Bài giảng điều khiển số Digital control (bachelor)

Điều khiển số, báo cáo, thí nghiệm, báo cáo điều khiển số, TN điều khiển số

21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 1 Điềukhiểnsố (Digital Control Systems) PhầnA: Môn họctruyền đạtcáckiếnthứcphụcvụ phân tích, thiếtkế các hệ thống điều khiểntựđộng sử dụng vi xử lý (μP, μC, DSP). PhầnA baogồm các nội dung thuộcchương trình dành cho Đạihọc. (Version 6, 8/2011) 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 2 Điềukhiểnsố Chương 1: Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1. Cấutrúccơ sở củahệ thống ĐK số 2. Mô hình tín hiệutrênmiền ảnh z 3. Mô hình hệ thống trên miền ảnh z Chương 2: Điềukhiểncóphảnhồi đầura 1. Xét ổn định củahệ thống số 2. Thiếtkế trên miềnthờigianxấpxỉ liên tục 3. Thiếtkế trên miềnthời gian gián đoạn 4. Mộts ố dạng mở rộng 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 3 Điềukhiểnsố Chương 3: Điềukhiểncóphảnhồitrạng thái 1. Ôn lạicáckiếnthứccơ sở 2. Mô hình trạng thái gián đoạn 3. Tính ĐK được, QS được và các dạng chuẩn 4. Cấu trúc cơ bảncủahệ thống ĐK số trên không gian trạng thái 5. Mộtsố dạng mở rộng Chương 4: Thực hiện kỹ thuậthệ thống ĐK số 1. Ảnh hưởng của số hóa (lượng tử hóa) biên độ 2. Thiếtkế hệ thống bằng máy tính (MATLAB) 3. Thiếtkế hệ thống vi điều khiển 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 4 Điềukhiểnsố Tài liệuthamkhảo: [1] Isermann R.: Digitale Regelsysteme. Bd. I und II, Springer-Verlag, 2. Auflage, 1987-1988 [2] Franklin G.F., Powell J.D., Workman M.L.: Digital Control of Dynamic Systems. Addison Wesley, 2 nd 1994 [3] Quang Ng.Ph.: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sưđiềukhiểntựđộng. Nhà xuấtbản KH&KT, 2004 [4] Quang Ng.Ph., Dittrich A.-J.: Vector Control of Three-Phase AC Machines. Springer, Berlin – Heidelberg, 2008 Chú ý: Giáo trình này sử dụng để dậycáclớp đạihọcvớithời lượng 45 tiết, bao gồm lý thuyếtvàvídụ. Với các lớp 60 tiết, sẽ dậygiống như lớp 45 tiếtnhưng có thêm bài tậplớn 12-15 tiết. 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 5 1. Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1.1 Cấutrúccơ sở củahệ thống ĐK số 11 0 011 kkk kk k pu pu pu qe qe qe μμ νν −− −− ++ + = +++   () ( ) ( ) 1 1 01 ÐC 1 1 01 Qz qqz qz Gz ppz pz P z ν ν μ μ − −− −− − +++ == +++   Khâu Điềuchỉnh: 1. Pt. Sai phân 2. Hàm truyền đạttrên miền ảnh z 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 6 1. Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1.1 Cấutrúccơ sở củahệ thống ĐK số •Khâu ĐC: sử dụng vi xử lý (microprocessor: μP), vi điềukhiển (microcontroller: μC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP) • Khâu DAC: có thể không tồntạimộtcáchtường minh, mà ẩndướidạng thiếtbị có chứcnăng DA. Ví dụ: khâu điềuchế vector điệnáp(khi điều khiển digital động cơ ba pha) • Khâu ADC: thường sử dụng khi đo đạc giá trị thựccủa đạilượng ra (ví dụ: đo dòng). Đôi khi tồn tạidướidạng khác như: đotốc độ quay bằng IE 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 7 1. Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1.1 Cấutrúccơ sở củahệ thống ĐK số Khâu ADC và quá trình trích mẫu đo () () () () [ ] [ ] 012 0, 1, 2, hay ,,, k uk u u u uuuu ⎡ ⎤⎡ ⎤ = ⎣⎦⎣ ⎦ = … … () ( ) ( ) () ( ) * 0 0 k k ut ukT t kT ut t kT δ δ ∞ = ∞ = ⎡ ⎤ =− ⎣ ⎦ =− ∑ ∑ Sau khi trích mẫu(lýtưởng) bằng ADC ta thu được chuỗi giá trị số: Để khảosáttínhiệugiánđoạn bằng công cụ Laplace (hay phân tích phổ), đồng thờitạo điềukiệnmôtả hỗnhợpvới các khâu liên tục, ta nhân chuỗivới hàm δ(t) và thu được dãy xung : 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 8 1. Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1.1 Cấutrúccơ sở củahệ thống ĐK số Khâu DAC và quá trình lưugiữ (nhớ) khi xuất () ( ) ( ) {} 0 111 k k ut u t kT t k T ∞ = ⎡ ⎤ =−−−+ ⎣ ⎦ ∑ () 0 1 sT skT k k e Us ue s − ∞ − = − = ∑ () ( ) ( ) * 1 sT H Us e Gs s Us − − == Mô hình tín hiệucódạng bậcthangtrên miềnthờigian: Chuyển sang miền ảnh Laplace: Từđóthuđượchàmtruyền đạtcủa khâu giữ chậm: 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 9 1. Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1.2 Mô hình tín hiệutrênmiền ảnh z () ( ) ( ) () ** 00 skT k kk ut ukT t kT U s ueδ ∞∞ − == ⎡ ⎤ ⎡⎤ =−⇒= ⎢ ⎥ ⎣⎦ ⎣ ⎦ ∑∑ Chuyểnphương trình mô tả dãy xung u * (t) sang miền ảnh Laplace: Thay: ta thu được: sT z e= () () * 0 sT k k ez k Us Uz uz ∞ − = = ⎡ ⎤ == ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ∑ Ví dụ: Một tín hiệugiánđoạnvề thờigianchotrướcbởi 00 0 k k k u ak ⎧ < ⎪ ⎪ = ⎨ ⎪ ≥ ⎪ ⎩ Ảnh z củatínhiệukể trên: () () 00 k kk kk a Uz az z ∞∞ − == ⎛⎞ ⎟ ⎜ == ⎟ ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝⎠ ∑∑ Chuỗitrênchỉ hộitụ khi , tứclàở vùng phía ngoài đường tròn có bán kính a → vai trò quan trọng củaTđối với ổn định củahệ thống. 1az< 21 August 2011 Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 10 1. Mô hình tín hiệuvàhệ thống 1.3 Mô hình hệ thống trên miền ảnh z Hệ thống ĐK số bao gồm 2 loạikhâucơ bản: 1. Khâu có bảnchấtgián đoạn: Các tín hiệuvào/ra/ trạng thái đềugiánđoạn về thờigianvàvề mức. Khâu mô tả các thiếtbị ĐK digital. 2. Khâu có bảnchấtliên tục: Mô tả đốitượng điều khiển. Khi gián đoạn hóa sẽđưa đếnmôhìnhnhư hình bên. Việcgiánđoạn hóa xuấ t phát từ mô hình trạng thái liên tụccủa đối tượng. . - Automatic Control 1 Điềukhiểnsố (Digital Control Systems) PhầnA: Môn họctruyền đạtcáckiếnthứcphụcvụ phân tích, thiếtkế các hệ thống điều khiểntựđộng. habil. Nguyễn Phùng Quang Electrical Engineering - Automatic Control 3 Điềukhiểnsố Chương 3: Điềukhiểncóphảnhồitrạng thái 1. Ôn lạicáckiếnthứccơ sở 2. Mô hình