Ch 1: Các khái ni ệ m và n g u y ên l ý cơ bản ệ gy ý © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-1 1.1. Giới thiệu 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 hê thống. Denis Papin ’ s water float regulator Wall ’ sfly - ball governor © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-2 Denis Papin s water float regulator Wall s fly ball governor 1.2. Sơ đồ khối và hàm tru y ền đạt y 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 Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-3 1.2. Sơ đồ khối và hàm tru y ền đạt y © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-4 1.2. Sơ đồ khối và hàm tru y ền đạt y Hàm tru y ền đạt y - là mối quan hệ toán học giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của phần tử: x(t) y(t) TF = © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-5 1.3. Hệ thốn g điều khiển vòn g hở g g Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển không có phụ ấ thuộc vào b ấ t kỳ tín hiệu nào từ quá trình. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-6 1.3. Hệ thốn g điều khiển vòn g hở g g Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten -Vị trí ban đầu: 0 0 -Vị trí mong muốn: 30 0 - Động cơ: 1 0 /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 30 0 . © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-7 1.3. Hệ thốn g điều khiển vòn g hở Thí dụ: xét một hệ thống hở như sau: g g 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 Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-8 Velocity 0.05 0.5 100 12 30 m/min 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín g g Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào ố ồ sự sai lệch giữa tín hiệu mong mu ố n và tín hiệu phản h ồ i. Ba thao tác chính của một hệ thống vòng kín - Đo lường: đo giá trị của biến được điều khiển - Ra quyết định: tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để ra quyết định điều khiển - Tác động: sử dụng giá trị điều khiển để tác động những biến khác trong quá trình theo hướng làm giảmgiátrị sai lệch © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-9 hướng làm giảm giá trị sai lệch . 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín g g ể ề ế ề ể ế ể • Quá trình: đại diện cho quá trình vật lý bị ảnh hưởng bởi cơ cấu tác động. • Đ i ể m đi ề u chỉnh, bi ế n được đi ề u khi ể n, bi ế n được đo, và đi ể m sai lệch. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-10 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín g g •Bộ cảm biến: thực hiện đo giá trị thực của biến được điều khiển, biến đổi thành một đại lượng có thể sử dụng được và phản hồi về bộ điểu khiển. • Bộ điều khiển (bao gồm cả bộ so sánh): thực hiện cơ chế điều khiển thích hợp nhằm làm giảmgiátrị sai lệch làm giảm giá trị sai lệch . • Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều khiển thành tín hiệu tác động. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-11 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten g g -Vị trí ban đầu: 0 0 -Vị trí mong muốn: 30 0 (→ x d ) - Động cơ: 1 0 /sec (ở điện áp định mức v s ) -Cảm biến góc: 10V / 360 0 (→ x a ) Tín hiệu điều khiển v c được xác định tùy theo cơ chế điều khiển: x a ≠ x d x a = x d v c =nếu v s 0 v c = C(x d −x a ) Vị trí anten được điều khiển chính xác hơn bất chấp độ ổn định của động cơ cũng như độ chính xác củabộ truyềncơ khí © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-12 độ chính xác của bộ truyền cơ khí . 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín g g Thí dụ: xét sơ đồ một hệ thống kín điều khiển vị trí bàn máy như sau: Khảo sát sự chuyển động của bàn máy khi bàn máy dịch chuyển từ vị trí 0.4 m (ban đầu) san g bên p hải ở v ị trí 0.64 m. Giả sử thời g ian lấ y mẫu (p hản hồi ) là 0.1 g iâ y . © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-13 gp ị g y (p )gy 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín g g G 1 = 2 G 1 = 25 T (s) V i (V) V f (V) V e (V) ∆P (mm) Pos (mm) 2.5 2.5 0 0 400 00 4 25 15 0 400 T (s) V i (V) V f (V) V e (V) ∆P (mm) Pos (mm) 2.5 2.5 0 0 400 00 4 25 15 0 400 G 1 2 G 1 2 . 5 0 . 0 4 2 . 5 1 . 5 0 400 0.1 4 2.5 1.5 2.250 402.250 0.2 4 2.514 1.486 2.229 404.479 0.3 4 2.528 1.472 2.208 406.687 0 . 0 4 2 . 5 1 . 5 0 400 0.1 4 2.5 1.5 2.813 402.813 0.2 4 2.518 1.482 2.779 405.592 0.3 4 2.535 1.465 2.747 408.339 0.3 4 2.528 1.472 2.208 406.687 0.4 4 2.542 1.458 2.187 408.874 0.5 4 2.555 1.445 2.167 411.041 :: : : : : 0.3 4 2.535 1.465 2.747 408.339 0.4 4 2.552 1.448 2.715 411.054 0.5 4 2.569 1.431 2.683 413.737 :: : : : : © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-14 60.0 4 3.995 0.005 0.008 639.157 48.0 4 3.995 0.005 0.01 639.163 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín Hệ thốn g điều khiển vòn g hở Hệ thốn g điều khiển vòn g kín g g g g g g - đơn giản và chi phí đầu tư thấp - không kiểm soát được giá trị thực tế -phức tạp và chi phí đầu tư cao -có thể điểu khiển được giá trị thực tế -có thể ứng dụng khi đặc tính làm việc của những cơ cấu tác động và quá trình tương đối ổn định - giá trị thực tế luôn ổn định bất chấp đặc tính làm của những cơ cấu tác động và quá trình. -thường xuyên thực hiện quá trình cân chỉnh hệ thống -thỉnh thoảng chỉ cần kiểm tra đặc tính làm việc của bộ cảm biến © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-15 1.5. Tu y ến tính và phi tu y ến y y 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 Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-16 1.5. Tu y ến tính và phi tu y ến y y • 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 Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-17 1.5. Tu y ến tính và phi tu y ến y y • 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 Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-18 1.5. Tu y ến tính và phi tu y ến y y • Bảo hòa: là giới hạn của một dãy các giá trị tín hiệu ra Y. Linear element with a saturation nonlinearity © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-19 1.6. 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 Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 1-20 [...]... C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 39 Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển g Hệ thống điều khiển tốc độ g (bằng điện) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 40 Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển g Hệ thống điều khiển mực nước g © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 41 Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển g Hệ thống điều khiển nhiệt độ g © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 42 ... Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 27 Bộ điều khiển số và tương tự g © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 28 Bộ điều khiển số và tương tự g Bộ điều khiển tương tự g - 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 Kỹ thuật điều khiển tự. .. điều khiển là vị trí (hay sự chuyển động) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 34 Hệ thống điều khiển số g 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 Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 35 Hệ thống tay máy g y y Pick-and-place robot p © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 36 Hệ thống tay máy g y y Industrial robot Robot... tự động 1- 29 Hệ thống điều khiển quá trình g 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 Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 30 Hệ thống điều khiển quá trình g © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 31 Hệ thống điều khiển quá trình g Individual local controllers Direct computer control system Distributed control system © C.B Pham Kỹ. .. mong muốn không xảy ra độ vọt lố © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 24 1. 9 Đơn giản sơ đồ khối g Hàm truyền ủ Hà t ề của hệ thống vòng hở thố ò hở: Hàm truyền của hệ thống vòng kín: © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 25 1. 10 Phân loại hệ thống điều khiển g Hê thống điều khiển rất đa dạng, nó tùy thuộc vào đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển, điều kiện sử dụng … Mạch phản hồi • không... Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 32 Hệ thống điều khiển trình tự g Time-driven operation Event-driven operation g Hệ thống điều khiển trình tự thực hiện một loạt các thao tác được xác định trước © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 33 Cơ cấu tùy động ( y g (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) ©... tương tự • rời rạc → hệ thống số Giá trị điều chỉnh • ít thay đổi → hệ thống điều chỉnh (regulator system) • thay đổi liên tục → hệ thống tùy động (follow-up system) 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 ầ ấ ế ấ ố ề ể ố © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 26 1. 10 Phân... 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 Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 22 1. 8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển g g • Tích phân sai lệch tối thiểu: xác định tổng diện tích nằm dưới đường cong sai lệch phải là tối thiểu © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 23 1. 8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển g g •... một trình tự chuyển động xác định để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể thể © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 37 Hệ thống tay máy g y y Tế bào sản xuất Là sự kết hợp giữa một nhóm các máy công cụ và một nhóm các cánh tay máy nhằm làm tăng hiệu quả sản xuất một loại sản phẩm đặc biệt nào đó © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 38 Vài thí dụ về các hệ thống điều khiển g Hệ thống điều khiển tốc.. .1. 7 Mục tiêu của hệ thống điều khiển g 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 ể • Giảm thiểu độ sai lệch dư © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 1- 21 1.8 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển g g Phương pháp kiểm nghiệm thường dùng là thay đổi giá trị điều chỉnh . 4 2.555 1. 445 2 .16 7 411 .0 41 :: : : : : 0.3 4 2.535 1. 465 2.747 408.339 0.4 4 2.552 1. 448 2. 715 411 .054 0.5 4 2.569 1. 4 31 2.683 413 .737 :: : : : : © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 1- 14 60.0. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 1- 38 Vài thí dụ về các hệ thốn g điều khiển g Hệ thốn g điều khiển tốc độ g (bằng cơ khí) © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 1- 39 Vài thí dụ về các hệ thốn g điều. lệch . • Cơ cấu tác động: biến đổi tín hiệu điều khiển thành tín hiệu tác động. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 1- 11 1.4. Hệ thốn g điều khiển vòn g kín Thí dụ: hệ thống điều khiển vị trí anten g