boä moân : cô Ñieän töû - hcmuaf.edu.vn giang dktd_chuong 1_new... · •bộ môn : cơ...

*

Boä Moân : Cô Ñieän Töû

•Bộ môn : Cơ Điện Tử •2

GV: Th.S NGUYEÃN TAÁN PHUÙC.

TEL: 01267102772.

EMAIL: [email protected].

Website lưu trữ slide giảng :

http://www2.hcmuaf.edu.vn/?ur=phucnt

Boä Moân : Cô Ñieän Töû

BAØI GIAÛNG MOÂN HOÏC

CƠ SỞ

ÑIEÀU KHIEÅN TÖÏ ÑOÄNG

mailto:[email protected]


**Số tiết : 30 tiết Lý Thuyết – 15 tiết thực hành.

*Giảng viên: ThS. Nguyễn Tấn Phúc.

Giáo trình- tài liệu tham khảo :

*Slide bài giảng – giáo trình.

*Sách: Lý Thuyết điều khiển tự động ,

Nguyễn Thị Phương Hà, ĐH BK TpHCM.

* Sách : bài tập lý thuyết điều khiển tự động,

Nguyễn Thị Phương Hà, ĐH BK TpHCM.

*Sách: Modern Control Engineering , K. Ogaka

Modern Control Systems, RC. Dorf .

Phần mềm MATHLAB 2008B


*

*Điểm chuyên cần + làm bài tập trên lớp : 10%.

*Điểm Thực Hành: 30%.

*Điểm thi :60%.


*

*Nghiên cứu các phương pháp, công cụ toán học để mô tả,

phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động.


*• Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động

• Chương 2: Mô tả toán học các hệ thống điều khiển.

(Mô hình hoá một số hệ thống )

• 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.


*

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


*1) Điều khiển

Ví dụ 1: Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40 km/h

1. Thu thập thông tin: Mắt quan sát đồng hồ tốc độ.

2. Xử lý thông tin: Não so sánh v mong muốn và v thực tế ra

quyết định tăng / giảm ga.

3. Tác động: Tay vặn tay ga để thực hiện tăng/giảm ga.

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.

*Điều khiển = “can thiệp” vào hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh

sao cho đáp ứng của hệ đạt mục đích định trước.

*Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con

người gọi là điều khiển tự động.


*

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.


*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


•

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 độ công suất Lò nhiệt

Van lưu lượng, áp suất vị trí nòng van

(độ nâng, góc mở)

Chiết áp Điện áp vị trí con trượt

(lượng di động)


*

r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị đặt trước (SetPoint)

y(t) : tín hiệu ra (output), biến được điều khiển (controlled variable), giá trị thực (Process Value)

yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback)

e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error)

u(t) : tín hiệu điều khiển

z(t): tín hiệu nhiễu

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.


* 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).


* 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định

1) Điều khiển bù nhiễu (feedforward control)

Sơ đồ:

Ví dụ:

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

Phòng Bộ ĐK Nđộ yêu cầu


* 1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)

*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).

2) Điều khiển san bằng sai lệch (feedback control)

Sơ đồ:

Ví dụ:



y(t) z(t)

Nđộ ngoài trời

Máy lạnh Nđộ phòng

Phòng Bộ ĐK Nđộ đặt u e

Cảm biến nhiệt


* 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.

3) Điều khiển phối hợp

Sơ đồ:



y(t)

z(t)


* 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.

Sơ đồ:

u(t) Điều khiển


y(t)

z(t)

Chỉnh định

v(t)


*

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.

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


*

*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 phương 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.


*

*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 (30 tiết) chủ yếu khảo sát

các hệ thống tuyến tính bất biến SISO.


*

1) Bài toán phân tích

Biết cấu trúc và thông số của hệ thống.

Yêu cầu:

*Xét tính ổn định của hệ thống y() = const ?

*Tìm hàm đáp ứng 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 sai

số xác lập e(), thời gian ổn định ts , độ vọt lố

POT,…).


*


*

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.


*

*Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi


*

*Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC


*

*Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo


*

*Hệ thống điều khiển máy trộn


*

*Hệ thống điều khiển nhiệt độ


*

*Hệ thống điều khiển máy CNC


**Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960)

*Maxwell (1968) 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.


*

•Any questions ?????????????

boä moân : cô Ñieän töû - hcmuaf.edu.vn giang dktd_chuong 1_new... · •bộ môn : cơ...

Documents