Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

(NB) Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm chung, điều khiển và điều chỉnh, các loại điều khiển, điều chỉnh, tín hiệu, các quan hệ trong sơ đồ luồng tín hiệu,...

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Tác giả (chủ biên) PHẠM THỊ THÙY DUNG

GIÁO TRÌNH

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

(Lưu hành nội bộ)

Mọi trích dẫn, sử dụng giáo trình này với mục đích khác hay ở nơi khác đều phải được sự đồng ý bằng văn bản của trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội

LỜI NÓI ĐẦU

Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế

Nội dung của giáo trình “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,

Giáo trình nội bộ này do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm nhiều năm làm công tác trong ngành đào tạo chuyên nghiệp Giáo trình được biên soạn ngắn gọn,

dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề

Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành

Xin trân trọng cảm ơn!

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

BÀI 1 KHÁI NIỆM CHUNG

1 Khái niệm chung

Điều khiển học (Cybernetic): Ngành khoa học nghiên cứu các quá trình điều

khiển và truyền thông trong các hệ thống gọi là điều khiển học Tuỳ theo đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, điều khiển học được chia thành: điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học kinh tế, điều khiển học sinh học, Trong các ngành kể trên, điều khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, là ngành phát triển nhất hiện nay Trong tài liệu này, chúng ta chỉ đề cập đến các vấn đề của điều khiển học kỹ thuật

Tín hiệu : Thông tin trong hệ thống điều khiển được thể hiện bằng các tín hiệu

Các tín hiệu có thể là dòng điện, điện áp, lực, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí, vận

tốc,… Mỗi phần tử điều khiển nhận tín hiệu vào từ một số phần tử của hệ thống và tạo nên tín hiệu ra đưa vào phần tử khác Hệ thống cũng giao tiếp với môi trường bên ngoài thông qua các tín hiệu vào, ra của nó Thay vì tên gọi tín hiệu vào, tín

hiệu ra người ta còn sử dụng khái niệm tác động và đáp ứng với nghĩa là: khi tác

động vào hệ thống một tín hiệu vào thì hệ thống sẽ có đáp ứng là tín hiệu ra Thông thường tín hiệu được biểu diễn toán học bằng hàm số của thời gian Trong sơ đồ hệ thống, các tín hiệu vào, ra thường được biểu diễn bằng các mũi tên như trên hình 1.1

Hệ thống điều khiển đơn giản

Điều khiển theo mạch hở: là điều khiển theo tác động đặt trước (hay điều

khiển theo chương trình), tức là nhiệm vụ điều khiển đặc trưng bởi lượng vào

x(t) đã được định sẵn trước bằng cơ cấu đặt hoặc cơ cấu chương trình, kết quả

điều khiển chỉ phụ thuộc vào nhiệm vụ điều khiển

Hình 1: Sơ đồ khái quát hệ điều khiển theo mạch hở

Ưu điểm: Điều khiển theo mạch hở có ưu điểm là hệ điều khiển có cấu trúc

Sơ đồ khái quát hệ thống điều khiển theo mạch kín được trình bày trên hình

1.5

Hệ thống điều khiển theo mạch kín thực chất là hệ thống ĐKTĐ, vì ở đây

quá trình điều khiển xảy ra mà không có sự tham gia trực tiếp của con người và

quá trình điều khiển hoàn toàn do các thiết bị thực hiện

Mạch phản hồi đưa tín hiệu ra trở lại đầu vào, như trên hình 1.4 là mạch

phản hồi chính, để phân biệt với các mạch phản hồi khác có thể có trong các hệ

thống ĐKTĐ, đó là các mạch phản hồi phụ hay mạch phản hồi hiệu chỉnh sê

được xét ở các phần sau của sách này Mạch phản hồi chính là mạch phản hồi

xác định nguyên lý làm việc của hệ thống ĐKTĐ Mạch phản hồi trên sơ đồ

hình1.5 là mạch phản hồi gián tiếp vì được thực hiện thông qua cơ cấu đo lường

và còn có tên gọi là phản hồi khác đơn vị, vì CCĐL tạo ra toán tử biến đổi tín

hiệu khác 1 Trong thực tế có các hệ thống ĐKTĐ, do bản chất vật lý và tỷ lệ

giống nhau giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào, phản hồi chính trong hệ là phản hồi

trực tiếp, có nghiã là lượng ra được đưa về trực tiếp so sánh với lượng vào không

thông qua CCĐL Phản hồi trực tiếp còn gọi là phản hồi đơn vị, vì toán tử truyền

tín hiệu của mạch phản hồi bằng 1 Hình 1.6 trình bày sơ đồ khái quát hệ thống

ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp

Hình 1: Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển theo nguyên lý mạch kín (có phản hồi)

BÀI 2 ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH

Hệ thống điều khiển trực tiếp hoặc điều khiển không trực tiếp

Hệ thống điều khiển có thể là hệ thống điều khiển trực tiếp hay không trực tiếp

Hệ thống điều khiển trực tiếp là hệ thống điều khiển không có quá trình

khuếch đại tín hiệu (ở đây cần hiểu là tín hiệu từ cơ cấu đo lường) Tín hiệu từ cơ cấu đo lường trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành

Hệ thống điều khiển không trực tiếp (gián tiếp) là hệ thống điều khiển trong

đó tín hiệu từ cơ cấu đo lường được khuếch đại nhờ nguồn năng lượng bên ngoài đưa đến để cho cơ cấu chấp hành hoạt động

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống mà quá trình điều khiển được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con

Sơ đồ nguyên lý là sơ đồ mô tả đến chi tiết các phần tử có trong hệ thống mà

qua đó chúng ta có thể hiểu được tương đối cặn kẽ nguyên lý tác động của hệ thống ĐKTĐ

Sơ đồ nguyên lý bao gồm sơ đồ nguyên lý chi tiết và sơ đồ nguyên lý đơn giản

Sơ đồ khối là sơ đồ trên đó diễn tả các phần tử tạo nên hệ thống dưới dạng

các khối ô vuông riêng biệt, trong đó chỉ rõ tên gọi của từng khối và các mối liên

hệ giữa các khối đó dưới dạng các mũi tên chiều truyền tín hiệu trong hệ thống

Sơ đồ chức năng là sơ đồ khối nhưng trong đó mỗi khối được chỉ rõ chức

năng mà mỗi khối thực hiện trong hệ thống đó (như chức năng đo lường, biến đổi, khuếch đại, hiệu chỉnh, chấp hành, v.v )

Hình 1: Sơ đồ khối khái quát hệ thống điều khiển tự động

Thiết bị hay cơ cấu điều khiển (CCĐK) còn gọi là bộ điều khiển (controller)

là tập hợp các phần còn lại của hệ thống có nhiệm vụ thực hiện quá trình điều

khiển, tạo ra tác động điều khiển tác động trực tiếp lên ĐTĐK để bảo đảm quá

trình cần điều khiển xảy ra theo quy luật mong muốn

Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) là thiết bị kỹ thuật mà trong đó xảy ra quá

trình cần điều khiển (thí dụ như mà ở đó cần duy trì nhiệt độ, mà ở đó cần điều khiển toạ độ của các dao cắt, của nó, động cơ mà chúng ta cần điều chỉnh tốc độ hay góc quay của nó, v.v )

VD: lò nhiệt, máy công cụ, máy bay cần điều khiển đường bay, anten rađa cần điều khiển góc quay

Đối với một hệ thống ĐKTĐ bao giờ cũng có thể chỉ ra đầu vào và đầu ra của hệ ở đầu vào có đặt tín hiệu vào hay lượng vào của hệ

Các tín hiệu tác động:

Tác động nhiễu: là các tác động gây ra sự sai lệch của kết qủa điều khiển,

tức là làm cho kết quả điều khiển (lượng ra) thay đổi không theo quy luật mong muốn

Các nguyên lý cơ bản xây dựng các hệ thống ĐKTĐ

Các hệ thống ĐKTĐ được xây dựng trên các nguyên lý cơ bản sau đâỵ

Hình 1.6 Sơ đồ khái quát hệ thống ĐKTĐ mạch kín có phản hồi trực tiếp (phản hồi đơn vị)

Nguyên lý điều khiển theo sai lệch

Hệ thống điều khiển theo nguyên lý sai lệch, hay nguyên lý phản hồi leeh

thô’ng` hệ nhờ có mạch phản hồi, trong hệ thống luôn có quá trình so sánh thông tin giữa nhiệm vụ điều khiển (tín hiệu vào) và kết quả điều khiển (tín hiệu

ra) của hệ Nếu giữa chúng tồn tại sai lệch thì CCĐK sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động lên ĐTĐK theo hướng để khử bỏ sai lệch đó Nhờ đó mà ĐTĐK luôn duy trì được quy luật biến đổi mong muốn Nguyên lý này còn có tên gọi là nguyên lý Polzunov-Watt, theo tên của hai nhà kỹ thuật Nga và Anh là những

người đầu tiên sáng chế ra các hệ thống ĐCTĐ mực nước và tốc độ quay của máy hơi nước (thế kỷ XVIII)

Nguyên lý điều khiển theo nhiễu loạn hay điều khiển theo nguyên lý bù nhiễu

Bản chất của nguyên lý điều khiển theo nhiễu (hay nói đầy đủ hơn là điều

khiển theo nguyên lý bù nhiễu) là ở chỗ: các nhiễu đo được (thường là các nhiễu chính tác động lên ĐTĐK) được biến đổi thành các tác động điều khiển (thông qua CCĐK) tác động lên ĐTĐK với mục đích bù trừ ảnh hưởng của chúng lên kết quả điều khiển Khi điều khiển theo nguyên lý này mục đích đạt tới là bù trừ hoàn toàn tác động của một nhiễu nhất định Hệ thống ĐKTĐ trong trường hợp

này được coi là bất biến (không phụ thuộc) đối với tác động nhiễu đó

Nguyên lý điều khiển theo nhiễu còn có tên gọi là nguyên lý Pônsêlê (tên

một nhà kỹ thuật Pháp người đầu tiên sử dụng nguyên lý này trong kỹ thuật)

Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ làm việc theo nguyên lý bù nhiễu trình bày trên hình 1.8

Sơ đồ khái quát của hệ thống ĐKTĐtác động theo nguyên lý bù nhiễu

VD: Hệ thống điều khiển và ổn định đường bay của tên lửa phòng không với các bộ cảm biến đo áp suất khí quyển, đo tốc độ của gió, đo gia tốc quá tải, đo góc xoay và tốc độ xoay của tên lửa, v.v đưa vào hệ thống điều khiển để ổn định đường bay của tên lửa

Nhược điểm: chỉ bù trừ một hoặc một vài nhiễu cơ bản và đo được, không ngăn chặn được ảnh hưởng của các nhiễu thứ yếu, không đo được

Ưu điểm: tính bất biến không phải là tuyệt đối bởi vì còn phụ thuộc vào tính

ổn định của các tham số ở CCĐK và ĐTĐK, mức độ chính xác và sự ổn định các tham số của mạch bù trừ

Nhiễu f(t)

CCĐL nhiễu

Ứng dụng: hệ thống ĐKTĐ xây dựng theo nguyên lý bù nhiễu ít khi sử dụng một cách độc lập

Nguyên lý điều khiển hỗn hợp

Hệ thống xây dựng theo nguyên lý điều khiển hỗn hợp là hệ thống kết hợp nguyên lý điều khiển theo mạch hở và theo mạch kín, tức là kết hợp điều khiển theo sai lệch và điều khiển theo nhiễu

Sơ đồ khối khái quát của hệ thống trình bày trên hình 1.9

Hệ thống hỗn hợp tận dụng được các ưu điểm của hai nguyên lý trên: nhờ mạch bù nhiễu sẽ khắc phục ảnh hưởng của các tác động nhiễu chủ yếu và nhờ

có mạch phản hồi sẽ thực hiện quá trình điều khiển và hạn chế tác động của các nhiễu còn lại

Các nguyên lý điều khiển trên gọi là hệ thống ĐKTĐ kinh điển

Một số nguyên lý điều khiển mới: điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững, nguyên lý điều khiển mờ, nguyên lý điều khiển nơ-ron

Phân loại các hệ thống điều khiển tự động

Các hệ thống ĐKTĐ còn khác nhau trên rất nhiều khía cạnh: đặc điểm truyền tín hiệu, tính chất của các tác động, số lượng tín hiệu vào và ra, bản chất toán học của hệ thống và nhiều đặc tính khác Tính chất đa dạng của các hệ thống ĐKTĐ đòi hỏi phải phân loại để có thể có phương pháp khảo sát, nghiên cứu thích hợp và đề ra các phương pháp tính toán, thiết kế chúng Việc phân loại được tiến hành theo các dấu hiệu phân loại khác nhau

Phân loại theo nguyên lý xây dựng

Các hệ thống ĐKTĐ có thể phân chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ theo mạch hở, hệ thống ĐKTĐ theo mạch kín và hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp

Hình 1.9 Sơ đồ khối khái quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp

f 1 f 2 f n (t)

CCĐL nhiễu

CCĐL z(t)

(t)

-

SS

Nhiễu

Phản hồi chính

Phân loại theo tính chất của tác động đầu vào

Tuỳ thuộc vào tính chất của tác động đầu vào x(t) các hệ thống ĐKTĐ có thể phân thành 3 loại sau;

Hệ thống điều khiển theo hằng số hay còn gọi là các hệ thống tự ổn định là

hệ thống có lượng vào x(t) không thay đổi (const)

Nhiệm vụ của của hệ thống ĐKTĐ là duy trì một hoặc một vài đai lượng vật

lý ở giá trị không đổi Đây là các hệ thống ĐCTĐ

VD: Các hệ thống ĐCTĐ tốc độ các loại động cơ, các hệ thống ĐCTĐ điện

áp, tần số của máy phát, các hệ thống ĐCTĐ nhiệt độ, áp suất, nồng độ dung dịch trong các ngành sản xuất công nghệ, v.v

Hệ thống điều khiển theo chương trình là các hệ thống ĐKTĐ có lượng vào

x(t) là các hàm đã biết trước dưới dạng các chương trình điều khiển

VD: Các hệ điều khiển đường bay định trước của máy bay không người lái,

hệ thống điều khiển tự động các máy công cụ: bào, phay, tiện với chương trình định trước trong bộ nhớ của máy tính số (máy CNC)

Hệ thống ĐKTĐ bám, gọi tắt là hệ bám là các hệ thống ĐKTĐ có lượng vào

x(t) là các hàm không biết trước và thay đổi theo quy luật bất kỳ

Nhiệm vụ của hệ thống ĐKTĐ là bảo đảm lượng ra y(t) phải "bám" theo sự thay đổi của lượng vào x(t)

VD: Các hệ như vậy là hệ bám đồng bộ góc dùng hệ thống xen-xin của các khí tài hay của các máy công cụ, các hệ thống bám vô tuyến điện tử của các đài ra-đa, v.v

Phân loại theo dạng tín hiệu sử dụng trong hệ thống ĐKTĐ

Theo dạng (hay phương pháp biến đổi và truyền) tín hiệu trong hệ thống ĐKTĐ, chúng ta có hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục và hệ thống ĐKTĐ tác động gián đoạn

Hệ thống ĐKTĐ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các

phần tử của hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian

Hệ thống ĐKTĐ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ thống ĐKTĐ gián đoạn, hay hệ rời rạc) là các hệ có chưa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có

lượng vào là một hàm liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian Tuỳ thuộc vào tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể phân chia thành: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiẻu rơ-le và hệ thống ĐKTĐ số

Hệ thống ĐKTĐ xung là hệ có sự gián đoạn của tín hiệu thay đổi xảy ra qua

Hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ-le là hệ trong đó sự gián đoạn của tín hiệu xảy ra

khi tín hiệu vào đi qua những giá trị ngưỡng nào đó (còn gọi là gián đoạn theo mức)

Hệ thống ĐKTĐ số là các hệ thống ĐKTĐ có chứa các phần tử gián đoạn

có tín hiệu ra dưới dạng mã số, tức là tín hiệu gián đoạn cả theo thời gian cả theo mức Đ

VD: Các hệ thống hoàn chỉnh dưới dạng bộ vi xử lý P, bộ xử lý tín hiệu số DSP, hoặc toàn bộ máy tính số Các hệ số đều có thể chứa các bộ biến đổi tương tự-số (A-D converter) và số-tương tự (D-A converter)

Phân loại theo dạng phương trình động học mô tả hệ thống ĐKTĐ

Về mặt toán học, các hệ thống ĐKTĐ hay các phần tử của chúng đều có thể

mô tả bằng các phương trình toán học: phương trình tĩnh và phương trình động Dựa vào tính chất các phương trình các các hệ thống ĐKTĐ được phân biệt thành các hệ thống ĐKTĐ tuyến tính và các hệ thống ĐKTĐ không tuyến tính (phi tuyến)

Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính là các hệ được mô tả bằng các phương trình toán học tuyến tính: phương tĩnh dưới dạng y = f(x) hoặc phương trình động là các phương trình vi phân hoặc sai phân là các phương trình tuyến tính

Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính có tham số không thay đổi hay hệ thống ĐKTĐ dừng

VD : Hệ thống điều khiển và ổn định đường bay của các thiết bị bay

Hệ thống ĐKTĐ không tuyến tính là các hệ thống ĐKTĐ được mô tả bằng

các phương trình toán học không tuyến tính Đó là các hệ có chứa các phần tử phi tuyến điển hình

VD : Hệ có chứa các phần tử rơ-le

Phân loại theo số lượng đại lượng cần điều khiển

Tuỳ thuộc vào số lượng đại lượng cần điều khiển hay điều chỉnh (lượng ra của hệ) chúng ta có hệ một chiều và hệ nhiều chiều

Hệ thống ĐKTĐ một chiều chỉ có một đại lượng cần điều khiển

Hệ thống ĐKTĐ nhiều chiều là hệ có từ hai đại lượng cần điều khiển trở

lên

VD: Hệ nhiều chiều là hệ thống ĐCTĐ máy phát điện xoay chiều, nếu hệ cùng một lúc ổn định cả hai tham số là điện áp và tần số phát ra của máy phát ở đây chúng ta có hệ ĐCTĐ hai chiều

2 Điều chỉnh

Điều chỉnh là quá trình điều khiển, khi nhiệm vụ của điều khiển là bảo đảm duy trì một hoặc một vài đại lượng vật lý cụ thể nào đó không thay đổi hoặc biến đổi theo một quy luật nhất định

Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ

Sơ đồ chức năng tổng quát của các hệ thống ĐKTĐ biểu diễn các phần tử trong hệ thống liên kết với nhau theo một trình tự nhất định Các phần tử đều được tạo thành từ các linh kiện, máy móc, thiết bị khác nhau và có bản chất vật

lý khác nhau, nhưng có thể có nhiệm vụ (chức năng) giống nhau

Hình 1.9 Sơ đồ chức năng tổng quát của hệ thống ĐKTĐ hỗn hợp

Phần tử 1 : cơ cấu đặt hay cơ cấu chương trình có nhiệm vụ tạo ra quy luật

thay đổi mong muốn của tín hiệu vào x(t), tức là tạo nhiệm vụ điều khiển

VD : Chương trình điều khiển từ máy tính, chiết áp, thiết bị cơ, điện – điện tử v.v )

Phần tử 2 + 5 : Cơ cấu so sánh và cơ cấu cộng có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu sai lệch hoặc có chức năng cộng các tín hiệu

Giải thích chi tiết trường hợp nào là cơ cấu cộng và trường hợp nào là cơ cấu sai lệch

Phần tử 3 + 6 là Cơ cấu khuếch đại thực hiện chức năng khuếch đại sơ bộ (cơ cấu 3) và khuếch đại công suất (cơ cấu 6) tín hiệu và đôi khi có cả chức năng biến đổi tín hiệu (từ một chiều thành xoay chiều hay ngược lại) cho phù hợp với phần tử đứng sau nó

VD : các bộ khuếch đại điện tử, bán dẫn, khuếch đại thuật toán; còn khuếch đại công suất có thể là các bộ khuếch đại từ, khuếch đại rơ le, khuếch đại máy điện, khuếch đại thuỷ lực, khuếch đại khí nén

-

+

+

Phản hồi hiệu chỉnh

Phần tử 4 + 9 : Các cơ cấu hiệu chỉnh có chức năng làm tốt hơn chất lượng qúa trình điều khiển bằng cách tạo ra các định luật điều khiển khác nhau trong

Phần tử 7 : Cơ cấu chấp hành (CCCH) có chức năng tạo ra tác động điều khiển tác động tực tiếp lên đối tượng điều khiển nhằm bảo đảm sự thay đổi của quy luật điều khiển mong muốn

VD : Các động cơ chấp hành, như các động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều hai pha hoặc ba pha, động cơ thuỷ lực hay khí nén Cơ cấu châp

hành công suất lớn còn có tên gọi là thiết bị sec-vô hay động cơ sec-vô

Phần tử 10 : Cơ cấu đo lường-biến đổi (bộ cảm biến) dùng để nhận thông

tin về kết quả điều khiển và biến đổi chúng về dạng tín hiệu phản hồi z(t) phù hợp để có thể so sánh với tín hiệu vào x(t)

Phần tử 11 Cơ cấu đo lường nhiễu loạn 11, như đã nói ở trên, dùng để đo

nhiễu và tạo tín hiệu bù trừ sai số do nhiễu gây ra trong điều khiển bất biến Cơ cấu này chỉ tồn tại khi hệ thống có điều khiển hỗn hợp

BÀI 3 CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN

Mục tiêu:

- Mô tả được các phương pháp điều khiển

- Ứng dụng trong mạch điều khiển

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập

1 Điều khiển tùy động

Nguyên tắc điều khiển thể hiện đặc điểm lượng thông tin và phương thức hình thành tác động điều khiển trong hệ thống Có ba nguyên tắc điều khiển cơ bản: nguyên tắc giữ ổn định, nguyên tắc điều khiển theo chương trình và nguyên tắc điều khiển thích nghi Khi thiết kế hệ thống ta dựa vào mục tiêu điều khiển, yêu cầu chất lượng và giá thành để chọn nguyên tắc điều khiển phù hợp nhất

1.3.1 Nguyên tắc giữ ổn định : Nguyên tắc này nhằm giữ tín hiệu ra ổn định và

bằng giá trị hằng số định trước Có ba nguyên tắc điều khiển giữ ổn định :

· Điều khiển bù nhiễu

Nguyên tắc này được dùng khi các tác động bên ngoài lên ĐTĐK có thể kiểm tra và đo lường được, còn đặc tính của ĐTĐK đã được xác định đầy đủ Bộ điều khiển sử dụng giá trị đo được của nhiễu để tính toán tín hiệu điều khiển u(t)

Nguyên tắc điều khiển này có ý nghĩa phòng ngừa, ngăn chặn trước Hệ thống

có khả năng bù trừ sai số trước khi nhiễu thực sự gây ảnh hưởng đến tín hiệu ra Tuy nhiên, vì trong thực tế không thể dự đoán và kiểm tra hết mọi loại nhiễu nên với

các hệ phức tạp thì điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng cao

Điều khiển san bằng sai lệch

Nguyên tắc này được dùng khi các tác động bên ngoài không kiểm tra và đo lường được, còn đặc tính của ĐTĐK thì chưa được xác định đầy đủ

Tín hiệu ra y(t) được đo và phản hồi về so sánh với tín hiệu vào r(t) Bộ điều khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t), điều chỉnh lại tín hiệu ra theo hướng làm triệt tiêu sai lệch

Nguyên tắc điều khiển này có tính linh hoạt, thử nghiệm và sửa sai Hệ thống có khả năng làm triệt tiêu ảnh hưởng của các nhiễu không biết trước và/hoặc không đo được Nhược điểm của nó là tác động hiệu chỉnh chỉ hình thành sau khi độ sai lệch

đã tồn tại và được phát hiện, tức là sau khi tín hiệu ra đã thực sự bị ảnh hưởng Các

quá trình trễ trong hệ làm cho tín hiệu ra không giữ được ổn định một cách tuyệt đối

mà thường có dao động nhỏ quanh giá trị xác lập

Hệ thống điều khiển san bằng sai lệch

Điều khiển phối hợp

Để nâng cao chất lượng điều khiển, có thể kết hợp nguyên tắc bù nhiễu và

nguyên tắc san bằng sai lệch Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ sai số tạo

ra bởi các nhiễu đo được, còn mạch điều khiển phản hồi sẽ hiệu chỉnh tiếp các sai

số tạo ra bởi các nhiễu không đo được

Hệ thống điều khiển phối hợp

2 Điều khiển theo chương trình

Khi tín hiệu vào r(t) không thay đổi theo thời gian ta

có hệ thống ổn định hoá hay hệ thống điều chỉnh Mục tiêu điều khiển của hệ

này là giữ cho sai số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra càng nhỏ càng tốt

Hệ thống điều khiển ổn định hoá được ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và

công nghiệp, điển hình là các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, điện áp, tốc độ, áp suất, lưu lượng, mức nước, nồng độ, độ pH,

Hệ thống điều khiển theo chương trình : Nếu tín hiệu vào r(t) là một hàm định

trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo chương trình Ứng dụng điển hình của loại này là các hệ thống điều khiển máy CNC, robot công nghiệp

Hệ thống theo dõi: Nếu tín hiệu vào r(t) là một hàm không biết trước theo thời

gian, yêu cầu điều khiển để đáp ứng y(t) luôn bám sát được r(t), ta có hệ thống theo dõi Điều khiển theo dõi thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển pháo phòng không, rađa, tên lửa, tàu ngầm,

- Hệ thống điều khiển thích nghi : Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc điều khiển

thích nghi

Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được phát ra do một chương trình định sẵn tác động vào thiết bị điều khiển

Ở đây x(t) là một hàm định trước (chương trình), yêu cầu tín hiệu ra y(t) của

hệ thống phải sao chép lại các giá trị của x(t) Tức là hệ phải thực hiện đúng các hoạt động theo chương trình đã lập

Ví dụ: Hệ thống gia công điều khiển số trong máy CNC, hệ thống thu thập và truyền số liệu

Nguyên tắc này giữ cho tín hiệu ra thay đổi đúng theo một hàm thời gian (chương trình) định trước

1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi (tự chỉnh định)

Khi cần điều khiển các đối tượng phức tạp, có thông số dễ bị thay đổi do ảnh hưởng của môi trường, hoặc nhiều đối tượng đồng thời mà phải đảm bảo cho một tín hiệu có giá trị cực trị, hay một chỉ tiêu tối ưu nào đó thì các bộ điều khiển với thông số cố định không thể đáp ứng được, khi đó ta phải dùng nguyên tắc thích nghi Sơ đồ hệ thống thích nghi như hình 1.7 Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số của bộ điều khiển sao cho hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường

Hệ thống điều khiển thích nghi

2.1 Điều khiển theo thời gian

2.2 Điều khiển theo trình tự

2.3 Điều khiển theo sơ đồ đường

2.4 Điều khiển theo chương trình có nhớ

Kết hợp với PLC điều khiển

BÀI 4 ĐIỀU CHỈNH

Mục tiêu:

- Mô tả được các phương pháp điều chỉnh

- Ứng dụng điều chỉnh trong thực tế

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập

1 Các đại lượng và các phạm vi trong mạch điều khiển

BÀI 5 TÍN HIỆU

Mục tiêu:

- Phân biệt các dạng tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập

Tín hiệu dạng số

3 Các tín hiệu liên tục và gián đoạn

3.1 Tín hiệu liên tục

Hệ tác động liên tục (gọi tắt là hệ liên tục) là hệ mà tất cả các phẩn tử của

hệ có lượng ra là các hàm liên tục theo thời gian

Tín hiệu dưới dạng hàm liên tục có thể là tín hiệu một chiều (chưa biến điệu) hoặc tín hiệu xoay chiều (đã được biến điệu) tương ứng chúng ta có hệ ĐKTĐ một chiều (DC) và hệ thống ĐKTĐ xoay chiều (AC) (thí dụ hệ thống bám đồng bộ công suất nhỏ dùng động cơ chấp hành 2 p ha)

3.2 Tín hiệu gián đoạn

Hệ tác động gián đoạn (gọi tắt là hệ gián đoạn hay hệ rời rạc) là các hệ có chứa ít nhất một phần tử gián đoạn, tức là phần tử có lượng vào là một hàm liên tục và lượng ra là một hàm gián đoạn theo thời gian

Tuỳ theo tính chất gián đoạn của lượng ra, các hệ gián đoạn có thể phân chia thành các loại: hệ thống ĐKTĐ xung, hệ thống ĐKTĐ kiểu rơ le và hệ thống ĐKTĐ số

Nếu sự gián đoạn của tín hiệu ra xẩy ra qua những thời gian xác định (ta gọi là gián đoạn theo thời gian) khi tín hiệu vào thay đổi, thì ta có hệ ĐKTĐ xung

Nếu sự gián đoạn của tín hiệu xẩy ra khi tín hiệu vào qua những giá trị ngưỡng xác định nào đó (chúng ta gọi là gián đoạn theo mức), thì có thể ĐKTĐ kiểu rơle Hệ rơle thực chất là hệ phi tuyến, vì đặc tính tĩnh của nó là hàm phi tuyến Đây là đối tượng nghiên cứu của một phần quan trọng trong lý thuyêt ĐK

Nếu phần tử gián đoạn có tín hiệu ra dưới dạng mã số (gián đoạn cả theo mức và cả theo thời gian), thì ta có hệ ĐKTĐ số Hệ thống ĐKTĐ số là hệ chứa các thiết bị số (các bộ biến đổi A/D, D/A, máy tính điện tử (PC), bộ vi

xử lý

BÀI 6 CÁC QUAN HỆ TRONG SƠ ĐỒ LUỒNG TÍN HIỆU

Mục tiêu:

- Ký hiệu và sơ đồ khối

- Nhận biết các khối chức năng trong mạch điều chỉnh

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập

1 Khái niệm

Phép biến đổi Laplace

Cho hàm f(t) là hàm xác định với t ≥ 0, biến đổi Laplace của f(t) là:

Biến đổi Laplcace một số hàm cơ bản

1-Tín hiệu bậc thang đơn vị:

Là loại tín hiệu thường dùng trong các hệ thống

điều khiển tự động ổn định hóa Tín hiệu có dạng:

0 0

)

(

1

t khi

t khi

Theo định nghĩa phép biến đổi Laplace ta có

0 st

) ( 1 )

(

t khi

t khi t

dt

d t

2

e t

e

 1

a

s sa

) 1 (

e at a

Hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến đổi tín hiệu vào khi điều kiện bằng 0

Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tự động

Trong đó a i i(  0, )n và b i j(  0, )m là thông số của hệ thống (a j  0,b j  0)

Giả sử điều kiện ban đầu bằng 0, biến đổi 2 vế ta có:

Đại số sơ đồ khối

Sơ đồ khối của một hệ thống là hình vẽ mô tả chức năng của các phần tử và sự tác động qua lại giữa các phần tử trong hệ thống Sơ đồ khối bao gồm khối chức năng, bộ tổng và bộ rẽ nhánh

Khối chức năng: tín hiệu ra của khối chức năng bằng tích tín hiệu vào và hàm truyền

Điểm rẽ nhánh: Là điểm tại đó các tín hiệu đều bằng nhau

Bộ tổng: Tín hiệu ra của bộ tổng bằng tổng đại số các tín hiệu vào

Thí dụ sơ đồ cấu trúc của một hệ thống ĐKTĐ

Các quy tắc biến đổi sơ đồ khối:( Đại số sơ đồ khối)

* Đại số sơ đồ khối là thuật toán để xác định hàm truyền đạt của hệ thống khi biết được hàm truyền đạt của các phần tử thành phần Nó bao gồm: Thuật toán

để xác định hàm truyền đạt của các phần tử mắc nối tiếp, mắc song song, mạch phản hồi và nguyên lí chuyển đổi tín hiệu

1.4.3.1 Các phép biến đổi tương đương

* Hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp

Hệ thống gồm các phần tử được gọi là mắc nối tiếp nếu: Tín hiệu ra của phần tử trước là tín hiệu vào của phần tử sau Do đó, tín hiệu vào của hệ thống là tín hiệu vào của phần tử đầu tiên, tín hiệu ra của phần tử cuối cùng là tín hiệu ra của hệ thống

) ( ) (

1

p W p

X

p Y p W

n

i i

) ( )

(

1

p W p

X

p Y p

W

n

i i

Kết luận: Hàm truyền của hệ thống gồm các phần tử mắc song song bằng tổng

đại số hàm truyền của các phần tử thành phần

Hệ thống gồm có 2 mạch: Mạch thuận và mạch phản hồi Tín hiệu ra của

mạch thuận là tín hiệu ra của hệ thống, là tín hiệu vào của mạch phản hồi

t

W W

W p

X

p Y p

) ( )

Mạch phản hồi dương:

Dễ dàng chứng minh được:

n t

t

W W

W p

X

p Y p W







1 ) (

) ( )

1.4.3.2 Chuyển đổi vị trí các tín hiệu

- Chuyển đổi vị trí tín hiệu nhằm đơn giản hóa sơ đồ khối, chuyển đổi các mạch

liên kết (các mối liên hệ) phức tạp thành các mạch liên kết (các mối liên hệ) đơn

giản trong sơ đồ khối, chẳng hạn: Mạch mắc song song, mạch mắc nối tiếp,

mạch mắc phản hồi Dựa vào đó để xác định hàm truyền đạt của hệ thống

- Nguyên tắc: Không làm thay đổi đường truyền tín hiệu trong hệ thống

Các thành phần trong sơ đồ cấu trúc

* Chuyển đổi tín hiệu vào

- Chuyển đổi tín hiệu vào từ trước 1 khối ra sau khối đó:

Hình 1-12

Ta có: Y = (X1 +X2)W

- Chuyển đổi tín hiệu vào từ sau 1 khối ra trước khối đó:

* Chuyển đổi tín hiệu ra

- Chuyển đổi tín hiệu ra từ trước 1 khối ra sau khối đó:

- Chuyển đổi tín hiệu ra từ sau 1 khối ra trước khối đó:

- Cộng tín hiệu vào ba bộ cộng ghép liên tiếp

- Chuyển tín hiệu ra từ sau G3 về trước G3

Khi đó, ta có sơ đồ khối tương đương:

H2 (-)

H1 (-)

Biến đổi tương đương sơ đồ khối trên, ta được:

) (

) 1

)(

1 ( 1

1

1

;

; 1

;

; 1

; 1

3 1 2 1 2 1 3

3 2

3 2 1 3

2 1 2 1 1

3 2 1 3

3 4 5 2 1 1

2 1 4

2 1 3 2 1

1 2

3 3 2

2 1

G H G G H G G

H G

G G G G

W W W W H

G W W G

W

G

W

W W

W W

G W W W W H

W W W

W W W H G

G W

G H

Áp dụng tính chất xếp chồng của hệ tuyến tính, tìm đáp ứng Y của hệ cho dưới

đây dưới tác dụng của kích thích X và nhiễu N:

G1

H2 (-)

H1 (-)

Khi N =0, sơ đồ khối của hệ như sau:

Dựa vào đại số sơ đồ khối, ta dễ dàng xác định được:

1 2 1 2 2

2 1

G G

2 1 2 2

2 1

1

G N

H G G H G

G G X

6 Các loại khối chức năng

7 Sơ đồ luồng tín hiệu

7.3 Cấu trúc vòng

Bài tập thực hành

BÀI 7: QUI TẮC CƠ BẢN ĐỂ BIẾN ĐỔI TRONG CÁC SƠ ĐỒ LUỒNG

TÍN HIỆU

Mục tiêu:

- Thực hiện được biến đổi các qui tắc cơ bản cuả sơ đồ khối, hàm truyền đạt

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập

1 Sự chuẩn hóa các đại lượng ngõ vào và ngõ ra

2 Sơ đồ khối

BÀI 8: TÌM HIỂU CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH

Mục tiêu:

Nguyên lý, chức năng các thông số cuả bộ điều chỉnh

1 Khái niệm chung

Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống

Nếu tín hiệu vào là hàm xung đơn vị x t( ) ( )t thì đáp ứng của hệ thống là

Đặc tính tần số của hệ thống tuyến tính liên tục mô tả quan hệ giữa tín hiệu

ra và tín hiệu vào của hệ thống ở trạng thái xác lập khi thay đổi tần số của tín hiệu dao động điều hòa tác động ở đầu vào của hệ thống

Xét tín hiệu tuyến tính liên tục có hàm truyền là G(s), giả sử tín hiệu vào dạng sin:

( ) ( ) ( ) X m ( )

Giả sử G(s) có n cực pi phân biệt thỏa mãn p i  j ta có thể phân tích Y(s) dưới dạng:

1

( )

n i

Trong đó P(ω) là phần thực, Q(ω) là phần ảo cuả đặc tính tần số hệ thống M(ω) là đáp ứng biên độ φ(ω) là đáp ứng pha

Quan hệ giữa các biểu diễn đó là:

ossin

L(ω) – là đáp ứng theo biên độ tính theo dB (decibel)

Biểu đồ Bode pha: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa đáp ứng pha φ(ω) theo tần số ω

Cả hai đồ thị được vẽ trong hệ trục tọa độ vuông góc với hoành độ ω chia theo thang Logarit cơ số 10, khoảng cách giữa 2 tần số hơn kém nhau 10dB

BÀI 9: LẮP RÁP, THÍ NGHIỆM ỨNG DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TRONG SƠ ĐỒ MẠCH

Thời gian:42 giờ

Mục tiêu:

- Nguyên lý hoạt động cuả bộ điều chỉnh;

- Điều chỉnh các thông số P, I, D

- Lắp ráp các bộ điều chỉnh trong sơ đồ

- Đánh giá chất lượng cuả các đường đặc tính thời gian

- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập

Các khâu động học điển hình

1 Bộ tỉ lệ

Hàm truyền G(s) = K (với K > 0)

Đặc tính thời gian Y(s) = X(s).G(s) = K X(s)

Vậy tín hiệu ra của khâu tỉ lệ bằng tín hiệu vào khuếch đại lên K lần

Đặc tính thời gian của khâu tỷ lệ

Hàm quá độ của khâu tích phân lý tưởng tăng đến vô cùng

Đặc tính thời gian của khâu tích phân lý tưởng