Đang tải... (xem toàn văn)
1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN.Mọi hoạt động của con người trong bất cứ lĩnh vực nào, ở bất cứ vị trí nào đều có sự liên quan đến hai từ điều khiển.1.1.1. Các khái niệm về điều khiển và tự động.1. Tự động học: là ngành khoa học chuyên nghiên cứu những qui luật chung để hình thành các hệ thống và phần tử tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, trong cuộc sống xã hội mà không có sự tham gia trực tiếp của con người.2. Điều khiển học: là khoa học dựa trên nền tảng của tự động học, nghiên cứu về các quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường thiên nhiên v.v.. Điều khiển học chia ra nhiều lĩnh vực khác nhau gồm: điều khiển học toán học, sinh học, kỹ thuật, kinh tế v.v..3. Điều khiển tự động: là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó mà không cần có sự tham gia trực tiếp của con người.Thí dụ: Khái niệm điều khiểnLái xe với mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40kmh: Mục đích định trước. Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ: thu thập thông tin. Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v40kmh: Xử lý thông tin. Tay giảm ga hoặc tăng ga: Tác động lên hệ thống.Kết quả của quá trình điều khiển trên: xe chạy với tốc độ gầnbằng 40kmh: đó là đáp ứng của hệ thống.Như vậy: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trước.Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động trực tiếp của con người.Vì sao phải tiến hành điều khiển tự động?. Từ thực tế cho thấy rõ ràng rằng quá trình điều khiển cần thiết phải đạt các tiêu chí: Đáp ứng của hệ thống cần thỏa mãn đúng yêu cầu. Mong muốn tăng độ chính xác trong điều khiển. Đáp ứng yêu cầu tăng năng suất của quá trình. Đáp ứng mục tiêu tăng hiệu quả kinh tế.Muốn vậy, quá trình phải được điều khiển tự động.4. Hệ thống điều khiển tự động: là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác. Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến.Trong cuộc sống văn minh:Hệ thống điều hoà không khí, điều hoà nhiệt độ trong phòng.Hệ thống điều chỉnh độ ẩm.Hệ thống tự động báo cháy v.v..Trong môi trường sản xuất:Các máy tự động.Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động.Các máy điều khiển theo chương trình, Máy tính, Robot v.v..Ngày nay, các lĩnh vực như thống kê, lưu trữ, thư viện, ngân hàng, hành chính, y tế v.v.. cũng đều tiếp cận với khái niệm điều khiển tự động.
DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Chương KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mọi hoạt động người lĩnh vực nào, vị trí có liên quan đến hai từ điều khiển 1.1.1 Các khái niệm điều khiển tự động Tự động học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu qui luật chung để hình thành hệ thống phần tử tự động nhằm điều khiển trình xảy thiên nhiên, sống xã hội mà tham gia trực tiếp người Điều khiển học: khoa học dựa tảng tự động học, nghiên cứu trình thu thập, xử lý tín hiệu điều khiển lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường thiên nhiên v.v Điều khiển học chia nhiều lĩnh vực khác gồm: điều khiển học toán học, - sinh học, - kỹ thuật, kinh tế v.v Điều khiển tự động: tập hợp tất tác động mang tính tổ chức trình nhằm đạt mục đích mong muốn trình mà không cần có tham gia trực tiếp người Thí dụ: Khái niệm điều khiển Lái xe với mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40km/h: Mục đích định trước * Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ: thu thập thông tin * Bộ não điều khiển tăng tốc v40km/h: Xử lý thông tin * Tay giảm ga tăng ga: Tác động lên hệ thống Kết trình điều khiển trên: xe chạy với tốc độ "gần"bằng 40km/h: đáp ứng hệ thống Như vậy: Điều khiển trình thu thập thông tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống "gần" với mục đích định trước Điều khiển tự động trình điều khiển tác động trực tiếp người Vì phải tiến hành điều khiển tự động? Từ thực tế cho thấy rõ ràng trình điều khiển cần thiết phải đạt tiêu chí: - Đáp ứng hệ thống cần thỏa mãn yêu cầu - Mong muốn tăng độ xác điều khiển - Đáp ứng yêu cầu tăng suất trình - Đáp ứng mục tiêu tăng hiệu kinh tế Muốn vậy, trình phải điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động: tập hợp thành phần vật lý có mối liên quan tác động qua lại lẫn để huy, tự hiệu chỉnh điều khiển hệ thống khác Hệ thống điều khiển tự động xuất ngày phổ biến Trong sống văn minh: - Hệ thống điều hoà không khí, điều hoà nhiệt độ phòng - Hệ thống điều chỉnh độ ẩm - Hệ thống tự động báo cháy v.v DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Trong môi trường sản xuất: - Các máy tự động - Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động - Các máy điều khiển theo chương trình, Máy tính, Robot v.v Ngày nay, lĩnh vực thống kê, lưu trữ, thư viện, ngân hàng, hành chính, y tế v.v tiếp cận với khái niệm điều khiển tự động Hình 1.2 Đầu đọc đĩa CD Hình 1.1 Bộ điều tốc cổ điển James Watt Điều chỉnh: khái niệm hẹp điều khiển Điều chỉnh tập hợp tất tác động nhằm giữ cho tham số trình ổn định hay thay đổi theo qui luật Tham số gọi tham số cần điều chỉnh 1.1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển tự động Một hệ thống điều khiển tự động bao gồm thành phần sau đây: Đối tượng điều khiển (Object): ký hiệu khối O, thành phần vật lý tồn khách quan có tín hiệu đại lượng cần điều chỉnh nhiệm vụ hệ thống cần phải tác động lên đầu vào O tín hiệu điều khiển cho đại lượng cần điều chỉnh đạt giá trị mong muốn Thiết bị điều khiển (Controller): ký hiệu khối C, tập hợp phần tử hệ thống nhằm mục đích tiếp nhận biểu bất thường trình để xử lý tạo tín hiệu điều khiển thích hợp tác động lên đối tượng điều khiển Thiết bị cảm biến đo lường (Measuring Device): ký hiệu khối M, thành phần vật lý có nhiệm vụ xác định giá trị đại lượng cần điều chỉnh để làm sở so sánh với giá trị mong muốn tạo biểu bất thường để cung cấp cho thiết bị điều khiển xử lý x + e _ C u f M Hình 1.3 Sơ đồ HTĐKTĐ O y DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Mục tiêu điều khiển: giá trị mong muốn thường gọi đại lượng vào hay tín hiệu vào, dùng chữ x u để biểu diễn Kết điều khiển: đại lượng cần điều chỉnh thể đầu đối tượng điều khiển O kết thực tế, gọi đại lượng hay tín hiệu ra, thường dùng chữ y c để biểu diễn Ví dụ hệ thống điều hoà không khí để minh hoạ 1.1.3 Hệ thống hở hệ thống kín Hệ thống hở: gọi hệ thống mở (Open Loop) hệ thống điều khiển tự động không so sánh kết thực tế với giá trị mong muốn sau tác động điều khiển Ví dụ hệ thống phun xăng điện tử, hệ truyền động quay bàn máy v.v Do đặc điểm, hệ thống hở có tính chất sau: • Độ xác điều khiển phụ thuộc vào khả điều chỉnh độ tin cậy điều chỉnh thiết bị • Chịu ảnh hưởng lớn từ yếu tố tác động bên (nhiễu) • Đáp ứng chậm (thời gian đáp ứng dài) Hình 1.4 Hệ thống quay bàn máy (hệ hở) Hình 1.5 Hệ điều khiển tên lửa (hệ hở) Hệ thống kín: gọi hệ thống đóng, có phản hồi, hồi tiếp (Closed Loop) hệ thống điều khiển tự động có tạo nên tác động đo lường, so sánh tín hiệu vào (giá trị mong muốn) tín hiệu (giá trị thực tế); sai lệch hai tín hiệu dùng làm tín hiệu vào thiết bị điều khiển DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Ví dụ hệ truyền động quay bàn máy có phản hồi Hệ thống kín có đặc điểm sau: • Độ xác điều khiển cao • Giảm tác động ảnh hưởng nhiễu • Tốc độ đáp ứng nhanh • Tăng bề rộng dãi tần có đáp ứng tốt • Có khuynh hướng tạo dao động quán tính so sánh tín hiệu Hình 1.6 Hệ thốngđiều khiển quay bàn máy (hệ kín) Hình 1.7 Hệ điều khiển tên lửa (hệ kín) 1.1.4 Hệ tuyến tính hệ phi tuyến Căn vào tính chất phần tử điều khiển hình thành nên hệ thống, ta phân thành hai loại chính: Hệ thống tuyến tính hệ thống phi tuyến - Nếu tất phần tử hệ thống tuyến tính hệ thống gọi hệ thống tuyến tính - Nếu cần có phần tử hệ thống mang tính phi tuyến tính hệ thống gọi hệ thống phi tuyến Trong thực tế, phần tử điều khiển có nhiều dạng, chúng phân biệt theo mối quan hệ tín hiệu vào tín hiệu phần tử: Y Y Y o o2 1o O 4o o3 1o X O X O o o X DKTDC1 Dạng tuyến tính Dạng phi tuyến Y Y 4o o2 1o O GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN X o o Y o 3o o4 O O Dạng trễ Dạng dải chết o X Dạng trễ dải chết X o Dạng bão hoà Hình 1.8 Các dạng phần tử điều khiển Các hệ thống điều khiển có chứa cần phần tử dạng tuyến tính gọi hệ thống phi tuyến 1.1.5 Giảm chấn ổn định Đặc tính hệ thống điều khiển tự động biểu diễn đồ thị tín hiệu theo thời gian, nói chung chúng có dạng sau: Dạng ổn định y y y o t a Quá giảm chấn o t b Giảm chấn tới hạn Dạng không ổn định y o o t c Giảm chấn tắt dần y t d Đáp ứng biên độ không đổi o t e Đáp ứng biên độ tăng dần Hình 1.9 Các dạng đáp ứng hệ thống 1.1.6 Quá trình độ trạng thái xác lập Hệ thống điều khiển tự động luôn diễn hai trạng thái: trình độ (trạng thái động) trạng thái xác lập (trạng thái tĩnh) Quá trình độ trạng thái hệ kể từ thời điểm có tác động nhiễu hay tác động đầu vào hệ thống đạt trạng thái xác lập Lý thuyết điều DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN khiển tự động tập trung mô tả phân tích trình độ hệ thống Trạng thái xác lập trạng thái mà tất đại lượng hệ thống đạt giá trị không đổi Trạng thái xác lập đánh giá độ xác trình điều chỉnh Nếu trạng thái xác lập tồn sai lệch tín hiệu giá trị mong muốn tín hiệu đo thực tế giá trị sai lệch gọi sai lệch dư hay gọi sai lệch tĩnh ký hiệu ε Khảo sát trình hệ bao gồm động DC nguồn cung cấp điện áp Đầu vào điện áp u, đầu tốc độ quay trục động y y u Bộ nguồn + Động DC y o u Ta có đường đặc tính vào hệ thống hình vẽ y u yc t o tr5% trình độ t trạng thái xác lập Hình 1.10 Đáp ứng hệ thống 1.2 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hệ thống điều khiển đa dạng, có nhiều cách phân loại, mục đích việc phân loại nhằm xác định giới hạn phần lý thuyết nghiên cứu Tuỳ thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháo điều khiển vàđiều kiện sử dụng ta có nhiều cách phân loại sau: 1.2.1 Phân loại theo tính chất phần tử hệ Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính Hệ thống ĐKTĐ phi tuyến 1.2.2 Phân loại theo phản hồi tín hiệu: Hệ thống hở Hệ thống kín 1.2.3 Phân loại theo tính chất truyền tín hiệu: Hệ thống liên tục (analog) Hệ thống gián đoạn (digital) 1.2.4 Phân loại theo tính chất tín hiệu vào: Hệ thống điều chỉnh (TH vào thay đổi) Hệ thống tuỳ động (TH vào thay đổi nhiều liên tục) 1.2.5 Phân loại theo qui mô điều khiển: Hệ thống điều khiển trình DKTDC1 Hệ thống điều khiển máy 1.3 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 1.4 PHƯƠNG THỨC ĐIỀU KHIỂN (Loại điều khiển) DKTDC1 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Phương pháp để thiết bị điều khiển tạo tín hiệu điều khiển vào đối tượng để điều chỉnh gọi phương thức điều khiển Tổng quát có phương thức điều khiển sau đây: 1.4.1 Điều khiển ổn định hoá (điều khiển theo sai lệch) Mục tiêu điều khiển có kết đầu y(t) đạt đến giá trị đầu vào chuẩn x(t) không đổi Sai lệch tín hiệu e(t) = y(t) - x(t) nhỏ với giá trị exl cho trước tuỳ theo độ xác điều khiển yêu cầu Tín hiệu điều khiển hình thành có sai lệch e(t) Ví dụ: Hệ thống ổn định nhiệt độ, ổn định điện áp 1.4.2 Điều khiển theo chương trình Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển phát chương trình định sẵn tác động vào thiết bị điều khiển Ở x(t) hàm định trước (chương trình), yêu cầu tín hiệu y(t) hệ thống phải chép lại giá trị x(t) Tức hệ phải thực hoạt động theo chương trình lập Ví dụ: Hệ thống gia công điều khiển số máy CNC, hệ thống thu thập truyền số liệu 1.4.3 Điều khiển theo dõi Ở tín hiệu vào x(t) hàm trước, yêu cầu tín hiệu y(t) phải bám sát cho x(t) Ví dụ: Hệ thống lái tàu, lái máy bay, hệ thống điều khiển vũ khí 1.4.4 Điều khiển thích nghi Đối với đối tượng điều khiển có thồng tin ban đầu không đầy đủ hay trình công nghệ có yêu cầu đặc biệt ta phải thiết lập phương thức điều khiển thích nghi Trong hệ thống có thêm số thiết bị đặc biệt thực chức riêng nhăm đảm bảo chất lượng trình điều chỉnh Trong trình điều khiển hệ tạo tín hiệu cần thiết để chỉnh định lại tham số điều khiển cho hệ thống thích nghi với biến động môi trường bên 1.4.5 Điều khiển tối ưu Hệ thống tự xác định thông số tối ưu thực thay đổi cấu trúc thông số thiết bị điều khiển cho thích hợp với kết mà xác định đồng thời đảm bảo mục tiêu tối ưu đề hệ thống theo tiêu tối ưu cụ thể tiêu hao lượng nhỏ hay rút nhắn thời gian nhỏ Hoạt động hệ kèm theo việc giải toán tối ưu 1.5 NHIỆM VỤ CỦA LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Nhiệm vụ lý thuyết điều khiển tự động nghiên cứu phương pháp mô tả trình động học xảy phần tử nói riêng toàn hệ thống nói chung để tạo phương tiện thực nhiệm vụ tổng hợp phân tích hệ thống điều khiển tự động 1.5.1 Phân tích hệ thống: Nghiên cứu, khảo sát phân tích toàn hệ thống giải toán điều khiển để đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống biết tín hiệu vào đặc tính phần tử có hệ Đó là: * Phân tích tính ổn định hệ thống * Phân tích chất lượng trình độ DKTDC1 79 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Để quan sát ổn định hệ kín, cần chứng tỏ + G ( s) H ( s ) = nghiệm đường cong Bromwich, hay đơn gian vạch quỹ tích hàm truyền + G ( s) H ( s ) mặt phẳng phức Theo định lý Cauchy, quỹ tích không bao gốc toạ độ, + G ( s) H ( s ) = nghiệm đường cong Bromwich Cũng có nghĩa G ( s ) H ( s) không bao điểm (-1 , 0) + G ( s) H ( s ) = nghiệm đường cong Bromwich Từ định lý Nyquist phát biểu sau: Một hệ thống kín ổn định quỹ tích hàm truyền hệ mở tương ứng không bao điểm (-1 , j0 ) Mặt khác, để G(s)H(s) không bao điểm (-1 , j0) điều kiện cần đủ là: - Số cực số Zéro nằm đường cong Bromwich - Hay số cực dương số Zéro dương Điểm (-1 , j0 ) gọi điểm tới hạn d Tiêu chuẩn ổn định tần số - tiêu chuẩn Nyquist Xét hệ thống hồi tiếp âm đơn vị, đó: H(s) = Biết đặc tính tần số hệ hở G(s), ta xét tính ổn định hệ kín Gk ( s ) = G ( s) + G ( s) * Trường hợp hệ hở G(s) ổn định: Hệ thống kín ổn định biểu đồ Nyquist hệ hở G(jω) tương ứng không bao điểm (-1 ,j0 ) Vì hệ hở ổn định nên G(s) cực nằm bên phải mặt phẳng phức, theo tiêu chuẩn Nyquist hệ kín ổn định đường cong hệ Nyquist G(jω) hệ hở không bao điểm (-1,j0) - Trường hợp 1: G(jω) không bao điểm (-1,j0) nên hệ kín ổn định - Trường hợp 2: G(jω) qua điểm (-1,j0) nên hệ kín biên giới ổn định - Trường hợp 3: G(jω) bao điểm (-1,j0) nên hệ kín không ổn định Hình 5.10- Ví dụ áp dụng định lý Nyquist hệ hở ổn định * Trường hợp hệ hở G(s) không ổn định: 80 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Hệ thống kín ổn định biểu đồ Nyquist hệ hở G(jω) tương ứng bao điểm (-1 ,j0) l/2 vòng theo chiều ngược chiều kim đồng hồ ω thay đổi từ đến +∞, l số cực nằm bên phải mặt phẳng phức hệ hở G(jω) Hệ kín ổn định Hệ kín ổn định Hệ kín không ổn định Hệ kín không ổn định Hình 5.11- Ví dụ áp dụng định lý Nyquist hệ hở không ổn định 5.2 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐIỀU KHIỂN Độ xác điều khiển hệ thống đánh giá qua độ xác tĩnh hay độ xác đạt chế độ xác lập Sai số xác lập Xét hệ kín có tín hiệu vào r(t), tín hiệu c(t) DKTDC1 81 Tín hiệu vào hàm bậc thang đơn vị Tín hiệu vào hàm dốc Nếu tín hiệu vào dốc (RAMP): R( s) = 1/ s GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 82 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Tín hiệu vào hàm parabol 5.3 TÍNH NHANH CHẬM CỦA ĐÁP ỨNG Hệ thống đáp ứng nhanh hay chậm với tác động tín hiệu vào gọi độ xác động hay tốc độ đáp ứng Độ xác động khảo sát qua đáp ứng độ hệ thống Khâu quán tính bậc Nhận xét: 83 DKTDC1 Khâu dao động bậc Nhận xét: GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 84 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng độ GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 85 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 6.1 KHÁI NIỆM THIẾT KẾ VÀ HIỆU CHỈNH Thiết kế hệ thống điều khiển toàn trình bổ sung thiết bị phần cứng thuật toán phần mềm vào hệ thống cho trước để có hệ thống thỏa mãn yêu cầu tính ổn định, độ xác điều khiển đáp ứng độ tối ưu Thế yêu cầu mâu thuẩn nhau: độ xác tính đáp ứng nhanh đòi hỏi tăng độ khuếch đại, độ khuếch đại lớn làm cho hệ ổn định Giải toán thiết kế hệ thống điều khiển gắn liền với việc hiệu chỉnh hay sửa hệ thống điều khiển để đảm bảo tương thích tiêu chuẩn hay yêu cầu trái ngược hiệu chỉnh phần tử “thông minh” thêm vào hệ thống để đảm bảo tương thích Các dạng phổ biến thêm vào với tác động tỷ lệ, tức khuếch đại hệ hở, là: - Tác động tích phân nhằm đảm bảo độ xác tĩnh tốt - Tác động vi phân nhằm đảm bảo thời gian đáp ứng Về nguyên tắc chung tác động thực dựa tín hiệu sai số ε, tín hiệu cho biết mức độ tiếp cận hay xa mục tiêu điều khiển Thông thường hiệu chỉnh GC(s) ghép nối tiếp với hàm truyền hệ hở G(s) DKTDC1 86 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Hiện hiệu chỉnh thường dùng là: sớm pha, trể pha, sớm trể pha, tỷ lệ (P), tỷ lệ vi phân (PD), tỷ lệ tích phân (PI), tỷ lệ-tích phân-viphaan (PID) 6.2 KHÁI NIỆM VÀ CHỨC NĂNG BỘ HIỆU CHỈNH PID Bộ hiệu chỉnh PID (Proportional-Integral-Derivative Controller) thiết bị dùng để hiệu chỉnh tác động vào đối tượng điều khiển nhằm cải thiện đặc tính động lực học nâng cao độ xác điều khiển hệ thống điều khiển tự động Bộ hiệu chỉnh PID bao gồm hiệu chỉnh tỷ lệ (P), hiệu chỉnh tích phân (I) hiệu chỉnh vi phân (D), tập thể hoàn hảo phối hợp tính cách khác nhau: • Phục tùng thực xác nhiệm vụ giao (P) • Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm để thực tốt nhiệm vụ (I) • Luôn có sáng kiến phản ứng nhanh nhạy với thay đổi tình trình thực nhiệm vụ (D) PID sử dụng rộng rãi có tính đơn giản cấu trúc nguyên lý làm việc Trong công nghiệp phổ biến PID có loại: điện tử, khí nén số Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh sớm pha Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh trể pha DKTDC1 87 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh sớm trể pha Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ (P) Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân(PD) DKTDC1 88 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân (PI) 89 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân (PI) 6.3 THIẾT KẾ BỘ HIỆU CHỈNH PID Chức cấu hình hiệu chỉnh PID e(t) BỘ HIỆU CHỈNH u(t) Bộ hiệu chỉnh PID hoạt động theo quy luật điều chỉnh sau: a Quy luật tỷ lệ (P) Tín hiệu điều khiển quy luật tỷ lệ hình thành theo công thức: u (t ) = K P e(t ) Trong KP hệ số khuếch đại Theo tính chất khâu tỷ lệ (khuếch đại) ta thấy tín hiệu trùng pha với tín hiệu vào, nên khâu khuếch đại có ưu điểm tốc độ tác động nhanh Vì vậy, công nghiệp, quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với đối tượng Tuy nhiên, nhược điểm khâu tỷ lệ sử dụng với đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn sai lệch tĩnh Để giảm sai lệch tĩnh tức tăng độ xác điều khiển phải tăng hệ số khuếch đại, làm cho hệ tăng tính dao động dẫn đến ổn định 90 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN b Quy luật tích phân (I) Tín hiệu điều khiển xác định theo biểu thức: u (t ) = K I ∫ e(t ).dt = e(t ).dt Ti ∫ Trong TI =1/KI số thời gian tích phân Ta thấy giá trị điều khiển u đạt giá trị xác lập e=0 Như ưu điểm quy luật tích phân triệt tiêu sai lệch tĩnh Khâu tích phân có tín hiệu chậm pha so với tín hiệu vào goc π/2, điều cho thấy quy luật tích phân có độ tác động chậm Do công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân ổn định, nên quy luật sử dụng c Quy luật tỷ lệ-tích phân (PI) Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa triệt tiêu sai lệch tĩnh, ta thường kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo quy luật tỷ lệ-tích phân Tín hiệu điều khiển xác định theo biểu thức: u (t ) = K P e(t ) + K I ∫ e(t ).dt = K P e(t ) + ∫ e(t ).dt ÷ Ti Trong đó: KP hệ số khuếch đại TI = KP /KI số thời gian tích phân Ta nhận thấy tốc độ tác động qui luật PI chậm qui luật tỷ lệ (P) nhanh qui luật tích phân (I) d Quy luật tỷ lệ-vi phân (PD) Tín hiệu điều khiển quy luật PD xác định theo biểu thức: u (t ) = K P e(t ) + K D Trong đó: de(t ) de(t ) = K P e(t ) + TD ÷ dt dt KP hệ số khuếch đại TD = KD /KP số thời gian vi phân Có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ đáp ứng hệ thống 91 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN e Quy luật tỷ lệ-vi-tích phân (PID) Để tăng tốc độ tác động qui luật PI ta ghép thêm thành phần vi phân nhận qui điều khiển tỷ lệ vi tích phân: u (t ) = K P e(t ) + K I ∫ e(t ).dt + K D Trong đó: de(t ) de(t ) = K P e(t ) + ∫ e(t ).dt + TD ÷ dt Ti dt KP hệ số khuếch đại TI = KP /KI số thời gian tích phân TD = KD /KP số thời gian vi phân Thiết kế hiệu chỉnh PID a Phương pháp Ziegler-Nichols Trường hợp Từ đồ thị ta xác định K, T1 T2 Các thông số KP, TI TD lấy theo bảng sau DKTDC1 92 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN b Phương pháp Ziegler-Nichols Trường hợp Ghi nhận kết quả: Kgh Tgh Các thông số KP, TI TD lấy theo bảng sau DKTDC1 93 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN [...]... thống để điều khiển theo yêu cầu Các hệ thống điều khiển (tham khảo) DKTDC1 12 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 13 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Trong quá trình phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển tự động, cần thiết phải xây dựng mô hình cho hệ thống, tức là sử dụng một số các phương pháp mô tả hệ thống Mô hình mô tả một hệ thống điều khiển. .. 21 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 22 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 23 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 2.2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ GRAPH TÍN HIỆU 2.2.1 Sơ đồ khối và đại số sơ đồ khối 1 Sơ đồ khối Để tiện trong việc nghiên cứu giải các bài toán về điều khiển tự động, các phần tử và hệ thống điều khiển cũng được biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối như sau: x(t) PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN y(t) x(t) HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN y(t)...DKTDC1 11 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 1.5.2 Tổng hợp hệ thống: Đây là bài toán thiết kế hệ thống điều khiển bằng cách giải bài toán điều khiển để xác định các thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển phù hợp với yêu cầu điều khiển Để tổng hợp một hệ thống điều khiển tự động trước hết phải nghiên cứu các quá trình xảy ra trong đối tượng, tìm những tác động ảnh hưởng lên đại lượng cần điều chỉnh, từ... chọn ra tác động điều khiển thích hợp Sau đó nghiên cứu quá trình động học mối liên hệ giữa đại lượng cần điều chỉnh và tác động điều chỉnh và cuối cùng là xây dựng mô hình toán học của đối tượng điều khiển Dựa vào mô hình toán học của đối tượng điều chỉnh xây dựng mô hình cấu trúc thích hợp của thiết bị điều khiển nói riêng và toàn bộ hệ thống nói chung Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển tự động tồn... phương trình biến trạng thái của hệ cơ học và hệ điện đã khảo sát trước đây Phụ lục C2: HÀM TRUYỀN CỦA CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH DKTDC1 32 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 33 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 34 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 35 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 36 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN ... THÁI 28 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 1 Khái niệm về biến trạng thái Trong các mục trước, khi khảo sát hệ thống điều khiển ta chỉ quan tâm đến tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ và mối quan hệ của chúng được biểu diễn qua hàm truyền đạt Tuy nhiên đối với nhiều hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra MIMO, để giải bài toán điều khiển tự động ta cần phải biết... dụng trong điều khiển tự động: - Mô hình liên tục tổng quát: SISO (Single Input- Single Output): + Phương trình vi phân biểu diễn hệ + Sơ đồ khối + Hàm truyền đạt của hệ thống hay phần tử + Hàm truyền tần số - Mô hình trạng thái: MIMO (Multi Input - Multi Output) - Mô hình không liên tục, rời rạc 2.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC 2.1.1 Giới thiệu chung Mô hình toán học cho một hệ thống điều khiển tự động được xây... hay của hệ thống tương ứng 2 Đại số sơ đồ khối Ta biết rằng hệ thống điều khiển bao gồm nhiều phần tử điều khiển riêng rẻ liên kết với nhau Thông thường ta có thể dễ dàng xác định hàm truyền đạt của phần tử Nhưng để giải quyết bài toán điều khiển cho cả hệ thống cần thiết phái xác lập hàm truyền đạt của hệ 24 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Đại số sơ đồ khối là thuật toán để xác định hàm truyền... hoạt động của các phần tử điều khiển trong hệ • Đối với hệ thống điều khiển tuyến tính liên tục có phản hồi: thường sử dụng các kỹ thuật toán học như: Biến đổi Laplace, Graph tín hiệu, Biến trạng thái • Đối với hệ thống điều khiển rời rạc: thường sử dụng phép biến đổi Z và W, Biến đổi Fourier • Đối với hệ thống phi tuyến: thường dùng Biến đổi Fourier, Graph tín hiệu và Biến trạng thái 14 DKTDC1 GVC NGUYỄN... Kirchhoff về điện áp đối với mạch, ta có phương trình về điện áp: u (t ) = u R + u L + u C Ta có: u R = Ri (t ) ; u L = L do vậy (2.4) trở thành: LC di ; dt (2.4) i=C du C ; dt u C = v(t ) ; d 2 v(t ) dv (t ) + RC + v(t ) = u (t ) 2 dt dt (2.5) 16 DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Giải phương trình này ta nhận được điện áp ra v(t) theo thời gian 2.1.3 Phép biến đổi Laplace Bài toán điều khiển yêu ... BỘ ĐIỀU CHỈNH DKTDC1 32 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 33 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 34 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 35 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 36 GVC NGUYỄN THẾ TRANH. .. máy 1.3 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 1.4 PHƯƠNG THỨC ĐIỀU KHIỂN (Loại điều khiển) DKTDC1 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN Phương... 40 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 41 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN 42 DKTDC1 * Graph Tín hiệu GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 43 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - ĐHĐN DKTDC1 44 GVC NGUYỄN THẾ TRANH