Bài giảng môn học Điều khiển tự động

1Baøøi giaûûng moân hoâ ïïc Ñieààu Khieåån Töïï Ñoääng GV: Nguyeãn Theá Huøng 01/2009 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 2 n Mã môn học: 1129010 n Số tiết : 45 tiết n Ngành : CĐT, CTĐ, CKM, KCN, TKM, CKT, MCN,… n Giảng viên: Nguyễn Thế Hùng n Giáo trình: Sách: Điều khiển tự động, NTH, ĐHSPKT, 2006 File: www.tinyurl.com/gtdktd3 (1,6MB) n Tài liệu tham khảo: Từ khoá: Điều khiển, control, control system,… Sách: Modern Control Engineering , K. Ogaka File: www.tinyurl.com/mcepdf (46MB) www.tinyurl.com/mcerar (7MB) n Đánh giá : Quá trình 30% + Thi cuối kỳ 70% Điều Khiển Tự Động 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 3 Mục đích môn học n Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả, phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động. 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 4 Nội dung môn học n Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động n Chương 2: Mô tả toán học phần tử và hệ thống điều khiển n Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống n Chương 4: Tính ổn định của hệ thống n Chương 5: Chất lượng hệ thống điều khiển n Chương 6: Thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống n Chương 7: Hệ thống điều khiển rời rạc 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 5 Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 1.3 Các nguyên tắc điều khiển 1.4 Phân loại hệ thống 1.5 Các bài toán cơ bản 1.6 Ví dụ ứng dụng 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 6 1) Điều khiển Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h 1. Thu thập thông tin: Mắt quan sát đồng hồ tốc độ. 2. Xử lý thông tin: Não so sánh v mong muốn và v thực tế Þ ra quyết định tăng / giảm ga. 3. Tác động: Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga. Kết quả : xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h n Điều khiển = quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống. n Điều khiển = “can thiệp” vào hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước. n Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người gọi là điều khiển tự động. 1.1 Các khái niệm cơ bản 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 7 1.1 Các khái niệm cơ bản (tt) Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H0 1. Thu thập thông tin: Thiết bị đo = phao 2. Xử lý thông tin: Bộ điều khiển = hệ thống đòn bẩy. 3. Tác động: Cơ cấu tác động = van. Mức nước H0 có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh độ dài thanh nối phao-đòn bẩy. 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 8 1.1 Các khái niệm cơ bản (tt) 2) Tín hiệu n Lý thuyết thông tin: tín hiệu = nội dung thông tin. n Bản chất vật lý: tín hiệu = đại lượng vật lý. (điện áp, dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ,…) n Toán học: tín hiệu = hàm số theo thời gian. ( u(t), i(t), v(t), x(t), p(t), q(t),.... ) n Trên sơ đồ khối: các tín hiệu vào/ra = các mũi tên 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 9 • Ví dụ về các tín hiệu vào, ra điện áp u(t) vận tốc n(t) góc quay j(t) Động cơ điện lưu lượng, áp suất vận tốc, vị trí, lực Xylanh lực Nhiệt độcông suất Lò nhiệt Van lưu lượng, áp suấtvị trí nòng van (độ nâng, góc mở) Chiết áp Điện ápvị trí con trượt (lượng di động) 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 10 r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (SetPoint) y(t) : tín hiệu ra (output), biến được điều khiển (controlled variable), giá trị thực (Process Value) yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback) e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error) u(t) : tín hiệu điều khiển z(t): tín hiệu nhiễu 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển yht = K.y ; e= r- yht Nếu K=1 thì: e=r-y e(t) u(t) Bộ điều khiển r(t) Đối tượng ĐK y(t) Thiết bị đo yht (t) z(t) n 3 thành phần cơ bản: Đối tượng điều khiển, thiết bị đo (cảm biến), bộ điều khiển. 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 11 1.3 Các nguyên tắc điều khiển 1.3.1 Nguyên tắc điều khiển giữ ổn định Mục tiêu: Duy trì đáp ứng y= hằng số định trước n Điều khiển bù nhiễu n Điều khiển san bằng sai lệch n Điều khiển phối hợp 1.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình Mục tiêu: Tạo đáp ứng y(t) có đặc tính thời gian định trước (chương trình=hàm thời gian). 1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi Mục tiêu: Điều khiển các đối tượng có mô hình toán và thông số động (thay đổi trong quá trình làm việc do ảnh hưởng của môi trường). 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 12 1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control) n Sơ đồ: n Ví dụ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định u(t) Bộ điều khiểnr(t) Đối tượng y(t) z(t) n Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu. - Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu. - Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không đo được) thì đáp ứng sẽ kém chính xác. Nđộ ngoài trời Lò sưởi Nđộ phòng Nhiệt kế PhòngBộ ĐKNđộ yêu cầu 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 13 2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control) n Sơ đồ: n Ví dụ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt) e(t) u(t)Bộ điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t) Nđộ ngoài trời Máy lạnh Nđộ phòng PhòngBộ ĐK Nđộ đặt ue Cảm biến nhiệt n Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra. - Có thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu không biết trước/ không đo được Þ có khả năng tạo đáp ứng chính xác. - Quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai -> sửa sai). 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 14 3) Điều khiển phối hợp n Sơ đồ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt) n Đặc điểm: Kết hợp mạch bù nhiễu và mạch hồi tiếp. - Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng của các nhiễu đo được. - Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo ra bởi các nhiễu không đo được. e(t) u(t)Bộ điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t) 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 15 n Sơ đồ: 1.3.3 Nguyên tắc ĐK thích nghi n Đặc điểm: - Sử dụng thêm một bộ chỉnh định. - Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số của bộ điều khiển sao cho hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường. u(t) Điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t) Chỉnh định v(t) 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 16 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển 1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp n Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp. Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp. n Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp Þ chỉ phù hợp với các ứng dụng không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao. 1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học n Hệ liên tục q Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian q Mô tả bằng phương trình vi phân n Hệ rời rạc q Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số q Mô tả bằng phương trình sai phân 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 17 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt) n Hệ tuyến tính (lý tưởng) q Đặc tính tĩnh của các phần tử là tuyến tính (tín hiệu ra ở xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào). q Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân tuyến tính. q Áp dụng được nguyên lý xếp chồng đáp ứng. Û Nếu có nhiều tín hiệu vào đồng thời: r1, r2,…, rn Thì tín hiệu ra: y = y1 + y2 +…+ yn n Hệ phi tuyến q Các hệ thống thực tế đều là phi tuyến (Rơle ON-OFF, khuếch đại bão hoà, khe hở, trễ, chết,…). q Có thể tuyến tính hoá nếu giá trị các biến chỉ thay đổi trong phạm vi nhỏ. 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 18 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt) n Hệ bất biến (hệ dừng) q Các thông số của hệ (như khối lượng, độ cứng, ma sát, R, L, C) là hằng số theo thời gian. q Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng. q Đáp ứng của hệ không phụ thuộc thời điểm tác động tín hiệu vào. n Hệ biến đổi theo thời gian (hệ không dừng) q Ví dụ : tên lửa có khối lượng m= m(t). 1.4.3 Phân loại theo số lượng tín hiệu vào-ra n Hệ SISO (Single Input – Single Output): một ngõ vào – một ngõ ra. n Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output) : nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra. Môn học Điều khiển tự động (45 tiết) chủ yếu khảo sát các hệ thống tuyến tính bất biến SISO. 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 19 1.5 Các bài toán cơ bản 1) Bài toán phân tích Biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Yêu cầu: q Xét tính ổn định của hệ thống Û y(¥) = const ? q Tìm hàm đáp ứng y(t) khi biết tín hiệu vào r(t). q Biểu diễn y(t) bằng đồ thị. q Đánh giá chất lượng quá trình điều khiển (xác định sai số xác lập e (¥), thời gian ổn định ts , độ vọt lố POT,…). 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 20 1.5 Các bài toán cơ bản 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 21 1.5 Các bài toán cơ bản 2) Bài toán thiết kế Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Yêu cầu: q Thiết kế bộ điều khiển (xác định loại và thông số tối ưu của bộ điều khiển) để hệ thống đạt yêu cầu chất lượng đã đề ra. 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 22 1.6 Các ví dụ ứng dụng n Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 23 1.6 Các ví dụ ứng dụng n Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 24 1.6 Các ví dụ ứng dụng n Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 25 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) n Hệ thống điều khiển máy trộn 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 26 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) n Hệ thống điều khiển nhiệt độ 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 27 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) n Hệ thống điều khiển máy CNC 01/2009 GV. NGUYỄN THẾ HÙNG 28 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển n Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960) q Maxwell (1968) mô tả hệ thống bằng ph. trình vi phân, tuyến tính hoá tại điểm làm việc, chứng minh tính ổn định của hệ phụ thuộc vào các nghiệm có phần thực dương của ph. trình đặc tính. q Routh (1877), Hurwitz (1895): Tiêu chuẩn ổn định đại số. q Nyquist (1932), Bode (1940s): Tiêu chuẩn ổn định tần số. q Evans (cuối 1940s - đầu 1950s): Phương pháp quỹ đạo nghiệm. q Sử dụng các mô hình toán: hàm truyền, đáp ứng tần số. q Ứng dụng thiết kế hệ liên tục tuyến tính SISO, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển sớm-trễ pha. n Lý thuyết điều khiển hiện đại (~ 1960 đến nay) q Sử dụng mô hình toán: phương trình trạng thái. q Ứng dụng thiết kế hệ MIMO, bộ điều khiển số: vi xử lý, máy tính. n Lý thuyết điều khiển thông minh q Điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền. q Thiết kế hệ thống không cần dùng mô hình toán học.