Các phần tử và hệ thống tự động

Giáo viên:Nguyễn Thị Cẩm Lai - E-mail: camlaint@vnu.edu.vnHoàng Văn Mạnh - E-mail: manhhv87@vnu.edu.vnHọc liệu:Bài giảng trên lớpGiáo trình lý thuyết điều khiển tự động (Phan Xuân Minh chủ biên, NXB Giáo dục)Tham khảo: Lý thuyết điều khiển tuyến tính (Nguyễn Doãn Phước, NXB Khoa học và kỹ thuật)CHƯƠNG 1CÁC PHẦN TỬ VÀHỆ THỐNG TỰ ĐỘNGCác khái niệm chungĐiều khiển là gì? Là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống gần với mục tiêu đặt trướcĐiều khiển tự động là gì? Là quá trình điều khiển mà không cần tác động của con ngườiTín hiệu là gì?Có 2 loại tín hiệu: tín hiệu tiền định và tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu tiền định là một hàm số phụ thuộc thời gian: x(t) Có 4 dạng tín hiệu tiền định cơ bản:Tín hiệu liên tục: hàm liên tục từng đoạn theo thời gianTín hiệu không liên tục: hàm không liên tục theo thời gianTín hiệu tương tự: hàm x(t) liên tục theo miền giá trịTín hiệu rời rạc: hàm x(t) không liên tục theo miền giá trịTrên thực tế, tín hiệu phải có chung đồng thời đặc điểm trên miền xác định và miền giá trị:Tín hiệu liên tục – tương tựTín hiệu không liên tục – tương tựTín hiệu liên tục – rời rạcTín hiệu không liên tục – rời rạc Một số tín hiệu tiền định điển hình:Tín hiệu bậc thangTín hiệu tăng đềuTín hiệu xung vuôngTín hiệu xung diracTín hiệu ngẫu nhiênNhững tín hiệu không mô tả bằng một hàm cụ thể theo thời gian (không phải tín hiệu tiền định) là tín hiệu ngẫu nhiênTập hợp tất cả các mô hình xi(t) thuộc tập hợp X(t) có thể có của tín hiệu ngẫu nhiên gọi là quá trình ngẫu nhiênI. Cấu trúc và các phần tử cơ bản của hệ thốngTrong đó: + C là thiết bị điều khiển + M là thiết bị đo lường + O đối tượng điều khiển Các tín hiệu tương ứng: + u là tín hiệu vào + y là tín hiệu ra + x là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng +e là sai lệch điều khiển +z là tín hiệu phản hồi Ví dụ hệ thống bơm nước trong hộ gia đình 2. Các nguyên tắc cơ bảnNguyên tắc điều khiển san bằng sai lệch Tín hiệu ra y(t) được so sánh với tín hiệu vào u(t) để tìm ra tín hiệu sai lệch gửi về bộ điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển phù hợp cho đối tượng O2. Nguyên tắc điều khiển bù nhiễu Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống3.Nguyên tắc hỗn hợp cả hai phương pháp trên Đây là phương pháp sử dụng cả hai phương pháp trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễuNgoài ra còn có các nguyên tắc điều khiển khác: +Nguyên tắc đa dạng tương xứng: sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng điều khiển. Do đó cần phải thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng điều khiển. +Nguyên tắc bổ xung ngoài: hệ thống luôn hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động. Do đó cần khảo sát tác động nhiễu nào có thể gặp phải để có được bộ điều khiển chất lượng cao nhất. +Nguyên tắc dự trữ: lường trước các ảnh hưởng khác có thể tác động lên hệ thống mà chưa được tính toán tới +Nguyên tắc cân bằng nội: mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra +Nguyên tắc phân cấpNhư hệ SCADA 3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động Dựa trên phương pháp toán học Hệ thống liên tục: mô tả bằng phương trình vi phân Hệ thống rời rạc: mô tả bằng phương trình sai phân Hệ thống tuyến tính: hệ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân/sai phân tuyến tính Hệ thống phi tuyến: hệ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân/sai phân phi tuyến Hệ thống bất biến theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân/sai phân mô tả hệ thống không đổi Hệ thống biến đổi theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân/sai phân mô tả hệ thống thay đổi theo thời gianPhân loại theo ngõ vào và ngõ ra Hệ thống một ngõ vào, một ngõ ra ( single input- single output) Hệ thống nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra ( multi input- multi output) 4. Sự phát triển của điều khiển tự độngĐiều khiển kinh điển Dạng này khá đơn giản, áp dụng cho hệ thống tuyến tính bất biến một ngõ vào một ngõ ra.Sử dụng bộ điều khiển PIDĐiều khiển hiện đại Có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến, biến đổi theo thời gian, nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra. Sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu, thích nghi, bền vữngĐiều khiển tối ưu: Có vai trò xác định và tạo lập những luật điều khiển cho hệ thống để hệ thống đạt được chỉ tiêu và hiệu quả nhấtĐiều khiển thích nghi: Là tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉnh các bộ điều khiển trong mạch điều khiển để thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định khi các thông số của hệ thống thay đổi..Điều khiển bền vững: Làm cho chất lượng của hệ thống ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của đối tượng, nhiễu ( Hệ thống vẫn được duy trì mặc dù có sự thay đổi của đối tượng)Điều khiển thông minh Nguyên tắc không cần dùng mô tả toán học Dạng này có khả năng mô phỏng làm giống được những hệ thống sinh học Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin nhanh nhạy, chính xác và khối lượng nhiều Các phương pháp: +Điều khiển mờ + Mạng thần kinh nhân tạo +Thuật toán di truyền5.Một số hệ thống điều khiển tự động trong thực tếNgôi nhà thông minhHệ thống đo lưu lượng khí bioga tự động