Kỹ thuật điều khiển tự động
BÀI 1: KHÁI NIỆM
VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN
lt.sang@hutech.edu.vn
Giới thiệu
Wall’s fly-ball governor
Denis Papin’s water float regulator
lt.sang@hutech.edu.vn
Giới thiệu
Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hê thống.
Wall’s fly-ball governor
Denis Papin’s water float regulator
lt.sang@hutech.edu.vn
Giới thiệu
lt.sang@hutech.edu.vn
Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt
Sơ đồ khối
Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín hiệu vào từ một số bộ phận của hệ thống điều khiển và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác.
lt.sang@hutech.edu.vn
Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt
lt.sang@hutech.edu.vn
Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt
lt.sang@hutech.edu.vn
Sơ Đồ Khối & Hàm Truyền Đạt
Hàm truyền đạt
- là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của phần tử:
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển
Trong đó:
r(t): tín hiệu vào, chuẩn tham chiếu (reference input), giá trị đặt trước
y(t): tín hiệu ra (output), biến / đại lượng cần điều khiển, giá tri thực
yht(t): tín hiệu hồi tiếp
e(t): tín hiệu sai lệch, sai số
u(t): tín hiệu điều khiển
z(t): tín hiệu nhiễu
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển
Xét hệ thống điều khiển như trên:
-Đối tượng điều khiển là bồn nước
-Mục tiêu điều khiển là giữ mức nước trong bồn luôn ổn định và bằng trị số H0 cho trước dù lương nước tiêu thụ thay đổi như thế nào
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển
Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình.
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Hở
Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten
- Vị trí ban đầu: 00 - Vị trí mong muốn: 300 - Động cơ: 10/giây (ở điện áp định mức)
Để thực hiện chuyển động mong muốn, bộ điều khiển xuất ra một xung tín hiệu trong 30 giây. Nếu động cơ làm việc chính xác, vị trí anten sẽ dừng chính xác ở 300.
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Hở
Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V:
Velocity = 0.05 * 0.5 * 100 * 12 = 30 m/min
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi.
Ba thao tác chính của một hệ thống vòng kín: Đo lường, ra quyết định và tác động
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
• Điểm điều chỉnh, biến được điều khiển, biến được đo, và điểm sai lệch.
• Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động.
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
• Bộ cảm biến: thực hiện đo giá trị thực của biến được điều khiển, biến đổi thành một đại lượng có thể sử dụng được và phản hồi về bộ điểu khiển.
• Bộ điều khiển (bao gồm cả bộ so sánh): thực hiện cơ chế điều khiển thích hợp nhằm làm giảm giá trị sai lệch.
• Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều khiển thành tín hiệu tác động.
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten
- Vị trí ban đầu: 00 - Vị trí mong muốn: 300 (→ xd) - Cảm biến góc: 10V / 3600 (→ xa)
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
Tín hiệu điều khiển vc được xác định tùy theo cơ chế điều khiển:
vc =
nếu
vs 0
xa xd xa = xd
vc = C(xd −xa)
Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như độ chính xác của bộ truyền cơ khí.
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy
Khảo sát sự chuyển động của bàn máy khi bàn máy dịch chuyển từ vị trí 0.4 m (ban đầu) sang bên phải ở vị trí 0.64 m. Giả sử thời gian lấy mẫu (phản hồi) là 0.1 giây.
lt.sang@hutech.edu.vn
Hệ Thống Điều Khiển Vòng Kín
T (s)
P (mm)
Pos (mm)
T (s)
P (mm)
Pos (mm)
Vi (V)
Vf (V)
Ve (V)
Vi (V)
Vf (V)
Ve (V)
2.5 2.5 0 0 400 2.5 0 0 400 2.5
0.0 4 2.5 1.5 0 400 0.0 2.5 1.5 0 400 4
0.1 4 2.5 1.5 2.250 402.250 0.1 2.5 1.5 2.813 402.813 4
0.2 4 2.514 1.486 2.229 404.479 0.2 2.518 1.482 2.779 405.592 4
0.3 4 2.528 1.472 2.208 406.687 0.3 2.535 1.465 2.747 408.339 4
0.4 4 2.542 1.458 2.187 408.874 0.4 2.552 1.448 2.715 411.054 4
0.5 4 2.555 1.445 2.167 411.041 0.5 2.569 1.431 2.683 413.737 4
: : : : : : : : : : : :
lt.sang@hutech.edu.vn
4 4 60.0 3.995 0.005 0.008 639.157 48.0 3.995 0.005 0.01 639.163
HTDK: Vòng Hở vs Vòng Kín
Hệ thống điều khiển vòng hở - đơn giản và chi phí đầu tư thấp - không kiểm soát được giá trị thực tế - có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của những cơ cấu tác động và quá trình tương đối ổn định - thường xuyên thực hiện quá trình cân chỉnh hệ thống
Hệ thống điều khiển vòng kín - phức tạp và chi phí đầu tư cao - có thể điểu khiển được giá trị thực tế - giá trị thực tế luôn ổn định bất chấp đặc tính làm của những cơ cấu tác động và quá trình. - thỉnh thoảng chỉ cần kiểm tra đặc tính làm việc của bộ cảm biến
lt.sang@hutech.edu.vn
Tuyến Tính & Phi Tuyến
Khi phân tích và thiết kế, hầu hết các hệ thống điều khiển được giả sử là bao gồm các phần tử tuyến tính – phần tử cho tín hiệu ra tỷ lệ thuận với tín hiệu vào.
Phần tử tuyến tính bảo toàn dạng hình học của tín hiệu vào
Tuyến Tính & Phi Tuyến
• Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tín hiệu ra Y.
Linear element with a dead band nonlinearity
T
Tuyến Tính & Phi Tuyến
• Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệu vào X tăng hay giảm.
Nonlinear element with hysteresis
Tuyến Tính & Phi Tuyến
• Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y.
Linear element with a saturation nonlinearity
Giảm Chấn & Ổn Định
Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển xác định một đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển, đó là dạng giảm chấn – dạng mất ổn định. Đặc tính này được hệ thống thể hiện ra như là một đáp ứng dưới tác động của tín hiệu nhiễu.
Mục Tiêu Của Hệ Thống Điều Khiển Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo 3 mục tiêu sau:
• Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất.
• Giảm thiểu thời gian xác lập.
• Giảm thiểu độ sai lệch dư.
Tiêu Chuẩn Đánh Giá HT Điều Khiển
Phương pháp kiểm nghiệm thường dùng là thay đổi giá trị điều chỉnh theo hàm bậc thang.
• Suy giảm một phần tư biên độ: xác định biên độ của dao động tắt dần mà ở đó biên độ của một đỉnh dương bằng một phần tư biên độ của một đỉnh dương trước nó.
Tiêu Chuẩn Đánh Giá HT Điều Khiển
• Tích phân sai lệch tối thiểu: xác định tổng diện tích nằm dưới đường cong sai lệch phải là tối thiểu.
Tiêu Chuẩn Đánh Giá HT Điều Khiển
• Giảm chấn tới hạn: được dùng khi mong muốn không xảy ra độ vọt lố.
Đơn Giản Sơ Đồ Khối
Hệ thống vòng hở:
Hệ thống vòng kín:
Phân Loại Hệ Thống Điều Khiển
Phân Loại HT Điều Khiển
Hê thống điều khiển rất đa dạng, nó tùy thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển, điều kiện sử dụng …
➢ Mạch phản hồi
• không sử dụng → hệ thống hở • có sử dụng → hệ thống kín
➢ Loại tín hiệu
• liên tục → hệ thống tương tự • rời rạc → hệ thống số
➢ Vị trí của bộ điều khiển
• ở phòng điều khiển trung tâm → hệ thống điều khiển tập trung • đặt gần các cơ cấu cảm biến và cơ cấu tác động → hệ thống điều khiển phân bố
TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
Phân Loại HT Điều Khiển
➢ Môi trường công nghiệp
• Xử lý, chế biến → hệ thống điều khiển quá trình
▪ quá trình liên tục ▪ quá trình gián đoạn
• chi tiết rời → hệ thống điều khiển chế tạo
▪ gia công - điều khiển số ▪ lắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy
➢ Các nhóm khác
• cơ cấu tùy động (servo mechanism) • điều khiển trình tự ▪ theo sự kiện ▪ theo thời gian
• bộ điều khiển khả trình (programmable controller)
TS
Hệ Thống Điều Khiển Quá Trình
Individual local controllers
Direct computer control system
Distributed control system
Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển
Bộ điều tốc ly tâm
Bánh răng
Con lắc ly tâm
Dầu ép
Xy lanh truyền lực
Van điều khiển
Tải
Động cơ
Nhiên liệu
Van nhiên liệu
Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển
Tín hiệu đặt
Hệ thống điều khiển tốc độ (bằng điện)
Tải
Động cơ Tachometer
Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển
Hệ thống điều khiển máy trộn
Chất B
Van
Chất A
Bộ điều khiển
Chất C
Bộ đo nồng độ
Vài Ví Dụ Về Hệ Thống Điều Khiển
Hệ thống điều khiển nhiệt độ
The End
44
