Bộ Môn : Cơ Điện Tử

Bài giảng môn học

Điều Khiển Tự Động

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

1


Điều Khiển Tự Động
∗ Số tiết : 45 tiết
∗ Giảng viên: ThS. Nguyễn Tấn Phúc.
∗ Giáo trình:
Sách: Điều khiển tự động, NTH, ĐHSPKT, 2006
File: tinyurl.com/gtdktd3
(1,6MB)
∗ Tài liệu tham khảo:
Sách: Modern Control Engineering , K. Ogaka
Modern Control Systems, RC. Dorf
File: tinyurl.com/mcepdf (46MB)
tinyurl.com/mcspdf11 (34MB)
∗ Đánh giá : Chuyên cần 10% + Thi cuối kỳ 90%
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•2

•01/2009

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.

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•3

•01/2009
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.

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC


•4

4


Chương 1:

Tổng quan về điều khiển tự động
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7

Các khái niệm cơ bản
Cấu trúc của hệ thống điều khiển
Các nguyên tắc điều khiển
Phân loại hệ thống
Các bài toán cơ bản
Ví dụ ứng dụng
Sơ lược lịch sử phát triển

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•5


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. 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.
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•6

•01/2009
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 ñổi bằng cách ñiều
chỉnh ñộ dài thanh nối
phao-ñòn bẩy.

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•7

•01/2009
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), θ(t),.... )
∗ Trên sơ đồ khối: các tín hiệu vào/ra = các mũi tên

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC


•8

•01/2009
8


• Ví dụ về các tín hiệu vào, ra
ñiện áp u(t)

lưu lượng, áp suất
công suất
vị trí nòng van
(ñộ nâng, góc mở)
vị trí con trượt
(lượng di ñộng)
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

ðộng cơ ñiện

Xylanh lực
Lò nhiệt

vận tốc n(t)
góc quay ϕ(t)
vận tốc, vị trí, lực
Nhiệt ñộ
lưu lượng, áp suất


Van
Chiết áp
•9

ðiện áp

•01/2009
9


1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển
3 thành phần cơ bản: ðối tượng ñiều khiển, thiết bị ño
(cảm biến), bộ ñiều khiển.
z(t)
r(t)

e(t)

Bộ ñiều khiển

yht (t)

u(t)

ðối tượng ðK

y(t)

Thiết bị ño


r(t) : tín hiệu vào, chuẩn (reference input), giá trị ñặt trước (SetPoint)
y(t) : tín hiệu ra (output), biến ñược ñiều khiển (controlled variable),
giá trị thực (Process Value)
yht(t) : tín hiệu hồi tiếp (feedback)
yht = K.y ; e= r- yht
e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số (error)
Nếu K=1 thì: e=r-y
u(t) : tín hiệu ñiều khiển
z(t): tín hiệu nhiễu
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•10

•01/2009
10


1.3 Các nguyên tắc điều khiển
1.3.1 Nguyên tắc ñiều khiển giữ ổn ñịnh
Mục tiêu: Duy trì ñáp ứng y= hằng số ñịnh trước
ðiều khiển bù nhiễu
ðiều khiển san bằng sai lệch
ðiều khiển phối hợp
1.3.2 Nguyên tắc ñiều khiển theo chương trình
Mục tiêu: Tạo ñáp ứng y(t) có ñặc tính thời gian
ñịnh trước (chương trình=hàm thời gian).
1.3.3 Nguyên tắc ñiều khiển thích nghi

Mục tiêu: ðiều khiển các ñối tượng có mô hình
toán và thông số ñộng (thay ñổi trong quá trình
làm việc do ảnh hưởng của môi trường).
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•11

•01/2009
11


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định
1) ðiều khiển bù nhiễu (feedforward control)
S
ñ :
z(t)
r(t)

u(t)
ðối tượng

Bộ ñiều khiển

y(t)

Ví d :
Nñộ ngoài trời

Nhiệt kế

Nñộ yêu cầu

Bộ ðK

Lò sưởi

Phòng

Nñộ phòng

ð c ñi m:
- u(t) ñược hình thành dựa trên giá trị ño ñược của nhiễu.
- Tác ñộng nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu.
- Với hệ phức tạp (có nhiễu không biết trước/ không ño ñược)
thì ñáp ứng sẽ kém chính xác.
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•12

•01/2009
12


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
2) ðiều khiển san bằng sai lệch (feedback control)
S
ñ :
z(t)
r(t)

e(t)
y(t)
u(t)
Bộ ñiều khiển
ðối tượng
Ví d :
Nñộ ngoài trời
Nñộ ñặt

e

Bộ ðK

u

Máy lạnh

Phòng

Nñộ 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).
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử


Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•13

•01/2009
13


1.3.1 Nguyên tắc ĐK giữ ổn định (tt)
3) ðiều khiển phối hợp
S
ñ :
r(t)

e(t)

z(t)

Bộ ñiều khiển

u(t)

y(t)
ðối tượng

∗ 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.


•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•14

•01/2009
14


1.3.3 Nguyên tắc ĐK thích nghi
S
ñ :

z(t)
Chỉnh ñịnh

r(t)

v(t)

u(t)

ðiều khiển

y(t)
ðối tượng

∗ 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.
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•15

•01/2009
15


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.
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
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•16


•01/2009
16


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 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.
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•17

•01/2009
17


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.
•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•18

•01/2009
18


1.5 Các bài toán cơ bản
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,…).

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•19

•01/2009
19


1.5 Các bài toán cơ bản

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•20

•01/2009
20


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.


•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•21

•01/2009
21


1.6 Các ví dụ ứng dụng
∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ Diesel, tuabin hơi

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•22

•01/2009
22


1.6 Các ví dụ ứng dụng
∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC


•23

•01/2009
23


1.6 Các ví dụ ứng dụng
∗ Hệ điều khiển tốc độ động cơ servo

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•24

•01/2009
24


1.6 Các ví dụ ứng dụng (tt)
∗ Hệ thống điều khiển máy trộn

•Bộ môn : Cơ ðiện Tử

Bài giảng : Th.s NGUYEN TAN PHUC

•25

•01/2009

25