Bài giảng Lý thiết điều khiển tự động - Chương 5: Đánh giá chất lượng hệ thống - Võ Thanh Việt

Nội dung text: Bài giảng Lý thiết điều khiển tự động - Chương 5: Đánh giá chất lượng hệ thống - Võ Thanh Việt

1. BÀI GIẢNG LÝ THIẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Thạc sĩ VÕ THANH VIỆT NĂM 2009
2. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 5.1 Các tiêu chuẩn chất lượng 5.2 Sai số xác lập 5.3 Đáp ứng quá độ 5.4 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ 5.5 Đánh giá chất lượng quá trình quá độ theo đặc tính tần số của hệ thống
3. 5.1 CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG Ổn định là điều kiện cần đối với một hệ thống ĐKTĐ, nhưng chưa phải là đủ để hệ thống được sử dụng trong thực tế. Nhiều yêu cầu đòi hỏi hệ thống phải thỏa mãn được cùng lúc các tiêu chuẩn chất lượng khác nhau như: - Độ chính xác. - Độ ổn định. - Đáp ứng quá độ. - Độ nhậy - Khã năng chống nhiễu Sau đây là một số tiêu chuẩn thường dùng để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển.
4. 5.1 CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG 1- Sai số xác lập Sai số là hiệu số giữa tín hiệu vào và tín hiệu hồi tiếp. Mục đích muốn tín hiệu ra qua vòng hồi tiếp luôn luôn bám được tín hiệu vào mong muốn. Điều đó có nghĩa là sai số xác lập bằng không.
5. 5.1 CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG 2- Độ vọt lố (độ quá điều chỉnh) 3- Thời gian đáp ứng - Thời gian lên đỉnh là thời gian đáp ứng ra đạt giá trị cực đại tp = tpeak - Thời gian quá độ ts = tset xác định bởi thời gian đáp ứng ra từ sau đó trở đi không vượt ra khỏi miền giới hạn sai số quanh giá trị xác lập, ví dụ: có thể là  2%, 5%
6. 5.1 CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG 4- Độ dự trữ ổn định Định nghĩa: Khoản các từ trục ảo đến nghiệm cực gần nhất (nghiệm thực hoặc phức) gọi là độ dự trữ ổn định của hệ. Ký hiệu khoản cách ngắn nhất đó là 0, nếu 0 càng lớn thì quá trình quá độ càng nhanh vầ xác lập. Đáp ứng quá độ của hệ bậc n: Trong đó: Re(pi + 0)  0
7. 5.1 CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG 5- Tiêu chuẩn phân tích Trong thực tế một hệ thống ĐKTĐ được thiết kế phải thỏa mãn yêu cầu ở cả hai chế độ xác lập và quá độ. Quá trình quá độ có thể được đánh giá thông qua giá trị tích phân của sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị tức thời đo dược của đại lượng cần điều chỉnh.
8. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Xét hệ thống hồi tiếp âm có sơ đồ khối như hình vẽ: R(s) C(s) E(s) G(s) H(s) Sai số của hệ thống là:
9. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Sai số xác lập: Sai số xác lập không những phụ thuộc vào cấu trúc và thông số của hệ thống mà còn phụ thuộc vào tín hiệu vào.
10. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP 1- Tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị Đặt hệ số vị trí
11. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP 2- Tín hiệu vào là hàm dốc đơn vị Đặt hệ số vận tốc
12. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP 3- Tín hiệu vào là hàm parapol Đặt hệ số gia tốc
13. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Nhận xét: Tùy theo số khâu tích phân lý tưởng có trong hàm truyền hở G(s)H(s) mà Kp, Kv, Ka có giá trị như bảng sau: Hệ số Số khâu tích phân Hệ số vị trí Hệ số vận tốc Ka trong G(s)H(s) KP Kv 0 Kp 3
14. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Nhận xét: - Nếu G(s)H(s) không có khâu tích phân lý tưởng thì hệ thống kín theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm nấc với sai số: và không theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm dốc và hàm parapol.
15. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Nhận xét: - Nếu G(s)H(s) có một khâu tích phân lý tưởng thì hệ thống kín theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm nấc với sai số exl = 0 và theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm dốc với sai số: và không theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là parapol  hệ thống có một khâu tích phân lý tưởng gọi là hệ vô sai bậc một.
16. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Nhận xét: - Nếu G(s)H(s) có hai khâu tích phân lý tưởng thì hệ thống kín theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm nấc và hàm dốc với sai số exl = 0 và theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm parapol với sai số:  hệ thống có hai khâu tích phân lý tưởng gọi là hệ vô sai bậc hai.
17. 5.2 SAI SỐ XÁC LẬP Nhận xét: - Nếu G(s)H(s) có ba khâu tích phân lý tưởng thì hệ thống kín theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm nấc, hàm dốc và hàm parapol với sai số exl = 0 và theo kịp sự thay đổi của tín hiệu vào là hàm parapol với sai số:  hệ thống có ba khâu tích phân lý tưởng gọi là hệ vô sai bậc ba.  hệ thống có n khâu tích phân lý tưởng gọi là hệ vô sai bậc n.
18. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.1 Hệ quán tính bậc một Hệ thống có sơ đồ khối như sau: R(s) C(s) Hệ thống kín chỉ có một cực:
19. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.1 Hệ quán tính bậc một Đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu vào là hàm nấc c(t) Ims 1+ 1 1- 0,63 Res t -1/T 0 0 T t1 Giảng đồ cực - zero của Đáp ứng quá độ của hệ hệ quán tính bậc nhất quán tính bậc nhất
20. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.1 Hệ quán tính bậc một Nhận xét: - Đáp ứng quá độ của khâu quán tính bậc nhất không có vịt lố. - Thời hằng T là thời điểm c(t) đạt 63,2% giá trị xác lập, T càng nhỏ đáp ứng càng nhanh. - Thời gian xác lập ts (setting time) là thời gian để sai số giữa c(t) và giá trị xác lập nhỏ hơn  ( = 5% hay  = 2% ) - Sai số xác lập bằng không.
21. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Hệ thống có sơ đồ khối như sau: R(s) C(s) Hàm truyền Trong đó:
22. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Hệ thống có cặp nghiệm phức liên hợp: c(t) Im s cmax 1 Re s 0 t 0 ts Giảng đồ cực - zero của Đáp ứng quá độ của hệ hệ dao động bậc hai dao động bậc hai
23. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu vào là hàm nấc Trong độ lệch pha xác định bởi:
24. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Nhận xét: • Đáp ứng quá độ của khâu dao động bậc hai có dạng dao động với biên độ giảm dần: - Nếu  = 0: c(t) = 1- sinnt, đáp ứng của hệ là dao động không suy giảm với tần số n  n gọi là tần số dao động tự nhiên. - Nếu 0 <  <1: đáp ứng của hệ là dao động với biên độ giảm dần  gọi là hệ số tắt (hay hệ số suy giảm),  càng lớn dao động suy giảm càng nhanh.
25. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Nhận xét: • Đáp ứng của khâu dao động bậc hai có vọt lố: Tổng quát, độ vọt lố (POT – Persent of Overshoot) được định nghĩa là: cmax - giá trị cực đại của c(t); cxl - giá trị xác lập c(t) Đối với hệ dao động bậc hai, độ vọt lố POT được tính bởi công thức:
26. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Nhận xét: • Thời gian xác lập ts là thời gian để sai số giữa c(t) và giá trị xác lập nhỏ hơn  ( = 5% hay  = 2%) Đối với hệ bậc hai: - Theo tiêu chuẩn 5%: - Theo tiêu chuẩn 2%:
27. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Nhận xét: • Theo thời gian lên tr (rise time): là thời gian đề c(t) tăng từ 10% đến 90% giá trị xác lập Đối với hệ bậc hai: Chú ý: Nếu   1 ta không gọi là dao động bậc hai vì trong trường hợp này đáp ứng của hệ thống không có dao động.
28. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Nhận xét: • Nếu  = 1 hệ thống kín có một nghiệm kép (thực): Ims Res 0 -n Đáp ứng của hệ thống
29. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.2 Hệ dao động bậc hai Nhận xét: • Nếu  > 1 hệ thống kín có hai nghiệm thực phân biệt: Đáp ứng của hệ thống Ims Res 0 -P2 -P1
30. 5.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 5.3.3 Hệ bậc cao Hệ bậc cao có nhiều hơn hai cực. Đáp ứng tương ứng với các cực nằm càng xa trục ảo suy giảm càng nhanh. Do đó xấp xỉ hệ bậc cao về hệ bậc hai với cặp cực là hai cực nằm gần trục ảo nhất. Cặp cực nằm gần trục ảo nhất của hệ bậc cao gọi là cặp cực quyết định. Cặp cực Ims quyết định Res 0 -P2 -P1 Cặp cực quyết định của hệ bậc cao
31. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 1- Tiêu chuẩn tích phân sai lệch IE (Integrated Error) c(t) (2) (1) 0 t 0 t Tiêu chuẩn IE và IAE
32. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 1- Tiêu chuẩn tích phân sai lệch IE (Integrated Error) Đối với hệ có đáp ứng quá độ không dao động (đường 1 như hình vẽ) thì tiêu chuẩn IE chính là diện tích của hàm sai lệch e(t) tạo với trục thời gian t cần đạt giá trị cực tiểu thì chất lượng đạt tốt nhất. Song đối với đáp ứng quá độ dao động ổn định (đường 2) thì tiêu chuẩn IE không phản ánh đúng chất lượng của hệ thống do có miền diện tích âm đã được trừ bớt đi. Kết quả giá trị tích phân nhỏ nhưng quá trình quá độ xấu . Vì vậy phải sử dụng tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối của sai lệch.
33. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 2- Tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối biên độ sai lệch IAE (Integrated of The Adsolute Magnitude of the Error) Đối với hệ bậc hai: J1  min khi  = 0,707 3- Tiêu cuẩn tích phân của bình phương sai số ISE (Integrated of The Square of the Error) Đối với hệ bậc hai: J1  min khi  = 0,707
34. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 3- Tiêu chuẩn tích phân của bình phương sai số ISE (Integrated of The Square of the Error) ISE xem nhẹ những diện tích bé vì bình phương một số nhỏ hơn 1 bé hơn trị số tuyệt đối của số ấy. Một trong những lý do khiến tiêu chuẩn ISE thường được sử dụng là công việc tính toán và thực hiện đơn giản. Có thể tính ước lượng ISE theo biến đổi Fuorier
35. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 4- Tiêu chuẩn tích phân của thời gian nhân với trị tuyệt đối ITAE (Integrated of Time Multiplied by the Adsolute Value of the Error) Đối với hệ bậc hai: J3  min khi  = 0,707 Trong các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng vừa trình bày ở trên, tiêu chuẩn ITAE được sử dụng nhiều. Để đáp ứng quá độ của hệ thống bậc n là tối ưu theo tiêu chuẩn ITAE thì mẫu số hàm truyền kín hệ bậc n phải có dạng như bảng sau:
36. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ Bậc Mẫu số hàm truyền 1 s + n 2 2 2 s + 1,414ns +  n 3 2 2 3 3 s + 1,75ns + 2.15 ns +  n 4 3 2 2 3 4 4 s + 2.1ns + 3,4 ns + 2,7 ns +  n Hệ số hàm truyền hệ kín có dạng như trên và tử số hàm truyền n hệ kín của hệ bậc n là  n thì đáp ứng quá độ của hệ thống là tối ưu và sai số và sai số xác lập bằng 0.
37. 5.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU HÓA ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 4- Tiêu chuẩn tích phân có tính đến ảnh hưởng của tốc độ thay đổi của sai lệch e(t) Với là hằng số được chọn thích hợp cho từng trường hợp Ví dụ: lớn không cho phép dao động lớn. Ngược lại, nhỏ cho phép quá độ dao động lớn.
38. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG 1- Đánh theo phân bố cực zero của hàm truyền hệ thống kin hoặc theo nghiệm phương trình đặc tính và theo điều kiện ban đầu. 2- Đánh giá theo tiêu chuẩn tích phân. 3- Đánh giá quá trình quá độ theo đặc tính tần số của hệ thống. 4- Tiêu chuẩn tích phân thời gian nhân với trị tuyệt đối của sai số ITAE (Integral of Time Multiplied by the Adsolute Value of error)
39. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG ITAE rút ngắn thời gian quá độ (tính tra bảng) Tần số cắt L( c) = 0 Hoặc  G(j) = 1 với độ nghiên c là -20dB/dec. Độ dự trữ pha M = 30o  60o Thời gian quá độ: Xây dựng phần thực đặc tính tần số hệ kín theo đặc tính biên độ pha của hệ hở (Biểu đồ Nychols)
40. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG Xét hệ hồi tiếp – một đơn vị có đường cong Nyquyst vẽ trên hình sau: Im -1 0  = 0 Re A   2  1 B G(j) Phần thực: C
41. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG Trong đó CB là hình chiếu của vectơ OB lên vectơ AB trong mặt phẳng phức G(j) Đường cong P() = 0 là đường tròn đường kính bằng một tâm nằm trên trục thực có tâm (-1/2, j0) P(a) = 1 P(a) = 0 Im P(a) 1 0 < P(a) < 1
42. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG Phương trình đường cong P() = const = C dễ dàng nhận được bằng cách: Trong đó: Từ đó: Với P() = C ta có phương trình:
43. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG Đây là phương trình của đường tròn có tâm nằm trên trục thực và tâm điểm có tọa độ và bán kính như sau: Tâm: Bán kính: Im P(a) = 1,1 P(a) = 1 P(a) = 0,9 P(a) = 0,8 P(a) = 0,7 0 Re
44. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG Cách xây dựng vòng trong P() = const Im Im -1 Re -1 0 Re  -0,5 0 a 0 G(j)
45. 5.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ THEO ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG Im Re 0 0 Thời gian quá độ được tính gần đúng: 0 là tần số nhỏ nhất mà đường tròn tâm (-1/2,j0) bán kính ½ cắt đường cong Nyquyst G(j) Hoặc 0 có thể xác định là dao điểm đầu tiên của đường cong P() với trục hoành .