TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ
----------***----------
BÀI GIẢNG
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
(Bậc ĐH ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí)
(Đào tạo tín chỉ: 02 tín chỉ)
Biên soạn: ThS. Phạm Trường Tùng
Quảng Ngãi, 2014
Lý thuyết điều khiển tự động ThS. Phạm Trường Tùng
1
LỜI NÓI ĐẦU
Lĩnh vực điều khiển tự động là một lĩnh vực rất rộng và sâu. Lý thuyết điều
khiển được xây dựng trên nền tảng toán học. Chính vì vậy, lĩnh vực này thực sự
là một thách thức cho nhiều người khi nghiên cứu đến.
Hiện nay, các hệ thống tự động được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
và cuộc sống. Nhằm giúp cho các bạn sinh viên và những người quan tâm đến
lĩnh vực điều khiển thuận lợi cho việc nghiên cứu và học tập, tôi đã tham khảo
và biên soạn bài giảng này.
Bài giảng được biên soạn trên cơ sở chương trình đào tạo môn Lý thuyết
điều khiển tự động của Trường ĐH Phạm Văn Đồng. Quá trình biên soạn tôi có
tham khảo nhiều tài liệu trong và ngoài nước, nhưng nền tảng chính là tài liệu
Modern control engineering của P.N. Paraskevopoulov.
Quá trình biên soạn không tránh những thiếu sót, mong nhận được sự góp
ý của bạn đọc.
Mọi góp ý xin gởi về:
Phạm Trường Tùng – Khoa kĩ thuật công nghệ - Trường ĐH Phạm Văn
Đồng – TP Quảng Ngãi.
E-mail:phamtruongtung@gmail.com.
Lý thuyết điều khiển tự động ThS. Phạm Trường Tùng
2
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 1
MỤC LỤC ............................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ...... 5
1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 5
1.2. Lịch sử của hệ thống điều khiển tự động ............................................. 6
1.3. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển tự động................................... 9
1.4. Một số các ví dụ điều khiển trong thực tế. ........................................ 15
Bài tập chương 1. ........................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TOÁN HỌC ................................................................... 17
2.1. Những tín hiệu cơ bản ............................................................................ 17
2.2. Phép biến đổi Laplace ............................................................................ 20
2.3. Biến đổi Laplace ngược .......................................................................... 29
2.4. Một số ứng dụng biến đổi Laplace ..................................................... 35
Bài tập chương 2 ............................................................................................ 37
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG ............................ 40
3.1. Giới thiệu ................................................................................................. 40
3.2. Những vấn đề chính của mô hình toán học .......................................... 41
3.3. Các hình thức của mô hình toán học .................................................... 42
3.4. Phương trình vi phân ............................................................................. 43
3.5. Hàm truyền đạt ....................................................................................... 46
3.6. Đáp ứng xung. ......................................................................................... 48
3.7. Phương trình trạng thái ......................................................................... 49
3.8. Sơ đồ khối ................................................................................................ 52
3.9. Graph tín hiệu ......................................................................................... 60
3.10. Mô hình toán học cho các thành phần của hệ thống điều khiển ...... 64
Lý thuyết điều khiển tự động ThS. Phạm Trường Tùng
3
Bài tập chương 3 ............................................................................................ 74
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG MIỀN
THỜI GIAN ....................................................................................................... 77
4.1. Giới thiệu ................................................................................................. 77
4.2. Đáp ứng của hệ thống ............................................................................ 77
4.3. Đáp ứng thời gian của hệ thống bậc một và bậc hai......................... 84
Bài tập chương 4. ........................................................................................... 90
CHƯƠNG 5. ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG .................................................... 93
5.1. Giới thiệu ................................................................................................. 93
5.2. Định nghĩa về ổn định ............................................................................ 93
5.3. Các tiêu chuẩn ổn định đại số ............................................................... 99
Bài tập chương 5. ......................................................................................... 110
CHƯƠNG 6. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ...... 112
6.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID .......................................................... 112
6.2. Các bộ điều khiển PD ........................................................................... 113
6.3. Bộ điều khiển PI Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI là: ............. 117
6.4. Bộ điều khiển PID ................................................................................. 119
6.5. Thiết kế bộ điều khiển PID sử dụng các phương pháp Ziegler –
Nichols. ......................................................................................................... 124
Bài tập chương 6. ......................................................................................... 127
CHƯƠNG 7. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BẰNG
MATLAB\SIMULINK .................................................................................... 129
7.1. Giới thiệu Matlab ................................................................................. 129
7.2. Các lệnh cơ bản trong Matlab ............................................................. 130
7.2.1. Định nghĩa biến .............................................................................. 130
7.2.2. M-file ............................................................................................... 130
7.3. Matlab/Simulink trong điều khiển tự động ....................................... 131
Lý thuyết điều khiển tự động ThS. Phạm Trường Tùng
4
7.3.1. Mở Simulink ................................................................................... 131
7.3.2. Lập mô hình với Simulink ............................................................. 132
Bài tập chương 7:......................................................................................... 135
BÀI TẬP TỔNG HỢP .................................................................................... 139
BẢNG ĐỐI CHIẾU CÁC TỪ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH ....................... 142
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 143