Cơ sở tự động - Chương 1: Giới thiệu về hệ thống tự dộng

Môn học CƠ SỞ TỰ ĐỘNG Biên soạn: TS. Huỳnh Thái Hồng ề ểBộ mơn đi u khi n tự động Khoa Điện – Điện Tử Đại học Bách Khoa TPHCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn Homepage: www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/ Giảng viên: HTHồng, NVHảo, NĐHồng, BTHuyền, HHPhương, HMTrí 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 1 Ch 1 Giới hiệ ề hệ hố điề khiể độ Nội dung môn học  ương : t u v t ng u n tự ng  Chương 2: Mơ hình tốn học hệ thống liên tục  Chương 3: Đặc tính động học  Chương 4: Đánh giá tính ổn định của hệ thống  Chương 5: Chất lượng của hệ thống điều khiển  Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục  Chương 7: Mơ tả tốn học hệ rời rạc  Chương 8: Phân tích hệ rời rạc  Chương 9: Thiết kế hệ rời rạc  Chương 10: Ứng dụng 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 2 Gi ù h ù h á đi à khi å đ Tài liệu tham khảo  ao trìn : Ly t uyet eu en tự ộng Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng NXB Đại học Quốc Gia TPHCM  Bài tập: Bài tập điều khiển tự động Nguyễn Thị Phương Hà NXB Đại học Quốc Gia TPHCM Th kh û á û ù øi li ä ù ù ø kh ù am ao: tat ca cac ta eu co cac tư oa: control, control theory, control system, feedback control TD: Automatic Control Systems, B. C. Kuo. Modern Control Engineering, K. Otaga. Modern Control System Theory and Design, S.M. Shinners Feedback Control Systems J V De Vegte 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 3 , . . . Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 4 Khái iệ điề khiể Nội dung chương 1  n m u n  Các nguyên tắc điều khiển  Các phần tử trong hệ thống điều khiển tự động  Phân loại hệ thống điều khiển tự động  Một số ví dụ về các hệ thống điều khiển 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 5 à à åKhái niệm ve đieu khien 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 6  Thí d 1 L ùi ti â iữ t á đ ä å đị h 40k /h Khái niệm về điều khiển ụ : a xe, mục eu g oc o xe on n v= m Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ  thu thập thông tin. Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v<40km/h, giảm tốc nếu v>40km/h û xư lý thông tin  Tay giảm ga hoặc tăng ga  tác động lên hệ thống Kết quả của quá trình điều khiển trên: xe chạy với tốc độ “gần” bằng 40km/h.  Định nghĩa: 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 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 7 điều khiển không có sự tác động của con người. Hệ thống điều khiển mực chất lỏng đơn giản 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 8 Điều khiển tốc độ động cơ hơi nước 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 9 Điều khiển tốc độ động cơ hơi nước 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 10 ù ù û h h á kh h û à Tại sao cần phải điều khiển tự động  Đap ưng cua ệ t ong ông t oa mãn yêu cau  Tăng độ chính xác  Tăng hiệu quả kinh tế 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 11 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 3 h ø h h à b û đ ái b đi à khi å û bi át an p an cơ an: o tượng, ộ eu en, cam en Bộ điều khiển y(t)r(t) Đối tượng u(t)e(t)  ế yht(t) Cảm bi n Các ký hiệu viết tắt:  r(t): tín hiệu đặt hay tín hiệu chuẩn  u(t): tín hiệu và của đối tượng điều khiển  (t): tín hiệu ra của đối tượng điều khiểny  yht(t): tín hiệu hồi tiếp  e(t): sai số 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 12 Đối tượng  Rất đa dangï  Các lớp đối tượng cơ bản:  Điện  Cơ  Nhi äte  Lưu chất  Hóa  Hệ thống thực tế có thể bao gồm trong nó nhiều quá trình cơ bản 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 13 Cảm biến  Cảm biến nhiệt độ  Cảm biến vị trí  Cảm biến tốc độ  Cảm biến gia tốc  Cảm biến khoảng cách  Cảm biến lưu lượng  Cảm biến mức  Cảm biến áp suất  Cảm biến lực  Cảm biến màu sắc  Cảm biến nồng độ,... 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 14 Bộ điều khiển  Cơ  Điện  Điều khiển tương tư (analog)ï  Điều khiển số (digital) Đi à khi å d ø i ử l ù i đi à khi å DSP eu en ung v x y, v eu en,  Điều khiển dùng máy tính à å à å Đieu khien dùng các bộ đieu khien lập trình (PLC) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 15 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động Ph í h h h á Ch h h á đ đ bi á á ù ø ân t c ệ t ong: o ệ t ong tự ộng ã et cau truc va thông số. Bài toán đặt ra là tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ.  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 h ä th á th û õ ù â à à h át lươe ong oa man cac yeu cau ve c a ïng.  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. áMôn học Cơ sở tự động chỉ giải quyet bài toán phân tích hệ thống và thiết kế hệ thống. Bài toán nhận dạng hệ thống sẽ đươc nghiên cứu trong môn hoc khác. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 16 ï ï Các nguyên tắc điều khiển 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 17 Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi á h h á đi à khi å ù h á l h b é b h ûi Muon ệ t ong eu en co c at ượng cao t ì at uộc p a có phải hồi thông tin, tức phải có đo lường các tín hiệu từ đối tượng.  Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc phản hồi thông tin:  Điều khiển bù nhiễu  Điều khiển san bằng sai lệch Đi à khi å h ái h eu en p o ợp 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 18 Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt) S đ à đi à khi å b ø hi ã ơ o eu en u n eu n(t) Bộ điề khiể y(t)r(t) Đối t u(t) u n ượng 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 19 Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt) S đ à đi à khi å b è i l h ơ o eu en san ang sa ệc n(t) Bộ điều khiển y(t)r(t)  Đối tượng u(t)e(t) Cảm biến yht(t) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 20 Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi (tt) S đ à đi à khi å k á h ơ o eu en et ợp n(t) y(t)r(t) u(t)e(t) Bộ điều khiển Đối tượng yht(t) Cảm biến 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 21 Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng á ù h đi à khi å ù h á l h đ d û b Muon qua trìn eu en co c at ượng t ì sự a ạng cua ộ 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. à á à å à Thí dụ: Hãy so sánh yêu cau chat lượng đieu khien và bộ đieu khiển sử dụng trong các hệ thống sau:  Điều khiển nhiệt độ bàn ủi (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 à à å áđảm bảo luôn có nước trong bon) với đieu khien mực chat lỏng trong các dây chuyền sản xuất (mực chất lỏng cần giữ không đổi). 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 22  Nguyên tắc 3: 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 nhậân 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 hĩ Khi thi át k á h ä th á tư đ ä á h ä th á ù ùng a: e e e ong ï ong, muon e ong co co chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 23 Nguyên tắc 4: 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. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 24 Nguyên tắc 5: 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:  Cấp thực thi: điều khiển thiết bị, đọc tín hiệu từ cảm biến.  Cấp phối hơpï  Cấp tổ chức và quản lý 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 25 Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp Thí du: Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)ï 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 26 Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp Thí du: Hệ thống sản xuất linh hoat (FMS)ï ï 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 27 Nguyên tắc 6: 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. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 28 Phân loại hệ thống điều khiển 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 29 Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống á á û è Hệ thong liên tục: Hệ thong liên tục được mô ta bang phương trình vi phân. Hệ thống rời rac: Hệ thống rời rac đươc mô tả bằng phươngï ï ï trình sai phân.  Hệ thống tuyến tính: hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi áphân/sai phân tuyen 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. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 30 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). Đa số các hệ thống trong thực tế đều là hệ phi tuyến biến đổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra. Môn hoc Cơ sở tư động chỉ đề cập đến lý thuyết điều khiển hệï ï tuyến tính bất biến, một ngõ vào, một ngõ ra 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 31 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 loai điều khiển sau:ï  Điều khiển ổn định hóa: Nếu tín hiệu chuẩn r(t) = const, ta gọi là điều khiển ổn định hóa. Đi à khi å th hư t ì h Tí hi ä ø ( ) l ø h ø h đ åi eu en eo c ơng r n : n eu vao r t a am t ay o theo thời gian nhưng đã biết trước.  Điều khiển theo dõi: Tín hiệu vào r(t) là hàm không biết trước theo thời gian. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 32 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển  Điều khiển kinh điển  Điều khiển hiện đại  Đi à khi å th â i heu en ong m n 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 33 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 dung thuận lơi cho hệ thống tuyến tính bất biến một ngõï ï 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.  Đ ë tí h t à á bi å đ à N i t bi å đ à B dac n an so: eu o yqu s , eu o o e.  Bộ điều khiển:  Sớm trể pha 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 34  PID (Proportional – Integral – Derivative) Điều khiển hiện đại ế Mô tả toán học chủ y u 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.  Đi à khi å b à ữeu en en v ng  Bộ điều khiển:  Hồi tiếp trang thái 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 35 ï Điều khiển thông minh  Về 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).  Th ät t ù di t à (G ti Al ith )ua oan ruyen ene c gor m .  9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 36 Nội dung môn học Cơ sở điều khiển tự động  N äi d hí h û â h Cơ ở t độ h û á đ à á đ áo ung c n cua mon ọc s ự ng c u yeu e cap en 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). 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 37 Các môn học liên quan  Đ å ù th å thi át k á đươ ù h ä th á đi à khi å ở á thư thie co e e e ïc cac e ong eu en cap ïc thực tế, ngoài kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động người thiết kế cần nắm vững kiến thức các liên quan như: Mạch điện, mạch điện tử  Đo lường công nghiệp  Kỹ thuật số, vi xử lý  Đo lường điều khiển dùng máy tính, 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 38 Các môn học nâng cao lý thuyết điều khiển tự động  Các PP điều khiển hiện đai sẽ đươc đề cập đến trong môn hoc:ï ï ï  Lý thuyết điều khiển hiện đại(bậc Đại học).  Điều khiển tối ưu (bậc Cao học).  Điều khiển thích nghi bền vững (bậc Cao học).  Điều khiển hệ đa biến (bậc Cao học). à å á Đieu khien hệ phi tuyen (bậc Cao học).  Các PP điều khiển thông minh sẽ được đề cập đến trong môn học  Trí tuệ nhân tao và hệ chuyên gia (bậc Đai hoc)ï ï ï  Hệ thống điều khiển thông minh (bậc Cao học). Mang neuron nhận dang, dư báo và điều khiển (bậc Cao hoc).ï ï ï ï  Các PP nhận dạng hệ thống sẽ được đề cập đến trong môn học: Mô hình mô phỏng (bậc Đại học) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 39 Mô hình hóa, nhận dạng và mô phỏng (bậc Cao học) Một số thí dụ về các hệ thống điều khiển 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 40 Các ứng dụng của lý thuyết điều khiển  Aùp dụng trong hầu hết tất cả các lĩnh vực kỹ thuật  Hệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường,.  Q ù t ì h â hi ä hi ät đ ä lư lươ ù át t á đ äua r n cong ng ep: n e o, u ïng, ap sua , oc o,  Hệ cơ điện tử: cánh tay máy, máy công cụ,  Hệ thống thông tin  Hệ thống sản xuất và truyền tải năng lượng  Phương tiện giao thông: xe hơi, tàu hỏa, máy bay, tàu vũ trụ,  Thiết bị quân sự  Thiết bị đo lường  Thiết bị điện tử dân dụng: máy điều hòa, ti vi, tủ lạnh, máy giặt, máy ảnh, nồi cơm điện,  Thiết bị y tế 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 41 Hệ thống điều khiển nhiệt độä  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,... à å å à Mục tiêu đieu khien thường là giữ cho nhiệt độ on định (đieu khiển ổn định hóa) hay điều khiển nhiệt độ thay đổi theo đặc tính thời gian định trước (điều khiển theo chương trình). 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 42 Nhà máy xi măng Nhà máy giấy Hệ thống điều khiển nhiệt độä  Hệ thống sấy nông sản (cà phê, hạt điều, tiêu,.) Hệ thống sấy nông sản 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 43 Hệ thống ổn định nhiệt độä 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 44 Hệ thống điều khiển nhiệt độ theo chương trình 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 45 4.7k 4.7k VCC 4.7k 4.7k Bộ điều khiển và giao tiếp người dùng 1k D6 LED 7DOAN1 4 5 7 1k PORTD Q2 A1015 Q3 A1015PORTD 1k 1k Q1 A1015PORTD Q4 A1015PORTD . . . . _4 5 7 V C C 1 AF V C C 2 V C C 3 V C C 4 G CD O T DE B DOT 238 91 0 1 1 1 2 6 AFG CD DE B G C E D VCC VCC F A B D SW4A V_sensor G F B VREF+ SW4 10k E PIC16F877A 2 3 4 5 6 7 33 34 35 36 37 38 39 40 1 RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VREF-/CVREF RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI/C1OUT RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC MCLR*/VPP DOT 10k C SW5 SW2 SW3 PORTD 10MHz C16 33p SW3 SW4 PORTD PORTD SW1 SW2 15 16 17 18 23 24 25 26 19 20 21 22 27 28 29 30 13 8 9 RA5/AN4/SS*/C2OUT RB7/PGD RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 OSC1/CLKIN RE0/RD*/AN5 SW2 SW3 PORTC PORTD 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 46 CRYSTAL VCC SW1 C17 33p SW1 14 32 11 31 12 10 OSC2/CLKOUT VDD VDD VSS VSS RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7 +5V Mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện (bù nhiệt dùng LM335) R1 10k Rf 1 18k R3 3.3k Rf 2 10k +5V v1 R2 10k - + U1 OP07 3 2 6 7 4 8 1 +5V + - U5 OP07 3 2 6 7 4 8 1 v4 RA0/AN0 -5V - + U6 OP07 3 2 6 7 1 +5V 4 8 v2 -5V 4 8 R6 1k -5V - + U2 OP07 3 2 6 7 1 R4 2.2k -5V LM335 v3R8 22k R10 1k 4 8 R5 10k R9 10k +5V Thermocouple + C17 10u R7 100 + - U4 OP07 3 2 6 7 1- - + U3 OP07 3 2 6 7 4 8 1 R11 +5V Vout = 0.0391Td 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 47 -5V 4 8 4 8 2.2k -5V Mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện (bù nhiệt dùng LM35) 5V U2 7 1 5VU1 LM35 1 V C C 2 C1 10uF - + OP07 3 2 6 4 8 5 5V 5 2 G N D VOUT V V R1 25k 0 0 - V - + U4 OP07 3 2 6 7 1 V - + U5 OP07 3 2 6 7 1 R5 PA0/ADC0 3 G V3 Vout 4 85V R6R2J1 Thermo couple 1 + U3 3 6 7 1 4 8-5V -5V R41.8k 100 V1 R3 C2 10uF 3.9k100 -5V - OP07 2 4 8 100 0 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 48 0 0 Mạch công suất +12V 6 HeaterFUSER3 470 220Vac 0Vdc Q2 BTA16 Q1 R1 U15 MOC3020 1 2 4PORTC Q2SC1815 47k R2 330 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 49 Một hệ thống điều khiển nhiệt độ thực tế 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 50 Hệ thống điều khiển động cơ  Đ ä ơ (DC AC) l ø thi át bị t à đ ä đươ ử d át h åong c , a e ruyen ong ïc s ụng ra p o biến trong máy móc, dây chuyền sản suất.  Có 3 bài toán điều khiển thường gặp: điều khiển tốc độ, điều khiển vị trí, điều khiển moment. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 51 Hệ thống điều khiển định vị anten 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 52 Điều khiển PID vị trí động cơ DC 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 53 Điều khiển PID số tốc độ động cơ DC 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 54 Một hệ thống điều khiển động cơ thực tế  Động cơ: DC AC ,  Cảm biến: biến trở, máy phát tốc, encoder  Bộ điều khiển: DC Driver, AC Driver (Inverter) DC Motor Encoder 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 55 DC Driver Hệ thống điều khiển mực chất lỏng  Hệ thống điều khiển mực chất lỏng thường gặp trong các quá trình công nghiệp chế biến thực phẩm, nước giải khác, các hệ h á û l ù ù h ûit ong xư y nươc t a ,...  Điều khiển mực chất lỏng, điều khiển lưu lượng chất lỏng  Các loại cảm biến đo mức chất lỏng:  Cảm biến đo dịch chuyển: biến trở, encoder  Cảm biến áp suất  Cảm biến điện dung 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 56 Một thí dụ hệ thống điều khiển mực chất lỏng 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 57 Hình vẽ tham khảo từ giáo trình: Cơ sở tự động học, Lương văn Lăng, NXB Đại học Quốc Gia Mô hình điều khiển mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 58 Hệ thống điều khiển độ đậm đặc bột giấy 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 59 Hệ thống điều khiển góc cánh nâng máy bay 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 60 Hệ thống điều khiển góc cánh nâng máy bay 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 61 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển góc cánh nâng máy bay 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 62 Hệ thống điều khiển máy CNC 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 63 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 64 Hệ thống chưng cất (công nghệ hóa học) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 65 Hệ thống điều khiển máy phát điện hơi nước 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 66 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TẠI SAO CẦN CƠ SỞ TOÁN HỌC? 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 67 Các chiến lược điều khiển (t) Bộ điề khiể y(t)r(t) Đối t u(t)e(t) n u n ượng yht(t) Cảm biến  ON-OFF: Tín hiệu điều khiển u(t) chỉ có hai mức 0 hoặc 1  Liên tục: Tín hiệu điều khiển u(t) nhận giá trị liên tục bất kỳ. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 68 Điều khiển ON-OFF  Đơn giản, khi phân tích và thiết kế không cần dựa vào toán học à å à å Chỉ cho kết quả đieu khien tốt khi đối tượng đieu khien không có quán tính hoặc có quán tính rất bé.  Một số thí dụ:  Điều khiển các phần tử khí nén  Điều khiển động cơ kéo băng tải trong một số dây chuyền sản xuất.  Các ứng dung khác khi không cần yêu cầu điều khiển chínhï xác. 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 69 Thí dụ điều khiển mực chất lỏng trong bồn chứa LH LL Máy bơm V û 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 70 Bồn chứa an xa Cảm biến mức chất lỏng  Phao 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 71 Cảm biến mức chất lỏng  C û bi á đi ä dam en en ung  Nguyên lý hoạt động  Phát hiện ra chất lỏng: ON  Không phát hiện chất lỏng: OFF LL LL 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 72 Thiết bị điều khiển  Relay R R R Ti á đi å thườ đ ùN h â đi ä ep em ng ong Tiếp điểm thường mở am c am en Lò xo 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 73 Sơ đồ điều khiển mức chất lỏng trong bồn 0VSơ đồ điều khiển LH LL K1 +24V K1 K1 M~220V Sơ đồ động lực K1 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 74 Đáp ứng của hệ thống điều khiển ON-OFF mức chất lỏng y(t) HIGH tDao động LOW 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 75 Thí dụ điều khiển cổng tự động cổng động cơ cảm biến LS1cảm biến LS2 (công tắc hành trình) (công tắc hành trình) Yêu cầu: Nhấn nút [MỞ]  cổng mở Nhấn nút [ĐÓNG] cổng đóng Nhấn nút [DỪNG] cổng dừng MỞ ĐÓNG DỪNG 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 76 Cảm biến vị trí  Công tắc hành trình 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 77 Cảm biến vị trí  Cảm biến điện cảm 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 78 Sơ đồ điều khiển cổng tự động +24V 0V Dừng Mở K1K2 K1 LS1 Đóng K1LS2 K2 K2 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 79 Sơ đồ động lực điều khiển cổng tự động Nguồn DC+  K1 K2 M K1K2 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 80 Sơ đồ động lực động cơ DC Sơ đồ động lực điều khiển cổng tự động 3Pha220V K1 K1 K1 K2K2K2 M 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 81 Sơ đồ động lực động cơ AC Khuyết điểm  Chất lương điều khiển có đảm bảo không nếu cổng có quánï tính lớn?  Áp dụng sơ đồ tương tự để điều khiển thang máy di chuyển từ tầng này đến tầng khác người sử dụng thang có cảm thấy an toàn, thoải mái? 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 82 Hệ thống điều khiển định vị anten Biến trở (vị trí đặt) Ăn-ten Bộ điều khiển Động cơ Biến trở û á 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 83 (cam bien vị trí) Hệ thống điều khiển định vị anten: Điều khiển ON-OFF  e(t) = 0  u(t)=0  e(t) > 0  u(t)=+V  e(t) < 0  u(t)=V (t)c Dao động 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 84 t Hệ thống điều khiển định vị anten: Điều khiển ON-OFF  |e(t)|    u(t)=0  e(t) >   u(t)=+V  e(t) <    u(t)=V c(t)c(t)  lớn: Sai số nhỏ: Dao động 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 85 tt Hệ thống phát hiện hộp sữa rỗng Hộp sữa Loại bỏ CB Đạt C l h khí 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 86 y- an Thiết bị chấp hành: cy-lanh khí nén Xylanh khí 2 chiều 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 87 Thiết bị chấp hành: cy-lanh khí nén Xylanh khí 1 chiều 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 88 Relay thời gian (Timer) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 89 Sơ đồ điều khiển loại bỏ hộp sữa rỗng +24V 0V CB T2 R Giữ trang thái lỗi R ï Th øi i ì h õR T1 T1 ơ g an tr oan trước khi đẩy hộp T2 K Thời gian đẩy hộp åVan khí đay hộp 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 90 Dây chuyền đóng hộp táo 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 91 Phát hiện táo: Cảm biến quang 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 92 Thiết bị đếm táo: Bộ đếm (Counter) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 93 Dây chuyền đóng hộp táo: Sơ đồ điều khiển 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 94 Bộ điều khiển lập trình (PLC  Programmable Logic Controller) 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 95 Hạn chế của phương pháp điều khiển ON-OFF y(t) t  Đối tượng có quán tính, đáp ứng có dao động 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 96 Cải thiện chất lượng khi đối tượng có quán tính? y(t) t  Cần hiểu biết về đặc tính động học của hệ thống. Mô hình toán hoc  Lý thuyết điều khiển tư động 9 September 2011 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 97 ï ï