết mơ hình tốn học đối tượng Trong có đối tượng ĐK phức tạp, khó khơng thể xác định mơ hình tốn Điều khiển thơng minh giải Các phương pháp điều khiển thông minh điều khiển mơ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước hệ thống thông minh sinh học, ngun tắc khơng cần dùng mơ hình tốn học để thiết kế hệ thống, có khã ứng dụng thực tế cao ...CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1. 1 Khái niệm hệ thống điều khiển 1. 2 Các nguyên tắc điều khiển 1. 3 Phân loại điều khiển 1. 4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển 1. 5 Một... tích hệ thống  Thiết kế hệ thống  Nhận dạng hệ thống 1. 1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1. 1.3 Các toán lĩnh vực điều khiển tự động  Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động biết cấu trúc thông số Bài. .. trước Điều khiển tự động trình điều khiển khơng cần tác động người 1. 1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1. 1 .1 Điều khiển gì? Tại ta phải điều khiển?  Con không thỏa mãn với đáp ứng hệ thống  Hay muốn hệ thống