Điều khiển tự động - Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển

BÀI GIẢNGLÝ THIẾTĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNGThạc sĩ VÕ VĂN ĐỊNHNĂM 2009CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển1.2 Các nguyên tắc điều khiển1.3 Phân loại điều khiển1.4 Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển1.5 Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động1.1.1 Điều khiển là gì?1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNĐịnh nghĩa: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 trướcĐiều khiển tự động quá trình điều khiển không cần sự tác động của con ngườiTại sao ta phải điều khiển? Con ngươi không thỏa mãn với đáp ứng hệ thống Hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng năng suất, tăng hiệu quả kinh tế Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiệ đại1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN1.1.1 Điều khiển là gì?1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiểnTrong đó: r(t) (Reference input) : tín hiệu vào c(t) (Controlled output) : tín hiệu ra cht(t) : tín hiệu hồi tiếp e(t) (Error) : sai số u(t) : tín hiệu điều khiểnr(t)e(t)u(t)c(t)Cht(t)Bộ điều khiểnĐối tượngCảm biến+-1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNĐể thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa hệ thống bắt buộc có các thành phần sau: Thiết bị đo lường (cảm biến) Bộ điều khiển Và đối tượng điều khiển1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNThiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNBộ điều khiển có chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiểnĐối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự độngTrong lĩnh vực điều khiển tự động có ba bài toán cơ bản sau: Phân tích hệ thống Thiết kế hệ thống Nhận dạng hệ thống1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động Phân tích hệ thống:1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNCho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số. Bài toán đặt ra là trên cơ sở những thông tin đã biết tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ Bài toán này luôn giải được Bài toán này giải được1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động Thiết kế hệ thống:1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNBiết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Bài toán đặc ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng Bài toán này không phải lúc nào cũng giải được1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động Nhận dạng hệ thống:1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂNChưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Vấn đề đặt ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống.Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồiNguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứngNguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ xung ngoàiNguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữNguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấpNguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNMuốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai dòng thông tin:Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vòng hở) không đạt chất lượng cao, nhất là khi có nhiễuNguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Từ bộ điều khiển đến đối tượng Từ đối tượng ngược về bộ điều khiển (thông tin hồi tiếp)Đạt được đầu ra c(t) mong muốn mà không cần quan sát tín hiệu ra c(t)Bộ điều khiểnĐối tượngr(t)u(t)c(t)n(t)Điều khiển bù nhiễu :Đối với hệ phức tạp điều khiển bù nhiễu không thể cho chất lượng tốtNguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNBộ điều khiển quan sát tín hiệu ra c(t) so sánh với tín hiệu vào mong muống r(t) để tính toán tín hiệu điều khiển u(t)Nguyên tắc này điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm và sửa saiĐây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiểnr(t)e(t)u(t)c(t)Cht(t)Bộ điều khiểnĐối tượngCảm biến+-Điều khiển sai lệch:Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNCác hệ thống chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển sang bằng sai lệchr(t)e(t)u(t)c(t)Cht(t)Bộ điều khiểnĐối tượngCảm biến+-n(t)Điều khiển phối hợp:Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNMuốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượngTính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khã năng: Thu thập thông tin Lưu trữ thông tin Truyển tin Phân tích xử lý Chọn quyết định Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượngNguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương ứng1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNMột hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong một môi trường cụ thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đóNguyên tắc bổ sung ngoài thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống và ta điều khiển cả hệ thống và hộp đenÝ nghĩa của nguyên tắc này là khi thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống có chất lượng cao thì không thể bỏ qua nhiễu của môi trường tác động vào hệ thốngNguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNVì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc xẩy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều kiện bình thườngVốn dự trữ không sử dụng, nhưng cần đảm bảo cho hệ thống an toànNguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNĐối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ xung cho trung tâmCấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình câyNguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNMỗi hệ thống cần xây dựng cân bằng nội để có khã năng tự giải quyết các biến động xẩy raNguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂNCó nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển tùy theo mục đích của sự phân loại: Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống Phân loại theo mục tiêu điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kếa. Hệ thống tuyến tính – hệ thống không tuyến tínhHệ thống tuyến tính không tồn tại trong thực tế, vì trong tất cả các hệ thống vật lý đều là phi tuyến1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNHệ thống tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn giản hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thốngTất cả các hệ thống thực tế đều có đặc tính phi tuyến.1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kếCác đặc tính phi tuyến thường được đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lược hay tăng hiệu quả điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNCác hệ phi tuyến thường khó xử lý theo toán học và cũng chưa có phương pháp chung nào để giải quyết cho tất cả một lớp hệ phi tuyếna. Hệ thống tuyến tính – hệ thống không tuyến tínhThực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần tử trôi hay biến đổi theo thời gian1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNb. Hệ thống bất biến – hệ thống biến đổi theo thời gianKhi các thông số của HTĐK không đổi trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống, thì hệ thống được gọi là hệ thống bất biếnMặc dù hệ thống biến đổi theo thời gian không có đặc tính phi tuyến, vẫn được coi là hệ tuyến tính, nhưng việc phân tích và thiết kế hệ thống này phức tạp hơn nhiều so với hệ tuyến tính theo thời gian1.3.2 Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNa. Hệ thống liên tụcHệ thống liên tục là hệ thống mà tín hiệu bất kỳ phần nào của hệ thống cũng là hàm liên tục theo thời gianTrong tất cả các HTĐK liên tục, tín hiệu được phân thành AC hay DCHTĐK AC có nghĩa là tất cả các tín hiệu trong hệ thống điều được điều chế bằng vài dạng sơ đồ điều chếHTĐK DC được hiểu đơn giản là hệ có các tín hiệu không được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều1.3.2 Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNb. Hệ thống rời rạcKhác với HTĐK liên tục, HTĐK rời rạc có tín hiêu ở một hay nhiều điểm trong HT là dạng chuỗi xung hay mã sốThông thường HTĐK rời rạc được phân thành 2 loại: HTĐK lấy mẫu dữ liệu HTĐK sốHTĐK DC được hiểu đơn giản là hệ có các tín hiệu không được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNa. Điều khiển ổn định hóaMục tiêu điều khiển là kết quả tín hiệu ra bằng tín hiệu vào chuẩn r(t) với sai lệc cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập)e(t) = r(t) – c(t)  exlKhi tín hiệu vào r(t) không đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổ định hóa hay hệ thống điều chỉnh1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNb. Điều khiển theo chương trìnhNếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có HTĐK theo chương trìnhVí dụ: HTĐK máy công cụ CNC, hệ thống thu tập và truyền số liệu hệ thống điện 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNc. Điều khiển theo dõiNếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không biết trước theo thời gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t), ta có hệ thống theo dõiĐiều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các HTĐK vũ khí, hệ thống lái tàu, máy bay 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNd. Điều khiển thích nghiTín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoàir(t)u(t)c(t)n(t)Tự chỉnhĐiều khiểnĐối tượngv(t)1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂNe. Điều khiển tối ưu – hàm mục tiêu đạt cực trịVí dụ như các bài toán quy hoạch, vận trù trong kinh tế, kỹ thuật điều là các phương pháp tối ưu1.4.1 Điều khiển kinh điển (classical control)1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂNĐiều khiển kinh điển có trước năm 1960Lý thuyết điều khiển kinh điển mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace)Lý thuyết điều khiển kinh điển chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian, mặt dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, ví dụ phương pháp hàm mô tảCác phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống trong lý thuyết điều khiển kinh điển gồm có phương pháp Nyquist, Bode, và phương pháp quỷ đạo nghiệm số1.4.2 Điều khiển hiện đại (modern control)1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂNĐiều khiển hiện đại từ khoảng năm 1960 đến nayKỹ thuật thiết kế hệ thống hiện đại dựa trên miền thời gian. Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng tháiBộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng tháiVới sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết ĐK hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ ĐK là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số1.4.3 Điều khiển thông minh (intelligent control)1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂNĐiều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại gọi là điều khiển thông thường, có khuyết điểm là để thiết kế được HTĐK cần phải biết mô hình toán học của đối tượngTrong khi đó có những đối tượng ĐK rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán. Điều khiển thông minh có thể giải quyết đượcCác phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mơ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khã năng ứng dụng thực tế rất cao