LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
CT377
CBGD: TS. Nguyễn Chánh Nghiệm
Đơn vị: Bộ môn Tự động hóa
Email: ncnghiem@ctu.edu.vn
Thông tin học phần
Số tín chỉ: 3
Lý thuyết: 40 tiết
Bài tập/Đồ án: 15 tiết
Học phần tiên quyết:
Toán kỹ thuật (CT138)
Người cùng tham gia giảng dạy:
TS. Nguyễn Văn Mướt
ThS. Nguyễn Thanh Nhã
ThS. Phan Hồng Toàn
2
Thông tin học phần
Mục tiêu học phần:
Trang bị các phương pháp kinh điển để phân tích và
thiết kế hệ thống điều khiển hồi tiếp:
Xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái mô tả
hệ thống.
Phân tích đặc tính động học của hệ thống.
Đánh giá tính ổn định và chất lượng hệ thống điều
khiển.
Thiết kế bộ điều khiển sớm pha, trễ pha, PID.
Sử dụng phần mềm MATLAB trong phân tích và thiết
kế.
Thông tin học phần
Giáo trình
[1] Nguyễn Chí Ngôn, Nguyễn Hoàng Dũng, “Lý thuyết điều khiển tự
động”, NXB Đại học Cần Thơ, 2012.
[2] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, “Lý thuyết điều khiển
tự động”, NXB ĐHQG – TP. Hồ Chí Minh, 2011.
Tài liệu tham khảo
[3] Nguyễn Thị Phương Hà, “Bài tập điều khiển tự động”, NXB
ĐHQG – TP. Hồ Chí Minh, 2009.
[4] Katsuhiko Ogata, “Modern Control Engineering”, Aeeizh, 2002.
[5] Norman S. Nise, “Control system Engineering”, John Wiley &
Sons, 2010.
[6] Control Tutorial for MATLAB & Simulink:
http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?aux=Home
[7] Huỳnh Thái Hoàng, 2011. Bài giảng Cơ sở tự động.
http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/cstd/index.htm
Bài giảng:
https://tinyurl.com/CT377LectureNotes
Thông tin học phần – Lịch giảng dạy dự kiến
Tuần
1
Nội dung
Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển tự động
2-4
Chương 2: Mô tả toán học hệ thống liên tục
5-7
Chương 3: Đặc tính động học của hệ thống
8
Thi giữa kỳ
9 - 11
Chương 4: Khảo sát tính ổn định của hệ thống
12 - 13
Chương 5: Chất lượng của hệ thống điều khiển
14
Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục
15
Ôn tập
16
Thi
Thông tin học phần
Yêu cầu:
Cung cấp thông tin vào link:
https://tinyurl.com/2021HK1-CT377-N3-DanhSach
Cách học:
Đọc các tài liệu có liên quan trước mỗi buổi học
Đi học đầy đủ, giải bài tập trên lớp và ở nhà
Làm việc nhóm, thực hiện đồ án
Sử dụng phần mềm MATLAB để kiểm chứng và mô phỏng
Cách đánh giá:
Bài tập/Điểm danh: 20%
Giữa kỳ: 30% (Tuần 8)
Cuối kỳ: 50%
Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển
Mục tiêu: Sau khi học xong chương này sinh viên
có thể:
Hiểu biết cơ bản về hệ thống điều khiển và hệ thống điều
khiển tự động, đưa ra một số ví dụ
Biết được lịch sử của hệ thống điều khiển và vai trò của nó
Nhận biết được các thành cơ bản của hệ thống điều khiển
Chương 1: Đại cương về hệ thống điều khiển
1.1
Khái niệm điều khiển
1.2
Các nguyên tắc điều khiển
1.3
Phân loại các hệ điều khiển
1.4
Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển
1.5
Một số ví dụ về các phần tử và hệ thống tự động
1.1 Khái niệm điều khiển
Điều khiển là gì?
Thí dụ: Khi lái xe, người lái muốn giữ tốc độ 40 km/h
❖ Mắt:
Quan sát đồng hồ đo tốc độ.
Mục tiêu
=> Thu thập thông tin
❖ Bộ
não: quyết định – cho xe chạy nhanh nếu tốc nhỏ
hơn 40 km/h, hoặc cho xe chạy chậm lại nếu tốc độ
lớn hơn 40 km/h.
=> Xử lý thông tin
❖ Tăng
hoặc giảm tay ga
=> Tác động lên hệ thống
Kết quả: người lái xe điều khiển xe chạy với tốc độ “gần” 40 km/h.
➔ Quá trình điều khiển
1.1 Khái niệm điều khiển
Điều khiển là gì?
Thí dụ: Điều khiển ổn định mực chất lỏng trong bồn.
1.1 Khái niệm điều khiển
Think-Pair-Share:
Hãy cho ví dụ về một quá trình điều khiển
1.1 Khái niệm điều khiển
Điều khiển là gì?
Định nghĩa điều khiển:
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 tiêu định trước.
Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không
cần sự tác động của con người.
1.1 Khái niệm điều khiển
Tại sao cần phải điều khiển?
Đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu.
Muốn tăng độ chính xác.
Muốn tăng năng suất, tăng hiệu quả kinh tế.
1.1 Khái niệm điều khiển
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
r(t)
+-
e(t)
Bộ điều khiển
u(t)
Đối tượng ĐK
y(t)
yht(t)
Cảm biến
Chú thích:
- r(t): tín hiệu đặt, tín hiệu chuẩn, tín hiệu tham chiếu
- y(t): tín hiệu ra, đáp ứng
- yht(t): tín hiệu hồi tiếp
- e(t): sai số
- u(t): tín hiệu điều khiển
1.1 Khái niệm điều khiển
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Đối tượng: trong thực tế, đối tượng điều khiển rất đa dạng,
có thể là:
❖ Cơ
❖ Điện
❖ Nhiệt
❖ Lưu chất
❖ Hóa
❖…
1.1 Khái niệm điều khiển
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Cảm biến: thu thập và xử lý tín hiệu
Cảm biến có thể là loại tiếp xúc hoặc không tiếp xúc, được
dùng để:
❖ Đo nhiệt độ
❖ Đo lực và áp suất
❖ Đo vị trí
❖ Đo lưu lượng
❖ Đo độ rung
❖ Đo vận tốc, gia tốc
❖ …
1.1 Khái niệm điều khiển
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Bộ điều khiển: xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển
❖ Contactor, relay, timer, solenoid
❖ Điều khiển tương tự hoặc điều khiển số
1.1 Khái niệm điều khiển
Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín
Điều khiển vòng hở (Open-loop control) Ví dụ:
r(t)
Bộ điều khiển
u(t)
Đối tượng
y(t)
- Máy giặt
- Đèn giao thông
- Bếp điện
Điều khiển vòng kín (Closed-loop control)
r(t)
+-
e(t)
Bộ điều khiển
u(t)
yht(t)
Cảm biến
Đối tượng
y(t)
Ví dụ:
- Máy điều hòa
- Tủ lạnh
- Máy nước nóng
Hãy cho biết ưu điểm và nhược điểm của 2 loại hệ thống này?
1.1 Khái niệm điều khiển
Hệ thống điều khiển vòng hở
Ưu điểm
❖ Đơn giản và dễ thiết kế
❖ Rẻ hơn do sử dụng ít thành phần xây dựng bộ điều
khiển
❖ Dễ bảo trì và thường ổn định
Nhược điểm
❖ Ít chính xác
❖ Ảnh hưởng bởi nhiễu
❖ Không bền vững (nếu thông số hệ thống thay đổi,
ngõ ra thay đổi)
1.1 Khái niệm điều khiển
Hệ thống điều khiển vòng kín
Ưu điểm
❖ Chính xác hơn
❖ Ít ảnh hưởng bởi nhiễu và khi thông số hệ thống có
thay đổi
❖ Tốc độ đáp ứng nhanh
Nhược điểm
❖ Phức tạp và đắc tiền
❖ Hệ thống có thể dao động
❖ Chi phí bảo trì cao
1.1 Khái niệm điều khiển
Các bài toán cơ bản trong điều khiển tự động:
Phân tích hệ thống: biết trước cấu trúc và thông số, tìm
đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng của hệ thống.
→ Luôn giải được
Thiết kế hệ thống: biết trước cấu trúc và thông số, thiết kế
bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn các yêu cầu về
chất lượng.
→ Có thể giải được
Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số, xác
định cấu trúc và thông số của hệ thống.
→ Không phải lúc nào cũng giải được
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Điều khiển bù nhiễu
n(t)
r(t)
Bộ điều khiển
u(t)
Đối tượng
n(t): tín hiệu nhiễu
y(t)
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu
* Muốn quá trình điều khiển đạt chất lượng cao, cần có:
- Một dòng thông tin từ bộ điều khiển đến đối tượng
- Một dòng thông tin từ đối tượng ngược về bộ điều khiển
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Điều khiển san bằng sai lệch
r(t)
+-
e(t)
Bộ điều khiển
u(t)
yht(t)
Cảm biến
Đối tượng
y(t)
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi
Điều khiển phối hợp
n(t)
r(t)
+-
e(t)
Bộ điều khiển
u(t)
yht(t)
Cảm biến
Đối tượng
y(t)
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng
Đối tượng điều khiển đa dạng nên bộ điều khiển cũng
phải đa dạng phù hợp với đối tượng
Ví dụ:
❖ Điều khiển cân khối lượng cho hệ thống cân bao gạo
và hệ thống cân đóng gói bao thuốc trong y tế.
❖ Điều khiển mực nước trong bồn chứa của khách sạn
và mực chất lỏng trong các dây chuyền sản xuất.
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung ngoài
Một hệ thống luôn chịu tác động qua lại chặt chẽ với môi
trường. Và xem như có một đối tượng chưa biết (hộp đen)
tác động vào hệ thống.
Ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.
Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì không thể
bỏ qua nhiễu của môi trường khi thiết kế bộ điều khiển.
Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ
Cần có lực lượng dự trữ để đảm bảo hệ thống vận hành an
toàn khi các bất trắc xảy ra.
1.2 Các nguyên tắc điều khiển
Nguyên tắc 5: Nguyên tắc phân cấp
Đối với hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều
lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm. Thường sử dụng cấu
trúc cây.
Các hệ thống thường chia thành 3 cấp:
❖ Cấp thực thi
❖ Cấp phối hợp
❖ Cấp tổ chức và quản lý
Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân bằng nội
Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả
năng tự giải quyết những biến động xảy ra.
1.3 Phân loại điều khiển
Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
Hệ thống tuyến tính (Linear Systems): Hệ thống được
gọi là tuyến tính nếu áp dụng được nguyên lý xếp chồng.
Hệ thống phi tuyến (Nonlinear Systems): Hệ thống được
gọi là phi tính nếu không áp dụng được nguyên lý xếp
chồng.
Hệ thống bất biến (Time-Invariant Systems): Hệ số của
phương trình mô tả hệ thống là hằng số.
Hệ thống biến đổi theo thời gian (Time-Varying
Systems): Hệ số của phương trình mô tả hệ thống là một
hàm theo thời gian.
1.3 Phân loại điều khiển
Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống
Hệ thống liên tục (Continuous Systems): hệ thống là liên
tục nếu tín hiệu ngõ vào/ra là thời gian liên tục.
Hệ thống rời rạc (Discrete Systems): hệ thống là liên tục
nếu tín hiệu ngõ vào/ra là thời gian rời rạc.
1.3 Phân loại điều khiển
Phân loại theo số ngõ vào – ngõ ra của hệ thống
Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO: Single Input
– Single Output)
Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO:
Multiple Input – Multiple Output)
Phân loại theo mục tiêu điều khiển
Điều khiển ổn định hóa: tín hiệu vào là hằng số
Điều khiển theo chương trình: tín hiệu vào thay đổi
nhưng biết trước.
Điều khiển theo dõi: tín hiệu vào là hàm không biết trước.
Điều khiển thích nghi
Điều khiển tối ưu – hàm mục tiêu đạt cực trị
1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển
Điều khiển kinh điển
Có từ trước năm 1960
Mô tả hệ thống trong miền tần số và mặt phẳng s
Áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian
Thích hợp điều khiển các hệ 1 ngõ vào – 1 ngõ ra (SISO)
Phương pháp phân tích và thiết kế: Nyquist, Bode và quỹ
đạo nghiệm số
Các bộ điều khiển: sớm pha, trễ pha, PID.
1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển
Điều khiển hiện đại
Phát triển từ khoảng 1960 đến nay
Thiết kế hệ thống dựa trên miền thời gian
Mô tả toán học hệ thống bằng phương trình trạng thái
Áp dụng được cho hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra
(MIMO), thay đổi theo thời gian và cho hệ thống phi tuyến
Bộ điều khiển chủ yếu là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái
1.4 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển
Điều khiển thông minh
Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại được gọi là
điều khiển thông thường.
Khuyết điểm của điều khiển thông thường là phải biết mô
hình toán học của đối tượng.
Các phương pháp điều khiển thông minh: điều khiển mờ,
mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền, …
Các bộ điều khiển thông thường kết hợp với bộ điều
khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai để điều
khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng tốt hơn.
1.5 Một số ví dụ
1.5 Một số ví dụ
Có phải là hệ thống điều khiển tự động không?
Các thành phần của hệ thống?
1.5 Một số ví dụ
Điều khiển thủ công
Điều khiển tự động
1.5 Một số ví dụ
Điều khiển xe tự động
Hướng dẫn tự học
Tìm hiểu về Cruise
control
Ôn tập về MATLAB
(http://ctms.engin.umich.
edu/CTMS/index.php?au
x=Basics_Matlab)
Q&A