PHẦN 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY
IV. Giới thiệu bộ điều khiển
1. Hệ thống điều khiển tự động
1.1 Điều khiển tự động.
- Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động của con người.
- Quá trình điều khiển tự động phải đạt được các tiêu chí:
+ Đáp ứng của hệ thống cần thỏa mãn yêu cầu.
+ Mong muốn tăng độ chính xác trong điều khiển.
+ Yêu cầu tăng năng suất.
+ Đáp ứng mục tiêu tăng hiệu quả kinh tế.
1.2 Hệ thống điều khiển tự động (Hệ thống ĐKTĐ).
Là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác.
1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động.
- Đối tượng điều khiển (Object): là thành phần vật lý tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ của hệ thống cần phải tác động lên đầu vào một tín hiệu điều khiển sao cho đại lượng cần điều chỉnh đạt đ ược giá trị mong muốn.
- Thiết bị điều khiển (Controller): là tập hợp các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tiếp nhận các biểu hiện bất thường của quá trình để xử lý và tạo ra tín hiệu điều khiển thích hợp tác động lên đối tượng điều khiển.
- Thiết bị cảm biến đo lường (Measuring Device): là các thành phần vật lý có nhiệm vụ xác định giá trị đại lượng cần điều chỉnh để làm cơ sở so sánh với giá trị mong muốn tạo ra các biểu hiện bất thường để cung cấp cho thiết bị điều khiển xử lý.
DUT.LRCC
Hình 4.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động cơ bản.
1.4 Hệ thống điều khiển vòng hở và vòng kín.
❖ Hệ thống điều khiển vòng hở (Open Loop): Là hệ thống điều khiển tự động không so sánh kết quả thực tế với giá trị mong muốn sau tác động điều khiển.
- Đặc điểm:
+ Độ chính xác điều khiển phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh và độ tin cậy điều chỉnh của thiết bị.
+ Chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố tác động bên ngoài (nhiễu).
+ Đáp ứng chậm (thời gian đáp ứng dài).
❖ Hệ thống điều khiển vòng kín (Close Loop): Là hệ thống đóng kín, có phản hồi, hồi tiếp là hệ thống điều khiển tự động có tạo nên một tác động đo lường, so sánh giữa tín hiệu vào (giá trị mong muốn) và tín hiệu ra (giá trị thực tế); sai lệch giữa hai tín hiệu này được dùng làm tín hiệu vào của thiết bị điều khiển.
- Hệ thống kín có các đặc điểm sau:
+ Độ chính xác điều khiển cao.
+ Giảm tác động và ảnh hưởng của nhiễu.
+ Tốc độ đáp ứng nhanh.
Hình 4.12 Cấu trúc điều khiển. hở
Bộ điều khiển
Đối tượng điều khiển
w(t) u(t)
))
y(t)
Bộ điều khiển
Đối tượng điều khiển
DUT.LRCC
1.5 Quá trình quá độ và quá trình xác lập.
Hệ thống điều khiển tự động luôn luôn tồn tại ở hai trạng thái: quá trình quá độ (trạng thái động) và trạng thái xác lập (trạng thái tĩnh). Khảo sát ổn định và chất lượng của hệ thống điều khiển ngưởi ta chủ yếu khảo sát ở quá trình quá độ.
❖ Quá trình quá độ: Là trạng thái của hệ kể từ thời điểm có tác động nhiễu hay tác động đầu vào cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập. Lý thuyết điều khiển tự động tập trung cơ bản mô tả và phân tích quá trình quá độ của hệ thống.
Các chất lượng được đánh giá trực tiếp bao gồm:
- Độ quá điều chỉnh: Độ quá điều chỉnh được xác định bởi trị số cực đại của hàm quá độ so với trị số xác lập của nó
% ymax y
y
= −
- Thời gian quá độ: thời gian quá độ tqd được xác định bởi thời điểm y(t) không vượt khỏi biên giới của miền giới hạn ∆ quanh trị số xác lập ∆ = ±5% hay có khi dùng:
∆ = ±2%.
- Thời gian đáp ứng: thời gian đáp ứng tm xác định thời điểm mà lần đầu tiên quá độ đạt được trị số xác lập y khi có quá điều chỉnh.
- Thời gian có quá điều chỉnh: t được xác định tại thời điểm hàm quá độ đạt cực đại.
Hình 4.14 Hàm quá độ của một hệ thống điều khiển. DUT.LRCC
- Số lần dao động N: được tính bởi số lần mà hàm quá độ dao động quanh trị số xác lập trong thời kỳquá độ (0 < t < tqd).
, ,t N
: Đặc trưng cho tính chất suy giảm của quá trình quá độ.
qd, m
t t : Đặc trưng cho tính chất tác dụng nhanh của hệ.
❖ Quá trình xác lập: Trạng thái xác lập của hệ thống là trạng thái khi hệ thống có tác động đầu vào u(t) và sau khi kết thúc quá trình quá độ (hay quá trình chuyển trạng thái) thì hệ thống sẽ thiết lập một trạng thái ổn định mới. Ở trạng thái xác lập mới này, hệ thống sẽ có một sai số nào đó tùy thuộc vào tham số và cấu trúc của hệ thống. Trạng thái xác lập của hệ thống được đánh giá bằng sai lệch dư của điều khiển. Nó là giá trị sai lệch còn tồn tại sau khi quá trình điều khiển kết thúc
❖ Sai lệch tĩnh: là sai lệch giữa tiến hiệu đặt và tín hiệu ra, sai lệch tĩnh xác định độ chính xác tĩnh của hệ thống. Giá trị sai lệch tĩnh theo lý thuyết được tính như sau:
lim ( )
t e t
= →
Trong đó e(t) là sai lệch động còn tồn tại trong quá trình điều khiển.