TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
-----o0o-----
GIÁO TRÌNH
ĐIỀU KHIỂN SỐ
TS. NGUYỄN PHAN CƯỜNG
ThS. PHẠM VĂN TÂM
VŨNG TÀU, THÁNG 03 NĂM 2015
Mục lục
Giáo trình điều khiển số
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Chương I: Tổng quan về hệ thống điều khiển số
1
1.1. Hệ thống rời rạc
1
1.2. Hệ thống điều khiển số điển hình
1
1.2.1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ
1
1.2.2. Hệ thống điều khiển động cơ
2
1.2.3. Hệ thống điều khiển mực chất lỏng
3
Chương II: Mô tả toán học hệ thống điều khiển số
5
2.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển số
5
2.1.1. Lấy mẫu dữ liệu
5
2.1.2. Khâu giữ dữ liệu
6
2.2. Phép biến đổi Z
7
2.2.1. Định nghĩa
8
2.2.2. Tính chất của phép biến đổi Z
8
2.2.3. Biến đổi Z của các hàm cơ bản
8
2.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển số
14
2.4. Hàm truyền của hệ rời rạc
15
2.4.1. Tính hàm truyền từ phương trình sai phân
15
2.4.2. Tính hàm truyền từ sơ đồ khối
16
2.5. Phương trình trạng thái
18
2.5.1. Khái niệm
18
2.5.2. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân
18
Mục lục
Giáo trình điều khiển số
2.5.3. Thành lập phương trình trạng thái hệ rời rạc từ PTTT hệ liên
tục
21
2.5.4. Tính hàm truyền từ PTTT
24
2.6. Bài tập, câu hỏi và thảo luận
24
Chương III: Khảo sát ổn định và phân tích hệ điều khiển số
28
3.1. Ổn định của hệ thống rời rạc
28
3.1.1. Điều kiện ổn định của hệ rời rạc
28
3.1.2. Phương trình đặc trưng của hệ rời rạc
29
3.1.3. Phương pháp đánh giá tính ổn định của hệ rời rạc
30
- Tiêu chuẩn ổn định đại số
30
+ Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng
30
+ Tiêu chuẩn Jury
31
- Phương pháp QĐNS
32
3.2. Đáp ứng của hệ rời rạc
36
3.2.1. Chất lượng quá độ
36
3.2.2. Sai số xác lập
37
3.2.3. Ví dụ
37
3.3. Bài tập, câu hỏi và thảo luận
39
Chương IV: Thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc
46
4.1. Hàm truyền của các khâu cơ bản rời rạc
46
4.2. Thiết kế khâu sớm pha rời rạc dùng QĐNS
47
4.3. Thiết kế khâu trễ pha rời rạc dùng QĐNS
50
4.4. Thiết kế bộ điều khiển PID số
51
Mục lục
Giáo trình điều khiển số
4.5. Điều khiển gán cực
53
4.6. Điều khiển bằng hồi tiếp trạng thái, hồi tiếp trạng thái quan sát
56
4.6.1. Điều khiển được và quan sát được
56
4.6.2. Điều khiển bằng hồi tiếp trạng thái
58
4.6.3. Điều khiển bằng hồi tiếp trạng thái quan sát
60
4.7. Bài tập, câu hỏi và thảo luận
67
Chương I: Tổng quan về hệ thống điều khiển số
Giáo trình điều khiển số Trang 1
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ
1.1. Hệ thống rời rạc
Hệ thống điều khiển rời rạc có tín hiệu ở một hay nhiều điểm trong hệ thống là
dạng chuỗi xung hay mã số. Thông thường hệ thống điều khiển rời rạc được phân
làm 2 loại: Hệ thống điều khiển lấy mẫu dữ liệu và hệ thống điều khiển số. Hệ
thống điều khiển lấy mẫu dữ liệu ở dạng dữ liệu xung. Hệ thống điều khiển số liên
quan đến máy tính số hay bộ điều khiển số vì vậy tín hiệu trong hệ được mã số hóa,
ví dụ như mã số nhị phân.
Hệ thống điều khiển lấy mẫu dữ liệu chỉ nhận dữ liệu hay thông tin trong một
khoảng thời gian xác định. Ví dụ, tín hiệu sai lệch của hệ thống điều khiển chỉ có
thể được cung cấp dưới dạng xung và trong khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp
hệ thống điều khiển sẽ không nhận được thông tin về tín hiệu sai lệch.
Do máy tính cung cấp nhiều tiện ích và mềm dẻo, điều khiển bằng máy tính
ngày càng phổ biến.
1.2. Hệ thống điều khiển số điển hình
1.2.1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng tham gia vào nhiều quá trình công nghệ: Sản xuất xi
măng, gạch men, nhựa, cao su, hóa dầu, thực phẩm . . .
Mục tiêu điều khiển thường là giữ cho nhiệt độ ổn định hay điều khiển nhiệt độ
thay đổi theo đặc tính thời gian định trước.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ: Hình 1.1
Giao
tiếp
nhập
u(t)
Vi
xử
lý
Giao
tiếp
xuất
Mạch
công
suất
Mạch
đo
Giao diện
với người
vận hành
Lò điện
Cặp nhiệt điện
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ