CHƯƠNG 5 TÍNH CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TOÀN MÁY
5.1 Lịch sử ra đời của hệ thống điều khiển tự động
Lịch sử phát triển của điều khiển tự động được ghi nhận từ trước công nguyên, bắt đầu từ đồng hồ nước có phao điều chỉnh Ktesibios ở Hy Lạp. Hệ điều chỉnh nhiệt độ đầu tiên do Cornelis Drebble (1572 - 1633) người Hà Lan sáng chế. Hệ điều chỉnh mức đầu tiên là của Polzunou người Nga (1765). Hệ điều chỉnh tốc độ được ứng dụng trong công nghiệp đầu tiên là của Jame Watt (1769). Thế chiến lần thứ hai đòi hỏi sự phát triển về lý thuyết và ứng dụng để có những máy bay lái tự động, những hệ điều khiển vị trí của loại pháo, điều khiển các loại vũ khí khác, điều khiển tự động các rađa v.v...
Những năm 1950, các phương pháp toán học và phân tích đã phát triển và đưa vào ứng dụng nhanh chóng. Ở Mỹ, thịnh hành hướng nghiên cứu trong miền tần số với các công trình ứng dụng của Bode, Nyquist và Black ở các trung tâm thí nghiệm điện tín.
Trong khi ấy, ở Liên Xô (cũ) ngự trị lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng trong miền thời gian.
Từ những năm 1980, máy tính số bắt đầu đƣợc sử dụng rộng rãi, cho phép điều khiển với độ chính xác cao các đối tượng khác nhau. Các phương pháp của Liapunou, Minorsky cũng nhƣ lý thuyết điều khiển tối ƣu hiện đại của L.S. Pontryagin (Liên Xô cũ), của R. Belman (Mỹ) có ý nghĩa rất lớn. Các nguyên tắc điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, các “hệ thông minh” v.v... ra đời và đƣợc áp dụng có hiệu quả vào thực tiễn.
Ngày nay, các công cụ để điều khiển đều biến đổi nhanh chóng và hoàn thiện, nhƣng những nguyên lý cơ bản vẫn không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể. Các công cụ điều khiển, các hệ thống điều khiển tự động (bán tự động) là thành phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất, máy móc và mọi phương thức sản xuất hiện đại.
Chúng đóng 1 vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của đất nước.
a. Lý thuyết điều khiển cổ điển
Để tránh các vấn đề của bộ điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái niệm phản hồi. Một bộ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi để điều khiển trạng thái hoặc đầu ra của một hệ thống động lực. Tên của nó đến từ đường đi của thông tin
DUT.LRCC
trong hệ thống: quá trình đầu vào (ví dụ: Vôn dùng trong một động cơ điện) theo hiệu ứng ở chu trình đầu ra (ví dụ: Tốc độ hoặc moment của động cơ), đo đƣợc với cảm biến và đƣợc xử lý bởi bộ điều khiển; kết quả (tín hiệu điều khiển) đƣợc sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vòng lặp.
Các bộ điều khiển vòng kín có những ƣu điểm so với các bộ điều khiển vòng hở là:
- Loại trừ nhiễu (nhƣ ma sát không đo đƣợc ở động cơ).
- Đảm bảo đƣợc thực hiện ngay cả với mô hình không chắc chắn, khi cấu trúc mô hình không phù hợp với quá trình thực và các thông số mô hình không chính xác.
- Các chu trình không ổn định có thể ổn định hóa.
- Giảm độ nhạy cho các thông số biến đổi.
- Kết quả theo dõi đặt trước được cải thiện.
Trong một vài hệ thống, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở đƣợc sử dụng đồng thời. Trong những hệ thống nhƣ vậy, điều khiển vòng hở đƣợc nằm trong vòng tiến nhằm nâng cao kết quả theo dõi giá trị đặt trước.
Một cấu trúc điều khiển kín phổ biến là bộ điều khiển PID.
b. Lý thuyết điều khiển hiện đại
Trái ngƣợc với phân tích trong miền tần số trong lý thuyết điều khiển cổ điển, lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụng mô tả không gian trạng thái trong miền thời gian, một mô hình toán học của một hệ thống vật lý nhƣ là một cụm đầu vào, đầu ra và các biến trạng thái quan hệ với phương trình trạng thái bậc một. Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu ra và trạng thái, các biến và biểu thức như vector và phương trình vi phân, phương trình đại số được viết dưới dạng ma trận (những thứ sau chỉ có thể thực hiện khi hệ thống động lực là tuyến tính). Biểu diễn không gian trạng thái (còn gọi là "xấp xỉ miền thời gian ") cung cấp một cách thức ngắn gọn và thuận tiện cho bắt chước và phân tích hệ thống với nhiều đầu vào và đầu ra. Với các đầu vào và đầu ra, chúng ta có thể có cách viết khác cho phép biến đổi Laplace để mã hóa toàn bộ thông tin về một hệ thống. Không giống nhƣ xấp xỉ miền tần số, việc sử dụng biểu diễn không gian trạng thái không bị giới hạn với hệ thống bằng các thành phần tuyến tính và các điều kiện zero ban đầu. "Không
DUT.LRCC
gian trạng thái" đề cập đếp không gian mà các hệ trục là các biến trạng thái. Trạng thái của hệ thống có thể đƣợc biểu diễn nhƣ một vector trong không gian đó.
5.1.2 Những phương thức điều khiển chính
Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định của trạng thái vòng kín.
Trong các hệ thống tuyến tính, điều này có thể đạt đƣợc bằng cách thay thế trực tiếp các cực. Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng các lý thuyết đặc biệt (thường dựa trên học thuyết của Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến các quá trình động học bên trong hệ thống. Khả năng đáp ứng các biến đổi chức năng khác nhau từ việc nhận dạng mô hình và việc chọn phương thức điều khiển. Sau đây là danh sách giản lƣợc của các kỹ thuật điều khiển chính:
a. Điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi sử dụng sự nhận dạng trực tuyến các thông số của quá trình, hoặc sự điều chỉnh của độ lợi bộ điều khiển, do đó đạt đƣợc đặc tính bền vững mạnh mẽ.
Điều khiển thích nghi đã đƣợc ứng dụng lần đầu trong công nghiệp không gian vào những năm 1950, và làm nên sự thành công trong lĩnh vực này.
b. Điều khiển phân cấp
Hệ thống điều khiển phân cấp là một dạng của hệ thống điều khiển trong đó một bộ thiết bị và phần mềm điều khiển đƣợc sắp xếp trong một dạng có thức bậc cây. Khi các liên kết của cây đƣợc thực thi bởi một mạng máy tính, do đó hệ thống điều khiển phân cấp cũng là một dạng của hệ thống điều khiển mạng lưới.
c. Điều khiển thông minh
Điều khiển thông minh sử dụng nhiều cách tiếp cận tính toán thông minh nhân tạo (AI-Artificial Intelligent) khác nhau nhƣ mạng nơ-ron, xác suất Bayesian, logic mờ, máy học, lập trình tiến hóa và giải thuật di truyền để điều khiển một hệ thống động lực.
d. Điều khiển tối ƣu
Điều khiển tối ƣu là một phần của kỹ thuật điều khiển trong đó tín hiệu điều khiển tối ưu hóa "chỉ tiêu giá thành" biết trước: ví dụ, trong trường hợp một vệ tinh, lực đẩy
DUT.LRCC
phản lực cần thiết để mang nó lên quỹ đạo mong muốn phải đốt cháy một lƣợng nhiên liệu nào đó. Hai phương pháp để thiết kế điều khiển tối ưu đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, vì khả năng đảm bảo độ ổn định của vòng kín. Đó là Điều khiển dự đoán mô hình (MPC-Model Predictive Control) và điều khiển tuyến tính-bậc hai- Gauss (LQG-Linear-Quadratic-Gaussian control). Cái đầu tiên có thể xét đến rõ ràng hơn các ràng buộc trên tín hiệu hệ thống, là một điểm quan trọng trong nhiều chu trình công nghiệp. Tuy nhiên, cấu trúc "điều khiển tối ƣu" trong MPC chỉ có nghĩa khi đạt đƣợc kết quả, vì nó không tối ƣu một chỉ số biểu diễn chính xác của hệ điều khiển vòng kín.
Cùng với các bộ điều khiển PID, hệ thống MPC cũng đƣợc sử dụng phổ biến trong điều khiển quá trình.
e. Điều khiển bền vững
Điều khiển bền vững dùng để loại bỏ độ bất định mà nó tiếp cận để thiết kế bộ điều khiển. Các bộ điều khiển đƣợc thiết kế sử dụng các công cụ của điều khiển bền vững có xu hướng có thể giải quyết các khác biệt nhỏ giữa hệ thống thực và mô hình toán học dùng cho thiết kế. Các công cụ đầu tiên của Bode và những người khác đã khá ổn định;
các phương pháp không gian trạng thái được phát minh vào những năm 1960 và 1970 đôi khi không có sự ổn định. Một thí dụ hiện đại của kỹ thuật điều khiển bền vững là tạo dáng vòng lặp H-vô tận đƣợc phát triển bởi Duncan McFarlane và Keith Glover thuộc đại học Cambridge, Anh. Các phương pháp ổn định dùng để đạt được kết quả bền vững và độ ổn định với sự có mặt của sai số mô hình hóa nhỏ.
f. Điều khiển ngẫu nhiên
Điều khiển ngẫu nhiên giúp thiết kế điều khiển với độ bất định trong mô hình.
Đặc thù trong khó khăn đối với điều khiển ngẫu nhiên, là nó cho rằng tồn tại nhiễu ngẫu nhiên trong mô hình và bộ điều khiển, thiết kế điều khiển phải đem những vi phân ngẫu nhiên này vào tính toán.
5.1.3 Các đặc điểm của điều khiển
Có rất nhiều chiến lƣợc điều khiển khác nhau đã đƣợc phát minh trong những năm qua. Những phát minh này đi từ những bộ điều khiển rất tổng quát nhƣ (bộ điều khiển PID), cho tới những bộ điều khiển khác dành riêng cho những loại hệ thống chuyên dụng (đặc biệt là robotic hay điều khiển hành trình).
DUT.LRCC
Một bài toán điều khiển có thể có nhiều đặc điểm khác nhau. Độ ổn định: bộ điều khiển phải đảm bảo rằng hệ vòng kín phải ổn định, chƣa kể là độ ổn định của vòng hở.
Một sự chọn lựa nghèo nàn của bộ điêu khiển có thể thậm chí làm xấu đi độ ổn định của hệ vòng hở, điều thông thường nên tránh. Đôi khi cần đạt được các đặc tính động học đặc biệt trong vòng kín.
Một đặc tính tiêu biểu khác là việc loại bỏ một nhiễu loạn bước; bao gồm một bộ tích phân trong vòng hở (nghĩa là một cách trực tiếp trước khi hệ thống điều khiển được) dễ dàng đạt đƣợc điều này. Những loại nhiễu khác cần nhiều loại hệ thống con khác nhau đƣợc xét đến.
Những đặc tính khác trong lý thuyết điều khiển "cổ điển" quan tâm đến thời gian đáp ứng của hệ vòng kín: bao gồm thời gian thiết lập (thời gian cần thiết để hệ thống điều khiển tiến tới giá trị mong muốn sau một nhiễu), đỉnh vọt lố (giá trị cao nhất đạt đƣợc bởi đáp ứng trước khi đạt được giá trị mong muốn) và thời gian xác lập, độ dốc suy giảm khác. Các đặc tính miền tần số thường liên quan tới độ mạnh mẽ. Các đánh giá kết quả hiện đại sử dụng vài sự thay đổi của sai số theo dõi tích phân (IAE, ISA, CQI).
5.1.4 Ví dụ về một mạch điều khiển
Hình 5.1: Mạch điều khiển kín
DUT.LRCC