Bài giảng Lý thiết điều khiển tự động - Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển

BÀI GIẢNG LÝ THIẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Thạc sĩ VÕ VĂN ĐỊNH NĂM 2009 CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển 1.2 Các nguyên tắc điều khiển 1.3 Phân loại điều khiển 1.4 Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển 1.5 Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động 1.1.1 Điều khiển là gì? 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Định 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 trước Điều khiển tự động quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người Tại 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 đại 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.1 Điều khiển là gì? 1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển Trong 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 khiển r(t) e(t) u(t) c(t) Cht(t) Bộ điều khiển Đối tượng Cảm biến + - 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Để 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 khiển 1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin 1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Bộ điều khiển có chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển Đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển 1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động Trong lĩnh vực điều khiển tự động có ba bài toán cơ bản sau:  Phân tích hệ thống  Thiết kế hệ thống  Nhận dạng hệ thống 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN 1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động  Phân tích hệ thống: 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Cho 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 được 1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động  Thiết kế hệ thống: 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Biết 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 được 1.1.3 Các bài toán cơ bản trong lĩnh vực điều khiển tự động  Nhận dạng hệ thống: 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN Chưa 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 hồi Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ xung ngoài Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Muốn 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 nhiễu Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi 1.2 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 khiển Đối tượng r(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 tốt Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Bộ 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 sai Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển r(t) e(t) u(t) c(t) Cht(t) Bộ điều khiển Đối tượng Cảm biến + - Điều khiển sai lệch: Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Các hệ thống chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu và điều khiển sang bằng sai lệch r(t) e(t) u(t) c(t) Cht(t) Bộ điều khiển Đối tượng Cảm biến + - n(t) Điều khiển phối hợp: Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng Tính 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 tượng Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương ứng 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Một 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 đó Nguyên 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 đen Ý 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 thống Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Vì 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 thường Vốn dự trữ không sử dụng, nhưng cần đảm bảo cho hệ thống an toàn Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ xung cho trung tâm Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Mỗi hệ thống cần xây dựng cân bằng nội để có khã năng tự giải quyết các biến động xẩy ra Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội 1.2 CÁC NGUYÊN TẮT ĐIỀU KHIỂN Có 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 khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN 1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế a. Hệ thống tuyến tính – hệ thống không tuyến tính Hệ thống tuyến tính không tồn tại trong thực tế, vì trong tất cả các hệ thống vật lý đều là phi tuyến 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN Hệ thống tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn giản hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thống Tất cả các hệ thống thực tế đều có đặc tính phi tuyến. 1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế Các đặc tính phi tuyến thường được đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lược hay tăng hiệu quả điều khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN Các 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 tuyến a. Hệ thống tuyến tính – hệ thống không tuyến tính Thực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần tử trôi hay biến đổi theo thời gian 1.3.1 Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN b. Hệ thống bất biến – hệ thống biến đổi theo thời gian Khi 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 biến Mặc 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 gian 1.3.2 Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN a. Hệ thống liên tục Hệ thống liên tục là hệ thống mà tín hiệu bất kỳ phần nào của hệ thống cũng là hàm liên tục theo thời gian Trong tất cả các HTĐK liên tục, tín hiệu được phân thành AC hay DC HTĐK AC có nghĩa là tất cả các tín hiệu trong hệ thống điều được điều chế bằng vài dạng sơ đồ điều chế HTĐK DC được hiểu đơn giản là hệ có các tín hiệu không được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều 1.3.2 Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN b. Hệ thống rời rạc Khác với HTĐK liên tục, HTĐK rời rạc có tín hiêu ở một hay nhiều điểm trong HT là dạng chuỗi xung hay mã số Thông thường HTĐK rời rạc được phân thành 2 loại:  HTĐK lấy mẫu dữ liệu  HTĐK số HTĐK DC được hiểu đơn giản là hệ có các tín hiệu không được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN a. Điều khiển ổn định hóa Mục 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)  exl Khi tín hiệu vào r(t) không đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổ định hóa hay hệ thống điều chỉnh 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN b. Điều khiển theo chương trình Nếu 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 trình Ví 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 khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN c. Điều khiển theo dõi Nếu 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 dõi Điều 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 khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN d. Điều khiển thích nghi Tín hiệu v(t) chỉnh định lại tham số tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi biến động của môi trường ngoài r(t) u(t) c(t) n(t) Tự chỉnh Điều khiển Đối tượng v(t) 1.3.3 Phân loại theo mục tiêu điều khiển 1.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN e. Điều khiển tối ưu – hàm mục tiêu đạt cực trị Ví dụ như các bài toán quy hoạch, vận trù trong kinh tế, kỹ thuật điều là các phương pháp tối ưu 1.4.1 Điều khiển kinh điển (classical control) 1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Điều khiển kinh điển có trước năm 1960 Lý 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 tả Các 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 số 1.4.2 Điều khiển hiện đại (modern control) 1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Điều khiển hiện đại từ khoảng năm 1960 đến nay Kỹ 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 thái Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái Với 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 số 1.4.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) 1.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Điều 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 tượng Trong 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 được Các 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