Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 Các khái niệm • Điều khiển : Điều khiển hệ thống hiểu trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh cho đáp ứng hệ đạt mục đích định trước Quá trình điều khiển không cần tham gia trực tiếp người gọi điều khiển tự động Ví dụ 1.1: Xét trình lái (điều khiển) xe máy để xe chạy với tốc độ ổn định 40 km/h Để đạt mục đích trước hết mắt người lái xe phải quan sát đồng hồ tốc độ để biết tốc độ xe (thu thập thông tin) Tiếp theo, não so sánh tốc độ với tốc độ mong muốn định tăng ga tốc độ 40km/h (xử lý thông tin) Cuối tay người lái xe phải vặn tay ga để thực việc tăng hay giảm ga (tác động vào hệ thống) Kết tốc độ xe hiệu chỉnh lại giữ ổn định mong muốn Trong hệ thống điều khiển tự động, trình điều khiển diễn tương tự phận: mắt, não, tay người thay thiết bị kỹ thuật có chức tương ứng • Điều khiển học (Cybernetic): Ngành khoa học nghiên cứu trình điều khiển truyền thông hệ thống gọi điều khiển học Tuỳ theo đặc điểm đối tượng nghiên cứu, điều khiển học chia thành: điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học kinh tế, điều khiển học sinh học, Trong ngành kể trên, điều khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, ngành phát triển Trong tài liệu này, đề cập đến vấn đề điều khiển học kỹ thuật • Tín hiệu : Thông tin hệ thống điều khiển thể tín hiệu Các tín hiệu dòng điện, điện áp, lực, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí, vận tốc,… Mỗi phần tử điều khiển nhận tín hiệu vào từ số phần tử hệ thống tạo nên tín hiệu đưa vào phần tử khác Hệ thống giao tiếp với môi trường bên thông qua tín hiệu vào, Thay tên gọi tín hiệu vào, tín hiệu người ta sử dụng khái niệm tác động đáp ứng với nghóa là: tác động vào hệ thống tín hiệu vào hệ thống có đáp ứng tín hiệu Thông thường tín hiệu biểu diễn toán học hàm số thời gian Trong sơ đồ hệ thống, tín hiệu vào, thường biểu diễn mũi tên hình 1.1 Tín hiệu vào (tác động) Phần tử / Hệ thống Tín hiệu (đáp ứng) Hình 1.1 Sơ đồ mô tả tín hiệu vào, Bảng trình bày số đối tượng thường gặp kỹ thuật tín hiệu vào, tín hiệu tương ứng Đối tượng Động điện Van Xylanh lực Lò nhiệt Chiết áp Tín hiệu vào Điện áp Vị trí nòng van Lưu lượng, áp suất Công suất cấp nhiệt Vị trí trượt Tín hiệu Vận tốc, góc quay Lưu lượng Vận tốc, vị trí, lực piston Nhiệt độ Điện áp 1.2 Hệ thống điều khiển r(t) Bộ so z(t) e(t) yht(t) Bộ điều khiển u(t) Đối tượng điều khiển y(t) Thiết bị đo Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển Hình 1.2 trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển Hệ thống gồm ba thành phần đối tượng điều khiển, thiết bị đo điều khiển Trong đó: r(t) : tín hiệu vào, chuẩn tham chiếu (reference input), giá trị đặt trước y(t): tín hiệu (output), biến/đại lượng cần điều khiển, giá trị thực yht(t) : tín hiệu hồi tiếp e(t) : tín hiệu sai lệch, sai số u(t) : tín hiệu điều khiển z(t) : tín hiệu nhiễu § Đối tượng điều khiển : hệ thống vật lý cần điều khiển để có đáp ứng mong muốn ĐTĐK bao gồm đa dạng loại máy, thiết bị kỹ thuật, trình công nghệ ĐTĐK máy, thiết bị thường đặc trưng cấu chấp hành động cơ, xylanh, hệ bàn trượt với tín hiệu chuyển động vật lý vận tốc, vị trí, góc quay, gia tốc, lực Các trình công nghệ thường có tín hiệu nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức § Thiết bị đo (cảm biến): thực chức đo chuyển đổi đại lượng hệ thống thành dạng tín hiệu phù hợp để thuận tiện so sánh, xử lý, hiển thị Sự chuyển đổi cần thiết tín hiệu vào, không chất vật lý: Tín hiệu vận tốc, vị trí, nhiệt độ, lực tín hiệu vào đa phần tín hiệu điện Nguyên tắc chung để đo đại lượng không điện phương pháp điện biến đổi chúng thành tín hiệu điện (điện áp dòng điện) Một số thiết bị đo điển hình là: - Đo vận tốc: phát tốc (DC tachometer, AC tachometer, optical tacho.) - Đo lượng dịch chuyển: chiết áp (potentiometer), thước mã hoá - Đo góc quay: chiết áp xoay, mã hóa góc quay (rotary encoder) - Đo nhiệt độ: cặp nhiệt ngẫu (thermocouple), điện trở nhiệt (thermistor, RTD) - Đo lưu lượng, áp suất : chuyển đổi lưu lượng, áp suất - Đo lực: cảm biến lực (loadcell, ) § Bộ so : so sánh phát độ sai lệch e tín hiệu vào chuẩn tín hiệu hồi tiếp (hay giá trị đo tín hiệu ra) Thông thường, thiết bị đo thực chuyển đổi tỉ lệ nên : yht =Ky Nếu: K=1 với K hệ số chuyển đổi thì: e = r -y ht = r-y Trong hệ thống thực tế so thường ghép chung vào điều khiển § Bộ điều khiển : dùng thông tin độ sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u thích hợp, từ tác động lên đối tượng Thuật toán xác định hàm u(t) gọi thuật toán điều khiển hay luật điều khiển Bộ điều khiển liên tục thực cấu khí, thiết bị khí nén, mạch điện RLC, mạch khuếch đại thuật toán Bộ điều khiển số thực chất chương trình phần mềm chạy vi xử lý hay máy tính § Nhiễu : Các tác động lên hệ thống gây nên ảnh hưởng không mong muốn gọi chung nhiễu Nhiễu tồn tác động vào phần tử hệ thống, thường quan tâm nhiều nhiễu tác động lên đối tượng điều khiển, loại gọi nhiễu đầu hay nhiễu phụ tải Trên đề cập đến thành phần hệ thống điều khiển Trong thực tế, cấu trúc hoàn chỉnh hệ thống điều khiển thường đa dạng phức tạp Ví dụ, hệ có cấu thiết đặt tín hiệu vào chuẩn, cấu tác động có vai trò trung gian điều khiển đối tượng van điều khiển, khuếch đại công suất, mạch cách ly, động cơ, truyền động Trong hệ thống điều khiển số có chuyển đổi A/D, D/A, card giao tiếp, Ví dụ 1.2 : Xét hệ thống điều khiển mức nước hình 1.3 e H0 h u H0 e z h z Hình 1.3 Hệ thống điều khiển mức nước đơn giản Trong hệ thống điều khiển tự động này, đối tượng điều khiển bồn nước (1) Mục tiêu điều khiển giữ mức nước bồn ổn định trị số H đặt trước cho dù lượng nước tiêu thụ thay đổi - Tín hiệu y = h : mức nước thực tế - Tín hiệu vào r = H : mức nước yêu cầu - Nhiễu z : thay đổi lượng nước tiêu thụ - Thiết bị đo phao (2); Bộ điều khiển hệ thống đòn bẩy (3) có chức khuếch đại sai lệch điều khiển đóng mở van; Cơ cấu tác động van (4) - Tín hiệu điều khiển u : độ nâng van (4) - Tín hiệu sai lệch : e= r-y = H - h Mức nước yêu cầu thay đổi cách điều chỉnh độ dài đoạn nối từ phao đến đòn bẩy 1.3 Các nguyên tắc điều khiển Nguyên tắc điều khiển thể đặc điểm lượng thông tin phương thức hình thành tác động điều khiển hệ thống Có ba nguyên tắc điều khiển bản: nguyên tắc giữ ổn định, nguyên tắc điều khiển theo chương trình nguyên tắc điều khiển thích nghi Khi thiết kế hệ thống ta dựa vào mục tiêu điều khiển, yêu cầu chất lượng giá thành để chọn nguyên tắc điều khiển phù hợp 1.3.1 Nguyên tắc giữ ổn định : Nguyên tắc nhằm giữ tín hiệu ổn định giá trị số định trước Có ba nguyên tắc điều khiển giữ ổn định : • Điều khiển bù nhiễu Nguyên tắc dùng tác động bên lên ĐTĐK kiểm tra đo lường được, đặc tính ĐTĐK xác định đầy đủ Bộ điều khiển sử dụng giá trị đo nhiễu để tính toán tín hiệu điều khiển u(t) Nguyên tắc điều khiển có ý nghóa phòng ngừa, ngăn chặn trước Hệ thống có khả bù trừ sai số trước nhiễu thực gây ảnh hưởng đến tín hiệu Tuy nhiên, thực tế dự đoán kiểm tra hết loại nhiễu nên với hệ phức tạp điều khiển bù nhiễu cho chất lượng cao z r Bộ ĐK u ĐTĐK y Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển bù nhiễu • Điều khiển san sai lệch Nguyên tắc dùng tác động bên không kiểm tra đo lường được, đặc tính ĐTĐK chưa xác định đầy đủ Tín hiệu y(t) đo phản hồi so sánh với tín hiệu vào r(t) Bộ điều khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t), điều chỉnh lại tín hiệu theo hướng làm triệt tiêu sai lệch Nguyên tắc điều khiển có tính linh hoạt, thử nghiệm sửa sai Hệ thống có khả làm triệt tiêu ảnh hưởng nhiễu trước và/hoặc không đo Nhược điểm tác động hiệu chỉnh hình thành sau độ sai lệch tồn phát hiện, tức sau tín hiệu thực bị ảnh hưởng Các trình trễ hệ làm cho tín hiệu không giữ ổn định cách tuyệt đối mà thường có dao động nhỏ quanh giá trị xác lập z r e Bộ ĐK u ĐTĐK y Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển san sai lệch • Điều khiển phối hợp Để nâng cao chất lượng điều khiển, kết hợp nguyên tắc bù nhiễu nguyên tắc san sai lệch Mạch bù nhiễu tác động nhanh để bù trừ sai số tạo nhiễu đo được, mạch điều khiển phản hồi hiệu chỉnh tiếp sai số tạo nhiễu không đo z r e u Bộ ĐK y ĐTĐK Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển phối hợp 1.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình Nguyên tắc giữ cho tín hiệu thay đổi theo hàm thời gian (chương trình) định trước 1.3.3 Nguyên tắc điều khiển thích nghi (tự chỉnh định) Khi cần điều khiển đối tượng phức tạp, có thông số dễ bị thay đổi ảnh hưởng môi trường, nhiều đối tượng đồng thời mà phải đảm bảo cho tín hiệu có giá trị cực trị, hay tiêu tối ưu điều khiển với thông số cố định đáp ứng được, ta phải dùng nguyên tắc thích nghi Sơ đồ hệ thống thích nghi hình 1.7 Tín hiệu v(t) chỉnh định lại thông số điều khiển cho hệ thích ứng với biến động môi trường z Chỉnh định r v Điều khiển u ĐTĐK y Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi 1.4 Phân loại hệ thống điều khiển Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển Sau số cách phân loại thường dùng 1.4.1 Phân loại theo mạch phản hồi - Hệ thống kín : hệ thống điều khiển có phản hồi, tức tín hiệu đo hồi tiếp so sánh với tín hiệu vào Bộ điều khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t), hiệu chỉnh lại tín hiệu theo hướng làm triệt tiêu sai lệch Cấu trúc hệ kín có nhiều vịng hồi tiếp Sơ đồ khối hệ kín vịng hồi tiếp mô tả hình (1.2) (1.5) - Hệ thống hở : không dùng mạch phản hồi, tức so sánh kết thực tế với trị số mong muốn sau tác động điều khiển Các h ệ thống điều khiển dựa sở thời gian hệ hở Một ví dụ máy giặt thao tác giặt, xả, vắt tác động rơle thời gian, kết đầu độ quần áo không máy kiểm tra (đo) lại Hệ hở có cấu trúc đơn giản thích hợp với ứng dụng không đòi hỏi cao chất lượng đáp ứng 1.4.2 Phân loại theo đặc điểm mô tả toán học - - - Hệ liên tục : Các tín hiệu truyền hệ hàm liên tục theo thời gian Hệ liên tục mô tả phương trình vi phân Hệ rời rạc: Tín hiệu hay nhiều điểm hệ dạng chuỗi xung hay mã số Hệ rời rạc mô tả phương trình sai phân Hệ tuyến tính : Mọi phần tử hệ có quan hệ vào-ra hàm tuyến tính Hệ tuyến tính mô tả phương trình vi phân (hoặc sai phân) tuyến tính Đặc trưng hệ tuyến tính áp dụng nguyên lý xếp chồng, tức hệ có nhiều tác động vào đồng thời đáp ứng đầu xác định cách lấy tổng đáp ứng tác động riêng rẽ tạo nên Hệ phi tuyến : Hệ có phần tử có quan hệ vào-ra hàm phi tuyến Hệ phi tuyến không áp dụng nguyên lý xếp chồng Hệ tuyến tính mô hình lý tưởng Các hệ thống điều khiển thực tế có tính phi tuyến Ví dụ khuếch đại điện, điện từ, thuỷ lực, khí nén có bão hoà tín hiệu tín hiệu vào đủ lớn; truyền động khí, thuỷ lực, khí nén tồn khâu khe hở, vùng không nhạy với tín hiệu vào nhỏ; hệ thống điều khiển ON/OFF phi tuyến với giá trị tín hiệu vào Để đơn giản hoá trình phân tích thiết kế, hệ phi tuyến có phạm vi biến thiên biến tương đối nhỏ thường tuyến tính hoá để đưa gần hệ tuyến tính Hệ bất biến theo thời gian (hệ dừng) : Các thông số hệ không thay đổi suốt thời gian hoạt động hệ thống Hệ bất biến mô tả phương trình vi phân/sai phân hệ số Đáp ứng hệ không phụ thuộc vào thời điểm mà tín hiệu vào đặt vào hệ thống - Hệ biến đổi theo thời gian (hệ không dừng): Các thông số hệ tham số phụ thuộc thời gian, ví dụ hệ thống điều khiển tên lửa với khối lượng tên lửa giảm dần tiêu thụ nhiên liệu trình bay Phương trình mô tả hệ biến đổi theo thời gian phương trình vi phân/sai phân hệ số hàm Đáp ứng hệ phụ thuộc vào thời điểm mà tín hiệu vào đặt vào hệ thống 1.4.3 Phân loại theo nguyên tắc điều khiển - mục tiêu điều khiển - Hệ thống ổn định hoá : Khi tín hiệu vào r(t) không thay đổi theo thời gian ta có hệ thống ổn định hoá hay hệ thống điều chỉnh Mục tiêu điều khiển hệ giữ cho sai số tín hiệu vào tín hiệu nhỏ tốt Hệ thống điều khiển ổn định hoá ứng dụng rộng rãi dân dụng công nghiệp, điển hình hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, điện áp, tốc độ, áp suất, lưu lượng, mức nước, nồng độ, độ pH, - Hệ thống điều khiển theo chương trình : Nếu tín hiệu vào r(t) hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng hệ thống chép lại giá trị tín hiệu vào r(t) ta có hệ thống điều khiển theo chương trình Ứng dụng điển hình loại hệ thống điều khiển máy CNC, robot công nghiệp - Hệ thống theo dõi: Nếu tín hiệu vào r(t) hàm trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển để đáp ứng y(t) bám sát r(t), ta có hệ thống theo dõi Điều khiển theo dõi thường sử dụng hệ thống điều khiển pháo phòng không, ra, tên lửa, tàu ngầm, - Hệ thống điều khiển thích nghi : Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thích nghi 1.4.4 Phân loại theo dạng lượng sử dụng - Hệ thống điều khiển khí - Hệ thống điều khiển điện - Hệ thống điều khiển khí nén - Hệ thống điều khiển thủy lực - Hệ thống điều khiển điện-khí nén, điện-thuỷ lực, 1.4.5 Phân loại theo số lượng ngõ vào, ngõ - Hệ SISO (Single Input - Single Output : ngõ vào - ngõ ra) - Hệ MIMO (Multi Input-Multi Output : nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra) Trong khuôn khổ chương trình môn học, tài liệu tập trung đề cập đến vấn đề hệ thống điều khiển tuyến tính bất biến ngõ vào - ngõ 1.5 Các toán Lý thuyết điều khiển tự động nhằm giải hai toán bản: • Phân tích hệ thống: Cho hệ thống điều khiển tự động biết cấu trúc thông số phần tử Bài toán đặt khảo sát tính ổn định hệ thống, tìm đáp ứng đánh giá chất lượng trình điều khiển hệ • Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc thông số đối tượng điều khiển Cần thiết kế điều khiển để hệ thống thoả mãn yêu cầu chất lượng đề Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thực chất vấn đề định cấu trúc thông số điều khiển (thiết bị điều khiển) Trong trình thiết kế thường kèm theo toán phân tích Các bước thiết kế bao gồm: 1) Xuất phát từ mục tiêu điều khiển, yêu cầu chất lượng điều khiển đặc điểm đối tượng điều khiển, ta xây dựng mô hình toán học đối tượng 2) Từ mô hình, mục tiêu điều khiển, yêu cầu chất lượng điều khiển, nguyên lý điều khiển, khả thiết bị điều khiển sử dụng chế tạo được, ta chọn nguyên tắc điều khiển cụ thể Từ lựa chọn thiết bị cụ thể để thực nguyên tắc điều khiển đề 3) Trên sở nguyên lý điều khiển thiết bị chọn, kiểm tra lý thuyết hiệu điều khiển mặt: khả đáp ứng mục tiêu, chất lượng, giá thành, điều kiện sử dụng, hiệu Từ hiệu chỉnh phương án chọn thiết bị, chọn nguyên tắc điều khiển khác hoàn thiện lại mô hình 4) Nếu phương án chọn đạt yêu cầu, chuyển sang bước chế tạo, lắp ráp thiết bị phần Sau tiến hành kiểm tra, thí nghiệm thiết bị phần hiệu chỉnh sai sót 5) Chế tạo, lắp ráp thiết bị toàn Sau kiểm tra, thí nghiệm thiết bị toàn Hiệu chỉnh hoàn thành toàn hệ thống điều khiển 1.6 Ví dụ ứng dụng 1) Bộ điều tốc ly tâm Hình 1.8 giới thiệu bộä điều tốc ly tâm để giữ ổn định tốc độ động Diesel hay tuabin Ở chế độ làm việc bình thường, động quay đều, lực ly tâm hai lắc quay cân với áp lực lò xo Mỗi vị trí ổn định lắc tương ứng với tốc độ đặt trước động Nếu phụ tải thay đổi đột ngột làm cho tốc độ thực động giảm so với tốc độ mong muốn lực ly tâm giảm, lắc hạ thấp, cửa van điều khiển mở, dầu ép từ nguồn cấp chảy qua van vào buồng xylanh, đẩy piston xuống làm tăng độ mở van nhiên liệu, nhiên liệu cấp vào động nhiều nên tốc độ động lại tăng lên đến tốc độ mong muốn Trường hợp ngược lại, tốc độ động vượt giá trị đặt trước, hệ thống tự động điều chỉnh để giảm lượng nhiên liệu cung cấp Trong hệ thống này, đối tượng điều khiển động cơ, đại lượng cần điều khiển tốc độ động cơ, thiết bị đo lắc ly tâm, tín hiệu sai lệch độ chênh lệch tốc độ mong muốn tốc độ thực tế, tín hiệu điều khiển vị trí van hay lượng nhiên liệu, nhiễu thay đổi tải Bánh Con lắc ly tâm Xy lanh truyền lực Dầu ép Van điều khiển Tải Động Nhiên liệu Van nhiên liệu Hình 1.8 Hệ điều khiển tốc độ dùng điều tốc ly tâm 2) Hệ điều khiển tốc độ động DC Hình 1.9 giới thiệu phiên đơn giản hệ thống điều khiển tốc độ động DC Tốc độ yêu cầu đặt chỉnh chiết áp có giá trị khoảng 0÷10V Bộ phát tốc (Tachometer) đo số vòng quay động chuyển thành tín hiệu điện áp 0÷10V Bộ khuếch đại vi sai (1) so sánh giá trị đặt với tốc độ thực tế, sau tín hiệu sai lệch chuyển đến khuếch đại công suất (2) để hình thành tín hiệu điều khiển động Để có sai số xác lập cải thiện đặc tính động học động tốt hơn, người ta thay khuếch đại vi sai điều khiển PID mạch chỉnh lưu điện tử V+ R Tốc độ đặt R V- R (1) (2) n n Tải R Động Tachometer Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động DC Trong ứng dụng điều khiển tốc độ định vị xác, người ta thường dùng động servo DC AC Động servo có quán tính nhỏ, khả gia tốc tốt, làm việc tin cậy, không cần bảo dưỡng Động servo DC công suất nhỏ sử dụng thiết bị văn phòng động quay ổ đóa máy tính, động quay rulô máy in, Động servo DC công suất trung bình lớn sử dụng hệ thống robot, hệ thống điều khiển máy CNC, Hình 1.10 giới thiệu hệ thống điều khiển động servo DC dùng điều khiển điện tử theo nguyên tắc điều biến độ rộng xung (PWM) Tín hiệu phản hồi lấy từ phát tốc và/hoặc mã hoá góc quay (encoder) lắp đặt sẵn động Bộ phát tốc Tốc độ đặt Bộ tích phân Khuếch đại dòng Mạch PWM Điều khiển công suất Phản hồi dòng điện Động servo DC Bộ điều khiển servo Phản hồi tốc độ Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động servo DC 3) Hệ thống điều khiển máy trộn Chất B 4÷20 mA Bộ điều khiển van Bộ điều khiển Giá trị dặt trước Chất A Tín hiệu đo nồng độ 4÷20 mA Động trộn Thùng trộn Bộ đo nồng độ Chất C Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy trộn 10 Điều khiển máy trộn (hình 1.11) trì hỗn hợp hai chất A B cho nồng độ chúng không đổi Hai chất A B đưa vào thùng trộn máy trộn khuấy hỗn hợp C có tỉ lệ % thành phần A theo giá trị đặt trước Bộ đo nồng độ máy phân tích để xác định tỉ lệ phần trăm thành phần A hỗn hợp C cho tín hiệu dòng điện tương ứng từ 4÷20 mA Tín hiệu dẫn điều khiển điện tử tạo nên tín hiệu điều khiển tác động vào van (thông qua điều khiển van) để khống chế lưu lượng chất A chảy vào thùng trộn 4) Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 1.12 giới thiệu sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung điện Nhiệt độ lò đại lượng liên tục Nhiệt độ đo cảm biến, sau chuyển thành tín hiệu số nhờ chuyển đổi liên tục/số (A/D - Analog/Digital) đưa vào máy tính thông qua mạch giao tiếp Nhiệt độ yêu cầu dạng tín hiệu số đặt chỉnh chương trình phần mềm Máy tính so sánh nhiệt độ hồi tiếp với nhiệt độ đặt có sai lệch máy tính xuất tín hiệu điều khiển mạch nung thông qua giao tiếp, khuếch đại, rơle cấp điện cho điện trở nung quạt làm mát lò Cảm biến A/D Lò nhiệt Rơle Bộ nung Khuếch đại Giao tiếp Giao tiếp Chương trình Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ 11 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển - Năm 1765, Polzunov chế tạo điều chỉnh mức nước nồi Năm 1784, James Watt chế tạo điều tốc ly tâm để điều chỉnh tốc độ máy nước Các sáng chế xem cấu tự động xuất công nghiệp - Năm 1868, Maxwell phát triển phương trình vi phân cho điều tốc, tuyến tính hóa điểm cân chứng minh tính ổn định hệ thống phụ thuộc vào nghiệm có phần thực âm phương trình đặc tính Các tiêu chuẩn ổn định cho hệ tuyến tính phát triển Routh (1877) Hurwitz (1895) Năm 1922, Minorsky người đặt móng cho lý thuyết điều khiển tự động tàu thuỷ Năm 1917, O.Block sử dụng lý thuyết vectơ hàm biến phức vào việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động Trên sở đó, Nyquist (1932) đưa phương pháp đồ thị để xác định tính ổn định hệ thống kín từ đáp ứng tần số hệ hở với tín hiệu vào hình sin - Trong suốt thập niên 1940, phương pháp đáp ứng tần số, đặc biệt phương pháp biểu đồ Bode, sử dụng rộng rãi để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín tuyến tính Từ cuối thập niên 1940 đến đầu thập niên 1950, Evans phát triển hoàn chỉnh phương pháp quỹ đạo nghiệm Đây hai phương pháp cốt lõi lý thuyết điều khiển cổ điển, cho phép thiết kế hệ thống điều khiển ổn định đáp ứng yêu cầu điều khiển bản, điều khiển thiết kế chủ yếu PID điều khiển sớm trễ pha Lý thuyết điều khiển cổ điển (trước 1960) chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến với ngõ vào - ngõ - Từ khoảng 1960, xuất máy tính số lý thuyết điều khiển số tạo điều kiện cho đời lý thuyết điều khiển đại dựa phân tích tổng hợp đáp ứng thời gian sử dụng biến trạng thái Lý thuyết điều khiển đại thích hợp để thiết kế điều khiển chương trình phần mềm chạy vi xử lý máy tính số Điều cho phép thiết kế hệ thống phức tạp nhiều ngõ vào, nhiều ngõ với chất lượng điều khiển cao - Trong thập niên gần lý thuyết điều khiển đại phát triển theo hướng: điều khiển tối ưu hệ tiền định ngẫu nhiên, điều khiển thích nghi điều khiển thông minh Các phương pháp điều khiển thông minh điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền bắt chước hệ thống thông minh sinh học, nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, có khả ứng dụng thực tế lớn Xu hướng kết hợp phương pháp điều khiển hệ thống điều khiển phát triển với trợ giúp máy tính số Ngày nay, lý thuyết điều khiển cổ điển giữ vai trò quan trọng Nó cung cấp kiến thức để làm tảng cho việc tiếp cận hệ thống điều khiển đại, ngày phức tạp 12