Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động

9/9/2014 1 Điều Khiển Tự Động 9/9/2014 2 Mục đích môn học  Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả, phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động. 9/9/2014 3 Nội dung môn học  Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động  Chương 2: Mô tả toán học phần tử và hệ thống điều khiển  Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống  Chương 4: Tính ổn định của hệ thống  Chương 5: Chất lượng hệ thống điều khiển  Chương 6: Thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống  Chương 7: Hệ thống điều khiển rời rạc 9/9/2014 4 Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 1.3 Các nguyên tắc điều khiển 1.4 Phân loại hệ thống 1.5 Các bài toán cơ bản 1.6 Ví dụ ứng dụng 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển 9/9/2014 5 1) Điều khiển Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h 1.1 Các khái niệm cơ bản 9/9/2014 6 1) Điều khiển Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h 1. Mắt quan sát đồng hồ tốc độ  Thu thập thông tin 2. Não so sánh v mong muốn và v thực tế, ra quyết định tăng/giảm ga  Xử lý thông tin 3. Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga  Tác động Kết quả : xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h.  Điều khiển = quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước.  Điều khiển tự động = quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người. 1.1 Các khái niệm cơ bản 9/9/2014 7 1.1 Các khái niệm cơ bản (tt) Ví dụ 2: Điều khiển giữ ổn định mức nước h=const =H0 1. Thu thập thông tin: Thiết bị đo = phao 2. Xử lý thông tin: Bộ điều khiển = hệ thống đòn bẩy. 3. Tác động: Cơ cấu tác động = van. Mức nước H0 có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh độ dài thanh nối phao-đòn bẩy. 9/9/2014 8 1.1 Các khái niệm cơ bản (tt) 2) Tín hiệu  Lý thuyết thông tin: tín hiệu = nội dung thông tin.  Bản chất vật lý: tín hiệu = đại lượng vật lý. (điện áp, dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ,…)  Toán học: tín hiệu = hàm số theo thời gian. ( u(t), i(t), v(t), x(t), p(t), (t),.... )  Trên sơ đồ khối: các tín hiệu vào/ra = các mũi tên 9/9/2014 9 • Ví dụ về các tín hiệu vào, ra điện áp u(t) vận tốc n(t) góc quay(t) Động cơ điện lưu lượng, áp suất vận tốc, vị trí, lực Xylanh lực Nhiệt độcông suất Lò nhiệt Van lưu lượng, áp suấtvị trí nòng van (độ nâng, góc mở) Chiết áp 9/9/2014 10 Chiết áp Điện ápvị trí con trỏ (góc xoay) 9/9/2014 11 Chiết áp Điện ápvị trí con trỏ (góc xoay) 9/9/2014 12 Linear potentiometer 9/9/2014 13 r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (Set Value) y(t) : tín hiệu ra (output), biến quá trình, giá trị thực tế (Process Value) yht(t) : tín hiệu hồi tiếp, biến đo lường ( Measure Variable) e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error) u(t) : tín hiệu điều khiển /tác động (control signal, Manipulate Variable) z(t): tín hiệu nhiễu ( Noise, Disturbance) 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển yht = K.y ; e= r- yht Nếu K=1 thì: e=r-y e(t) u(t) Bộ điều khiển r(t) Đối tượng ĐK y(t) Thiết bị đo yht (t) z(t)  3 thành phần cơ bản: Đối tượng điều khiển, thiết bị đo (cảm biến), bộ điều khiển. 9/9/2014 14 9/9/2014 15 9/9/2014 16 1.3 Các nguyên tắc điều khiển 1.3.1 Nguyên tắc điều khiển giữ ổn định Mục tiêu: Duy trì đáp ứng y= hằng số định trước  Điều khiển bù nhiễu  Điều khiển san bằng sai lệch  Điều khiển phối hợp 1.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình Mục tiêu: Tạo đáp ứng y(t) có đặc tính thời gian định trước (chương trình=hàm thời gian). 1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi Mục tiêu: Điều khiển các đối tượng có mô hình toán và thông số động (thay đổi trong quá trình làm việc do ảnh hưởng của môi trường). 9/9/2014 17 1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control)  Sơ đồ:  Ví dụ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định u(t) Bộ điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t)  Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu. - Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu. - Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không đo được) thì đáp ứng sẽ kém chính xác. Nđộ ngoài trời Lò sưởi Nđộ phòng Nhiệt kế PhòngRơle Nđộ yêu cầu van 9/9/2014 18  Ví dụ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định Nđộ ngoài trời Lò sưởi Nđộ phòng Nhiệt kế PhòngRơle Nđộ yêu cầu van 9/9/2014 19 2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control)  Sơ đồ:  Ví dụ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt) e(t) u(t) Bộ điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t) Nđộ ngoài trời Máy lạnh Nđộ phòng PhòngBộ ĐK Nđộ đặt ue Cảm biến nhiệt  Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên độ sai lệch vào-ra. - Có thể làm triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu không biết trước/ không đo được  có khả năng tạo đáp ứng chính xác. - Quá trình hiệu chỉnh chậm hơn bù nhiễu (sai -> sửa sai). 9/9/2014 20 3) Điều khiển phối hợp  Sơ đồ: 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)  Đặc điểm: Kết hợp mạch bù nhiễu và mạch hồi tiếp. - Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng của các nhiễu đo được. - Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo ra bởi các nhiễu không đo được. e(t) u(t) Bộ điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t) 9/9/2014 21  Ví dụ: 9/9/2014 22  Sơ đồ: 1.3.3 Nguyên tắc ĐK thích nghi  Đặc điểm: - Sử dụng thêm một bộ chỉnh định. - Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số của bộ điều khiển sao cho hệ thích ứng với mọi biến động của môi trường. u(t) Điều khiển r(t) Đối tượng y(t) z(t) Chỉnh định v(t) 9/9/2014 23 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển 1.4.1 Phân loại theo mạch hồi tiếp  Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp. Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp.  Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp  chỉ phù hợp với các ứng dụng không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao. 9/9/2014 24 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển 9/9/2014 25 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển 1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học  Hệ liên tục  Tín hiệu truyền trong hệ là hàm số liên tục theo tgian  Mô tả bằng phương trình vi phân  Hệ rời rạc  Tín hiệu truyền trong hệ là dạng chuỗi xung / mã số  Mô tả bằng phương trình sai phân 9/9/2014 26 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)  Hệ tuyến tính (lý tưởng)  Đặc tính tĩnh của các phần tử là tuyến tính (tín hiệu ra ở xác lập tỉ lệ với tín hiệu vào).  Mô tả bằng ph.trình vi phân/sai phân tuyến tính.  Áp dụng được nguyên lý xếp chồng đáp ứng.  Nếu có nhiều tín hiệu vào đồng thời: r1, r2,…, rn Thì tín hiệu ra: y = y1 + y2 +…+ yn  Hệ phi tuyến  Các hệ thống thực tế đều là phi tuyến (Rơle ON-OFF, khuếch đại bão hoà, khe hở, trễ, chết,…).  Có thể tuyến tính hoá nếu giá trị các biến chỉ thay đổi trong phạm vi nhỏ. 1r 3r y Hệ thống 9/9/2014 27 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển (tt)  Hệ bất biến (hệ dừng)  Các thông số của hệ (như khối lượng, độ cứng, ma sát, R, L, C) là hằng số theo thời gian.  Mô tả bằng phương trình vi phân/sai phân hệ số hằng.  Đáp ứng của hệ không phụ thuộc thời điểm tác động tín hiệu vào.  Hệ biến đổi theo thời gian (hệ không dừng)  Ví dụ : tên lửa có khối lượng m= m(t). 1.4.3 Phân loại theo số lượng tín hiệu vào-ra  Hệ SISO (Single Input – Single Output): một ngõ vào – một ngõ ra.  Hệ MIMO (Multi Input – Multi Output) : nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra. Môn học Điều khiển tự động (45 tiết) chủ yếu khảo sát các hệ thống tuyến tính bất biến SISO. 9/9/2014 28 1.5 Các bài toán cơ bản 1) Bài toán phân tích Biết sơ đồ cấu trúc và thông số của toàn bộ hệ thống. Yêu cầu:  Xét tính ổn định của hệ thống   Tìm tín hiệu ra y(t) khi biết tín hiệu vào r(t).  Biểu diễn y(t) bằng đồ thị.  Đánh giá chất lượng quá trình điều khiển (xác định thời gian tăng trưởng tr , thời gian ổn định ts , độ vọt lố POT, sai số xác lập e (), …). t lim y(t ) const?   9/9/2014 29 1.5 Các bài toán cơ bản 2t 2t4y(t) (1 e cos4t 2e sin 4t) 5     9/9/2014 30 1.5 Các bài toán cơ bản 2) Bài toán thiết kế Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Yêu cầu:  Thiết kế bộ điều khiển (xác định loại và thông số tối ưu của bộ điều khiển) để hệ thống đạt yêu cầu chất lượng đã đề ra. 9/9/2014 31 1.6 Các ví dụ ứng dụng  Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi 9/9/2014 32 • Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi - ĐTĐK, Thiết bị đo, Bộ điều khiển, Cơ cấu tác động = ? - Bản chất vật lý của r, y, yht, e, u1, u2, u3, z = ? Con lắc ly tâm Van nliệuVan đkh Động cơ Bánh răng r(t) y(t) u2(t) u3(t)e(t) yht(t) xylanh u1(t) z(t) Các thành phần chức năng cơ bản: 9/9/2014 33 • Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi Tên gọi, ký hiệu và bản chất vật lý của các tín hiệu:  Tín hiệu vào r(t): Tốc độ đặt trước, đặt bằng cách chỉnh lực căng của lò xo  Tín hiệu ra y(t): Tốc độ thực tế của động cơ.  Tín hiệu hồi tiếp yht(t): Tốc độ y(t) được chuyển đổi qua lực ly tâm, vị trí con lắc và tạo nên yht(t) là lực ép xuống lò xo.  Tín hiệu sai số e(t): Lực, thể hiện sai số giữa r(t) và yht(t). Lực này làm dịch chuyển nòng van điều khiển. e(t)=0 thì van ở vị trí cân bằng.  Tín hiệu đ.khiển u1(t): Lưu lượng dầu vào xylanh.  Tín hiệu đ.khiển u2(t): Vị trí piston hay độ mở của van nh.liệu  Tín hiệu tác động u3(t): Lưu lượng nhiên liệu đưa vào đcơ.  Nhiễu z(t): Sự thay đổi bất thường của tải. 9/9/2014 34 1.6 Các ví dụ ứng dụng  Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC 0-10V 9/9/2014 35 • Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC  r: Điện áp lấy từ chiết áp (0-10V)  tốc độ đặt trước  y: Tốc độ thực tế của động cơ  yht: Điện áp chuyển đổi (0-10V)  e, u1, u2 : Điện áp  Nhiễu z: sự thay đổi bất thường của tải. - ĐTĐK, Thiết bị đo, Bộ điều khiển, CCTĐ = ? - Bản chất vật lý của y, yht, r, e, u1, u2, z = ? KĐCS Động cơ r(t) y(t) u2(t)e(t) yht(t) u1(t) Tachometer KĐVS z(t) 9/9/2014 36 • Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo DC hồi tiếp tacho. 9/9/2014 37 • Hệ điều khiển động cơ servo DC hồi tiếp encoder 9/9/2014 38 • Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo DC rotor tacho encoder 9/9/2014 39 • Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo DC 9/9/2014 40 1.6 Các ví dụ ứng dụng  Động cơ RC servo 9/9/2014 41 1.6 Các ví dụ ứng dụng  Động cơ RC servo 9/9/2014 42 1.6 Các ví dụ ứng dụng  Động cơ RC servo 9/9/2014 43 1.6 Các ví dụ ứng dụng  Động cơ RC servo 9/9/2014 44 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)  Đạn tự đổi hướng Viên đạn dài ~10 cm, được gắn một cảm biến quang ở phần chóp để phát hiện tia laser trên mục tiêu. Cảm biến gửi thông tin về vị trí của mục tiêu tới các vi mạch điện tử. Các vi mạch điện tử sử dụng một thuật toán để điều khiển những bộ dẫn động điện từ, kích hoạt những vảy nhỏ xíu để chỉnh hướng viên đạn tới mục tiêu. Thử nghiệm với khoảng cách 800m, đạn bắn với tốc độ ~720m/s, chỉ bay chệch mục tiêu <20cm. 9/9/2014 45 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) 9/9/2014 46 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) 9/9/2014 47 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt) 9/9/2014 48 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)  Hệ thống điều khiển máy trộn 9/9/2014 49 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)  Hệ thống điều khiển nhiệt độ 9/9/2014 50 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)  Hệ thống điều khiển nhiệt độ 9/9/2014 51 1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)  Hệ thống điều khiển máy CNC 9/9/2014 52 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển  Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960)  Maxwell (1868) mô tả hệ thống bằng ph. trình vi phân, tuyến tính hoá tại điểm làm việc, chứng minh tính ổn định của hệ phụ thuộc vào các nghiệm có phần thực dương của ph. trình đặc tính.  Routh (1877), Hurwitz (1895): Tiêu chuẩn ổn định đại số.  Nyquist (1932), Bode (1940s): Tiêu chuẩn ổn định tần số.  Evans (cuối 1940s - đầu 1950s): Phương pháp quỹ đạo nghiệm.  Sử dụng các mô hình toán: hàm truyền, đáp ứng tần số.  Ứng dụng thiết kế hệ liên tục tuyến tính SISO, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển sớm-trễ pha.  Lý thuyết điều khiển hiện đại (~ 1960 đến nay)  Sử dụng mô hình toán: phương trình trạng thái.  Ứng dụng thiết kế hệ MIMO, bộ điều khiển số: vi xử lý, máy tính.  Lý thuyết điều khiển thông minh  Điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền.  Thiết kế hệ thống không cần dùng mô hình toán học.