Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG i u khi n t đ ng đóng vai trò quan tr ng trong s phát tri n c a khoa h c và k thu t. L nhĐ ề ể ự ộ ọ ự ể ủ ọ ỹ ậ ĩ v c này h u hi u kh p n i t h th ng phi thuy n khơng gian, h th ng đi u khi n tên l a, máyự ữ ệ ắ ơ ừ ệ ố ề ệ ố ề ể ử bay khơng ng i lái, ng i máy, tay máy trong các quy trình s n xu t hi n đ i, và ngay c trong đ iườ ườ ả ấ ệ ạ ả ờ s ng hàng ngày: đi u khi n nhi t đ , đ m ố ề ể ệ ộ ộ ẩ Phát minh đ u tiên kh i đ u cho vi c phát tri n c a l ng v c đi u khi n t đ ng là b đi u t c lyầ ở ầ ệ ể ủ ĩ ự ề ể ự ộ ộ ề ố tâm đ đi u ch nh nhi t đ máy h i n c c a Jame Watt n m 1874. Các cơng trình đáng chú ý trongể ề ỉ ệ ộ ơ ướ ủ ă b c đ u phát tri n lý thuy t đi u khi n là c a các nhà khoa h c Minorsky, Hazen, Nyquist n mướ ầ ể ế ề ể ủ ọ ă 1922. Minorky th c hi n h th ng đi u khi n t đ ng các con tàu và ch ng minh tính n đ nh c aự ệ ệ ố ề ể ự ộ ứ ổ ị ủ h th ng có th đ c xác đ nh t ph ng trình vi phân mơ t h th ng. N m 1932, Nyquist đã đ a raệ ố ể ượ ị ừ ươ ả ệ ố ă ư m t ngun t c t ng đ i đ n gi n đ xác đ nh tính n đ nh c a h th ng vòng kìn d a trên c s đápộ ắ ươ ố ơ ả ể ị ổ ị ủ ệ ố ự ơ ở ng vòng h đ i v i các tính hi u vào hình sin tr ng thái xác l p. N m 1934, Hazen đã gi i thi uứ ở ố ớ ệ ở ạ ậ ă ớ ệ thu t ng đi u ch nh c t đ ng (servo mechanism) cho nh ng h th ng đi u khi n đ nh v vâàậ ữ ề ỉ ơ ự ộ ữ ệ ố ề ể ị ị th o lu n đ n vi c thi t k h th ng relay đi u ch nh đ ng c v i ngõ vào tín hi u thay đ i.ả ậ ế ệ ế ế ệ ố ề ỉ ộ ơ ớ ệ ổ Trong su t th p niên 40 c a th k 20 ph ng pháp đáp ng t n s đã giúp cjo các k s thi t kố ậ ủ ế ỷ ươ ứ ầ ố ỹ ư ế ế các h th ng vòng kín tuy n tính th a các u c u ch t l ng đi u khi n. T cu i th p niên 40 choệ ố ế ỏ ầ ấ ượ ề ể ừ ố ậ đ n đ u th p niên 50 ph ng pháp qu đ o nghi m c a Evan đ c phát tri n khá tồn v n.ế ầ ậ ươ ỹ ạ ệ ủ ượ ể ẹ Ph ng pháp qu đ o nghi m và đáp ng t n s đ c xem là c t lõi c a lý thuy t đi u khi n cươ ỹ ạ ệ ứ ầ ố ượ ố ủ ế ề ể ổ đi n cho phép ta thi t k đ c nh ng h th ng n đ nh và th a các ch tiêu ch t l ng đi u khi n.ể ế ế ượ ữ ệ ố ổ ị ỏ ỉ ấ ượ ề ể Nh ng h th ng này đ c ch p nh n nh ng ch a ph i là t i u, hồn thi n nh t. Cho t i cu iữ ệ ố ượ ấ ậ ư ư ả ố ư ệ ấ ớ ố th p niên 50 c a th k 20 vi c thi t k m t hay nhi u h th ng d n d n đ c chuy n qua vi cậ ủ ế ỷ ệ ế ế ộ ề ệ ố ầ ầ ượ ể ệ thi t k m t h th ng t i u v i ý ngh a đ y đ h n.ế ế ộ ệ ố ố ư ớ ĩ ầ ủ ơ Khi các máy móc hi n đ i ngày càng ph c t p h n v i nhio u tín hi u vào và ra thì vi c mơ t hệ ạ ứ ạ ơ ớ ề ệ ệ ả ệ th ng đi u khi n hi n đ i này đòi h i m t l ng r t l n các ph ng trình. Lý thuy t đi u khi n cố ề ể ệ ạ ỏ ộ ượ ấ ớ ươ ế ề ể ổ đi n liên quan các h th ng m t ngõ vào và m t ngõ ra tr nên b t l c đ phân tích các h th ng nhi uể ệ ố ộ ộ ở ấ ự ể ệ ố ề đ u vào, nhi u đ u ra. K t kho ng n m 1960 tr đi nh máy tính s cho phép ta phân tích các hầ ề ầ ể ừ ả ă ở ờ ố ệ th ng ph c t p trong mi n th i gian, lý thuy t đi u khi n hi n đ i phát tri n đ đ i phó v i số ứ ạ ề ờ ế ề ể ệ ạ ể ể ố ớ ự ph c t p c a các h th ng hi n đ i. Lý thuy t đi u khi n hi n đ i d a trên phân tích trong mi nứ ạ ủ ệ ố ệ ạ ế ề ể ệ ạ ự ề th i gian và t ng h p dùng các bi n tr ng thái, cho phép gi i các bài tốn đi u khi n có các u c u ch tớ ổ ợ ế ạ ả ề ể ầ ặ ch v đ chính xác, tr ng l ng và giá thành c a các h th ng trong l nh v c k ngh khơng gian vàẽ ề ộ ọ ượ ủ ệ ố ĩ ự ỹ ệ qn s .ự S phát tri n g n đây c a lý thuy t đi u khi n hi n đ i là trong nhi u l nh v c đi u khi n t i uự ể ầ ủ ế ề ể ệ ạ ề ĩ ự ể ể ố ư c a các h th ng ng u nhiên và ti n đ nh. Hi n nay máy vi tính ngày càng r , g n nh ng kh n ng xủ ệ ố ẫ ề ị ệ ẽ ọ ư ả ă ử lý l i r t m nh nên nó đ c dùng nh là m t ph n t trong các h th ng đi u khi n. Nh ng áp d ngạ ấ ạ ượ ư ộ ầ ử ệ ố ề ể ữ ụ g n đây c a lý thuy t đi u khi n hi n đ i vào ngay c nh ng ngành k thu t nh : sinh h c, y h c,ầ ủ ế ề ể ệ ạ ả ữ ỹ ậ ư ọ ọ kinh t , kinh t xã h i.ế ế ộ I. NH NG KHÁI NI M C B NỮ Ệ Ơ Ả 1. i u khi n h c (Cybernctics)Đ ề ể ọ : Là khoa h c nghiên c u nh ng q trình đi u khi n và truy n thơng máy móc, sinh v t và kinh t .ọ ứ ữ ề ể ề ậ ế i u khi n h c mang đ c tr ng t ng qt và đ c phân chia thành nhi u l nh v c khác nhau nh : tốnĐ ề ể ọ ặ ư ổ ượ ề ĩ ự ư Thực hiện: PHẠM QUỐC TR ƯỜNG - 1 - GVHD: PHẠMQUANG HUY Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động đi u khi n, đi u khi n h c k thu t, đi u khi n h c sinh v t (ph ng sinh v t: bionics), đi uề ể ề ễ ọ ỹ ậ ề ể ọ ậ ỏ ậ ề khi n h c kinh t .ể ọ ế 2. Lý thuy t i u khi n t ngế đ ề ể ự độ : Là c s lý thuy t c a đi u khi n h c k thu t. i u khi n t đ ng là thu t ng ch q trìnhơ ở ế ủ ề ể ọ ỹ ậ Đ ề ể ự ộ ậ ữ ỉ đi u khi n m t đ i t ng trong k thu t mà khơng có s tham gia c a con ng i (automatic) nóề ể ộ ố ượ ỹ ậ ự ủ ườ ng c l i v i q trình đi u khi n b ng tay (manual).ượ ạ ớ ề ể ằ 3. H th ng i u khi n t ngệ ố đ ề ể ự độ : M t h th ng đi u khi n t đ ng bao g m 3 ph n ch y u:ộ ệ ố ề ể ự ộ ồ ầ ủ ế Thi t b đi u khi n (TB K).ế ị ề ể Đ - i t ng đi u khi n ( T K).Đố ượ ề ể Đ Đ - Thi t b đo l ng.ế ị ườ Hình 1.1 là s đ kh i c a h th ng đi u khi n t đ ng.ơ ồ ố ủ ệ ố ề ể ự ộ Hình 1.1 Trong đó: C: tín hi u c n đi u khi n, th ng g i là tín hi u ra (output).ệ ầ ề ể ườ ọ ệ U: tín hi u đi u khi n.ệ ề ể R: tín hi u ch đ o, chu n, tham chi u (reference) th ng g i là tín hi u vào (input).ệ ủ ạ ẩ ế ườ ọ ệ N: tín hi u nhi u tác đ ng t bên ngồi vào h th ng.ệ ễ ộ ừ ệ ố F: tín hi u h i ti p, ph n h i (feedback).ệ ồ ế ả ồ 4. H th ng i u khi n kín (closed loop control system)ệ ố đ ề ể : Là h ht ng đi u khi n có ph n h i (feeback) ngh a là tín hi u ra đ c đo l ng và đ a v thi tệ ố ề ể ả ồ ĩ ệ ượ ườ ư ề ế b đi u khi n. Tín hi u h i ti p ph i h p v i tín hi u vào đ t o ra tín hi u đi u khi n. Hình 1.1ị ề ể ệ ồ ế ố ợ ớ ệ ể ạ ệ ề ể chính là s đ c a h th ng kín. C s lý thuy t đ nghiên c u h th ng kín chính là lý thuy t đi uơ ồ ủ ệ ố ơ ở ế ể ứ ệ ố ế ề khi n t đ ng.ể ự ộ 5. H th ng i u khi n hệ ố đ ề ể ở: i v i h th ng h , khâu đo l ng khơng đ c dùng đ n. M i s thay đ i c a tín hi u ra Đố ớ ệ ố ở ườ ượ ế ọ ự ổ ủ ệ khơng đ c ph n h i v thi t b đi u khi n. S đ hình 1.2 là h th ng đi u khi n h .ượ ả ồ ề ế ị ề ể ơ ồ ệ ố ề ể ở Hình 1.2: H th ng đi u khi n hệ ố ề ể ở C s lý thuy t đ nghiên c u h th ng h là lý thuy t v relay và lý thuy t ơtơmát h u h n.ơ ở ế ể ứ ệ ố ở ế ề ế ữ ạ Thực hiện: PHẠM QUỐC TR ƯỜNG - 2 - GVHD: PHẠMQUANG HUY R TB KĐ T KĐ Đ U C N C TB KĐ T KĐ Đ TB LĐ F R Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động II. PHÂN LO I H TH NG I U KHI N T NGẠ Ệ Ố Đ Ề Ể Ự ĐỘ H th ng đi u khi n có th phân lo i b ng nhi u cách khác nhau. Sau đây là m t s ph ng phápệ ố ề ể ể ạ ằ ề ộ ố ươ phân lo i:ạ 1. H tuy n tính và phi tuy nệ ế ế : Có th nói h u h t các h th ng v t lý đ u là h phi tuy n, có ngh a là trong h th ng có ít nh tể ầ ế ệ ố ậ ề ệ ế ĩ ệ ố ấ m t ph n t là ph n t phi tuy n (quan h vào ra là quan h phi tuy n). Tuy nhiên, n u ph m viộ ầ ử ầ ử ế ệ ệ ế ế ạ thay đ i c a các bi n h th ng khơng l n, h th ng có th đ c tuy n tính hóa trong ph m vi bi nổ ủ ế ệ ố ớ ệ ố ể ượ ế ạ ế thiên c a các bi n t ng đ i nh . i v i h tuy n tính, ph ng pháp x p ch ng có th đ c ápủ ế ươ ố ỏ Đố ớ ệ ế ươ ế ồ ể ượ d ng.ụ 2. H b t bi n và bi n thiên theo th i gianệ ấ ế ế ờ : H b t bi n theo th i gian (h d ng) là h th ng có các tham s khơng đ i (theo th i gian).ệ ấ ế ờ ệ ừ ệ ố ố ổ ờ áp ng c a các h này khơng ph thu c vào th i đi m mà tín hi u vào đ c đ t vào h th ng đi uĐ ứ ủ ệ ụ ộ ờ ể ệ ượ ặ ệ ố ề khi n phi thuy n khơng gian, v i kh i l ng gi m theo th i gian do tiêu th n ng l ng trongể ề ớ ố ượ ả ờ ụ ă ượ khi bay. 3. H liên t c và gián o n theo th i gianệ ụ đ ạ ờ : Trong h liên t c theo thìi gian, t t c các bi n là hàm liên t c theo th i gian. Cơng c phân tíchệ ụ ấ ả ế ụ ờ ụ h th ng liên t c là phép bi n đ i Laplace hay Fourier. Tronh khi đó, h gián đo n là h th ng có ítệ ố ụ ế ổ ệ ạ ệ ố nh t m t tín hi u là hàm gián đo n theo th i gian. Ng i ta phân bi t h th ng gián đo n g m:ấ ộ ệ ạ ờ ườ ệ ệ ố ạ ồ - H th ng xungệ ố : là h th ng mà trong đó có m t ph n t xung (khóa đóng ng t) hay là tín hi uệ ố ộ ầ ử ắ ệ đ c l y m u (sample) và gi (hold). (Hình 1.3)ượ ấ ẫ ữ Hình 1.3: H th ng đi u khi n xung.ệ ố ề ể - H th ng sệ ố ố: là h th ng gián đo n trong đó tín hi u đ c mã hóa thanh logic 1, 0. ó là các hệ ố ạ ệ ượ Đ ệ th ng có các khâu bi n đ i t ng t / s (A/D), s / t ng t (D/A) và đ k t n i k t n i tín hi uố ế ổ ươ ự ố ố ươ ự ể ế ố ế ố ệ v i máy tính s . (Hình 1.4)ớ ố Hình 1.4: H th ng đi u khi n sệ ố ề ể ố Thực hiện: PHẠM QUỐC TR ƯỜNG - 3 - GVHD: PHẠMQUANG HUY c(t) H G(p) F(p) e(t) r(t) (-) i t ng đi u Đố ượ ề khi nể MTS G(p) c(t) G(p) D/A i t ng đi u Đố ượ ề khi nể Ngã vào d ng sạ ố Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động Cơng c đ phân tích h th ng gián đo n là phép bi n đ i Laplace, Fourier gián đo n hay phépụ ể ệ ố ạ ế ổ ạ bi n đ i Z.ế ổ 4. H n bi n và a bi nệ đơ ế đ ế : H đ n bi n là h ch có m t ngõ vào và m t ngõ ra. Cơng c đ phân tích và t ng h p h đ n bi n làệ ơ ế ệ ỉ ộ ộ ụ ể ổ ợ ệ ơ ế lý thuy t đi u khi n c đi n. Ví d : h đi u khi n đ nh v (v trí).ế ề ể ổ ể ụ ệ ề ể ị ị ị H đa bi n là h có nhi u ngõ vào và nhi u ngõ ra. Cơng c đ phân tích và t ng h p h đa bi n là lýệ ế ệ ề ề ụ ể ổ ợ ệ ế thuy t đi u khi n hi n đ i d a trên c s bi u di n h trong khơng gian tr ng thái. Ví d : h đi uề ề ể ệ ạ ự ơ ở ể ễ ệ ạ ụ ệ ề khi n q trình (Process Control System) có th g m có đi u khi n nhi t đ và áp su t.ể ể ồ ề ể ệ ộ ấ 5. H th ng thích nghi và h th ng khơng thích nghiệ ố ệ ố : H th ng thích nghi là h ht ng ho t đ ng theo ngun t c t ch nh đ nh, trong đó h th ng tệ ố ệ ố ạ ộ ắ ự ỉ ị ệ ố ự phát hi n nh ng thay đ i c a các tham s do nh h ng c a mơi tr ng bên ngồi và th c hi n vi cệ ữ ổ ủ ố ả ưở ủ ườ ự ệ ệ đi u ch nh tham s đ đ t đ c ch tiêu t i u đ c đ ra.ề ỉ ố ể ạ ượ ỉ ố ư ượ ề 6. H xác nh (deterministic) và h ng u nhiên (stochastic)ệ đị ệ ẫ : M t h th ng đi u khi n là xác đ nh khi đáp ng đ i v i m t ngõ vào nh t đ nh có th đ c bi tộ ệ ố ề ể ị ứ ố ớ ộ ấ ị ể ượ ế tr c (predictable) và có th l p l i đ c (repeatable). N u khơng th a mãn 2 đi u ki n trên, hướ ể ặ ạ ượ ế ỏ ề ệ ệ th ng đi u khi n là ng u nhiên.ố ề ể ẫ III. NHI M V C A LÝ THUY T I U KHI N T NGỆ Ụ Ủ Ế Đ Ề Ể Ự ĐỘ kh o sát và thi t k m t h th ng đi u khi n t đ ng ng i ta th c hi n các b c sau:Để ả ế ế ộ ệ ố ề ể ự ộ ườ ự ệ ướ a) D a trên các u c u th c ti n, các mơ hình v t lý ta xây d ng mơ hình tốn h c d a trên các quyự ầ ự ễ ậ ự ọ ự lu t, hi n t ng, quan h c a các đ i t ng v t lý. Mơ hình tốn h c c a h th ng đ c xây d ngậ ệ ượ ệ ủ ố ượ ậ ọ ủ ệ ố ượ ự t các mơ hình tốn h c c a các ph n t riêng l .ừ ọ ủ ầ ử ẻ b) D a trên lý thuy t n đ nh, ta kh o sát tính n đ nh c a h th ng. N u h th ng khơng nự ế ổ ị ả ổ ị ủ ệ ố ế ệ ố ổ đ nh ta thay đ i đ c tính c a h th ng b ng cách đ a vào m t khâu b chính (compensation) hayị ổ ặ ủ ệ ố ằ ư ộ ổ thay đ i thay đ i tham s c a h đ h thành n đ nh.ổ ổ ố ủ ệ ể ệ ổ ị c) Kh o sát ch t l ng c a h theo các ch tiêu đ ra ban đ u. N u h khơng đ t ch tiêu ch tả ấ ượ ủ ệ ỉ ề ầ ế ệ ạ ỉ ấ l ng ban đ u, ta th c hi n b chính h th ng.ượ ầ ự ệ ổ ệ ố d) Mơ ph ng h th ng trên máy tính đ ki m tra l i thi t k .ỏ ệ ố ể ể ạ ế ế e) Th c hi n mơ hình m u (prototype) và ki m tra thi t k b ng th c nghi m.ự ệ ẫ ể ế ế ằ ự ệ f) Tinh ch nh l i thi t k đ t i u hóa ch tiêu ch t l ng và h th p giá thành n u có u c u.ỉ ạ ế ế ể ố ư ỉ ấ ượ ạ ấ ề ầ g) Xây d ng h th ng th c t .ự ệ ố ự ế Thực hiện: PHẠM QUỐC TR ƯỜNG - 4 - GVHD: PHẠMQUANG HUY . Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG i u khi n t đ ng đóng vai trò quan tr ng trong s phát tri n c a khoa h. nh : tốnĐ ề ể ọ ặ ư ổ ượ ề ĩ ự ư Thực hiện: PHẠM QUỐC TR ƯỜNG - 1 - GVHD: PHẠMQUANG HUY Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động đi u khi n, đi u khi n h c k thu t, đi u khi n h c sinh. ƯỜNG - 2 - GVHD: PHẠMQUANG HUY R TB KĐ T KĐ Đ U C N C TB KĐ T KĐ Đ TB LĐ F R Khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động II. PHÂN LO I H TH NG I U KHI N T NGẠ Ệ Ố Đ Ề Ể Ự ĐỘ H th ng đi u khi