Đang tải... (xem toàn văn)
Lý thuyết điều khiển tự động bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng là bộ tài liệu hay và rất hữu ích cho các bạn sinh viên và quý bạn đọc quan tâm. Đây là tài liệu hay trong Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc. Trân trọng. ĐỊA CHỈ DANH MỤC TẠI LIỆU CẦN THAM KHẢO http:123doc.vntrangcanhan348169nguyenductrung.htm hoặc Đường dẫn: google > 123doc > Nguyễn Đức Trung > Tất cả (chọn mục Thành viên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ *** BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG (Bậc ĐH ngành Công nghệ kỹ thuật khí) (Đào tạo tín chỉ: 02 tín chỉ) Biên soạn: ThS Phạm Trường Tùng Quảng Ngãi, 2014 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng LỜI NÓI ĐẦU Lĩnh vực điều khiển tự động lĩnh vực rộng sâu Lý thuyết điều khiển xây dựng tảng toán học Chính vậy, lĩnh vực thực thách thức cho nhiều người nghiên cứu đến Hiện nay, hệ thống tự động sử dụng rộng rãi công nghiệp sống Nhằm giúp cho bạn sinh viên người quan tâm đến lĩnh vực điều khiển thuận lợi cho việc nghiên cứu học tập, tham khảo biên soạn giảng Bài giảng biên soạn sở chương trình đào tạo môn Lý thuyết điều khiển tự động Trường ĐH Phạm Văn Đồng Quá trình biên soạn có tham khảo nhiều tài liệu nước, tảng tài liệu Modern control engineering P.N Paraskevopoulov Quá trình biên soạn không tránh thiếu sót, mong nhận góp ý bạn đọc Mọi góp ý xin gởi về: Phạm Trường Tùng – Khoa kĩ thuật công nghệ - Trường ĐH Phạm Văn Đồng – TP Quảng Ngãi E-mail:phamtruongtung@gmail.com Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu 1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển tự động 1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 1.4 Một số ví dụ điều khiển thực tế 15 Bài tập chương 16 CHƯƠNG CƠ SỞ TOÁN HỌC 17 2.1 Những tín hiệu 17 2.2 Phép biến đổi Laplace 20 2.3 Biến đổi Laplace ngược 29 2.4 Một số ứng dụng biến đổi Laplace 35 Bài tập chương 37 CHƯƠNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG 40 3.1 Giới thiệu 40 3.2 Những vấn đề mô hình toán học 41 3.3 Các hình thức mô hình toán học 42 3.4 Phương trình vi phân 43 3.5 Hàm truyền đạt 46 3.6 Đáp ứng xung 48 3.7 Phương trình trạng thái 49 3.8 Sơ đồ khối 52 3.9 Graph tín hiệu 60 3.10 Mô hình toán học cho thành phần hệ thống điều khiển 64 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Bài tập chương 74 CHƯƠNG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG MIỀN THỜI GIAN 77 4.1 Giới thiệu 77 4.2 Đáp ứng hệ thống 77 4.3 Đáp ứng thời gian hệ thống bậc bậc hai 84 Bài tập chương 90 CHƯƠNG ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 93 5.1 Giới thiệu 93 5.2 Định nghĩa ổn định 93 5.3 Các tiêu chuẩn ổn định đại số 99 Bài tập chương 110 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 112 6.1 Giới thiệu điều khiển PID 112 6.2 Các điều khiển PD 113 6.3 Bộ điều khiển PI Hàm truyền đạt điều khiển PI là: 117 6.4 Bộ điều khiển PID 119 6.5 Thiết kế điều khiển PID sử dụng phương pháp Ziegler – Nichols 124 Bài tập chương 127 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BẰNG MATLAB\SIMULINK 129 7.1 Giới thiệu Matlab 129 7.2 Các lệnh Matlab 130 7.2.1 Định nghĩa biến 130 7.2.2 M-file 130 7.3 Matlab/Simulink điều khiển tự động 131 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng 7.3.1 Mở Simulink 131 7.3.2 Lập mô hình với Simulink 132 Bài tập chương 7: 135 BÀI TẬP TỔNG HỢP 139 BẢNG ĐỐI CHIẾU CÁC TỪ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Mục tiêu : Giúp sinh viên có nhìn khái niệm hệ thống điều khiển tự động - Sinh viên biết khái niệm hệ thống hệ thống điều khiển tự động - Phân biệt hệ thống kín hở - Phân biệt dạng toán lý thuyết điều khiển - Phân tích nguyên lý hoạt động số hệ thống điều khiển tự động 1.1 Giới thiệu Một hệ thống điều khiển tự động tập hợp thành phần hoạt động theo phương pháp làm cho hệ thống hoạt động cách tự động để đạt kết mà ta đặt trước Một điều tra gần với nhiều máy móc vật dụng khác sản xuất ngày đến kết luận chúng có phần toàn tự động hóa Tủ lạnh, máy nước nóng, máy giặt, thang máy, TV điều khiển từ xa, hệ thống Hình 1.1 Máy điều hòa nhiệt độ thông tin liên lạc toàn cầu Internet sản phẩm điều khiển tự động ứng dụng sống Thiết bị điện năng, lò phản ứng (phản ứng hạt nhân phản ứng hóa học), hệ thống giao thông (xe hơi, máy bay, tàu biển, trực thăng, tàu ngầm…), robot ( lắp Hình 1.2 Robot TOSY, sản phẩm mang công nghệ tự động hóa cao người Việt Nam ráp, hàn…), hệ thống vũ khí ( điều khiển tên lửa, rađa…), máy tính ( máy in, điều khiển ổ đĩa, băng từ…), sản xuất nông nghiệp (nhà sinh thái, hệ thống tưới tiêu…) hệ thống điều khiển sản xuất, quốc phòng Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Tất ví dụ đưa đến kết luận hệ thống điều khiển tự động sử dụng tất lĩnh vực hoạt động kĩ thuật nhân loại đóng góp vào việc phát triển công nghệ đại Hình 1.3 Hệ thống tên lửa Hệ thống điều khiển tự động đối tượng không đáp ứng cho nhu cầu kĩ thuật công nghệ mà cho lĩnh vực khác sinh học, y học, kinh tế, quản lý khoa học xã hội Cá biệt, mặt sinh học, hệ thống tự động bắt chước sinh vật hệ điều khiển sẵn có Để hiểu quan điểm này, xem ví dụ thể người, nơi mà có số lượng lớn trình thực tự động: việc bị đói, khát nước, tiêu hóa thức ăn, hô hấp, điều tiết nhiệt độ thể, hệ tuần hoàn máu, việc tái sản xuất tế bào, việc tự chữa lành vết thương… Rõ ràng không hình thái sống tồn hệ thống điều khiển tự động, chi phối tất trình tổ chức sống 1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động tồn từ thời cổ đại Một hệ thống điều khiển tự động cổ điển tiếng điều khiển đóng mở cửa đền thờ Heron Alexandria ( hình 1.5) Hệ thống thiết kế để mở cửa đền thờ Hình 1.4 Heron Alexandria – người tạo hệ thống điều khiển tự động từ thời cổ đại cách tự động lửa đốt bệ thờ đặt bên đền thờ đóng cửa lửa tắt Hệ thống hoạt động sau: lửa đốt nóng không khí bệ thờ, không khí nóng đẩy nước từ thùng chứa vào xô Vị trí thùng chứa nước cố định, xô nước treo từ sợi Hình 1.5 Hệ thống tự động đóng mở đền thờ dây thừng quấn quanh hệ thống ( Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng trục cửa ) với trọng khối Khi xô nước trống, hệ thống tác dụng trọng khối giữ cho cửa đóng Khi xô nước làm đầy với lượng nước tương đương từ thùng chứa, di chuyển xuống, trọng khối di chuyển lên Kết làm xoay trục cửa làm cửa mở Khi lửa Hình 1.6 Hệ thống rót rượu tự động Heron Alexandria tắt, nước từ xô nước trở lại thùng chứa, trọng khối di chuyển xuống làm cho cửa đóng lại Ngoài hệ thống này, Heron Alexandria tạo nhiều hệ thống tự động khác Cho đến khoảng kỉ thứ 18, hệ thống tự động khác biệt so với quy trình kể Việc ứng dụng điều khiển bắt đầu phát triển lên giai đoạn từ kỉ 18 Jame Watt, người mà năm 1769 lần phát minh hệ thống điều chỉnh tốc độ để sau ứng dụng rộng rãi, đầu máy xe lửa Thông thường, điều chỉnh sử dụng để điều khiển tốc độ động nước Hệ thống hoạt động sau: trường hợp vận tốc góc động nước tăng lên, lực ly tâm đẩy trọng khối m lên van nước đóng lại Khi mà van đóng, nước vào động từ nồi nước giảm xuống vận tốc góc máy nước giảm Ngược lại, vận tốc góc động nước giảm xuống, trọng khối m xuống, van nước Hình 1.6 Hệ thống điều chỉnh tốc mở, lượng nước vào động độ Jame Watt tăng lên, kết làm tăng vận tốc góc Theo cách điều chỉnh tốc độ động Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Thời kì kéo dài đến kỉ 19, mang đặc điểm phát triển hệ thống tự động sở trực giác mà sở toán học cho việc thiết kế điều khiển Đến năm 1868 – Maxwell năm 1877 – Vyshnegradskill lần sử dụng sở toán học cho việc thiết kế điều khiển ứng dụng lý thuyết họ đưa kết điều chỉnh vận tốc ly tâm Watt Thành toán học Routh ổn định giới thiệu năm 1877 xem quan trọng Lý thuyết điều khiển tự động ứng dụng phát triển cách nhanh chóng sau khoảng 60 năm Khoảng thời gian 1930 - 1940 khoảng thời gian quan trọng lịch sử điều khiển tự động, với lý thuyết ứng dụng xuất sắc Nyquist Black công bố Trong suốt năm đầu kỉ XX thập kỉ 1960, có nghiên cứu phát triển có ý nghĩa công bố Ziegler Nichols, Bode, Wiener Evan Tất kết kỉ trước năm 1960, cấu thành thời kì điều khiển cổ điển Sự phát triển ấn tượng lý thuyết điều khiển cổ điển tạo nên đòi hỏi Thế chiến thứ Sự tiến từ năm 1960 ngày đặc biệt ấn tượng từ hai lĩnh vực lý thuyết ứng dụng Giai đoạn xem giai đoạn điều khiển đại với kết ấn tượng Astrom, Athans, Bellman, Brokett, Doyle, Francis, Jury, Kailath, Kalman, Luenberger, MacFarlane, Rosenbrock, Saridis, Wonham, Wolovich, Zames nhiều tác giả khác Kĩ thuật điều khiển đại khởi đầu Sputnik năm 1957 nhà sáng tạo Liên Xô dự án Apollo Mỹ với việc đưa người lên mặt trăng năm 1969, xem khởi đầu xuất sắc Trong năm gần đây, phát triển ấn tượng điều khiển hệ thống việc áp dụng máy tính số Sức mạnh linh hoạt làm cho điều khiển hệ thống phức tạp cách có hiệu quả, cách sử dụng kĩ thuật chưa biết đến Sự khác cách tiếp cận điều khiển đại cổ điển sau: vấn đề mà hệ thống điều khiển cổ điển nghiên cứu hệ thống đầu vào Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng đầu Phương thức thiết kế thường sử dụng đồ thị ( ví dụ: quỹ đạo nghiệm số, biểu đồ Bode Nyquist…) không cần yêu cầu toán học cao cấp Trong đó, vấn đề mà hệ thống điều khiển đại nghiên cứu hệ thống phức tạp nhiều đầu vào nhiều đầu Phương thức thiết kế thường sử dụng phân tích dựa yêu cầu toán học cao cấp Trong ứng dụng kĩ thuật điều khiển ngày nay, hai phương pháp điều khiển đại cổ điển sử dụng Khi mà điều khiển cổ điển tương đối đơn giản dễ áp dụng hệ đại, kĩ sư điều khiển chấp nhận theo cách tiếp cận sau: trường hợp đơn giản, mà yêu cầu kĩ thuật thiết kế không đòi hỏi khắt khe, sử dụng kĩ thuật điều khiển cổ điển, trường hợp yêu cầu kĩ thuật đòi hỏi khắt khe, sử dụng kĩ thuật điều khiển đại Ngày nay, hệ thống điều khiển tự động quan trọng lĩnh vực nghiên cứu khoa học phát triển kĩ thuật Trên toàn giới, số lượng lớn nghiên cứu nhằm mục đích phát triển kĩ thuật điều khiển ứng dụng chúng vào lĩnh vực hoạt động người Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 1.3 Một hệ thống bao gồm thành phần ( nối vào cách thích hợp ) mà hoạt động theo kiểu để thi hành nhiệm vụ Để hệ thống thi hành nhiệm vụ đó, phải kích thích tín hiệu vào cách Hình 1.7 cho ta nhìn đơn giản khái niệm Chú ý đáp ứng y(t) gọi ứng xử kết hệ thống u(t) Hệ thống Tác nhân kích thích y(t) Đáp ứng hệ thống Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống với đầu vào đầu Sử dụng kí hiệu, đầu y(t) có mối quan hệ với tín hiệu vào u(t) theo phương trình: y(t) = T.u(t) - (1.1) Với T toán tử Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BẰNG MATLAB\SIMULINK Mục tiêu: - Sinh viên nắm thao tác phần mềm Matlab - Sinh viên sử dụng công cụ Matlab/Simulink để thiết kế mô hệ thống điều khiển tự động 7.1 Giới thiệu Matlab MATLAB (Matrix Laboratory) phần mềm khoa học thiết kế để cung cấp việc tính toán số hiển thị đồ họa ngôn ngữ lập trình cấp cao MATLAB cung cấp tính tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác liệu linh hoạt dạng mảng ma trận để tính toán quan sát Các liệu vào MATLAB nhập từ "Command line" từ "Mfiles", tập lệnh cho trước MATLAB MATLAB cung cấp cho người dùng toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng tạo hộp công cụ riêng gồm "mfiles" viết cho ứng dụng cụ thể Chúng ta sử dụng tập tin trợ giúp MATLAB cho chức lệnh liên quan với toolbox có sẵn (dùng lệnh help) Hình Giao diện khởi động Matlab 129 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng 7.2 Các lệnh Matlab 7.2.1 Định nghĩa biến Chúng ta cần hiểu cách Matlab thao tác với ma trận Ví dụ mảng giá trị A = 1, 0, 9, 11, ma trận 1x5, B = ma trận 1x1 Để lưu biến A, cửa sổ lệnh, gõ vào lệnh: >> A=[1, 0, 9, 11, 5] Kết Matlab trả : A= 11 Để không hiển thị kết hình, dùng dấu ; cuối câu lệnh Trong Matlab, hàng ma trận cách “;” cột ngắt “,” Ví dụ ma trận B có thành phần sau: Dòng 1: 1, 2, 3, Dòng 2: 2, 3, 4, Dòng 3: 3, 4, 5, (có thể dùng khoảng trắng thay cho “,” để ngắt cột) >> B=[1 4; 5;3 6] B= 4 5 Chúng ta cộng, trừ, nhân, chia ma trận toán tử đơn giản +, -, *, / Matlab 7.2.2 M-file Ngoài phương pháp gõ lệnh trực tiếp cửa sổ lệnh, tạo script M-file gồm tập hợp lệnh gõ cửa sổ lệnh Khi chạy M-file, lệnh thực tương tự cửa sổ lệnh 130 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Hình Cửa sổ soạn thảo M-file 7.3 Matlab/Simulink điều khiển tự động Simulink công cụ Matlab dùng để mô hình, mô phân tích hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng đồ họa Việc xây dựng mô hình đơn giản hóa hoạt động nhấp chuột kéo thả Simulink bao gồm thư viện khối với hộp công cụ toàn diện cho việc phân tích tuyến tính phi tuyến Simulink phần quan trọng Matlab dễ dàng chuyển đổi qua lại trình phân tích, người dùng tận dụng ưu hai môi trường Dưới số thao tác Matlab/Simulink 7.3.1 Mở Simulink Có thể mở Simulink cách: - Click vào biểu tượng hình (Simulink icon) - Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink enter Hình Mở Simulink từ biểu tượng 131 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Sau thực hai cách trên, cửa sổ Simulink xuất Hình Cửa sổ Simulink 7.3.2 Lập mô hình với Simulink a Tạo mô hình mới: Có cách: - Click vào icon New model gõ Ctrl-N - Menu File New Model Hình Tạo model Sau thực thao tác trên, cửa sổ xây dựng mô hình xuất Hình Cửa sổ xây dựng mô hình 132 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng b Tạo khối: Từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột vào kéo ra cửa sổ mô hình Hình Thao tác với block c Lưu trữ mô hình: Thao tác lệnh Save (File Save) nhấp vào icon Save Hình Thao tác lưu trữ d Dịch chuyển khối: Thao tác đơn giản cách nhấp vào khối kéo thả Hình Cách thức dịch chuyển khối 133 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng e Nối tín hiệu: Đưa chuột tới ngõ khối (dấu “>”), chuột có dạng “+” Kéo rê chuột tới ngõ vào khối khác thả để kết nối tín hiệu Hình 10 Nối tín hiệu f Mô mô hình: Dùng lệnh Start (Menu Simulation Start) nhấp chuột vào icon Start Hình 11 Thao tác chạy mô g Xem tín hiệu từ Scope: Nhấp đôi vào khối Scope Hình 12 Xem tín hiệu từ khối Scope 134 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Chỉnh thông số khối cách nhấp đôi vào khối cần chỉnh Trước mô mô hình Simulink, cần đặt thông số mô cách chọn menu Simulation Configuration Parameters Hình 13 Menu điều chỉnh tham số Ở cửa sổ Configuration Parameters, đặt số thông số Start time, Stop time (second – giây), phương pháp giải Solver, Solver options, sau nhấn nút OK Hình 14 Điều chỉnh tham số Bài tập chương 7: Điều khiển tốc độ động DC Điều khiển vòng hở: Sơ đồ điều khiển vòng hở có dạng tương tự hình sau: 135 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Hình 15 Điều khiển vòng hở tốc độ động DC Động kích từ độc lập có số liệu nhãn máy thông số sau: 5hp, 1220 rpm, 240V, 16.2A, Ra = 0.6Ω, Rf = 240Ω, La = 0.012H, Laf = 1.8H, Lf = 10H, J = 0.1kg.m2, B = Nguồn AC Supply: Nguồn pha 220V50Hz Bộ chỉnh lưu điều khiển ba pha full-wave SCR Rectifier với dòng DC liên tục Mạch kích SCR – Firing Circuit – hàm acos() sử dụng để điện áp ngõ Vdc tỉ lệ với điện áp vào Vα(Vα có giá trị từ -1 tới 1) α = Cos -1 (Vα ) − ≤ Vα ≤ Vdc,avg = 2.34VanVα a Xây dựng mô hình hệ thống hình b Giả sử nguồn kích từ 240V, điện áp ngõ vào mạch kích 0.5V, moment tải định mức Giả sử điện áp tải đưa vào động lúc Mô hệ thống với start time = stop time = 0.4s, solver ode4 fixed step size 0.0001s - Tính giá trị đỉnh dòng mở máy phần ứng (A), moment điện từ (Nm) tốc độ (rpm) - Độ vọt lố tốc độ max (%) - Độ gợn (ripple) ∆Ia ∆Te xác lập Làm cách để giảm chúng? - Giá trị trung bình Vdc - Vẽ dạng sóng ia, Te n? 136 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Điều khiển vòng kín với hồi tiếp dòng điện Sơ đồ điều khiển có dạng tương tự hình sau: Hình 16 Điều khiển vòng kín tốc độ động DC Hàm truyền khâu PI có dạng: Y = Kx + K x Ts Với x ngõ vào sai số, K = 0.02 T = 0.01s, upper limiting level = 1.0, lower limiting level = 0.0 a Xây dựng mô hình hệ thống hình b Giả sử nguồn kích từ 240V, moment tải định mức, dòng điện đặt 32.4A (bằng lần dòng định mức) Giả sử điện áp, moment tải dòng điện đặt đưa vào hệ thống lúc Mô hệ thống với start time = stop time = 1s, solver oder fixed step size 0.0002s - Tính giá trị đỉnh dòng mở máy phần ứng (A), moment điện từ (Nm) tốc độ (rpm) - Trong trình khởi động, tốc độ rotor tăng tuyến tính theo thời gian Giải thích? - Dòng phần ứng moment điện từ dạng sóng tương tự lúc bắt đầu trinh khởi động Tại sao? - Dòng phần ứng giữ không đổi lúc mở máy Tại sao? 137 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng - Nếu moment quán tính tăng gấp đôi, thời gian khởi động có tăng gấp đôi không? Điều khiển vòng kín hồi tiếp dòng điện tốc độ Thông số khâu PI tốc độ sau: K = 1.2 T = 0.3s, upper limiting level = 32.4 (A), lower limiting level = 0.0 Sơ đồ điều khiển có dạng tương tự hình sau: Hình 17 Điều khiển vòng kín có hồi tiếp dòng điện tốc độ động DC a Xây dựng mô hình hệ thống hình b Giả sử nguồn kích từ 240V, moment tải 10Nm, tốc độ đặt 63.9rad/s Giả sử điện áp, moment tải tốc độ đặt đưa vào hệ thống lúc Mô hệ thống với start time = stop time = 1s, solver ode4 fixed step size 0.0002s - Vẽ dạng sóng dòng phần ứng tốc độ rotor - Tính độ vọt lố tốc độ? - Tìm thông số hiệu chỉnh PI tốc độ cho độ vọt lố tốc độ xấp xỉ 5% tốc độ xác lập nhanh có thể? 138 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng BÀI TẬP TỔNG HỢP Bài tập số JL(t) La(t) Uf (t) Ra(t) Rf (t) θL(t) Lf (t) eb(t) Ua(t) ML(t) θm(t) Mm(t) Mm(t) Jm Jm θm(t) (a) (b) Cơ cấu truyền động cho khâu cánh tay robot (c) có kết cấu hình b Hệ thống sử dụng động điện chiều kích từ độc lập làm nguồn động lực cho cấu Động điện có sơ đồ hình a U(t) tín hiệu kích thích động Dưới tác động U(t), thông qua truyền động khí, cánh tay robot quay góc θ(t) Hệ thống có hàm truyền sơ đồ khối sau: G(s) = Θ( s ) = U ( s) La J Ra J s + s + Kb s Ka Ka U(s) Θ(s) G(s) Các tham số sử dụng bài: La = Ra = J = Ka = Kb = Tín hiệu đặt θr(t) hàm bước nhảy đơn vị θr(t) = 1(t) thể góc quay mong muốn Câu 1: Viết phương trình đặc trưng hệ thống Có thể kết luận tính ổn định hệ thống hở này? Câu 2: Gắn vào hệ thống điều khiển sơ đồ sau: a Khi điều khiển Gc(s) = Kp Xác định Kp để hệ thống ổn định 139 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng b Khi điều khiển Gc(s) điều khiển PID, xác định thông số PID ( sử dụng phương pháp kinh nghiệm Ziegler – Nichols giới hạn ổn định) c Với điều khiển PID, xác định sai lệch tĩnh hệ thống Bài tập số Hệ thống điều khiển vị trí: Một hệ thống điều khiển vị trí mô tả sơ đồ nguyên lý thiết kế để điều khiển vị trí góc tải Hệ thống phải đáp ứng với thay đổi đầu vào Tín hiệu vào góc quay θr(t) vô lăng Tín hiệu biến đổi thành tín hiệu điện áp Sai lệch tín hiệu tín hiệu vào khuếch điều khiển động Động quay làm quay tải thông qua truyền động bánh Bộ biến đổi vị trí thành điện áp có hàm truyền Gp(s) = Kp Bộ khuếch đại có hàm truyền Gi(s) = Ki Hàm truyền động kí hiệu Gdc(s), hàm truyền truyền kí hiệu Gbr(s), hàm truyền tải có kí hiệu GL(s) Ba khối nối tiếp tạo nên đối G ( s ) = Gdc ( s )Gbr ( s )GL ( s) = tượng điều khiển có hàm truyền là: N s ( sLa + Ra )( J s + B* ) + K i K b s * Các tham số sử dụng bài: La = Ra = J* = B* = Kb = Kp = N= Ki = 1; Tín hiệu đặt θr(t) hàm bước nhảy đơn vị θr(t) = 1(t) thể góc quay mong muốn 140 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng Câu 1: Thu gọn sơ đồ khối xác định hàm truyền hệ thống Câu 2: Đánh giá tính ổn định hệ thống Câu 3: Xác định sai lệch tĩnh hệ thống với tín hiệu vào hàm bước nhảy đơn vị Câu 4: Xác định thời gian đáp ứng hệ thống với sai số trạng thái xác lập 2% Câu 5: Thay khuếch đại điều khiển PID, xác định tham số điều khiển PID phương pháp đáp ứng nhanh với thời gian trễ td = 2(s) thời gian đáp ứng tr = 3(s) 141 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng BẢNG ĐỐI CHIẾU CÁC TỪ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH Actual Position Vị trí thực Maximum oveshoot Độ vọt lố cực đại Amplifier Bộ khuếch đại Measurement Thiết bị đo Burner Lò đốt Output Đầu Comparator Bộ so sánh Position Vị trí Control Điều khiển Pressure Áp lực Control signal Tín hiệu điều khiển Proportional Tỉ lệ Controller Bộ điều khiển Physical Model Mô hình vật lý Delay time Thời gian trễ Reference signal Tín hiệu đặt Derivative Đạo hàm Rise time Thời gian đáp ứng Desire Mô tả RL Circuit Mạch điện RL Device Thiết bị Robot arm Cánh tay robot Disturbance Nhiễu Roll Con lăn Feedback Hồi tiếp Satellite Vệ tinh Phần tử hồi tiếp Settling time Thời gian độ Fuel Nhiên liệu Speed Tốc độ Gear Bộ truyền bánh Spring Lò xo Hydraulic Thủy lực System Hệ thống Input Đầu vào Temperature Nhiệt độ Intergral Tích phân Thickness Độ dày Loop Vòng kín Transducer Bộ chuyển đổi Magnetic valve Van điện từ Transfer Function Hàm truyền Mô hình toán học Undefine Không xác định Feedback element Mathematical model 142 Lý thuyết điều khiển tự động ThS Phạm Trường Tùng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất KH, năm 1996 [2] Nguyễn Ngọc Cẩn, Kỹ thuật điều khiển tự động,ĐH BK TPHCM, 1996 [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động (tập 1,2), Nhà xuất ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2005 [4] TS Trần Đình Khôi Quốc, Bài giảng Mô hình điều khiển, Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng [5] P.N Paraskevopoulos, Modern Control Engineering, Marcel Dekker, 2002 143 ... thành từ hàm bước nhảy đơn vị, hàm bước nhảy đơn vị lại tạo thành hàm mũ Hơn nữa, hàm tu n hoàn biểu thị tổ hợp tuyến tính hàm mũ ( chuỗi Fourier) Ngoài ra, điều đáng giá kể đến hàm mũ sử dụng để... phân nhiều lần 2.2.3 Một số tính chất định lý phép biến đổi Laplace a) Tuyến tính hóa Phép biến đổi Laplace phép biến đổi tuyến tính, đó: L {c1 f1 (t ) + c2 f (t )} = L {c1 f1 (t )} + L {c2 f... quan hệ sau: ∞ ∞ f (t ) L n = ∫ ∫ F (σ )dσ t { s s (2.32) n time 11 Các hàm tu n hoàn Cho f(t) hàm tu n hoàn với chu kì T Khi đó, biến đổi Laplace f(t) là: L { f (t )} = F1 ( s ) với