Xử lý tín hiệu số: Giáo trình điều khiển số, ĐH GTVT

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐAI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BÀI GIẢNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TÊN HỌC PHẦN : ĐIỀU KHIỂN SỐ MÃ HỌC PHẦN :13310 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG - 2010 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Điều khiển số Loại học phần: Bộ môn phụ trách giảng dạy: Điện tự động công nghiệp Khoa phụ trách: Điện - ĐTTB Mã học phần: 13310 Tổng số TC: 03 TS tiết Lý thuyết Thực hành Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 60 45 15 X Điều kiện tiên quuyết: Sinh viên phải học thi đạt học phần sau đăng ký học phần này: Lý thuyết điều khiển tự động, Kỹ thuật vi xử lý, Tổng hợp hệ điện Mục tiêu học phần: Môn học truyền đạt kiến thức phục vụ phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tự động sử dụng vi xử lý (µP, µC, DSP) Nội dung chủ yếu - Nghiên cứu cấu trúc hệ thống điều khiển số, mơ hình tín hiệu mơ hình hệ thống miền thời gian gián đoạn - Khảo sát ổn định hệ thống điều khiển số - Các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển số miền thời gian xấp xỉ liên tục miền thời gian gián đoạn - Thực kỹ thuật hệ thống điều khiển số vi xử lý, vi điều khiển, DSP Nội dung chi tiết học phần TÊN CHƯƠNG MỤC Chương 1: Mơ hình tín hiệu hệ thống Cấu trúc sở hệ thống ĐK số Mơ hình tín hiệu miền ảnh z Mơ hình hệ thống miền ảnh z Chương 2: Điều khiển có phản hồi đầu Xét ổn định hệ thống số Thiết kế miền thời gian xấp xỉ liên tục Thiết kế miền thời gian gián đoạn Một số dạng mở rộng Chương 3: Điều khiển có phản hồi trạng thái Ôn lại kiến thức sở Mơ hình trạng thái gián đoạn CuuDuongThanCong.com PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TS LT BT TH KT 12 38 11 18 13 3 23 12 1 0 2 0 0 2 0 0 1 0 0 https://fb.com/tailieudientucntt Tính điều khiển tính quan sát Cấu trúc hệ thống ĐK số không gian trạng thái Một số dạng mở rộng Chương 4: Thực kỹ thuật hệ thống ĐK số Ảnh hưởng số hóa (lượng tử hóa) biên độ Thiết kế hệ thống máy tính (MATLAB) Thiết kế hệ thống vi điều khiển Ôn tập 2 1 12 5 1 0 1 0 0 0 0 Nhiệm vụ sinh viên: Lên lớp đầy đủ chấp hành quy định Nhà trường Thí nghiệm đầy đủ, nộp báo cáo hạn hoàn thành tập lớn Giáo trình tài liệu tham khảo Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi (1998), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Dỗn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2007), Điều khiển số - Digital control (Bachelor & Master) Bài giảng dành cho học viên cao học ngành TĐH ĐKTĐ trường ĐH Bách Khoa Hà Nội GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phạm Tuấn Anh (2010), Bài giảng điều khiển số Dogan Ibrahim (2006), Microcontroller Based Applied Digital Control, John Wiley & Sons, Ltd Houpis & Lamont (1995), Digital Control Systems, Mcgraw-Hill Gene F Franklin (2004), Digital control of dynamic systems- Third edition, Addision – Wesley Hình thức tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: Thi viết, thời gian làm bài: 90 phút Thang điểm: Thang điểm chữ A,B,C,D,F Điểm đánh giá học phần: Z = 0,4X + 0,6Y Bài giảng tài liệu thức thống mơn Điện tự động công nghiệp, khoa Điện – ĐTTB dùng để giảng dạy cho sinh viên Ngày phê duyệt: / / 2010 GV biên soạn Trưởng môn Ths Phạm Tuấn Anh TS Hồng Xn Bình CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỤC LỤC STT 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 Nội dung Mơ hình hệ thống điều khiển số Khái qt chung Mơ hình tín hiệu mơ hình hệ thống Điều khiển số truyền động điện So sánh điều khiển PLC với điều khiển khác Bài tập chương Ổn định hệ thống điều khiển số Ảnh hưởng vị trí điểm cực đến ổn định hệ thống Tiêu chuẩn ổn định đại số Tiêu chuẩn ổn định tần số Quỹ đạo điểm cực đặc tính hệ thống Bài tập chương Thiết kế điều khiển 3.1 Khái quát 3.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục 3.3 Thiết kế gián đoạn Bài tập chương 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 40 40 48 56 56 60 62 62 63 66 78 Thực kỹ thuật hệ thống điều khiển số Khái qt Mơ hình hệ thống truyền động điện DC Servo Cấu trúc hệ thống thực nghiệm Các kết nghiên cứu Thực nghiệm mơ hình CuuDuongThanCong.com Trang 1 28 32 https://fb.com/tailieudientucntt 82 92 93 87 101 105 Chương MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Khái quát chung 1.1.1 Những khái niệm Trong hệ thống khí đại, để điều khiển khiển hệ thống thay đổi theo thời gian đạt chất lượng mong muốn theo yêu cầu với độ ổn định xác cao cần thiết phải đưa điều khiển vào Vai trò điều khiển làm cho đầu hệ thống đạt chất lượng mong muốn theo yêu cầu Để đảm bảo xuất nhiễu mơ hình, hầu hết điều khiển thường có cấu trúc dạng phản hồi âm Khi người ta dùng cảm biến để đo đầu hệ thống điều khiển so sánh so với tín hiệu đặt Hoạt động điều khiển dựa giá trị tín hiệu sai lệch tín hiệu đặt giá trị đo cảm biến Bộ điều khiển dựa vào tín hiệu sai lệch để đưa tín hiệu điều khiển mong muốn cho hệ thống Các đối tượng điều khiển thường hệ thống tương tự bao gồm: Điện, thủy lực, khí nén hay thành phần khí Đầu vào đầu đối tượng tín hiệu tương tự Trong vài thập kỷ gần điều khiển số thay điều khiển tương tự thơng thường Chúng mạch kỹ thuật số, máy tính số hay vi xử lý Các ưu điểm hệ thống điều khiển số so với hệ thống điều khiển tương tự thơng thường  Độ xác: Điều khiển số biểu diễn với số với 12 bit hay nhiều để biểu diễn số đơn Điều làm cho sai lệch điều chỉnh nhỏ so với điều khiển tín hiệu tương tự Bởi tín hiệu tương tự bị tác động nhiễu làm cho việc điều khiển không cịn xác  Triệt tiêu sai lệch: Q trình xử lý số tín hiệu điều khiển bao gồm đến phép cộng phép nhân thực cách lưu trữ giá trị số Các giá trị sai lệch việc biểu diễn kỹ thuật số số học không đáng kể Ngược lại, với điều khiển tương tự thực với phần tử kỹ thuật điện thông thường như: điện trở tụ điện mà giá trị thực chúng bị biến đổi tác động bên Do vậy, so với điều khiển tương tự điều khiển số gần triệt tiêu sai lệch  Tính linh hoạt: Một điều khiển tương tự khó thay đổi thiết kế phần cứng Ngược lại điều khiển số viết phần mềm ta thay đổi cấu trúc chương trình so với chương trình gốc mà khơng làm ảnh hưởng tới hệ thống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Tốc độ: Kể từ năm 1980 đến tốc độ phần cứng máy tính tăng lên theo hàm mũ Điều làm tăng tốc độ xử lý trình, hệ thống lấy mẫu hay tạo tín hiệu điều khiển tốc độ cao Đồng thời chất lượng điều khiển tăng lên đáng kể dựa giám sát liên tục biến điều khiển  Chi phí: Hiện giá loại hàng hóa dịch vụ tăng, nhiên chi phí cho mạch kỹ thuật số lại giảm Có điều tiến công nghệ VLSI năm gần làm cho khả sản xuất mạch số trở nên tốt hơn, chất lượng tốt với độ tin cậy cao Người tiêu dùng mua sản phẩm với chi phí thấp Điều làm cho việc sử dụng điều khiển số trở nên kinh tế phổ biến 1.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển số Để điều khiển hệ thống hay trình hệ thống điều khiển phải đo tín hiệu đầu hệ thống hay q trình đó, từ gửi tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành Hầu hết ứng dụng thực tế đối tượng cấu chấp hành hệ thống tương tự Như ta thấy vấn đề điều khiển đối tượng điều khiển khơng “nói ngôn ngữ” Ngôn ngữ điều khiển số tín hiệu số, cịn ngơn ngữ đối tượng điều khiển tín hiệu tương tự Để chuyển đổi từ ngôn ngữ điều khiển sang ngôn ngữ trình người ta thường dùng biến đổi từ số sang tương tự gọi DAC Ngược lại để chuyển đổi ngơn ngữ q trình sang ngôn ngữ điều khiển người ta dùng biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số gọi ADC Để đo đầu trình điều khiển người ta dùng cảm biến lắp mạch phản hồi Như gộp tất vấn đề bàn luận lại ta mạch vịng kín hệ thống điều khiển số trình bày hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển số CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1.3 Một vài hệ thống ứng điều khiển số thực tế a) Hệ thống chăm sóc y tế Một vài bệnh mãn tính có qui định truyền thuốc hóc mơn vào thể tương ứng với mức độ nặng nhẹ khác bệnh Nổi bật số bệnh tiểu đường việc sản xuất hóc mơn insulin giúp điều tiết nồng độ đường máu bị suy giảm Khi người ta nghĩ đến việc thiết kế hệ thống truyền hóc mơn insulin vào thể giúp điều hòa lượng đường máu áp dụng điều khiển số Với hệ thống cần có cảm biến để đo lượng hóc mơn hay lượng chất dinh dưỡng có thể Thơng tin đo từ cảm biến truyền đến máy tính số, tính tốn lượng hóc mơn cần thiết để truyền vào thể bệnh nhân Sơ đồ khối hệ thống biểu diễn hình 1.2 (a) (b) Hình 1.2: Hệ thống chăm sóc y tế (a) Cấu trúc hệ thống điều khiển (b) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển b) Hệ thống điều khiển máy bay phản lực Các máy bay phản lực sử dụng hệ thống điều khiển số trang bị máy tính điều khiển tối tân Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển số sử dụng máy tính dùng máy bay phản lực trình bày hình 1.3 Ta thấy sơ đồ hình 1.3 để có CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt thể điều khiển cần có thông tin trạng thái động (tốc độ, nhiệt độ áp suất) thông tin trạng thái máy bay (tốc độ hướng) lệnh phi cơng (a) (b) Hình 1.3: Hệ thống điều khiển động phản lực (a) Máy bay phản lực F-22 dùng chiến đấu (b) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển c) Hệ thống điều khiển cánh tay máy Robot Cánh tay robot thực công việc lặp lặp lại với tốc độ độ xác cao mà khơng người khơng thể làm Chúng sử dụng rộng rãi cơng nghiệp q trình hàn sơn Có điều nhờ việc áp dụng điều khiển số để điều khiển tốc độ vị trí cánh tay robot Tất khớp tay máy robot điều phối máy tính giám sát, mà chuyển động khớp tay máy điều khiển điều khiển riêng biệt Máy tính cung cấp giao diện người – máy cho phép lập trình điều khiển để điều khiển chuyển động tay máy Các thuật tốn điều khiển tải xuống từ máy tính giám sát xuống vi xử lý hay gọi chip xử lý tín CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt hiệu số DSP Các chip DSP thực thi thuật tốn điều khiển tạo nên vịng điều khiển kín cho tay máy Hình vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy biểu diễn hình 1.4 (a) (b) Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tay máy robot (a) Tay máy Robot có bậc tự (b) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy d) Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng minh họa hình 1.5 Từ hình 1.5 ta thấy tín hiệu đầu từ cảm biến (cặp nhiệt ngẫu, điện trở nhiệt, v.v ) so sánh với nhiệt độ đặt Khi có sai lệch giá trị nhiệt đọ điều khiển gửi tín hiệu điều khiển để đóng mở van điện từ điều chỉnh lượng gas cấp vào Tín hiệu nhiệt độ đặt điều chỉnh chiết áp (a) (b) Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng (a) Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng (b) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển e) Máy gia cơng điều khiển máy tính số (CNC) Thơng tin hình dạng vật thể hành trình chuyển động bàn máy lưu trữ chương trình máy tính Trong q trình hoạt động, thông tin so sánh với tín hiệu phản hồi, xuất tín hiệu sai lệch Tín hiệu sai lệch tín hiệu đầu vào điều khiển, đầu điều khiển cho tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển biến đổi nguồn công suất để điều khiển động DC Servo truyền CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ix CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt x CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xii CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xiii CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xiv CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xv CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xvi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xvii CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xviii CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xix CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xx CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xxi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xxii CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xxiii CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... kT) e dt k 0  k s T  X * (s)   x(kT)e k 0 Đặt z  es T ( 1-1 2) ( 1-1 3) ( 1-1 4) Từ ( 1-1 3) ( 1-1 4) ta có:  X(z)   x(kT)z  k ( 1-1 5) k 0  X(z)   x k z  k hay k 0 X(z) gọi phép biến đổi...  ( 1-3 5) ( 1-3 6) 1  e  sT    e(iT)e  isT    s  i 0 Kết hợp với ( 1-1 2) ta 1  e  sT  E(s)    E * (s) s   ( 1-3 7) Như hàm truyền giữ mẫu bậc là:  e  sT WZOH (s)  s ( 1-3 8)... )  d2 ( 2-6 ) Khi tìm hàm truyền từ phương trình vi phân, ta viết dạng đa thức H ( s)  n2 s  2n s  n2 ( 2-7 ) So sánh hệ số ( 2-7 ) khai triển ( 2-6 ) ta thu   n d  n   ( 2-8 ) 42 CuuDuongThanCong.com