Tài liệu Lý thuyết điều khiển tự động

PHAN XUÂN MINH (Chủ biên) HÀ THỊ KIM DUYÊN - PHẠM XUÂN KHÁNH Lý thuyết ĐIỀU KHDỂn Tự ĐỘNG NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC Bản quyền thuộc HEVOBCX) - Nhà xuất bản Giáo dục. 10 - 2008/CXB/51 - 2061/G D M ã số : 7B679Y8 - DAI ư iy n ổ Á / đ ầ i t Lý th u y ết điểu khiển tự động nghiên cứu các nguyên tắc chung để xây dựng hệ tự động, các phương pháp để khảo sát chúng mà không p h ụ thuộc vào bản châ't v ật lý của các quá trình. Lý thuyết điểu khiển tự động là cơ sở lý thuyết để th iế t kế các hệ tự động trong các lĩnh vực khác n h au của kỹ th u ậ t, kinh tế cũng như nghiên cứu các hệ trong cơ th ể sống hoặc trong môì quan hệ xã hội. Nhiệm vụ cơ bản của lý thuyết điều khiển tự động là khảo s á t các đặc tín h tĩnh (ở chế độ xác lập) và đặc tính động của các hệ tự động, nh ằm th iế t kê hệ thông thỏa m ãn các yêu cầu cho trước. Nội dung của lý th u y ết điều khiển tự động bao gồm: - P hân tích hệ thống điều khiển tự động; - Tổng hỢp hệ thống điều khiển tự động. Giáo trìn h gồm 8 chương, trìn h bày những nội dung cốt lõi của Lý th u y ết Điều khiển tự động từ kinh điển đến hiện đại. B ằng các mô hình điều khiển tiên tiến, giáo trình không chỉ đáp ứng tố t nhu cầu học tậ p của sinh viên các trưòng cao đảng kỹ thuật, mà còn là tài liệu th am khảo hữu ích cho các kỹ sư trong công việc thực tế và tiếp tục nghiên cứu sâu hơn vể Lý thuyết Điều khiển tự động. Do vấn đề đưỢc đề cập trong giáo trìn h khá rộng, n ên không trá n h khỏi những khiếm khuyết. Các tác giả chân th àn h cảm ơn và tr â n trọ n g các ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốh sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Điện tử, trưòng Đ ại học Công Nghiệp H à Nội, hoặc Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề, 25 H àn Thuyên, Hà Nội. Hà Nội, ngày 29 thảng 9 năm 2008 CÁC TÁC GIẦ T ổ N q OUAN hỆ rk ố N q điỀu khiỂN Tự độNq 1.1. GIỚI THIỆU Công nghệ điều khiển tự động là một khoa học hiện đại, ta có thể gặp ứng dụng của điều khiển tự động trong hầu hết các lĩnh vực: Đòi sông (các th iế t bị gia dụng trong gia đình, hệ thông điều khiển, giám sá t an ninh, cửa, cầu th an g máy tự động...); Công nghiệp (các dây chuyển sản xuất, tay máy robot lắp ráp, máy gia công CNC...); N ăng lượng (hệ thống điểu khiển trong nhà máy thủy điện, nhà máy n h iệt điện, điện h ạt n h ân , truyền tải điện...); Nông nghiệp (các nhà nuôi cắy cây, rau, quả công nghệ cao; các hệ thống nuôi, ấp động vật, thủy sản...); Giao thông (máy bay, tà u điện, tàu thủy, ô tô, các hệ thông tín hiệu điều khiển giao thông...); An ninh Quân sự (điểu khiển súng, pháo, máy bay chiến đâu, tên lửa...), Nghiên cứu khoa học (điều khiển quá trìn h phóng, giũ quỹ đạo bay của tà u vũ trụ , các th iết bị thí nghiệm khoa học...). Ngay cả trong quản lý xã hội, kinh tế, sản xuâ't, điểu khiển tự động vẫn có những ứng dụng n h ấ t định, ví dụ như quản lý châ't lượng đào tạo kỹ sư trong trường đại học, điểu tiết giá cả trên thị trưòng, sô lượng, châ't lượng của sản phẩm được sản xuâ't của nhà máy... Không một ai là ngưòi p h át m inh ra công nghệ điểu khiển tự động, nó tón tại trong tự nhiên. H oạt động cùa con người ìà rnột ví dụ điển hình, một hệ thốhg điều khiển tự động kỳ diệu trong tự nhiên, từ quá trìn h giừ lượng hồng cầu, đưòng... trong máu, rồi bơm m áu cung câ^p oxy nuôi các tế bào, đến việc điều khiển của cánh tay, chân khi hoạt động, tự động điều tiết m ắt để nhìn rõ v ật ở các khoảng cách nhìn khác nhau... Ta cũng có th ể nhận thấy râ't nhiểu hệ thốhg điều khiển tự động tương tự như vậy trong tự nhiên. N hững ngưòi nghiên cứu vể lĩnh vực điều khiển tự động luôn coi đó là thước ngắm , mục đích để hướng các nghiên cứu của mình đ ạt tối. T hiết kế, xây dựng hệ thông điều khiển tự động là một công việc ĩắi hứng th ú và hâp dẫn, thích hợp cho những ngưòi có tài năng và sáng tạo, đam mê và mong muốh khám phá những cái mỏi. Bỏi vì đây là công việc đòi hỏi sự học hỏi không ngừng, luôn Juôn sáng tạo. Đa sô' kỷ sư các ngành khác thưòng chỉ cần nắm vững duy n h ất các kiến thức ngành của minh, ví dụ như là th iết kế mạch phần cứng, thiết kế phần mềm, gia công cơ khí... Tuy nhiên, một kỹ sư th iết kế hệ thống điểu khiển tự động luôn phải tự mình nghiên cứu, học hỏi và làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ như, nếu bạn th iế t k ế một hệ thôVig điều khiển trong công nghệ hóa học (dầu khí, hóa châ't, dược phẩm ...) thì bạn cần phải trang bị Ihêm các kiến thức về lĩnh vực hóa học, y học, cơ khí, điện, điện tử, công nghệ thông tin, chưa kể đến toán học và v ật lý học, điểu khiển học mà bạn đã được học. Đặc biệt một sô' ngành đang p h át triển ở Việt Nam, như điểu khiển tà u biển, th iết bị bay (máy bay, tên lửa, đạn pháo...), vũ trụ thiên vàn... thì các bạn cần phải có kiến thức vê con quay định vỊ, các hệ tọa độ trong không gian, quỹ đạo, khí động lực học... 1.2. NHIỆM v ự C ơ BẢN CỦA LÝ THUYẾT ĐIỂU KHIỂN T ự đ ộ n g Lý th u y ết điều khiển tự động nghiên cứu các nguyên tắc chung để xây dựng hệ tự động, các phương pháp để khảo sát chúng m à không phụ thuộc vào bản chất vật lý của các quá trình. Lý thuyết điều khiển tự động là cơ sở để th iết k ế các hệ tự động trong các lĩnh vực khác nh au của kỹ th u ậ t, kinh tế cũng như nghiên cứu các hệ trong cơ thể sông hoặc trong mối quan hệ xã hội. Nhiệm vụ cơ bản của lý thuyết điều khiển tự động là khảo sá t các đặc tín h tĩnh (ở chế độ xác lập) và đặc tính động của các hệ tự động, nhằm th iết k ế hệ thông thỏa m ãn các yêu cầu cho trước. Nội dung của lý th u y ết điều khiển tự động bao gồm: 1.2.1. Phân tích hệ thống điều khiển tự động Nhiệm vụ ph ân tích là khảo sá t nguyên lý hoạt động của các phần tử và của hệ với câ"u trú c và thông sô" đã cho cùng với các tác động khác nhau đô'i với hệ thông. Nhiệm vụ phân tích bao gồm khảo sá t tính ổn định của hệ, đánh giá châ^t lượng tĩn h và động, nghĩa là khảo sá t quá trìn h điểu khiển. 1.2.2. Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động Nhiệm vụ tổng hỢp là nhiệm vụ tương đôì phức tạp hơn, bao gồm việc th iế t kế hệ thông: chọn sơ đồ thực hiện cơ câu điều khiển đối tưỢng, chọn các phần tử và xác định thông sô" của chúng để bảo đảm ch ất lượng và yêu cầu đã được đ ặt ra đốỉ với hệ tự động. Nhiệm vụ tổng hỢp gắn liền vởi nhiệm vụ tối ưu hóa, nghía là nhiệm vụ tổng hỢp tốỉ ưu theo một nghĩa nào đó đổì với hệ tự động. Lý th u y ết điều khiển tự động liên hệ chặt chẽ vối các linh vực khoa học kỹ th u ậ t khác như lý th u y ết dao động, lý thuyết mạch, lý th u y ết về quá trình ngẫu nhiên cũng như những kiến thức về máy điện, th iết bị điện, khí nén, th ủ y lực, các th iế t bị cảm biến và đo lưòng. 1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN c ô n g nghệ đ ể u KHIỂN T ự ĐỘNG T rải qua lịch sử, con ngxíòi luôn cô" gắng thích nghi vói các điểu kiện sống khác nhau, dùng trí khôn của m ình điều khiển th ế giói theo cách có lợi n h ất cho mình. Từ xa xưa, con ngưòi đã biết h u ấn luyện, khai thác sức ngựa, trâu , voi để thực hiện nhiểu công việc khác nhau, tiếp sau đó là phát m inh ra những cỗ máy thô sơ để thay th ế cho chúng, và quá trìn h phát triển cứ th ế tiếp diễn. Nửa cuối th ế kỷ VXII đã b ắt đầu x u ât hiện những p h át m inh ứng dụng đầu tiên của công nghệ điều khiển tự động như van an toàn cho các hệ thông khí hơi, điểu khiển tốíc độ cối xay gió... Tuy nhiên, p h át m inh quan trọng n h ấ t cho đến nay, được coi là nển móng, động lực cho những nghiên cứu lý th u y ết điều khiển sau này là p h át m inh của Jam es W att vào năm 1769 về điều khiển tốc độ tuabin hơi nưốc dựa trên lực quay ly tâm của quả nặng hay còn gọi là máy điều tốc ly tâm (hình 1.1). Nguyên lý hoạt động của hệ thông này là duy trì cho tô'c quay của tuabin hơi nước giữ ổn định. Nếu tốc độ n táng lên, thông qua cơ câu ly tâm , con trư ợt sẽ kéo lên trên (kéo cả đầu A của cánh tay đòn AB) và đầu B bị ấn xuống làm cho van đóng lại, làm giảm luồng hơi cấp vào tuabin, do đó tốc độ quay của tuabin giảm xuống. Tương tự khi tốc độ quay của tuabin vì một nguyên nhân nào đó bị giảm xuống thì cánh tay đòn AB thông qua cơ cấu ly tâm sẽ hạ đầu A xuổhg và nâng đầu B lên để mở cửa van cho luồng hơi vào máy nhiều hơn và làm tàng tốc độ quay của tuabin hơi nưốc. Các th u ậ t toán điều khiển ngày nay x uất hiện vào khoảng giữa th ế kỷ XIX. Nảm 1868, Ja m es Clerk Maxwell đưa ra "Tiêu chuẩn ổn định của hệ bậc ba dựa trên hệ sô' của phương trình vi phân". N àm 1874, Edvvard Jonh Routh, dựa trên đề xuất của VVilliam Kingdon Clifford đã đưa ra "Tiêu chuẩn ổn định của hệ bậc năm". Năm 1877, để tài nghiên cứu của Adams Pride đưa ra ‘T iê u chuẩn ổn định của hệ thống động”. P h á t triển đồng th u ậ n vối nghiên cứu này, Routh công bố bài viết với tiêu để ‘T h am luận về ổn định trạ n g th ái của chuyển động”, nội dung của bài báo này ngày nay chính là tiêu chuẩn ổn định Routh - H urw itz sẽ được đề cập đến trong Chương 4. Ngoài ra, A lexandr Lyapunov cũng góp công lớn cho p h át triển toán học điều khiển trong ổn định của hệ thống điều khiển. Ngay khi còn là một sinh viên tạ i đại học St. Petersburg của Nga, Lyapunov đã mỏ rộng công việc của Routh cho hệ phi tuyến trong luận án tiến sỹ khoa học của mình vào năm 1892 với tựa đề “Vân đề tổng quan về ổn định của chuyển động”. Các biến đổi toán học cơ sỏ để p h át triển lý thuyết điều khiển đã được Laplace (1749 - 1827) và Pourier (1758 - 1830) p h á t triển. Cuối những năm 1920 đầu năm 1930, H. w . Bode và H. N yquist làm việc tại phòng th í nghiệm điện thoại Bell đã nghiên cứu công trìn h về th iết kê bộ khuếch đại ph ản hồi dựa trê n đáp ứng tầ n sô" và ngưỢc lại bằng toán họr biến Rồ” phức, công trìn h miêu tả cách xác định tín h ổn định của hệ thống sử dụng phương pháp miền tần số. Phương pháp này sau được mỏ rộng để cho ra đời những phương pháp th iết k ế hệ thống điểu khiển mà ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Năm 1948, VValter R. Evans một kỹ sư làm trong ngành hàn g không, p h át triển kỹ th u ậ t đồ th ị để vẽ quỹ đạo nghiệm của phương trìn h đặc trư ng của hệ thống có phản hồi. Đây thực sự là đóng góp rắt quan trọng trong quá trìn h p h á t triển của Lý thuyết Điểu khiển tự động, phương pháp này ngày nay là phương pháp quỹ tích nghiệm số sẽ đưỢc đề cập đến trong chương 5. 7 Lý th u y ết điểu khiển kinh điển từ trước những năm 1950 chỉ để cập đến hệ thông một đầu vào - một đầu ra SISO (Single In p u t - Single O utput) bởi những giới hạn về công cụ tính toán. Vói sự ra đòi của máy tính trong th ậ p niên 1950, biểu diễn, phân tích hệ thống trong không gian trạn g thái và các phương pháp tổng hợp hệ thống nhiều đầu vào - nhiều đầu ra MIMO (M ulti In p u t - M ulti O utput) x u ất hiện và được ứng dụng th àn h công trong một số hệ thống phức tạp trong quân sự, vũ trụ , công nghiệp... Khoảng thòi gian từ 1960 đến nay là thòi kỳ phát triển m ạnh mẽ của lý thuyết điểu khiển nâng cao: điểu khiển tôi ưu, bền vững, trí tuệ nhân tạo (mạng nơron), logic mò (fuzzy logic) đưỢc ứng dụng vào các hệ thông điểu khiển hiện đại và giúp cho các hệ thống diều khiển tự động ngày càng ổn định và thông minh hđn. Trên tấ t cả, lý thuyết điểu khiển kinh điển chính là nển tảng cơ bản của điểu khiển hiện đại. Việc kết hợp giữa lý thuyết điều khiển kinh điển vối hiện đại luôn cho ta những hệ thốhg đơn giản nhưng rà't hiệu quả, 1.4. C ơ SỞ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN T ự ĐỘNG Trong hệ thống điêu khiển tự động luôn tồn tại hai th àn h phần cơ bản đó là Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) và Bộ điều khiển (BĐK). Đôl tượng điều khiển (hệ thốhg máy móc) là k ết hỢp của những th àn h phần (có liên hệ và được liên kết vối nhau) để cùng nhau thực hiện một nhiệm vụ nhất định nào đó, ĐTĐK có đầu vào là một tín hiệu kích thích u(t) thích hỢp và đáp ứng đầu ra y(t) là thông sô' công nghệ nào đó, y(t) được gọi là đại lượng cần điều khiển. Lây ví dụ, lò điện trở là một đốì tượng điểu khiển và nhiệt độ của lò là đại lưđng cần điều khiển y(t). Để đảm bảo cho n h iệt độ của lò là cố định hay thay dổi theo một n h u cầu nào đó thì ta phải thay đổi được tín hiệu kích thích u(t) là điện áp cấp cho lò. u(t) Kích thích ^ Đối tương điéu khiển y(t) ^ Đáp ứng Hình 1.2. Sơ đó của đối tượng diéu khiển với đắu vào vả đắu ra Các tác động th ay đổi điện áp câ'p cho lò để n h iệt độ của lò đ ạt được giá trị mong muốh được gọi là tác động điểu khiển. Trong hệ thông điều khiển b ằn g tay, các tác động này đều do con người thực hiện, còn trong hệ thống điều khiển tự động th ì do bộ điều khiển thực hiện. Như vậy, điều khiển một hệ thông là tìm cách can thiệp vào hệ thông để hiệu chỉnh, biến đổi sao cho nó có được những đặc điểm, tính ch ất mà ngưòi sử dụng mong muôn. 8 1.4.1. Hệ thống điều khiển vòng mỏ Hệ thống điều khiển vòng mở (hình 1.3) là hệ thống điểu khiển mà tín hiệu điểu khiển u(t) không phụ thuộc vào tín hiệu dáp ứng đầu ra. x(t) Hinh 1.3. Hệ thống điéu khiển vòng mở 1.4.2. Hệ thống vòng kín hay điều khiển có phàn hổi Hệ thôVig vòng kín hay điều khiển có phản hồi (hình 1.4) là hệ thôlng điểu khiển mà tín hiệu điều khiển u(t) phụ thuộc vào tín hiệu đáp ửng đầu ra, ví dụ như u(t) là một hàm của y(t). Hềnh 1.4. Hệ thống điéu khiển vòng kín Trong các sú đồ trên ngoài tín hiệu đáp ứng đầu ra y(t), tín hiệu điều khiển u(t), thì còn có tín hiệu đ ặt (giá trị mong muôn) là giá trị mà ngưòi điều khiển mong muốn ỏ đáp ứng đầu ra của hệ thống. x(t) ^ Bô điéu khiển (chương trinh) u(t) Mô hỉnh máy giặt y(t) ^ Hỉnh 1.5. Ví dụ hê thống điéu khiển mảy giặl Một ví dụ đơn giản n h ất vể hệ điều khiển vòng mở là điều khiển máy giặt gia đình (hình 1.5). Vói các tín hiệu đặt đưỢc lập trìn h sẵn trong bộ điều-khiển như mức nước bơm vào, thòi gian giặt, thòi gian vắt, tốic độ của động cơ làm việc trong các quá trình..., tấ t cả được lựa chọn bằng thực nghiộm, sao cho ch ất lượng đầu ra là “độ sạch” của quần áo tốt nhất, ở đây, tín hiệu đầu ra “độ sạch” của quần áo giặt là không đo được tự động trong quá trình làm việc, do đó ch ất ỉượng của hệ thốhg hoàn toàn phụ thuộc vào các thông số đ ặ t sẵn của “bộ điều khiển” tức là phụ thuộc vào kinh nghiệm của n ^ ò i giặt. Với hệ điều khiển vòng kín, ví dụ cụ thể là điều khiển nh iệt độ lò điện trở (hình 1.6). Lò điện trở cấu tạo gồm có vỏ bằng kim loại, lốp trong là gạch sam ốt chịu nhiệt, lòng lò được gia n h iệt bằng các th a n h điện trở đốt, nhiệt độ lò được đo bằng một đầu đo nhiệt. Hình 1.6. Ví dụ hệ thống điéu khiển nhiệt độ lò điện trở Trong hệ thống điểu khiển nh iệt độ lò điện trở, tín hiệu đ ặt x(t) là n h iệt độ mong muổh đ ạt được, đáp ứng đầu ra là nh iệt độ thực trong lò được đo bằng sensor nh iệt điện (hoặc n h iệt điện trở) được đưa về máy tính điểu khiển qua bộ biến đổi A/D (Analog/Digital). Hiệu số giữa n h iệt độ đ ặt với n h iệt độ thực cho ta sai số n h iệt độ e(t) của hệ thống. Từ sai số này máy tín h điểu khiển có nhiệm vụ tín h toán đưa ra tín hiệu điều khiển rơle đóng hoặc ng ắt nguồn cấp cho lò để giữ cho sai sô" nh iệt đ ạ t được chỉ tiêu châ't lượng đă đ ặ t ra. Hình 1.7. Sơ đổ hệ thống điéu khiển lô nhiệt 1.5. VÍ DỤ MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN T ự ĐỘNG TRONG THỰC TẾ 1.5.1. Hệ thống điều khiển mức chổt lòng Đây là mô hình ta thường gặp trong các hệ thông công nghiệp như hóa chất, thực phẩm , các trạm trộ n liệu... N hiệm vụ của hệ thống là duy trì mức châ't lỏng h trong bể chứa, mức ch ất lỏng này đưỢc đo và phản hồi vể bộ 10 điều khiển thông qua bộ đo bằng quả nổi (hình 1.8). Van 2 luôn xả châ"t lỏng đầu ra vói lưu lượng Qout » van 1 là van analog nhận tín hiệu điểu khiển từ th iết bị điều khiển để bơm châ't lỏng vào với lưu lượng Qin nhằm giữ mức chất lỏng h theo đúng mức đ ặt của ngưòi sử dụng. Mày tính u-"' Hình 1,8. Mô hỉnh hệ thống điéu khiển mức chát lỏng Hinh 19. Sơ đó hệ thống điéu khiển mức chát lỏng 1.5.2. Hệ thống điều khiển mây công cụ CNC Hệ tru y ền động điểu khiển chương trình sô' được ứng dụng rộng rãi trong sản xuâ't công nghiệp, n h ất là các máy gia công cắt gọt kim loại tự động, các tru n g tâm gia công hoặc các dây chuyển sản xuâ^t tự động có robot tham gia. T rong hệ CNC, máy công cụ và hệ điểu khiển số hợp th àn h một th iế t bị gia công có k h ả năng lập trình qua các thao tác trên paneỉ hoặc qua máy vi tính. Việc lập trìn h trực tiếp trên máy nhò đối thoại giữa ngưòi và hệ điều khiển số làm cho máy công cụ CNC trở n ên hữ u dụng và kinh tế ngay cả cho các xí nghiệp có quy mô nhỏ và trung bình. Trong ví dụ này, ta xét đến điều khiển tru y ền động của các trục chạy bàn m áy của m áy phay CNC. trường hỢp tổng q u át n h ất của loại máy CNC. 11 Trên hình 1.10 là sơ đồ truyền động 4 trục của máy Độngcơ-S^ phay CNC, gồm 3 trục chuyển động chính của bàn gá phôi X, y, z và trục chuyển động của dao phay. Hình dáng của sản phẩm được quyết định bằng các chuyển động chính của bàn gá phôi, và tùy từng vật liệu cần gia công củng như vỊ trí cắt của ĂC M ^ X ^ dao mà ấn định tốc độ của Động cơ Động cơ dao cắt. Các truyền động của bàn gá phôi thường được E)ộng cơ dùng là động cơ và trục Hinh 1,10. BỐ trí truyén động của các trục mày phay CNC truyền vít me, động cơ ở đây tùy vào từng yêu cầu công nghệ mà dùng động cơ điện xoay chiểu AC, một chiểu DC, động cơ bước hay AC và DC Servo (các loại máy hiện đại đều dùng động cơ Servo). ị\ Ậ Chương trinh máy tính Bàn địch chuyển Encorder đo góc o o o i Ị ì ì ỉ / // / / Đónqcơ Bộ điéu khiển số ---------- ^ - D H f- H 4 - ỉ- ỉ- ỉ Truc vít me o o o /7 7 n H H l li Phanh Khuếch dại □ 'ề ễo . công suất 'Q Phản hổi vị trí CO Phản hổi vận tốc Hinh 1.11. Sơ dó điéu khiển một trục của mảy phay CNC Từ các yêu cầu công nghệ, chương trìn h của ngưòi sử dụng được đưa vào CNC thông qua panel điểu khiển, qua máy vi tính, hoặc đĩa chương trình. Từ đó, các vỊ trí cần thiết để thực hiện một biên dạng yêu cầu sẽ được các chức năng của CNC tính toán nội suy. Giá trị tính toán này sẽ là tín hiệu đ ặt đầu 12 vào cho từng trục chuyển động X, y, z. Trong trưòng hỢp đơn giản n h ất là ta coi các trục này độc lập với nhau (bỏ qua các tác động tưđng hỗ nhau của các trục) la sẽ có sơ đồ điều khiển của từng trục như hình 1.11. Các giá trị đặt tính toán này sẽ đưỢc so sánh với giá trị thực của tín hiệu vỊ trí và vận tốc phản hồi thông qua đầu đo encorder và bộ p h át tốc, từ giá trị sai lệch dó mà bộ điểu khiển sẽ đưa ra tín hiệu điểu khiển, tín hiệu điểu khiển này sẽ đưỢc khuếch đại qua bộ biến đổi công su ât tdi động cơ chấp hành. Từ đó, ta rú t ra sơ đồ tổng hỢp các vòng điểu khiển của máy phay CNC. Hinh 1.12, Sơ đó tính toán điéu khiển một trục của máy phay CNC 1.5.3. Hệ thống điều khiển robot Robot là một lĩnh vực gắn liền với cơ điện tử, nói đến robot là ta có thể thấy ngay những ứng dụng to lớn của nó đến đời sông xã hội và công nghiệp sản xuất. Trước những năm 1990, ở nước ta hầu như chưa du nhập về kỹ th u ậ t robot, th ậm chí còn chưa nh ận được nhiều thông tin về lĩnh vực này. Từ đó đến nay đã có khá nhiều cơ sở công nghiệp nhập robot từ nưốc ngoài về để phục vụ sản xuâ't, và cũng b ắt đầu đã có những nơi b ắt đầu th iết kế chế tạo robot. Trong linh vực robot nói riêng và cơ diện tử nói chung, điếu khiển tự động đóng một vai trò rấ t quan trọng, đó là bộ năo của th iế t bị. Điều khiển chuyển động tay máy robot có thể chia ra 3 giai đoạn: lập phương án chuyển động (motion planning), th iết k ế quỹ đạo (trajectory generation), và điều khiển bám quỹ đạo (trajectory tracking). Trong giai đoạn lập phương án chuyển động, bằng kinh nghiệm và hiểu biết của m ình ngưòi th iết k ế lập ra đưòng chuyển động cho tay máy chưa cần quan tâm đến thòi gian chuyển động. Sang giai đoạn th iết k ế quỹ đạo ngưòi th iế t kế phải lập quỹ dạo chuyển động theo đưòng chuyển động mong muôn đã chọn ở ^ a i đoạn trưóc, vận tốc, gia tốc chuyển động theo một hàm thòi gian. Giai đoạn cuốỉ là th iế t k ế điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động mong muốh. 13 Chương trinh máy tính Hình 1.13. Hệ thống điéu khiển tay máy robot Vấn đề điều khiển robot nói chung rấ t phức tạp, vì ngoài việc đảm bảo thực hiện quỹ đạo một cách chính xác, còn phải giải quyết vâ'n đề tương tác vối đối tưỢng công tác. Nhiệm vụ của robot (tức là của phần công tác) được th iế t lập trong không gian công tác, trong khi các tác động điều khiển lại được đ ặ t vào các khớp nên biến khớp là đốỉ tượng điều khiển trự c tiếp. Vì vậy, bài toán động học ngưỢc bao giò cũng phải đưỢc giải. Ngoài ra kỹ th u ậ t điều khiển còn phụ thuộc k ết câ'u phần cơ khí của robot, ví dụ sử dụng hệ toạ độ Để các hay hệ toạ độ khác, sử dụng cơ câ'u chấp hàn h kiểu nào, có dùng truyền động cơ khí phụ hay không. Hlnh tu. Truyén động các khớp và tách riêng khớp của tay máy robot Trường hợp đơn giản n h ất trong điều khiển robot là tách riêng mỗi khớp được điều khiển hoàn toàn độc lập với các khâp khác (hình 1.14), và hệ điều khiển chỉ có một đại lượng vào và một đại lượng ra - SISO (smgle inpuưsingle output system). Sự ảnh hưởng giữa các khớp vói nhau trong quá trìn h làm việc được coi là nhiễu. Khi đó điều khiển tay máy cũng gần giốhg vỏi điều khiển máy CNC. Sơ đồ điều khiển của hệ thốhg này mô tả trong hình 1.15. 14 Hình 1.15. Sơ đó điéu khiển một khớp của tay máy robot 1.5.4. Hệ thống điều khiển ổn định lắc ngang tàu thủy Ví dụ này trìn h bày hệ thông ổn định cho tà u biển khi gặp sóng to và gió lón, khi tà u bị nghiêng một góc 0 (góc Roll) có nghĩa là bị lệch một góc 0 so vói trục th ẳn g đứng như trong hình vẽ (thường Vây giảm lắc ngang hay gọi là hiện tưỢng lắc ngang). Chuyển động lắc ngang của tàu là chuyển động gây ra say sóng cho thuyền viên và h àn h khách, . , ... , .. , ^ . Hinh 1.16. MO hlnh giàm lác ngang tồu thúy dùng vây phu đổng thòi có the gây hư hỏng hàng hóa và thậm chí nếu lắc ngang quá m ạnh hàng hóa sẽ bị xô lệch, nghiêm trọng có th ể gây ra mâ't ổn định cho tà u và làm lật tàu. Hinh 1 17. Sơ đó hệ thống điéu khiển ổn định góc Roll của tảu 15 Từ xa xưa, ngưòi ta đã nghĩ ra các phương pháp khác nhau làm giảm lắc ngang của tàu để táng khả nàng làm việc hiệu quả của thuyền viên, giảm tổn thâ't hàng hóa và quan trọng hơn cả làm cho tàu an toàn. N hững phương pháp giảm lắc ngang thường dùng như: két chống lắc ngang, biến đổi vỏ tàu, giảm lắc ngang bằng bánh lái, ổn định lắc ngang bằng vây (fin stabilizers), tuy nhiên, hiệu quả và hay được sử dụng n h ất là ổn định bằng vây, nhằm ph át sinh ra phản lực chỏing lại sự nghiêng này và khôi phục vị trí ổn định của tàu. Chiều dài của vây có th ể điều chỉnh được thông qua một hệ truyền động (thưòng dùng hệ thủy lực) và có thể rú t h ết vào th ân tàu khi không cần sử dụng, góc nghiêng của tàu có thể đo bằng con quay định vị. 1.5.5. Hệ thống điểu khiển chống íắc ngang của máy bay Tương tự như trong tà u thủy, hiện tượng’lắc ngang trong máy bay còn gây những tác hại nguy hiểm hơn nhiều. Để khắc phục hiện tượng này, máy bay sử dụng cả một hệ thông khá phức tạp, tuy nhiên phần chính trong nhiệm vụ này là hai cánh nhỏ phụ nằm ở phần sau của cánh chính của máy bay (hình 1.18). Hai bên cánh nhỏ này có th ể dựng lên hoặc cụp xuống thông qua một hệ truyền động, và theo nguyên lý động lực học sẽ giúp máy bay chống lại sự nghiêng về một bên nào đó. Hình 1.1B, Mô hỉnh ổn định lác ngang của máy bay Sơ đồ điều khiển tổng quan của hệ thông được cho như hình 1.19, trong đó góc lệch được đo bằng hệ con quay định vị. 16 Hình 1.19. Sơ đổ hệ thống điéu khiển ổn định góc Roll của mảy bay 1.6. TÓM TẮT Chương 1 giói thiệu tổng quan về điều khiển tự động, lịch sử phát triển, khái niệm hệ thông điều khiển và một sô" ví dụ tổng quan về hệ thông điều khiển trong thực tế, qua đó rú t ra những chú ý khi th iết k ế và xây dựng hệ thông điểu khiển: - Xác định mục đích điều khiển là việc đầu tiên phải được xác định khi bắt dầu vối một hệ thông bâ't kỳ, điều khiển cái gì, với độ chính xác như th ế nào, và trong khoảng giá trị nào. Điều này cần phải được trìn h bày bằng những giá trị, thông sô cụ thể. - Nắm vững vể th iết bị điều khiển, đo lưòng và thiết bị chấp hành: điều này sẽ giúp ta có những lựa chọn chính xác và hiệu quả n h ất các thiết bị được dùng trong hệ thôVig nhằm đ ạt được mục đích điều khiển đã đề ra. t - Hiểu biết vể quy trìn h công nghệ, môi trưòng làm việc, đặc trư n g của từng hệ thống điều khiển mà ta xây dựng: ta không thể th iết kế, xây dựng được một hệ thống điểu khiển tàu biển tốt nếu chưa một lần lái hay ít n h ất là quan sát người ta lái tàu biển, sẽ không t.hể điều khiển máy bay nếu không tran g bị kiến thức tốt vể khí động lực học... đây là vấn đề khá quan trọng và các kỹ sư điểu khiển tự động luôn phải tra u dồi cho mình những kiên thức về lĩnh vực mà hệ thống điểu khiển của m ình sẽ hoạt động. 2 G T r EK tư đòng - A 17