Điều khiển học kỹ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật. Khái niệm
0 5 10 15 20 25 30 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 Time/s q 1 /m 0 5 10 15 20 25 30 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 Time/s q 1 /m
quá trình nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động.
Một hệ thống điều khiển gồm ba thành phần cơ bản là đối tượng điều khiển (Object-O), thiết bị điều khiển (Controller- C) và thiết bị đo lường (Measuring Device - M).
Có ba phương thức điều khiển là phương thức điều khiển theo chương trình, phương thức bù nhiễu và phương thức điều khiển theo sai lệch.
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình
Chú thích hình 2.9, u là tín hiệu vào (input); y là tín hiệu ra (output); x là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O); e là sai lệch điều khiển và f là tín hiệu phản hồi
Hệ thống điều khiển tự động được phân làm hai loại chính, phụ thuộc vào tính chất của các phần tử trong hệ thống là hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến: (1) Hệ tuyến tính là hệ thống mà tất cả các phần tử của nó đều là tuyến tính và (2) Hệ phi tuyến là hệ thống mà chỉ cần một trong các phần tử của nó là phi tuyến.
Hệ thống điều khiển phi tuyến là hệ thống điều khiển tự động được mô tả bằng các phương trình toán học phi tuyến. Hệ thống điều khiển tự động chỉ cần có một phần tử có đặc tính tĩnh phi tuyến được thuộc về hệ thống điều khiển tự động phi tuyến.
Hệ thống điều khiển phi tuyến tồn tại dưới hai hình thức: (1) Các khâu phi tuyến có sẵn trong hệ thống điều khiển tự động và (2) Các khâu phi tuyến
được người thiết kế đưa vào nhằm đạt được một chế độ hay chất lượng mong mu ốn (Fuzzy, mạng nơron).
Dựa vào tính chất truyền tín hiệu mà hệ thống tuyến tính lại được phân ra làm hai loại là hệ thống liên tục tuyến tính và hệ thống rời rạc tuyến tính. Các khái niệm liên tục và rời rạc ở đây được hiểu theo biến thời gian: (1) Hệ thống liên tục tuyến tính nếu tất cả các tín hiệu xuất hiện trong hệ thống đều là tín hiệu liên tục theo thời gian, và (2) Hệ thống rời rạc tuyến tính nếu chỉ cần một tín hiệu xuất hiện trong hệ thống tín hiệu rời rạc theo thời gian.
Dựa vào lượng thông tin thu thập được ban đầu về đối tượng điều khiển và tính chất của nó mà ta phải xây dựng được hệ thống thiết bị điều khiển thích hợp, đảm bảo được chất lượng của điều khiển. Do đó, hệ thống liên tục tuyến tính được phân ra làm hai loại: (1) Hệ điều khiển thông thường và (2) Hệ điều khiển tự thích nghi.
Hệ thống điều khiển tự động còn được phân ra làm hai loại là hệ thống hở và hệ thống kín. Đối với hệ thống hở, tín hiệu của đại lượng cần điều chỉnh không được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển. Hệ thống kín sử dụng phương pháp điều khiển theo sai lệch. Tín hiệu đo được của đại lượng cần điều khiển được đưa phản hồi trở lại đầu vào hệ thống và được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển.
Các phương pháp mô tả động học hệ thống điều khiển tự động: (1) Mô tả hệ thống trong miền thời gian và (2) Mô tả hệ thống trong miền tần số.
Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển:
Điều khiển kinh điển: Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là hàm truyền.
Đặc điểm: (1) Đơn giản; (2) Áp dụng thuận lợi cho hệ thống tuyến tính bất biến một ngõ vào, một ngõ ra; (3) Kỹ thuật thiết kế trong miền tần số; (4)
Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống; (5) Quỹ đạo nghiệm số; và (6) Đặc tính tần số: biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode.
Bộ điều khiển: (1) Sớm trễ pha và (2) PID (Proportional – Integral – Derivative)
Điều khiển hiện đại: Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái.
Đặc điểm: Có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến, biến đổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra. Kỹ thuật thiết kế trong miền thời gian.
Các phương pháp thiết kế hệ thống: - Điều khiển tối ưu.
- Điều khiển thích nghi.
- Điều khiển bền vững Bộ điều khiển: Hồi tiếp trạng thái
Điều khiển thông minh: Nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống.
Đặc điểm: (1) Mô phỏng (bắt chước) các hệ thống thông minh sinh học và (2) Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin không chắc chắn, có khả năng học, có khả năng xử lý lượng lớn thông tin.
Các phương pháp điều khiển thông minh: - Điều khiển mờ (Fuzzy Control).
- Mạng thần kinh nhân tạo (Neural Network). - Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm).