II.1.Giới thiệu qua về hệ truyền động điều chỉnh thích nghi II.1.1. Hệ thống điều khiển tự động
Một hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ) đợc xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu:
- Thiết bị điều khiển C (Controller). - Đối tợng điều khiển O (Object).
- Thiết bị đo lờng M (Measuring Device).
Sau đây là sơ đồ khối đơn giản nhất và tổng quát nhất :
Trong đó :
u là tín hiệu vào (Input). y là tín hiệu ra (Output).
x là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tợng O. e là sai lệch điều khiển .
z là tín hiệu phản hồi (phản hồi âm ký hiệu bằng dấu (-) khi z ngợc dấu với tín hiệu u).
Hệ thống điều khiển đợc phân làm hai loại : Hệ thống hở và hệ thống kín. Hệ thống hở thực hiện nguyên tắc khống chế cứng tức là tín hiệu ra y không cần đo lờng để đa trở về đầu vào. Mọi sự biến thiên của tín hiệu ra không ảnh vào thiết bị điều khiển. Tín hiệu u đặt thế nào thì tín hiệu ra cho thế ấy. Khả năng hồi chuyển của hệ thống hở không có. Hệ thống kín thực hiện nguyên tắc có phản
C M M O U Z e X y - +
hồi tức là tín hiệu ra y đợc đo lờng và phản hồi đến đầu vào, phối hợp với tín hiệu u tác dụng lên thiết bị điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển sau đó lại tác động lên đối tợng điều khiển để gây ảnh hởng lên tín hiệu ra y. Quá trình điều khiển là một quá trình có hồi chuyển .
Để điều khiển đối tợng theo một quá trình nào đó, thờng dùng ba nguyên tắc điều khiển cơ bản: nguyên tắc giữ ổn định; nguyên tắc điều khiển chơng trình và nguyên tắc tự chỉnh định.
II.1.1.1. Nguyên tắc giữ ổn định
Bất kỳ hệ thống ĐKTĐ nào cũng bị tác động của nhiễu và gây ra sai số. Hiện nay có ba nguyên tắc điều khiển cơ bản để thực hiện nguyên tắc giữ ổn định:
* Nguyên tắc điều khiển theo phơng pháp bù nhiễu:
Nếu tác động bên ngoài tác động vào lên đối tợng có thể kiểm tra và đol- ờng đợc, còn đặc tính của đối tợng xác định trớc, thì tín hiệu điều khiển x có thể xác định đợc theo tác động bên ngoài đó. Nguyên tắc điều khiển do tác động bên ngoài vào đối tợng và cả thiết
bị điều khiển gọi là nguyên tắc bù tác động bên ngoài.
Đối với hệ thống này ta phải tìm quan hệ X(U) để sao
cho thoả mãn điều kiện: Y = Yo = const, với Yo là tín hiệu ra cần giữ ổn định. Loại hệ thống này cồn có thể gọi là hệ thống bất biến nghĩa là tín hiệu ra y không phụ thuộc vào các tác động ngoài tác động vào hệ thống.
** Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch:
C O
F
YX X
Khi tác động bên ngoài không kiểm tra và đo lờng đợc còn đặc tính của đối t- ợng không xác định
đợc một cách đầy đủ thì nguyên tắc điều khiển bù tác động bên ngoài không cho phép giữ ổn định tín hiệu ra y. Khi đó ta phải thực hiện nguyên tắc điều khiển sai lệch. Đối với hệ thống này, tín hiệu ra y đợc phản hồi với đầu vào và kết hợp với tín hiệu vào u (thờng u và y tác dụng ngợc nhau để tạo ra phản hồi âm) để sinh ra sai lệch e = u - y tác động vào thiết bị điều khiển. Quá trình điều khiển sẽ kết thúc cho đến khi tín hiệu ra y = u = yo đã cho trớc. Loại hệ thống điều khiển theo nguyên tắc điều khiển theo sai lệch không có đặc tính bất biến tuyệt đối nghĩa là không giữ đợc tín hiệu ra y ổn định tuyệt đối bằng giá trị yo cho trớc mà vẫn còn một sai lệch nào đó.
*** Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp (theo sai lệch và bù nhiễu):
Để tạo ra các hệ thống bất biến tuỵệt đối tức là tín hiệu ra y không phụ thuộc vào tác động bên ngoài thờng ta dùng nguyên tác điều khiển hỗn hợp bao gồm cả nguyên tác sai lệch và nguyên tắc bù tác động bên ngoài.
YF F U E Z X - M O C
Nhiễu f(t) tác động lên đối tợng điều khiển ví dụ nh theo chiều hớng làm tăng tín hiệu ra y(t). Trong hệ có đa vào một thiết bi bù K có tác dụng ngợc dấu
với f , nghĩa là v tác dụng bù về phía trớc thiết bị điều khiển C để làm tín hiệu e giảm bớt. Nếu f tác dụng lên đối tợng điều khiển O để làm giảm tín hiệu ra y thì thiết bị bù K lại tạo ra tín hiệu bù v làm tăng y.
Ba nguyên tắc này dùng để giữ tín ra y. Tuỳ thuộc từng trờng hợp cụ thể mà có thể áp dụng nguyên tắc nào cho phù hợp với điều kiện thực tế. Tuy nhiên đối với hệ thống tự chỉnh định, ta cũng có thể áp dụng chúng trong từng trờng hợp cụ thể.
II1.1.2. Nguyên tắc điều khiển theo chơng trình
Nguyên tắc điều khiển theo chơng trình thờng áp dụng cho hệ thống hở và hệ thốn kín. Nguyên tắc điều khiển theo chơng trình là dựa vào yêu cầu của tín hiệu ra y phải biến đổi theo thời gian theo một chơng trình nào đó, chẳng hạn y(t) = yo(t). Dựa vào mô tả toán học của đối tợng điều khiển ta có thể xác định đợc tín hiệu điều khiển X(t) = Xo(t). Nếu thiết bị điều khiển thực hiện chơng trình để tạo ra X(t) = Xo(t) thì yêu cầu của bài toán đã đợc giải quyết. Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình điều kiển theo chơng trình ta dùng hệ thốn kín thực hiện theo ba nguyên tắc đã trình bày ở trên. Nguyên tắc điều khiển để giữ ổn định tín hiệu
Sơ đồ hệ thống điều khiển theo nguyên tắc hỗn hợp
C M M O v Z e X y - + K - U f
ra có thể xem là một trờng hợp riêng của nguyên tắ điều khiển chơng trình nếu yo(t) = const.
II.1.1.3. Nguyên tắc tự chỉnh định
Do thực tế cần điều khiển những đối tợng phức tạp hoặc nhiều đối tợng đồng thời mà nguyên tắc điều khiển theo chơng trình không sử dụng đến. Với yêu cầu điều khiển đối tợng để cho một tín hiệu nào đó đạt đợc giá trị cực trị hoặc đảm bảo một chỉ tiêu tối u nào đó, hoặc bất biến với bất kỳ tác động nào đó tác động lên đối tợng v.v... ta phải dùng đến nguyên tắc tự chỉnh định. Các hệ thống điều khiển theo nguyên tắc tự chỉnh định ta gọi là hệ thống tự chỉnh định hay là hệ thống thích nghi.
Gần đây do sự phát triển chóng của kỹ thuật vi xử lý và vi tính ngời ta đã tổng hợp ra các hệ thống điều khiển rất phức tạp trong đó thiết bị điều khiển chính là một máy vi tính có thêm các thiết bị ghép nối Tơng tự-Số AD (Analog- Digital) và Số-Tơng tự DA (Digital-Analog). Các thuật toán điều khiển đợc tính toán theo các bài toán tối u và thích nghi đợc viết bằng chơng trình ngôn ngữ C để điều khiển đối tợng bên ngoài. Việc phân loại hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ) có thể thực hiện theo nhiều phơng pháp khác nhau. Sau đây là các loại hệ thống ĐKTĐ điển hình :
(1)- Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính. (2)- Hệ thống phi tuyến tính.
(3)- Hệ thống liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ là các hàm liên tục theo thời gian.
(4)- Hệ thống rời rạc hay hệ thống xung số (hệ thống gián đoạn): Trong đó chỉ cần một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian.
(5)- Hệ thống tiền định : Là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệu truyền đạt trong hệ thống là các hàm theo thời gian xác định(không có tín hiệu ngẫu nhiên).
(6)- Hệ thống ngẫu nhiên: Là hệ thống trong đó chỉ cần một tín hiệu là hàm ngẫu nhiên.
(7)- Hệ thống tối u: Là hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp đợc một tín hiệu điều khiển u(t) tác động lên đối t- ợng nhằm chuyển trạng thái điều khiển tự động từ trạng thái đầu đến trạng thái
cuối với khoảng thời gian ngắn nhất (bài toán tối u tác động nhanh) hoặc làm cho hệ thống đạt độ chính xác điều khiển cao nhất.
(8)- Hệ thống thích nghi (hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh) là hệ thống có khả năng thích ứng tự động những biến đổi của điều kiện môi trờng và đặc tính của đối tợng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc sơ đồ của thiết bị điều khiển.
II.1.2. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện
Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện là một hệ thống điều khiển tự động, phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lợng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lợng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Hệ truyền động tự động truyền động điện có cấu trúc chung đợc trình bày ở hình dới đây: Động cơ truyền động M quay máy sản xuất Mx và thiết bị biến đổi năng lợng BĐ (đợc gọi là phần lực); các thiết bị đo lờng ĐL và các bộ điều chỉnh R (đợc gọi là phần điều khiển). Tín hiệu điều khiển hệ thống đợc gọi là tín hiệu đặt THĐ và ngoài ra còn có các tín hiệu nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống.
Động cơ truyền động thờng dùng động cơ điện một chiều, xoay chiều, động cơ bớc. Các động cơ điện đợc cấp năng lợng từ bộ biến đổi BĐ, ngày nay các bộ biến đổi thờng dùng là các bộ chỉnh lu thyristor, các bộ biến tần thyristor, tranzistor, các bộ biến đổi xoay chiều thyristor, bộ băm xung điện áp tranzistor và thyristor,v.v... Các bộ biến đổi này có hai chức năng: thứ nhất là biến đổi năng lợng điện từ dạng này sang dạng khác thích ứng với động cơ truyền động; thứ hai mang thông tin điều điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra bộ biến đổi (nh công suất, điện áp, dòng điện, tần số,... ). Tín hiệu điều khiển đợc lấy ra từ bộ điều chỉnh R. Các bộ điều chỉnh R nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lờng các đại lợng của truyền động. Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh đợc khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lợng động và tĩnh của hệ thống truyền động. Trong thực tế các đại lợng điều chỉnh của truyền động là mô men quay, tốc độ, vị trí. Để đảm bảo chất lợng của hệ, thờng có nhiều mạch vòng
ĐL
MNL NL
THĐ
Mô hình mạch điều chỉnh tự động truyền động điện tổng quát
điều chỉnh nh dòng điện, điện áp, tốc độ, từ thông, tần số, công suất, mô men,v.v.. Việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện tuỳ thuộc vào mục đích. Nếu nh quan tâm tới động cơ truyền động thì ta có truyền động động cơ một chiều, truyền động cơ xoay chiều, v.v.. Nếu quan tâm tới tín hiệu điều chỉnh ta có bộ điều chỉnh tơng tự (analog), bộ điều chỉnh số (digital) hoặc bộ điều chỉnh lại tơng tự và số. Mặt khác quan tâm tới cấu trúc hoặc thuật toán điều khiển ta có truyền động điều chỉnh thích nghi, truyền động điều chỉnh véc tơ v.v.. Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống ta có thể phân loại ra ba loại:
+ Hệ truyền động điều chỉnh tự động điều chỉnh duy trì theo lợng đặt trớc không đổi. Thí dụ duy trì tốc độ không đổi, duy trì mô men không đổi hoặc duy trì công suất không đổi.
+ Hệ điều chỉnh tuỳ động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí trong đó cần điều khiẻn truyền động theo lợng đặt trớc biến thiên tuỳ ý, chúng ta thờng gặp ở hệ truyền động quay anten, rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, v.v..
+ Hệ điều khiển theo chơng trình: Thực chất là hệ điều khiển vị trí nhng đại lợng đièu khiển lại tuân theo chơng trình đặt trớc. Thông thờng đại lợng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp cho nên cấu trúc của nó thờng gồm nhiều trục. Chơng trình điều khiển ở đây đợc mã hoá ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ, v.v.. Chúng ta thờng gặp hệ truyền động điều khiển theo chơng ttrình ở các trung tâm gia công cắt gọt kim loại, các dây truyền sản xuất có robot. Hệ điều khiển theo chơng trình có cấu trúc phức tạp nhất. Thông thờng nó cần thoả mãn yêu cầu của hai hệ truyền động trên và dùng điều khiển số có máy tính điện tử CNC (Computer Numeric Control).
II.1.3. Hệ truyền động điều chỉnh thích nghi
Hệ truyền động điều chỉnh tự động truyền động điện trong quá trình làm việc thờng thay đổi cấu trúc và tham số thí dụ nh : mạch từ máy điện bị bão hoà làm điện cảm suy giảm; điện trở của máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm viẹc của; đặc tính của bộ biến đổi điện tử công suất thay đổi do ảnh hởng của dòng điẹn phụ tải hoặc tốc độ làm việc v.v.. Nếu nh hệ thống truyền động điện có cấu trúc, tham số bộ điều chỉnh cố định và đợc chỉnh định theo tiêu chuẩn tối u nào đó ở các giá trị xác định của hệ, thì chất lợng của hệ không đợc đảm bảo. Vì vậy trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện yêu cầu chất lợng cao cần phải có mạch điều chỉnh với cấu trúc, tham số của nó có thể thay đổi đáp ứng theo sự biến thiên của hệ, sao cho đảm bảo yêu cầu chất lợng của hệ. Ngời ta gọi đó là hệ truyền động điều chỉnh thích nghi.
Cấu trúc chung của hệ truyền động điều chỉnh tự động thích nghi đợc trình bày ở hình dới, trong đó nó có phần cơ bản của hệ điều chỉnh và có thêm phần điều chỉnh thích nghi.
Tất cả sự thay đổi tham số của đối tợng điều chỉnh nhiễu loạn phụ tải và các tín hiệu điều khiển đợc đa vào mạch nhận dạng I, kết quả nhận dạng đợc đa vào mạch tính toán. Dựa trên các tiêu chuẩn chất lợng yêu cầu, mạch tính toán sẽ xác định tín hiệu điều chỉnh cho mạch thích nghi A, từ đó sẽ tác động lên các bộ điều chỉnh để thay đổi cấu trúc hoặc tham số của nó sao cho chất lợng của hệ đạt
yêu cầu chất lợng mong muốn.
Hệ truyền động điều chỉnh thích nghi có nhiều dạng khoác nhau, nếu phân loại chúng theo mục đích ta có:
(1)- Hệ truyền động điều chỉnh thích nghi tối u theo tiêu chuẩn tối u định trớc.
(2)- Hệ truyền động điều chỉnh thích nghi bất biến đảm bảo đặc tính động theo yêu cầu, mà không phụ thuộc vào nhiễu loạn phụ tải.
(3)- Hệ truyền động điều chỉnh thích nghi tự chỉnh.
Theo phơng pháp nhận dạng có thể phân hệ truyền động điều chỉnh thích nghi tự chỉnh:
(1)- Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu hở, trong đó tham số bộ điều chỉnh đợc chỉnh định trực tiếp dựa trên việc đo các tham số của hệ.
Cấu trúc chung hệ truyền động điều chỉnh thích nghi
21 1 S R I TT _- + A w X
(2)- Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu kín, trong đó mạch nhận dạng sẽ thực hiện nhận dạng hệ qua việc so sánh đặc tính yêu cầu và thực tế của hệ, từ đó thực hiện điều kiển hệ.
(3)- Hệ tự tìm kiếm, trong đó sẽ phát hiện ảnh hởng của sự thya đổi tính chất bộ điều chỉnh lên đặc tính của hệ.
Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu hở cần số lợng thông tin nhiều hơn so với mạch thích nghi kiểu kín, nó tác động nhanh hơn và đảm bảo hệ ổn định nhng chỉ bù đợc ảnh hởng của các tham số đo đợc. Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu kín không yêu cầu nhiều thông tin, nhng cần quan tâm tới ổn định của hệ đặc biệt với hệ phi tuyến. Đối với hệ tự tìm kiếm cần ít thông tin nhất nhng thời gian nhận dạng lại kéo dài hơn.
Theo tiêu chuẩn thích nghi có thể chia ra:
(1)- Hệ điều khiển để đảm bảo giữ một vài đại lợng của hệ không đổi hay thay đổi theo quy luật định trớc.
(2)- Hệ điều khiển theo tiêu chuẩn cực trị, hệ này thờng là mạch thích nghi kiểu kín. Có thể đảm bảo giá trị cực tiển của sai lệch mạch thích nghi eA từ các