Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động (Nghề: Cơ điện tử - Trình độ Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động phần 1 gồm các nội dung chính sau: Các khái niệm cơ bản về cơ điện tử; các ví dụ điển hình của hệ thống cơ điện tử; khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động (Nghề: Cơ điện tử - Trình độ Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ Trình độ CAO ĐẲNG (Ban hành theo Quyết định số : /QĐ-CĐN ngày tháng năm 20… của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) 0
1
MỤC LỤC Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ .................................................................. 4 I. KHÁI NIỆM CHUNG ............................................................................................................... 4 II. ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH ............................................................................................. 5 1 ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................................................. 5 2. CÁC LOẠI BỘ ĐIỀU KHIỂN.................................................................................................. 7 3. ĐIỀU CHỈNH ............................................................................................................................. 9 III. KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ........................ 10 IV. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ..................................... 11 V. PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG................................................ 14 VI. QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........................................... 15 VII. KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN ...................................................................................... 16 VIII CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................... 17 IV. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG LĨNH VỰC ĐKTĐ ............................................. 18 BÀI 2:CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ…………………………… 19 I. MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CÁC PHẦN TỬ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ................................... 19 II. CÁC LOẠI CẢM BIẾN, THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG................................................................ 20 III. ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ................................................................................................... 21 IV. KỸ THUẬT GIAO TIẾP MÁY TÍNH ................................................................................... 22 V. CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ..................................................................... 23 VI. MỘT SỐ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN HAY ............................... 26 VII. NHỮNG SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ ..................................................................................... 27 VIII. PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG................................................ 28 IX. ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ .................................................................................................................... 28 X. ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN ..................................................................................................... 29 XI. MÁY ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ CNC ..................................................... 31 XII. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................... 34 BÀI 3: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ I. TÍN HIỆU ................................................................................................................................. 41 II. THÔNG TIN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN ................................................................................ 42 III. TRUYỀN NHẬN THÔNG TIN .............................................................................................. 44 BÀI 4: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................................................................... 46 II. KHÁI NIỆM VỀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC ............................................................................ 47 III. BIẾN ĐỔI LAPLACE ............................................................................................................. 51 BÀI 5: HÀM TRUYỀN.................................................................................................................... 53 I. KHÁI TIỆM HÀM TRUYỀN ĐẠT ....................................................................................... 53 II. CÁCH TÌM HÀM TRUYỀN .................................................................................................. 54 III. HÀM TRUYỀN CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG THƯỜNG GẶP................................................ 55 IV. HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ..................................................................... 56 V. BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG SƠ ĐỒI KHỐI ...................................................................... 66 VI. SƠ ĐỒ VÒNG TÍN HIỆU ....................................................................................................... 76 BÀI 6: KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI .......................................................................................... 81 I. CÁC MÔ HÌNH KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI ................................................................. 81 I.1. KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI .............................................................................................. 81 I.2 KHÁI TIỆM VỀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC............................................................................. 82 II. TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG.......................................................................................... 83 BÀI 7: ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................................................... 91 I. KHÁI NIỆM ỔN ĐINH ........................................................................................................... 91 II. TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ROUTH ........................................................................................ 94 III. TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH HURWITZ ................................................................................... 95 IV. BÀI TẬP VÍ DỤ ....................................................................................................................... 96 2
BÀI 8: QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ .................................................................................................. 105 I. KHÁI NIỆM VỀ QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ ........................................................................ 106 II. ĐIỀU KIỆN VỀ BIÊN ĐỘ VÀ PHA .................................................................................... 107 III. BÀI TẬP VÀ BÀI GIẢI......................................................................................................... 121 BÀI 9:CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 122 I. TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ ...................................................................................... 122 II. ĐÁP ỨNG BIÊN ĐỘ- ĐÁP ỨNG PHA ............................................................................... 123 III. TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH NYQUIST................................................................................... 125 IV. CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG .................................................................................. 127 V. SAI SỐ XÁC LẬP .................................................................................................................. 128 VI. ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ .............................................................................................................. 129 VII. CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ ................................................. 133 VIII CHẤT LƯỢNG MIỀN TẦN SỐ VÀ MIỀN THỜI GIAN ................................................. 135 IX. BÀI TẬP VÍ DỤ ..................................................................................................................... 138 3
LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng nghề cơ điện tử đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển tự động Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đó chính là việc tạo ra được làm sao thực hiện một giáo trình có tính chuyên môn và gần gũi với người học. Để thực hiện được việc này, yêu cầu đặt ra là phải có cho sinh viên nghề cơ điện tử nắm vững kiến thức cơ bản về điện tử.Sau thời gian giảng dạy tại trường, được sự giúp đỡ , góp ý nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ môn, tôi đã thực hiện và hoàn thành giáo trình: “Điện tử cơ bản” để làm nguồn tài liệu và cung cấp kiến thức bổ ích cho sinh viên. Để giúp bạn đọc nắm vững nội dung và khai thác tốt trong ứng dụng thực tế, đầu mỗi bài có phần tóm tắt nội dung, mục tiêu bài học và cuối mỗi bài có phần câu hỏi ôn tập hay bài tập áp dụng. Giáo trình có được thực hiện có thể còn nhiều sai sót và sẽ được chỉnh sửa trong các năm sau, mong các học viên, sinh viên và giáo viên góp ý để tôi điều chỉnh tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn 4
BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ I. KHÁI NIỆM CHUNG: Xem mô hình dưới đây: ▪ Mục tiêu điều khiển: Làm cho ngõ ra (OUTPUT) của hệ thống càng gần với giá trị đặt (REFERENCE) càng tốt, hay nói cách khác, làm cho sai lệch (ERROR) càng nhỏ càng tốt. ▪ Làm thế nào để mô tả được hệ thống cần điều khiển (System to be controlled - Modeling)? ▪ Làm thế nào thiết kế bộ điều khiển (Control)? Phân loại hệ thống điều khiển ▪ Hệ thống điều khiển vòng hở cơ bản (Basic open-loop control system) Disturbance Inputs Desired + + Controlled value/ Controller ? Plant 5 Variables setpoint
Hệ thống điều khiển vòng hở cơ bản được dùng khi: ➢ Sự thay đổi giá trị đặt ở ngõ vào là không quá phức tạp ➢ Tác động của nhiễu vào hệ thống là không quá lớn ➢ Chất lượng hệ thống không đòi hỏi cao. Hệ thống điều khiển vòng hở có bù nhiễu (feedforward) Disturbance Inputs Disturbance compensation + + Desired value/ + + Controlled ? Controller ? Plant setpoint Variables Command Disturbance compensator Inputs + + Desired value/ + + Controlled ? Controller ? Plant setpoint Variables ➢ Đo lường nhiễu ➢ Ước lượng tác động của nhiễu lên đối tượng điều khiển và thực hiện bù vào hệ thống Dựa vào đặc tính của đối tượng điều khiển, việc bù nhiễu được thực hiện ở ngay ngõ vào của hệ thống Hệ thống điều khiển vòng kín (feedback control, close-loop control Disturbance Inputs + Desired value/ + + Controlled ? Controller ? Plant setpoint Variables _ Sensor ➢ Đo lường biến điều khiển ➢ So sánh giá trị biến điều khiển và giá trị đặt II. Khái niệm điều khiển và điều chỉnh II.1 Điều khiển: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Một câu hỏi khá phổ biến với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “Điều khiển là gì?”. Để có khái niệm về điều khiển chúng ta xét ví dụ sau. Giả sử chúng ta đang lái xe trên đường, chúng ta muốn xe chạy với tốc độ cố định 6
40km/h. Để đạt được điều này mắt chúng ta phải quan sát đồng hồ đo tốc độ để biết được tốc độ của xe đang chạy. Nếu tốc độ xe dưới 40km/h thì ta tăng ga, nếu tốc độ xe trên 40km/h thì ta giảm ga. Kết quả của quá trình trên là xe sẽ chạy với tốc độ “gần” bằng tốc độ mong muốn. Quá trình lái xe như vậy chính là quá trình điều khiển. Trong quá trình điều khiển chúng ta cần thu thập thông tin về đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin về tốc độ xe), tùy theo thông tin thu thập được và mục đích điều khiển mà chúng ta có cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hay giảm ga), cuối cùng ta phải tác động vào đối tượng (tác động vào tay ga) để hoạt động của đối tượng theo đúng yêu cầu mong muốn. Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Câu hỏi thứ hai cũng thường gặp đối với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “Tại sao cần phải điều khiển?”. Câu trả lời tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, tuy nhiên có hai lý do chính là con người không thỏa mãn với đáp ứng của hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng năng suất, tăng hiệu quả kinh tế. Ví dụ trong lĩnh vực dân dụng, chúng ta cần điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm cho các căn hộ và các cao ốc tạo ra sự tiện nghi trong cuộc sống. Trong vận tải cần điều khiển các xe hay máy bay từ nơi này đến nơi khác một cách an toàn và chính xác. Trong công nghiệp, các quá trình sản xuất bao gồm vô số mục tiêu sản xuất thỏa mãn các đòi hỏi về sự an toàn, độ chính xác và hiệu quả kinh tế. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,... Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động. Khái niệm điều khiển thật sự là một khái niệm rất rộng, nội dung quyển sách này chỉ đề cập đến lý thuyết điều khiển các hệ thống kỹ thuật. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 7
Chú thích các ký hiệu viết tắt: - r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t) (controlled output): tín hiệu ra - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t) (error): sai số - u(t) : tín hiệu điều khiển. Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối ở hình 1.1 là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất. Trở lại ví dụ lái xe đã trình bày ở trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe, thiết bị đo lường là đồng hồ đo tốc độ và đôi mắt của người lái xe, bộ điều khiển là bộ não người lái xe, cơ cấu chấp hành là tay người lái xe. Tín hiệu vào r(t) là tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu ra c(t) là tốc độ xe hiện tại của xe, tín hiệu hồi tiếp cht(t) là vị trí kim trên đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) là sai lệch giữa tốc độ mong muốn và tốc độ hiện tại, tín hiệu điều khiển u(t) là Hệ thống điều khiển mực chất lỏng Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động 8
▪ Trong lĩnh vực điều khiển tự động có rất nhiều bài toán cần giải quyết, tuy nhiên các bài toán điều khiển trong thực tế có thể quy vào ba bài toán cơ bản sau: -Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số. Bài toán đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ. Bài toán này luôn giải được. -Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Bài toán đặt ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng. Bài toán nói chung là giải được. -Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Vấn đề đặt ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống. Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được. Trong lý thuyết điều khiển tự động, một bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học cho trước. Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết. Ví dụ, hệ thống lò sưởi của một ngôi nhà có thể được trang bị với 1 bộ điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ không khí (biến đầu ra), có thể bật hoặc tắt lò nung hoặc bộ gia nhiệt khi nhiệt độ không khí quá thấp hoặc quá cao. Trong ví dụ này, bộ điều nhiệt là bộ điều khiển và điều khiển hoạt động của bộ gia nhiệt. Bộ gia nhiệt là bộ xử lý giúp làm nóng không khí bên trong ngôi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt). Nhiệt độ không khí đo được bên trong ngôi nhà là tín hiệu phản hồi. Và cuối cùng, ngôi nhà là môi trường mà hệ thống lò sưởi làm việc. Khái niệm bộ điều khiển còn có thể mở rộng cho nhiều hệ thống phức tạp khác. Trong thế giới tự nhiên, mỗi cá thể sinh vật cũng có thể được trang bị các bộ điều khiển để đảm bảo sự cân bằng nội cần thiết cho sự sinh tồn của sinh vật. Cả hai hệ thống nhân tạo và tự nhiên đều biểu hiện tập hợp các hành vi giữa các cá thể trong đó các bộ điều khiển cố gắng đạt đến các trạng thái cân bằng nào đó. Trong lý thuyết điều khiển tự động có hai dạng điều khiển cơ bản. Đó là vòng hở và phản hồi. Đầu vào của một bộ điều khiển phản hồi giống với thứ mà nó cố gắng điều khiển – biến điều khiển được phản hồi vào bộ điều khiển. Bộ điều nhiệt của một ngôi nhà là một ví dụ của 1 bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển này dựa vào việc đo lường các biến điều khiển, trong trường hợp này là nhiệt độ ngôi nhà, và sau đó điều chỉnh đầu ra, qua việc đóng hoặc mở bộ gia nhiệt. Tuy nhiên, điều khiển phản hồi thường cho kết quả trong các giai đoạn trung gian nơi các biến điều khiển không ở điểm đặt mong muốn. Với ví dụ về bộ điều nhiệt, nếu cánh cửa của ngôi nhà được mở trong ngày lanh, ngôi nhà sẽ lạnh dần. Nếu nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt), bộ gia nhiệt sẽ được mở, nhưng sẽ cần một khoảng thời gian khi ngôi nhà lạnh hơn nhiệt độ mong muốn. Điều khiển vòng hở có thể tránh được sự chậm chạp của điều khiển phản hồi. Với điều khiển vòng hở, các nhiễu được đo lường và tính toán trước khi chúng có thời gian 9
để tác động vào hệ thống. Trong ví dụ về ngôi nhà, một hệ thống vòng hở có thể biết được cánh cửa thực tế được mở và tự động mở bộ gia nhiệt trước khi ngôi nhà quá lạnh. Sự khác biệt với điều khiển vòng hở là tác động của nhiễu lên hệ thống phải được dự đoán chính xác, và không được có bất kỳ nhiễu nào không đo lường được. Ví dụ, nếu một cửa sổ được mở thì không đo lường được, bộ điều nhiệt điều khiển vòng hở có thể vẫn tiếp tục để ngôi nhà lạnh đi. Để đạt được hiệu quả như điều khiển phản hồi (điều khiển nhiễu không xác định và không cần biết chính xác phương thức hệ thống phản ứng với nhiễu thế nào) "và" hiệu quả của điều khiển vòng hở (phản ứng với nhiễu trước khi chúng có thể tác động tới hệ thống), có thể liên kết giữa điều khiển hồi tiếp và vòng hở với nhau. Vài ví dụ về việc kết hợp điều khiển vòng hở và hồi tiếp với nhau là bù thời gian chết, và bù đáp ứng ngược. Bù thời gian chết được dùng để điều khiển các thiết bị mà cần nhiều thời gian để hiển thị bất kỳ thay đổi nào ở đầu vào, ví dụ, thay đổi ở phần dòng chảy qua một ống dài. Bù một điều khiển bù thời gian chết sử dụng một yếu tố (còn gọi là một biến độc lập Smith) để dự đoán thay đổi hiện tại bởi bộ điều khiển sẽ tác động tới biến điều khiển trong tương lai. Biến điều khiển cũng được đo lường và sử dụng trong điều khiển phản hồi. Bù đáp ứng ngược bao gồm các hệ thống điều khiển mà một thay đổi sẽ tác động trước hết tới biến đo lường theo một cách nhưng sau đó sẽ tác động tới nó theo cách ngược lại. Một ví dụ là việc ăn kẹo. Trước tiên kẹo sẽ cung cấp cho bạn năng lượng, nhưng sau đó bạn sẽ rất mệt. Cũng có thể tưởng tượng rằng, rất khó để điều khiển hệ thống này với chỉ một mình điều khiển phản hồi, do đó một phần tử điều khiển vòng hở dự đoán được là cần thiết để dự đoán tác dụng ngược mà một thay đổi sẽ có trong tương lai. II.2 Các loại bộ điều khiển: Hầu hết các hệ thống điều khiển van trong quá khứ được thực hiện bằng cách sử dụng các hệ thống cơ khí hoặc bán dẫn. Khí nén được thường xuyên cài đặt cho việc truyền thông tin và điều khiển sử dụng áp lực. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển hiện đại nhất trong công nghiệp hiện nay lại dựa vào máy tính để điều khiển. Rõ ràng sẽ dễ dàng hơn để thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp trên máy tính hơn là sử dụng hệ thống cơ khí. Có vài loại đơn giản của bộ điều khiển hồi tiếp. Loại đơn giản nhất, giống như bộ điều nhiệt chỉ việc bật bộ gia nhiệt lên khi nhiệt độ xuống dưới giá trị cho trước và tắt nếu nó vướt quá giá trị đó (điều khiển on-off). Một loại bộ điều khiển đơn giản khác là một bộ điều khiển tỉ lệ. Với bộ điều loại này, đầu ra bộ điều khiển (tác động điều khiển) tỉ lệ với sai số của biến đo lường. Trong điều khiển phản hồi, sai số được định nghĩa là hiệu số giữa giá trị mong muốn (điểm đặt) và giá trị hiện tại (đo lường) . Nếu sai số lớn, thì tác động điều khiển lớn. Ta có: Điều quan trọng là tác động điều khiển chống lại các thay đổi trong biến điều khiển (phản hồi âm). Có hai trường hợp phụ thuộc vào tín hiệu của độ lơi quá trình. 10
Trường hợp thứ nhất, độ lợi quá trình là dương, vì vậy việc tăng biến điều khiển (đo lường) yêu cầu cần giảm tác động điều khiển (điều khiển ngược hướng tác động). Trong trường hợp này, độ lợi bộ điều khiển là dương, bởi vì định nghĩa tiêu chuẩn của sai số đã bao gồm một dấu ‘–‘ . Trong trường hợp thứ hai độ lợi quá trình là âm, vì ứng với biến điều khiển tăng một đơn vị (đo lường) thì yêu cầu tác đọng điều khiển cũng tăng một đơn vị (điều khiển theo hướng tác động). Trong trường hợp này độ lợi bộ điều khiển là âm. Một ví dụ điển hình của hệ thống ngược hướng tác động là điều khiển nhiệt độ bằng cách sử dụng hơi nước . Trong trường hợp này độ lợi quá trình là dương, vì vậy nếu nhiệt độ tăng, lưu lượng hơi nước phải được tăng để duy trì nhiệt độ mong muốn. Ngược lại, một ví dụ điển hình của hệ thống theo hướng tác động là điều khiển nhiệt độ sử dụng nước làm mát. Trong trường hợp này độ lợi quá trình là âm, vì vậy nếu nhiệt độ tăng, lưu lượng nước làm mát phải được tăng để duy trì nhiệt độ mong muốn. Mặc dù điều khiển tỉ lệ rất dễ hiểu, nó lại có nhiều hạn chế. Vấn đề lớn nhất là trong hầu hết các hệ thống nó sẽ không bao giờ khử bỏ hết được sai số. Điều này là bởi vì khi sai số là 0, bộ điều khiển chỉ cung cấp các tác động điều khiển trạng thái ổn định vì vậy hệ thống sẽ xác lập trở lại trạng thái ổn định ban đầu (nó có lẽ không phải là điểm đặt mới mà chúng ta muốn hệ thống đạt được). Để hệ thống làm việc gần trạng thái ổn định mới, độ lợi bộ điều khiển, Kc, phải rất lớn để bộ điều khiển tạo ra đầu ra theo yêu cầu khi chỉ có một sai số rất nhỏ xuất hiện. Độ lợi lớn có thể dẫn đến hệ thống mất ổn định hoặc có thể làm phần cứng không thể thực hiện được giống như van lớn vô tận vậy. Cùng với điều khiển tỉ lệ là điều khiển tỉ lệ-tích phân (PI) và điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID). Điều khiển PID được sử dụng phổ biến để thực hiện điều khiển vòng lặp. điều khiển vòng hở có thể được sử dụng trong các hệ thống được mô tả rõ ràng để tiên đoán được đầu ra nào sẽ cần thiết để đạt được trạng thái mong muốn. Ví dụ, vận tốc quay của một động cơ điện có thể được mô tả đủ tốt cho việc cung cấp điện áp làm cho việc điều khiển phản hồi là không cần thiết. Hạn chế của điều khiển vòng hở là yêu cầu kiến thức về hệ thống phải rất hoàn hảo (tức là nó phải biết chính xác đầu vào là gì để đạt được đầu ra mong muốn), và phải giả thiết rằng không có bất kỳ nhiễu nào trong hệ thống. II.3. Điều chỉnh: Làm cho vật thể hay sự việc thay đổi nhỏ để chúng phù hợp hơn theo ý muốn. Hay nói cách khác: sửa đổi, sắp xếp lại ít nhiều cho đúng hơn, hợp lí hơn Ví dụ: điều chỉnh mức lương điều chỉnh giá xăng dầu III. Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống điều khiển: Để hiểu được khái niệm về hệ thống điều khiển tự động trước hết ta xem ví dụ sau: 11
Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển của lò hơi để phát điện Điều khiển: Tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước. Điều khiển học: Một bộ môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây dựng các hệ điều khiển. Điều khiển tự động: Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người. Hệ thống điều khiển: Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện. Hệ thống điều khiển tự động (điều chỉnh tự động): Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật, đảm bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động một quá trình nào đó (đôi khi gọi tắt là hệ thống tự động – HTTĐ). Ý nghĩa của điều khiển tự động: - Đáp ứng của hệ thống không thõa mãn yêu cầu công nghệ - Tăng độ chính xác - Tăng năng suất - Tăng hiệu quả kinh tế IV. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động 1. Các phần tử cơ bản Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển tự động 12
Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động Mọi hệ thống điều khiển tự động đều bao gồm 3 bộ phận cơ bản : - Thiết bị điều khiển C (Controller device). - Đối tượng điều khiển (Object device). - Thiết bị đo lường (Measuring device). Trong đó: u(t) tín hiệu vào ; r(t) e(t) Sai lệch điều khiển ; x(t) Tín hiệu điều khiển ; y(t) Tín hiệu ra ; c(t) z(t) Tín hiệu phản hồi (hồi tiếp) 2. Bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động 2.1 Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số. Bài toán đặt ra là tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ. 2.2 Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Bài toán đặt ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng. 2.3 Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Vấn đề dặt ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống. Môn học Lý thuyết ĐKTĐ chỉ giải quyết bài toán phân tích hệ thống và thiết kế hệ thống. Bài toán nhận dạng hệ thống sẽ được nghiên cứu trong môn học khác. 3. Các nguyên tắc điều khiển cơ bản 3.1 Nguyên tắc thông tin phản hồi (1) Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì bắt buộc phải có phải hồi thông tin, tức phải có đo lường các tín hiệu từ đối tượng điều khiển. 3.2 Điều khiển san bằng sai lệch 13
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch Tín hiệu ra y(t) được đưa vào so sánh với tín hiệu vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tượng O. 3.3 Điều khiển theo bù nhiễu Hình 1.4: Sơ đồ 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 thống (hình 1.4). 3.4 Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp (theo sai lệch và bù nhiễu) Hình 1.5: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu. 3.4.1 Nguyên tắc đa dạng tương xứng Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng. Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thông tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn quyết định,... Ý nghĩa: Cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng. Thí dụ: Hãy so sánh yêu cầu chất lượng điều khiển và bộ điều 14
khiển sử dụng trong các hệ thống sau: - Điều khiển nhiệt độ bàn là (chấp nhận sai số lớn) với điều khiển nhiệt độ lò sấy (không chấp nhận sai số lớn). - Điều khiển mực nước trong bồn chứa của khách sạn (chỉ cần đảm bảo luôn có nước trong bồn) với điều khiển mực chất lỏng trong các dây chuyền sản xuất (mực chất lỏng cần giữ không đổi). 3.4.2 Nguyên tắc bổ sung ngoài Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó. Nguyên tắc bổ sung ngoài thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen. Ý nghĩa: Khi thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống có có chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu 3.4.3 Nguyên tắc dự trữ Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường. Vốn dự trữ không sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn. 3.4.4 Nguyên tắc phân cấp Một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm. Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây. Đa số hệ thống điều khiển trong các dây chuyền sản suất hiện nay có thể chia làm 3 cấp: 3.4.4.1 Cấp thực thi: điều khiển thiết bị, đọc tín hiệu từ cảm biến. 3.4.4.2 Cấp phối hợp 3.4.4.3 Cấp tổ chức và quản lý 3.4.5 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. 15
4 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động 4.1.1 Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục được mô tả bằng phương trình vi phân. Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc được mô tả bằng phương trình sai phân. Hệ thống tuyến tính: hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân/sai phân tuyến tính. Hệ thống phi tuyến: Hệ thống 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 gian. 4.1.2 Phân loại dựa trên số ngõ vào – ngõ ra hệ thống Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (hệ SISO): (Single Input –Single Output). Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (hệ MIMO): (Multi Input – Multi Output). 4.1.3 Phân loại theo chiến lược điều khiển. Mục tiêu điều khiển thường gặp nhất là sai số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào chuẩn càng nhỏ càng tốt. Tùy theo dạng tín hiệu vào mà ta có các loại điều khiển sau: Điều khiển ổn định hóa: Nếu tín hiệu chuẩn x(t) = const, ta gọi là điều khiển ổn định hóa. Điều khiển theo chương trình: Tín hiệu vào x(t) là hàm thay đổi theo thời gian nhưng đã biết trước. Điều khiển theo dõi: Tín hiệu vào x(t) là hàm không biết trước theo thời gian. 4.1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển a. Điều khiển kinh điển: Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là hàm truyền. Đặc điểm: - Đơn giản - Áp dụng thuận lợi cho hệ thống tuyến tính bất biến một ngõ vào, một ngõ ra. - Kỹ thuật thiết kế trong miền tần số. Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống: - Quỹ đạo nghiệm số. - Đặc tính tần số: biểu đồ Nyquist, biểu đồ 16
Bode. Bộ điều khiển: - Sớm trễ pha - PID (Proportional – Integral – Derivative) b. Điều khiển hiện đại: Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái. Đặc điểm: Có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến, biến đổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra. Kỹ thuật thiết kế trong miền thời gian Các phương pháp thiết kế hệ thống: - Điều khiển tối ưu. - Điều khiển thích nghi. - Điều khiển bền vững Bộ điều khiển: Hồi tiếp trạng thái c. Điều khiển thông minh: Nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống. Đặc điểm: - Mô phỏng (bắt chước) các hệ thống thông minh sinh học. - Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin không chắc chắn, có khả năng học, có khả năng xử lý lượng lớn thông tin. Các phương pháp điều khiển thông minh: - Điều khiển mờ (Fuzzy Control). - Mạng thần kinh nhân tạo (Neural Network). - Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm). Nội dung chính của môn học Lý thuyết Điều khiển tự động chủ yếu đề cấp đến các phương pháp kinh điển phân tích, thiết kế hệ thống tuyến tính, bất biến, một ngõ vào, một ngõ ra. Do vậy kiến thức có được từ môn học giúp kỹ sư có thể phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển ở cấp thực thi (cấp điều khiển thiết bị trong hệ thống điều khiển phân cấp). 5 Quá trình thiết lập một hệ thống điều khiển - Bước 1: Chuyển đổi các yêu cầu kỹ thuật thành một hệ thống vật lý. - Bước 2: Vẽ sơ đồ khối chức năng. Chuyển đổi sự miêu tả đặc tính hệ thống thành một sơ đồ khối chức năng. Đây là sự miêu tả về các phần chi tiết của hệ thống và mối quan hệ giữa chúng. - Bước 3: Thiết lập sơ đồ nguyên lí. - Bước 4: Sử dụng sơ đồ nguyên lý thiết lập sơ đồ khối hoặc graph tín hiệu hoặc biểu diễn không gian trạng thái. - Bước 5: Rút gọn sơ đồ khối. 17
- Bước 6: Phân tích và thiết kế. 6 Khái niệm xử lý thông tin: Một câu hỏi khá phổ biến với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “Điều khiển là gì?”. Để có khái niệm về điều khiển chúng ta xét ví dụ sau. Giả sử chúng ta đang lái xe trên đường, chúng ta muốn xe chạy với tốc độ cố định 40km/h. Để đạt được điều này mắt chúng ta phải quan sát đồng hồ đo tốc độ để biết được tốc độ của xe đang chạy. Nếu tốc độ xe dưới 40km/h thì ta tăng ga, nếu tốc độ xe trên 40km/h thì ta giảm ga. Kết quả của quá trình trên là xe sẽ chạy với tốc độ “gần” bằng tốc độ mong muốn. Quá trình lái xe như vậy chính là quá trình điều khiển. Trong quá trình điều khiển chúng ta cần thu thập thông tin về đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin về tốc độ xe), tùy theo thông tin thu thập được và mục đích điều khiển mà chúng ta có cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hay giảm ga), cuối cùng ta phải tác động vào đối tượng (tác động vào tay ga) để hoạt động của đối tượng theo đúng yêu cầu mong muốn. Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Câu hỏi thứ hai cũng thường gặp đối với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “Tại sao cần phải điều khiển?”. Câu trả lời tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, tuy nhiên có hai lý do chính là con người không thỏa mãn với đáp ứng của hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng năng suất, tăng hiệu quả kinh tế. Ví dụ trong lĩnh vực dân dụng, chúng ta cần điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm cho các căn hộ và các cao ốc tạo ra sự tiện nghi trong cuộc sống. Trong vận tải cần điều khiển các xe hay máy bay từ nơi này đến nơi khác một cách an toàn và chính xác. Trong công nghiệp, các quá trình sản xuất bao gồm vô số mục tiêu sản xuất thỏa mãn các đòi hỏi về sự an toàn, độ chính xác và hiệu quả kinh tế. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,... Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động. Khái niệm điều khiển thật sự là một khái niệm rất rộng, nội dung quyển sách này chỉ đề cập đến lý thuyết điều khiển các hệ thống kỹ thuật. 7 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 18
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Chú thích các ký hiệu viết tắt: - r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t) (controlled output): tín hiệu ra - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t) (error): sai số - u(t) : tín hiệu điều khiển. Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối ở hình 1.1 là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất. Trở lại ví dụ lái xe đã trình bày ở trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe, thiết bị đo lường là đồng hồ đo tốc độ và đôi mắt của người lái xe, bộ điều khiển là bộ não người lái xe, cơ cấu chấp hành là tay người lái xe. Tín hiệu vào r(t) là tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu ra c(t) là tốc độ xe hiện tại của xe, tín hiệu hồi tiếp cht(t) là vị trí kim trên đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) là sai lệch giữa tốc độ mong muốn và tốc độ hiện tại, tín hiệu điều khiển u(t) là góc quay của tay ga. Một ví dụ khác như hệ thống điều khiển mực chất lỏng ở hình 1.2 dù rất đơn giản nhưng cũng có đầy đủ ba thành phần cơ bản kể trên. Thiết bị đo lường chính là cái phao, vị trí của phao cho biết mực chất lỏng trong bồn. Bộ điều khiển chính là cánh tay đòn mở van tùy theo vị trí hiện tại của phao, sai lệch càng lớn thì góc mở van càng lớn. Đối tượng điều khiển là bồn chứa, tín hiệu ra c(t) là mực chất lỏng trong bồn, tín hiệu vào r(t) là mực chất lỏng mong muốn. Muốn thay đổi mực chất lỏng mong muốn ta thay đổi độ dài của đoạn nối từ phao đến cánh tay đòn. 19