Tài liệu Bài giảng điều khiển tự động - chương 1 tổng quan về điều khiển tự động

Điều Khiển Tự Động 9/9/2014 1 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 2 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 3 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 4 1.1 Các khái niệm cơ bản 1) Điều khiển Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h 9/9/2014 5 1.1 Các khái niệm cơ bản 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. 9/9/2014 6 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 7 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 8 • Ví dụ về các tín hiệu vào, ra điện áp u(t) lưu lượng, áp suất công suất vị trí nòng van (độ nâng, góc mở) Động cơ điện Xylanh lực Lò nhiệt Van vận tốc n(t) góc quay(t) vận tốc, vị trí, lực Nhiệt độ lưu lượng, áp suất Chiết áp 9/9/2014 9 vị trí con trỏ Chiết áp Điện áp (góc xoay) 9/9/2014 10 vị trí con trỏ Chiết áp Điện áp (góc xoay) 9/9/2014 11 Linear potentiometer 9/9/2014 12 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển  3 thành phần cơ bản: Đối tượng điều khiển, thiết bị đo (cảm biến), bộ điều khiển. z(t) r(t) e(t) Bộ điều khiển yht (t) u(t) Đối tượng ĐK y(t) Thiết bị đo 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) yht = K.y ; e= r- yht u(t) : tín hiệu điều khiển /tác động (control signal, NếuManipulate K=1 thì: Variable) e=r-y z(t): tín hiệu nhiễu ( Noise, Disturbance) 9/9/2014 13 9/9/2014 14 9/9/2014 15 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 16 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định 1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control)  Sơ đồ: z(t) r(t)  Bộ điều khiển u(t) Đối tượng y(t) Ví dụ: Nđộ yêu cầu Nđộ ngoài trời Nhiệt kế Rơle van Lò sưởi Phòng Nđộ phòng 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.  9/9/2014 17 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định  Ví dụ: Nđộ yêu cầu 9/9/2014 Nđộ ngoài trời Nhiệt kế Rơle van Lò sưởi Phòng Nđộ phòng 18 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt) 2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control)  Sơ đồ: z(t) r(t) e(t) y(t) u(t) Bộ điều khiển Đối tượng  Ví dụ: Nđộ đặt Nđộ ngoài trời e Bộ ĐK u Máy lạnh Phòng Nđộ phòng 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 19 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt) 3) Điều khiển phối hợp  Sơ đồ: r(t) e(t) Bộ điều khiển z(t) u(t) Đối tượng y(t) 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.  9/9/2014 20