Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1: Vai trò của điều khiển

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1: Vai trò của điều khiển

1. Chương 1 Vai trò của điều khiển  C.B. Pham 1-1
2. Khái niệm và nguyên lý cơ bản Denis Papin’s water float regulator Wall’s fly-ball governor  C.B. Pham 1-2
3. 1. Các khái niệm cơ bản Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hệ thống. Inlet Outlet  C.B. Pham 1-3
4. Sơ đồ khối và hàm truyền đạt Sơ đồ khối Mỗi phần tử trong hê thống nhận một tín vào từ một số bộ phận của hệ thống điều khiển và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào những phần tử khác.  C.B. Pham 1-4
5. Sơ đồ khối và hàm truyền đạt  C.B. Pham 1-5
6. Sơ đồ khối và hàm truyền đạt Hàm truyền đạt - là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của phần tử: y(t) TF x(t)  C.B. Pham 1-6
7. Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng hở: hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ thuộc vào bất kỳ tín hiệu nào từ quá trình.  C.B. Pham 1-7
8. Hệ thống điều khiển vòng hở Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten - Vị trí ban đầu: 00 - Vị trí mong muốn: 300 - Động cơ: 10/giây (ở điện áp định mức) Để thực hiện chuyển động mong muốn, bộ điều khiển xuất ra một xung tín hiệu trong 30 giây. Nếu động cơ làm việc chính xác, vị trí anten sẽ dừng chính xác ở 300.  C.B. Pham 1-8
9. Hệ thống điều khiển vòng hở Thí dụ: xét hệ thống hở Xác định tốc độ của vật khi động cơ được cấp 12 V: Velocity = 0.05 * 0.5 * 100 * 12 = 30 m/min  C.B. Pham 1-9
10. Hệ thống điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng kín: hệ thống mà tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi.  C.B. Pham 1-10
11. Hệ thống điều khiển vòng kín Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten - Vị trí ban đầu: 00 0 - Vị trí mong muốn: 30 ( xd) - Động cơ: 10 /sec (ở điện áp định mức vs) - Cảm biến góc: 10V / 3600 ( xa)  C.B. Pham 1-11
12. Hệ thống điều khiển vòng kín Tín hiệu điều khiển vc được xác định tùy theo cơ chế điều khiển: vs xa xd vc = nếu 0 xa xd vc = C(xd xa) Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như độ chính xác của bộ truyền cơ khí.  C.B. Pham 1-12
13. Hệ thống điều khiển vòng kín Error Control Manipulated Set signal signal variable Controlled point variable Controller Actuator Process + _ Measured variable Sensor • Đo lường: đo giá trị thực của biến được điều khiển. • Ra quyết định: tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để thực hiện hành động điều khiển. • Tác động: sử dụng tín hiệu điều khiển để tác động một số biến điều khiển trong quá trình sao cho làm giảm giá trị sai lệch.  C.B. Pham 1-13
14. Hệ thống điều khiển vòng kín Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy Khảo sát sự chuyển động của bàn máy khi bàn máy dịch chuyển từ vị trí 0.4 m (ban đầu) sang bên phải ở vị trí 0.64  C.B.m .PhamGiả sử thời gian lấy mẫu (phản hồi) là 0.1 giây. 1-14
15. Hệ thống điều khiển vòng kín G1 = 2 G1 = 2.5 T (s) Vi (V) Vf (V) Ve (V) P (mm) Pos (mm) T (s) Vi (V) Vf (V) Ve (V) P (mm) Pos (mm) 2.5 2.5 0 0 400 2.5 2.5 0 0 400 0.0 4 2.5 1.5 0 400 0.0 4 2.5 1.5 0 400 0.1 4 2.5 1.5 2.250 402.250 0.1 4 2.5 1.5 2.813 402.813 0.2 4 2.514 1.486 2.229 404.479 0.2 4 2.518 1.482 2.779 405.592 0.3 4 2.528 1.472 2.208 406.687 0.3 4 2.535 1.465 2.747 408.339 0.4 4 2.542 1.458 2.187 408.874 0.4 4 2.552 1.448 2.715 411.054 0.5 4 2.555 1.445 2.167 411.041 0.5 4 2.569 1.431 2.683 413.737 : : : : : : : : : : : : 60.0 4 3.995 0.005 0.008 639.157 48.0 4 3.995 0.005 0.01 639.163  C.B. Pham 1-15
16. Hệ thống điều khiển: vòng hở vs. vòng kín Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng kín - đơn giản và chi phí đầu tư - phức tạp và chi phí đầu tư thấp cao - không kiểm soát được giá - có thể điểu khiển được giá trị thực tế trị thực tế - có thể ứng dụng khi đặc - giá trị thực tế luôn ổn định tính làm việc của những cơ bất chấp đặc tính làm của cấu tác động và quá trình những cơ cấu tác động và tương đối ổn định quá trình. - thường xuyên thực hiện - thỉnh thoảng chỉ cần kiểm quá trình cân chỉnh hệ thống tra đặc tính làm việc của bộ cảm biến  C.B. Pham 1-16
17. Tuyến tính và phi tuyến Khi phân tích và thiết kế, hầu hết các hệ thống điều khiển được giả sử là bao gồm các phần tử tuyến tính – phần tử cho tín hiệu ra tỷ lệ thuận với tín hiệu vào. Phần tử tuyến tính bảo toàn dạng hình học của tín hiệu vào  C.B. Pham 1-17
18. Tuyến tính và phi tuyến • Dãy chết: là một dãy các giá trị mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tín hiệu ra Y. Linear element with a dead band nonlinearity  C.B. Pham 1-18
19. Tuyến tính và phi tuyến • Trễ: là tính phi tuyến dẫn đến giá trị tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệu vào X tăng hay giảm. Nonlinear element with hysteresis  C.B. Pham 1-19
20. Tuyến tính và phi tuyến • Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y. Linear element with a saturation nonlinearity  C.B. Pham 1-20
21. Giảm chấn và ổn định Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển xác định một đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển, đó là dạng giảm chấn – dạng mất ổn định. Đặc tính này được hệ thống thể hiện ra như là một đáp ứng dưới tác động của tín hiệu nhiễu.  C.B. Pham 1-21
22. Mục tiêu của hệ thống điều khiển Khi có sự thay đổi tải hoặc giá trị điều chỉnh, hệ thống điều khiển phải đảm bảo 3 mục tiêu sau: • Giảm thiểu giá trị sai lệch lớn nhất. • Giảm thiểu thời gian xác lập. • Giảm thiểu độ sai lệch dư.  C.B. Pham 1-22
23. Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển Phương pháp kiểm nghiệm thường dùng là thay đổi giá trị điều chỉnh theo hàm bậc thang. • Suy giảm một phần tư biên độ: xác định biên độ của dao động tắt dần mà ở đó biên độ của một đỉnh dương bằng một phần tư biên độ của một đỉnh dương trước nó.  C.B. Pham 1-23
24. Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển • Tích phân sai lệch tối thiểu: xác định tổng diện tích nằm dưới đường cong sai lệch phải là tối thiểu.  C.B. Pham 1-24
25. Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển • Giảm chấn tới hạn: được dùng khi mong muốn không xảy ra độ vọt lố.  C.B. Pham 1-25
26. Đơn giản sơ đồ khối Hệ thống vòng hở: Hệ thống vòng kín:  C.B. Pham 1-26
27. 2. Phân loại hệ thống điều khiển  Mạch phản hồi • không sử dụng hệ thống hở • có sử dụng hệ thống kín  Loại tín hiệu • liên tục hệ thống tương tự • rời rạc hệ thống số  Giá trị điều chỉnh • ít thay đổi hệ thống điều chỉnh • thay đổi liên tục hệ thống tùy động  Vị trí của bộ điều khiển • ở phòng điều khiển trung tâm hệ thống điều khiển tập trung • đặt gần các cơ cấu cảm biến và cơ cấu tác động hệ thống điều khiển phân bố  C.B. Pham 1-27
28. Phân loại hệ thống điều khiển  Môi trường công nghiệp • Xử lý, chế biến hệ thống điều khiển quá trình . quá trình liên tục . quá trình gián đoạn • chi tiết rời hệ thống điều khiển chế tạo . gia công - điều khiển số . lắp ráp - hệ thống điều khiển các cánh tay máy  Các nhóm khác • cơ cấu tùy động (servo mechanism) • điều khiển trình tự . theo sự kiện . theo thời gian • bộ điều khiển khả trình (programmable controller)  C.B. Pham 1-28
29. Bộ điều khiển số và tương tự  C.B. Pham 1-29
30. Số vs. tương tự Bộ điều khiển tương tự: được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu tương tự; các tín hiệu được cập nhật liên tục. Bộ điều khiển số: được thiết kế từ những mạch xử lý tín hiệu số; các tín hiệu được cập nhật dựa vào xung nhịp.  C.B. Pham 1-30
31. Hệ thống điều khiển quá trình Hê thống điều khiển quá trình duy trì một đại lượng nào đó của quá trình ở giá trị điều chỉnh (mong muốn).  C.B. Pham 1-31
32. Hệ thống điều khiển quá trình Manual control Automatic flow control  C.B. Pham Automatic color control 1-32
33. Hệ thống điều khiển quá trình Individual local controllers Direct computer control system Distributed control system  C.B. Pham 1-33
34. Feed-forward control vs. Feed-back control Example: A continuous, stirred-tank blending systems. The control objective is to blend the two inlet streams to produce an outlet stream that has the desired composition.  C.B. Pham 1-34
35. Feed-forward control vs. Feed-back control • Method 1: Measure x and adjust w2 Feed-back control  C.B. Pham 1-35
36. Feed-forward control vs. Feed-back control • Method 2: Measure x1 and adjust w2 Feed-forward control  C.B. Pham 1-36
37. Hệ thống điều khiển trình tự Hệ thống điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tác được xác định trước. Each operation in the sequence is performed either for a certain amount of time. Time-driven operation  C.B. Pham 1-37
38. Hệ thống điều khiển trình tự Each operation in the sequence is performed until the task is finished. Event-driven operation  C.B. Pham Sequencer used for liquid mixing 1-38
39. Cơ cấu tùy động (servo mechanism) Cơ cấu tùy động là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó đối tượng được điều khiển là vị trí (hay sự chuyển động).  C.B. Pham 1-39
40. Hệ thống điều khiển số Hê thống điều khiển số là một hệ thống sử dụng các lệnh đã xác định trước để điều khiển một loạt các nguyên công.  C.B. Pham 1-40
41. Hệ thống tay máy Pick-and-place robot  C.B. Pham 1-41
42. Hệ thống tay máy Industrial robot Robot là một cánh tay máy khả trình nhằm di chuyển những đối tượng khác nhau theo một trình tự chuyển động xác định để thực hiện  C.B. Pham một nhiệm vụ cụ thể. 1-42