Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1 Vai trò của điều khiển

 C.B. Pham 1-1 Vai trò của điều khiển Chương 1  C.B. Pham 1-2 Denis Papin’s water float regulator Wall’s fly-ball governor Khái niệm và nguyên lý cơ bản  C.B. Pham 1-3 1. Các khái niệm cơ bản 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 hệ thống. Inlet Outlet  C.B. Pham 1-4 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt Sơ đồ khối Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín vào từ một số bộ phận của hệ thống điều khiển và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác.  C.B. Pham 1-5 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt  C.B. Pham 1-6 Hàm truyền đạt - là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của phần tử: Sơ đồ khối và hàm truyền đạt x(t) y(t) TF   C.B. Pham 1-7 Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng hở: hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình.  C.B. Pham 1-8 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. Hệ thống điều khiển vòng hở  C.B. Pham 1-9 Thí dụ: xét hệ thống hở Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V: Velocity = 0.05 * 0.5 * 100 * 12 = 30 m/min Hệ thống điều khiển vòng hở  C.B. Pham 1-10 Hệ thống điều khiển vòng kín: hệ thống mà tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi. Hệ thống điều khiển vòng kín  C.B. Pham 1-11 Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten - Vị trí ban đầu: 00 - Vị trí mong muốn: 300 ( xd) - Động cơ: 10 /sec (ở điện áp định mức vs) - Cảm biến góc: 10V / 3600 ( xa) Hệ thống điều khiển vòng kín  C.B. Pham 1-12 xa  xd xa  xd vc = nếu vs 0 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. Tín hiệu điều khiển vc được xác định tùy theo cơ chế điều khiển: Hệ thống điều khiển vòng kín  C.B. Pham 1-13 Controller Actuator Process Sensor + _ Set point Controlled variable Error signal Control signal Manipulated variable Measured variable • Đo lường: đo giá trị thực của biến được điều khiển. • Ra quyết định: tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để thực hiện hành động điều khiển. • Tác động: sử dụng tín hiệu điều khiển để tác động một số biến điều khiển trong quá trình sao cho làm giảm giá trị sai lệch. Hệ thống điều khiển vòng kín  C.B. Pham 1-14 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. Hệ thống điều khiển vòng kín  C.B. Pham 1-15 T (s) Vi (V) Vf (V) Ve (V) P (mm) Pos (mm) 2.5 2.5 0 0 400 0.0 4 2.5 1.5 0 400 0.1 4 2.5 1.5 2.250 402.250 0.2 4 2.514 1.486 2.229 404.479 0.3 4 2.528 1.472 2.208 406.687 0.4 4 2.542 1.458 2.187 408.874 0.5 4 2.555 1.445 2.167 411.041 : : : : : : 60.0 4 3.995 0.005 0.008 639.157 T (s) Vi (V) Vf (V) Ve (V) P (mm) Pos (mm) 2.5 2.5 0 0 400 0.0 4 2.5 1.5 0 400 0.1 4 2.5 1.5 2.813 402.813 0.2 4 2.518 1.482 2.779 405.592 0.3 4 2.535 1.465 2.747 408.339 0.4 4 2.552 1.448 2.715 411.054 0.5 4 2.569 1.431 2.683 413.737 : : : : : : 48.0 4 3.995 0.005 0.01 639.163 G1 = 2 G1 = 2.5 Hệ thống điều khiển vòng kín  C.B. Pham 1-16 Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng kín - 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 - 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 Hệ thống điều khiển: vòng hở vs. vòng kín  C.B. Pham 1-17 Tuyến tính và 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  C.B. Pham 1-18 • 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 Tuyến tính và phi tuyến  C.B. Pham 1-19 • 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 và phi tuyến  C.B. Pham 1-20 • Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y. Linear element with a saturation nonlinearity Tuyến tính và phi tuyến  C.B. Pham 1-21 Giảm chấn và 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.  C.B. Pham 1-22 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.  C.B. Pham 1-23 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống 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.  C.B. Pham 1-24 • 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 hệ thống điều khiển  C.B. Pham 1-25 • Giảm chấn tới hạn: được dùng khi mong muốn không xảy ra độ vọt lố. Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển  C.B. Pham 1-26 Đơn giản sơ đồ khối Hệ thống vòng hở: Hệ thống vòng kín:  C.B. Pham 1-27  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 2. Phân loại hệ thống điều khiển  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  Giá trị điều chỉnh • ít thay đổi  hệ thống điều chỉnh • thay đổi liên tục  hệ thống tùy động  C.B. Pham 1-28  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) Phân loại hệ thống điều khiển  C.B. Pham 1-29 Bộ điều khiển số và tương tự  C.B. Pham 1-30 Bộ điều khiển tương tự: được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu tương tự; các tín hiệu được cập nhật liên tục. Bộ điều khiển số: được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu số; các tín hiệu được cập nhật dựa vào xung nhịp. Số vs. tương tự  C.B. Pham 1-31 Hệ thống điều khiển quá trình Hê thống điều khiển quá trình duy trì một đại lượng nào đó của quá trình ở giá trị điều chỉnh (mong muốn).  C.B. Pham 1-32 Hệ thống điều khiển quá trình Manual control Automatic flow control Automatic color control  C.B. Pham 1-33 Individual local controllers Direct computer control system Distributed control system Hệ thống điều khiển quá trình  C.B. Pham 1-34 Feed-forward control vs. Feed-back control Example: A continuous, stirred-tank blending systems. The control objective is to blend the two inlet streams to produce an outlet stream that has the desired composition.  C.B. Pham 1-35 Feed-forward control vs. Feed-back control • Method 1: Measure x and adjust w2 Feed-back control  C.B. Pham 1-36 Feed-forward control vs. Feed-back control • Method 2: Measure x1 and adjust w2 Feed-forward control  C.B. Pham 1-37 Hệ thống điều khiển trình tự Hệ thống điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tác được xác định trước. Time-driven operation Each operation in the sequence is performed either for a certain amount of time.  C.B. Pham 1-38 Hệ thống điều khiển trình tự Event-driven operation Each operation in the sequence is performed until the task is finished. Sequencer used for liquid mixing  C.B. Pham 1-39 Cơ cấu tùy động (servo mechanism) Cơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đối tượng được điều khiển là vị trí (hay sự chuyển động).  C.B. Pham 1-40 Hê thống điều khiển số là một hệ thống sử dụng các lệnh đã xác định trước để điều khiển một loạt các nguyên công. Hệ thống điều khiển số  C.B. Pham 1-41 Hệ thống tay máy Pick-and-place robot  C.B. Pham 1-42 Industrial robot Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm di chuyển những đối tượng khác nhau theo một trình tự chuyển động xác định để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Hệ thống tay máy