Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động
1.1 Các khái niệm cơ bản
· Điều khiển : Điều khiển một hệ thống được hiểu là quá trình thu thập thông tin,
xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho đáp ứng
của hệ đạt mục đích định trước. Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực
tiếp của con người gọi là điều khiển tự động.
Ví dụ 1.1: Xét quá trình lái (điều khiển) một xe máy để xe luôn chạy với tốc độ
ổn định 40 km/h. Để đạt được mục đích này trước hết mắt người lái xe phải quan
sát đồng hồ tốc độ để biết tốc độ hiện tại của xe (thu thập thông tin). Tiếp theo, bộ
não sẽ so sánh tốc độ hiện tại với tốc độ mong muốn và ra quyết định tăng ga nếu
tốc độ <40 km/h và giảm ga nếu tốc độ >40km/h (xử lý thông tin). Cuối cùng tay
người lái xe phải vặn tay ga để thực hiện việc tăng hay giảm ga (tác động vào hệ
thống). Kết quả là tốc độ xe được hiệu chỉnh lại và giữ ổn định như mong muốn.
Trong các hệ thống điều khiển tự động, quá trình điều khiển cũng diễn ra
tương tự nhưng các bộ phận: mắt, bộ não, tay của con người được thay thế bằng các
thiết bị kỹ thuật có chức năng tương ứng.
· Điều khiển học (Cybernetic): Ngành khoa học nghiên cứu các quá trình điều
khiển và truyền thông trong các hệ thống gọi là điều khiển học. Tuỳ theo đặc
điểm của đối tượng nghiên cứu, điều khiển học được chia thành: điều khiển học
kỹ thuật, điều khiển học kinh tế, điều khiển học sinh học,...Trong các ngành kể
trên, điều khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, là ngành phát triển nhất
hiện nay. Trong tài liệu này, chúng ta chỉ đề cập đến các vấn đề của điều khiển
học kỹ thuật.
· Tín hiệu : Thông tin trong hệ thống điều khiển được thể hiện bằng các tín hiệu.
Các tín hiệu có thể là dòng điện, điện áp, lực, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí,
vận tốc,… Mỗi phần tử điều khiển nhận tín hiệu vào từ một số phần tử của hệ
thống và tạo nên tín hiệu ra đưa vào phần tử khác. Hệ thống cũng giao tiếp với
môi trường bên ngoài thông qua các tín hiệu vào, ra của nó. Thay vì tên gọi tín
hiệu vào, tín hiệu ra người ta còn sử dụng khái niệm tác động và đáp ứng với
nghĩa là: khi tác động vào hệ thống một tín hiệu vào thì hệ thống sẽ có đáp ứng
là tín hiệu ra. Thông thường tín hiệu được biểu diễn toán học bằng hàm số của
thời gian. Trong sơ đồ hệ thống, các tín hiệu vào, ra thường được biểu diễn bằng
các mũi tên như trên hình 1.1.
· Điều khiển : Điều khiển một hệ thống được hiểu là quá trình thu thập thông tin,
xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để biến đổi, hiệu chỉnh sao cho đáp ứng
của hệ đạt mục đích định trước. Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực
tiếp của con người gọi là điều khiển tự động.
Ví dụ 1.1: Xét quá trình lái (điều khiển) một xe máy để xe luôn chạy với tốc độ
ổn định 40 km/h. Để đạt được mục đích này trước hết mắt người lái xe phải quan
sát đồng hồ tốc độ để biết tốc độ hiện tại của xe (thu thập thông tin). Tiếp theo, bộ
não sẽ so sánh tốc độ hiện tại với tốc độ mong muốn và ra quyết định tăng ga nếu
tốc độ <40 km/h và giảm ga nếu tốc độ >40km/h (xử lý thông tin). Cuối cùng tay
người lái xe phải vặn tay ga để thực hiện việc tăng hay giảm ga (tác động vào hệ
thống). Kết quả là tốc độ xe được hiệu chỉnh lại và giữ ổn định như mong muốn.
Trong các hệ thống điều khiển tự động, quá trình điều khiển cũng diễn ra
tương tự nhưng các bộ phận: mắt, bộ não, tay của con người được thay thế bằng các
thiết bị kỹ thuật có chức năng tương ứng.
· Điều khiển học (Cybernetic): Ngành khoa học nghiên cứu các quá trình điều
khiển và truyền thông trong các hệ thống gọi là điều khiển học. Tuỳ theo đặc
điểm của đối tượng nghiên cứu, điều khiển học được chia thành: điều khiển học
kỹ thuật, điều khiển học kinh tế, điều khiển học sinh học,...Trong các ngành kể
trên, điều khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, là ngành phát triển nhất
hiện nay. Trong tài liệu này, chúng ta chỉ đề cập đến các vấn đề của điều khiển
học kỹ thuật.
· Tín hiệu : Thông tin trong hệ thống điều khiển được thể hiện bằng các tín hiệu.
Các tín hiệu có thể là dòng điện, điện áp, lực, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí,
vận tốc,… Mỗi phần tử điều khiển nhận tín hiệu vào từ một số phần tử của hệ
thống và tạo nên tín hiệu ra đưa vào phần tử khác. Hệ thống cũng giao tiếp với
môi trường bên ngoài thông qua các tín hiệu vào, ra của nó. Thay vì tên gọi tín
hiệu vào, tín hiệu ra người ta còn sử dụng khái niệm tác động và đáp ứng với
nghĩa là: khi tác động vào hệ thống một tín hiệu vào thì hệ thống sẽ có đáp ứng
là tín hiệu ra. Thông thường tín hiệu được biểu diễn toán học bằng hàm số của
thời gian. Trong sơ đồ hệ thống, các tín hiệu vào, ra thường được biểu diễn bằng
các mũi tên như trên hình 1.1.
12 trang
08/11/2022
2840
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dieu_khien_tu_dong_chuong_1_tong_quan_ve.pdf
Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1: Tổng quan về điều khiển tự động
- Điều khiển một máy trộn (hình 1.11) là duy trì một hỗn hợp của hai chất A và B sao cho nồng độ của chúng không đổi. Hai chất A và B được đưa vào thùng trộn và được máy trộn khuấy đều để cho ra một hỗn hợp C có tỉ lệ % thành phần A đúng theo giá trị đặt trước. Bộ đo nồng độ là một máy phân tích để xác định tỉ lệ phần trăm của thành phần A trong hỗn hợp C và cho ra tín hiệu dòng điện tương ứng từ 4÷20 mA. Tín hiệu này dẫn về bộ điều khiển bằng điện tử tạo nên một tín hiệu điều khiển tác động vào van (thông qua bộ điều khiển van) để khống chế lưu lượng chất A chảy vào thùng trộn. 4) Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 1.12 giới thiệu sơ đồ một hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung điện. Nhiệt độ trong lò là đại lượng liên tục. Nhiệt độ này được đo bằng cảm biến, sau đó chuyển thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi liên tục/số (A/D - Analog/Digital) và đưa vào máy tính thông qua mạch giao tiếp. Nhiệt độ yêu cầu cũng là dạng tín hiệu số và được đặt chỉnh bằng chương trình phần mềm. Máy tính so sánh nhiệt độ hồi tiếp với nhiệt độ đặt và nếu có sai lệch thì máy tính sẽ xuất tín hiệu điều khiển mạch nung thông qua giao tiếp, khuếch đại, rơle cấp điện cho điện trở nung hoặc quạt làm mát trong lò. Cảm biến Giao A/D tiếp Lò nhiệt Chương Khuếch Giao Rơle trình đại tiếp Bộ nung Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ 11
- 1.7 Sơ lược lịch sử phát triển - Năm 1765, Polzunov chế tạo bộ điều chỉnh mức nước nồi hơi. Năm 1784, James Watt chế tạo bộ điều tốc ly tâm để điều chỉnh tốc độ máy hơi nước. Các sáng chế này được xem là các cơ cấu tự động xuất hiện đầu tiên trong công nghiệp. - Năm 1868, Maxwell phát triển phương trình vi phân cho bộ điều tốc, tuyến tính hóa tại điểm cân bằng và chứng minh tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào các nghiệm có phần thực âm của phương trình đặc tính. Các tiêu chuẩn ổn định cho hệ tuyến tính được phát triển bởi Routh (1877) và Hurwitz (1895) Năm 1922, Minorsky là người đặt nền móng cho lý thuyết điều khiển tự động tàu thuỷ. Năm 1917, O.Block đã sử dụng lý thuyết vectơ và hàm biến phức vào việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động. Trên cơ sở đó, Nyquist (1932) đã đưa ra phương pháp đồ thị để xác định tính ổn định của hệ thống kín từ đáp ứng tần số của hệ hở với tín hiệu vào hình sin. - Trong suốt thập niên 1940, phương pháp đáp ứng tần số, đặc biệt là phương pháp biểu đồ Bode, đã được sử dụng rộng rãi để phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển vòng kín tuyến tính. Từ cuối thập niên 1940 đến đầu thập niên 1950, Evans phát triển và hoàn chỉnh phương pháp quỹ đạo nghiệm. Đây là hai phương pháp cốt lõi của lý thuyết điều khiển cổ điển, cho phép thiết kế được những hệ thống điều khiển ổn định và đáp ứng được các yêu cầu điều khiển cơ bản, các bộ điều khiển được thiết kế chủ yếu là bộ PID và bộ điều khiển sớm trễ pha. Lý thuyết điều khiển cổ điển (trước 1960) chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến với một ngõ vào - một ngõ ra . - Từ khoảng 1960, sự xuất hiện của máy tính số và lý thuyết điều khiển số đã tạo điều kiện cho sự ra đời lý thuyết điều khiển hiện đại dựa trên sự phân tích và tổng hợp đáp ứng thời gian sử dụng biến trạng thái. Lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số. Điều này cho phép thiết kế các hệ thống phức tạp nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra với chất lượng điều khiển cao. - Trong những thập niên gần đây lý thuyết điều khiển hiện đại phát triển theo các hướng: điều khiển tối ưu các hệ tiền định và ngẫu nhiên, điều khiển thích nghi và điều khiển thông minh. Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền 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 khả năng ứng dụng thực tế rất lớn. Xu hướng kết hợp các phương pháp điều khiển trong một hệ thống điều khiển cũng được phát triển với sự trợ giúp của máy tính số. Ngày nay, lý thuyết điều khiển cổ điển vẫn giữ vai trò quan trọng. Nó cung cấp các kiến thức cơ bản để làm nền tảng cho việc tiếp cận các hệ thống điều khiển hiện đại, ngày càng phức tạp hơn. 12
