Chuong1 cstd

Moân hoïc Moân hoïc

CÔ SÔÛ TÖÏ ÑOÄNGCÔ SÔÛ TÖÏ ÑOÄNG

Biên soạn: TS. Huỳnh Thái Hoàngề ểBộ môn điều khiển tự động

Khoa Điện – Điện TửĐại học Bách Khoa TPHCM

Email: [email protected]: www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/

Giảng viên: HTHoàng, NVHảo, NĐHoàng, BTHuyền, HHPhương, HMTrí

9 September 2011 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1

Ch 1 Giới hiệ ề hệ hố điề khiể độ

Noäi dung moân hoïcNoäi dung moân hoïc

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống điều khiển tự động

Chương 2: Mô hình toán học hệ thống liên tục

Chương 3: Đặc tính động học

Chương 4: Đánh giá tính ổn định của hệ thống

Chương 5: Chất lượng của hệ thống điều khiển

Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển liên tục

Chương 7: Mô tả toán học hệ rời rạc

Chương 8: Phân tích hệ rời rạc

Chương 9: Thiết kế hệ rời rạc

Chương 10: Ứng dụng


Gi ù h ù h á ñi à khi å ñ

Taøi lieäu tham khaûoTaøi lieäu tham khaûo

Giaùo trình: Lyù thuyeát ñieàu khieån töï ñoängNguyeãn Thò Phöông Haø – Huyønh Thaùi HoaøngNXB Ñaïi hoïc Quoác Gia TPHCMï ï Q

Baøi taäp: Baøi taäp ñieàu khieån töï ñoängNguyeãn Thò Phöông HaøNguyen Thò Phöông HaNXB Ñaïi hoïc Quoác Gia TPHCM

Th kh û á û ù øi li ä ù ù ø kh ù Tham khaûo: taát caû caùc taøi lieäu coù caùc töø khoùa:control, control theory, control system, feedback control

TD: Automatic Control Systems, B. C. Kuo.yModern Control Engineering, K. Otaga.Modern Control System Theory and Design, S.M. ShinnersFeedback Control Systems J V De Vegte


Feedback Control Systems, J.V.De Vegte.

Chöông 1Chöông 1

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNGGIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNGGIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNGGIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG


Khái iệ điề khiể

Noäi dung chöông 1Noäi dung chöông 1

Khái niệm điều khiển Các nguyên tắc điều khiển Các phần tử trong hệ thống điều khiển tự động Các phần tử trong hệ thống điều khiển tự động Phân loại hệ thống điều khiển tự động Một số ví dụ về các hệ thống điều khiểnộ số v dụ về c c ệ ố g đ ều ể


à à åà à åKhaùi nieäm veà ñieàu khieånKhaùi nieäm veà ñieàu khieån


Thí d 1 L ùi ti â iöõ t á ñ ä å ñò h 40k /h

Khaùi nieäm veà ñieàu khieånKhaùi nieäm veà ñieàu khieån

Thí duï 1: Laùi xe, muïc tieâu giöõ toác ñoä xe oån ñònh v=40km/hMaét quan saùt ñoàng hoà ño toác ñoä

thu thaäp thoâng tin.äp gBoä naõo ñieàu khieån taêng toác neáu v<40km/h,

giaûm toác neáu v>40km/h û xöû lyù thoâng tin

Tay giaûm ga hoaëc taêng ga taùc ñoäng leân heä thoáng tac ñoäng len heä thong

Keát quaû cuûa quaù trình ñieàu khieån treân: xe chaïy vôùi toác ñoä “gaàn” baèng 40km/h.

Ñònh nghóa: Ñieàu khieån laø quaù trình thu thaäp thoâng tin, xöû lyùthoâng tin vaø taùc ñoäng leân heä thoáng ñeå ñaùp öùng cuûa heä thoáng“gaàn” vôùi muïc ñích ñònh tröôùc. Ñieàu khieån töï ñoäng laø quaù trình


g ï ò ï ä g qñieàu khieån khoâng coù söï taùc ñoäng cuûa con ngöôøi.

Heä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûng ñôn giaûnHeä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûng ñôn giaûn


Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô hôi nöôùcÑieàu khieån toác ñoä ñoäng cô hôi nöôùc


Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô hôi nöôùcÑieàu khieån toác ñoä ñoäng cô hôi nöôùc


ù ù û h h á kh h û à

Taïi sao caàn phaûi ñieàu khieån töï ñoängTaïi sao caàn phaûi ñieàu khieån töï ñoäng

Ñaùp öùng cuûa heä thoáng khoâng thoûa maõn yeâu caàu

Taêng ñoä chính xaùc

Taêng hieäu quaû kinh teá


Caùc thaønh phaàn cô baûn cuûa heä thoáng ñieàu khieånCaùc thaønh phaàn cô baûn cuûa heä thoáng ñieàu khieån

3 h ø h h à b û ñ ái b ñi à khi å û bi á3 thaønh phaàn cô baûn: ñoái töôïng, boä ñieàu khieån, caûm bieán

Bộ điều khiểny(t)r(t)

Đối tượngu(t)e(t)

Bộ điều khiển Đối tượng

ế

yht(t)

Cảm biến

Các ký hiệu viết tắt:Các ký hiệu viết tắt: r(t): tín hiệu đặt hay tín hiệu chuẩn u(t): tín hiệu và của đối tượng điều khiển (t): tín hiệu ra của đối tượng điều khiển y(t): tín hiệu ra của đối tượng điều khiển yht(t): tín hiệu hồi tiếp e(t): sai số


Ñoái töôïngÑoái töôïng

Raát ña dang Rat ña daïng

Caùc lôùp ñoái töôïng cô baûn:

Ñieän Ñieän

Cô

Nhi ät Nhieät

Löu chaát

Hoùa

Heä thoáng thöïc teá coù theå bao goàm trong noù nhieàu quaù trình côbaûnban


Caûm bieánCaûm bieán

Caûm bieán nhieät ñoä Cam bien nhieät ñoä Caûm bieán vò trí Caûm bieán toác ñoä Cam bien toc ñoä Caûm bieán gia toác Caûm bieán khoaûng caùchg Caûm bieán löu löôïng Caûm bieán möùc Caûm bieán aùp suaát Caûm bieán löïc Caûm bieán maøu saéc Caûm bieán noàng ñoä,...


Boä ñieàu khieånBoä ñieàu khieån

Cô Cô

Ñieän

Ñieàu khieån töông tö (analog) Ñieu khien töông töï (analog)

Ñieàu khieån soá (digital)

Ñi à khi å d ø i öû l ù i ñi à khi å DSP Ñieàu khieån duøng vi xöû lyù, vi ñieàu khieån, DSP

Ñieàu khieån duøng maùy tính

à å à å Ñieàu khieån duøng caùc boä ñieàu khieån laäp trình (PLC)


Caùc baøi toaùn cô baûn trong lónh vöïc ñieàu khieån töï ñoängCaùc baøi toaùn cô baûn trong lónh vöïc ñieàu khieån töï ñoäng

Ph í h h h á Ch h h á ñ ñ bi á á ù ø Phaân tích heä thoáng: Cho heä thoáng töï ñoäng ñaõ bieát caáu truùc vaøthoâng soá. Baøi toaùn ñaët ra laø tìm ñaùp öùng cuûa heä thoáng vaø ñaùnhgiaù chaát löôïng cuûa heä.g ï g ä

Thieát keá heä thoáng: Bieát caáu truùc vaø thoâng soá cuûa ñoái töôïngñieàu khieån. Baøi toaùn ñaët ra laø thieát keá boä ñieàu khieån ñeå ñöôïch ä th á th û õ ù â à à h át löôheä thong thoa man cac yeu cau ve chat löôïng.

Nhaän daïng heä thoáng: Chöa bieát caáu truùc vaø thoâng soá cuûa heäthoáng. Vaán ñeà daët ra laø xaùc ñònh caáu truùc vaø thoâng soá cuûa heäg ë ò g äthoáng.

áMoân hoïc Cô sôû tự động chæ giaûi quyeát baøi toaùn phaân tích heäthoáng vaø thieát keá heä thoáng. Baøi toaùn nhaän daïng heä thoáng seõñöôc nghieân cöùu trong moân hoc khaùc.


ï g g ï

Caùc nguyeân taéc ñieàu khieånCaùc nguyeân taéc ñieàu khieån


Nguyeân taéc 1Nguyeân taéc 1:: Nguyeân taéc thoâng tin phaûn hoàiNguyeân taéc thoâng tin phaûn hoài

á h h á ñi à khi å ù h á l h b é b h ûi Muoán heä thoáng ñieàu khieån coù chaát löôïng cao thì baét buoäc phaûicoù phaûi hoài thoâng tin, töùc phaûi coù ño löôøng caùc tín hieäu töø ñoáitöôïng.ï g

Caùc sô ñoà ñieàu khieån döïa treân nguyeân taéc phaûn hoài thoâng tin: Ñieàu khieån buø nhieãu Ñieàu khieån san baèng sai leäch

Ñi à khi å h ái h Ñieàu khieån phoái hôïp


Nguyeân taéc 1Nguyeân taéc 1:: Nguyeân taéc thoâng tin phaûn hoài (tt)Nguyeân taéc thoâng tin phaûn hoài (tt)

S ñ à ñi à khi å b ø hi ã Sô ñoà ñieàu khieån buø nhieãu

n(t)

Bộ điề khiểy(t)r(t)

Đối tu(t)

n(t)

Bộ điều khiểny( )( )

Đối tượng( )



S ñ à ñi à khi å b è i l h Sô ñoà ñieàu khieån san baèng sai leächn(t)



Cảm biến

yht(t)



S ñ à ñi à khi å k á h Sô ñoà ñieàu khieån keát hôïp

n(t)

y(t)r(t) u(t)e(t)

n(t)



yht(t)

Cảm biến


Nguyeân taéc 2Nguyeân taéc 2:: Nguyeân taéc ña daïng töông xöùngNguyeân taéc ña daïng töông xöùng

á ù h ñi à khi å ù h á l h ñ d û b Muoán quaù trình ñieàu khieån coù chaát löôïng thì söï ña daïng cuûa boäñieàu khieån phaûi töông xöùng vôùi söï ña daïng cuûa ñoái töôïng. Tính ñadaïng cuûa boä ñieàu khieån theå hieän ôû khaû naêng thu thaäp thoâng tin,ï g ä ä g äp g ,löu tröõ thoâng tin, truyeàn tin, phaân tích xöû lyù, choïn quyeát ñònh,...

YÙ nghóa: Caàn thieát keá boä ñieàu khieån phuø hôïp vôùi ñoái töôïng.à á à å à Thí duï: Haõy so saùnh yeâu caàu chaát löôïng ñieàu khieån vaø boä ñieàu

khieån söû duïng trong caùc heä thoáng sau: Ñieàu khieån nhieät ñoä baøn uûi (chaáp nhaän sai soá lôùn) vôùi ñieàu Ñieu khien nhieät ñoä ban ui (chap nhaän sai so lôn) vôi ñieu

khieån nhieät ñoä loø saáy (khoâng chaáp nhaän sai soá lôùn). Ñieàu khieån möïc nöôùc trong boàn chöùa cuûa khaùch saïn (chæ caàn

à à å áñaûm baûo luoân coù nöôùc trong boàn) vôùi ñieàu khieån möïc chaátloûng trong caùc daây chuyeàn saûn xuaát (möïc chaát loûng caàn giöõkhoâng ñoåi).


g ) …

Nguyeân taéc 3Nguyeân taéc 3:: Nguyeân taéc boå sung ngoaøiNguyeân taéc boå sung ngoaøi

Moät heä thoáng luoân toàn taïi vaø hoaït ñoäng trong moâi tröôøng cuï theåvaø coù taùc ñoäng qua laïi chaët cheõ vôùi moâi tröôøng ñoù. Nguyeân taéc boåä g q ï ë g g ysung ngoaøi thöøa nhaäân coù moät ñoái töôïng chöa bieát (hoäp ñen) taùcñoäng vaøo heä thoáng vaø ta phaûi ñieàu khieån caû heä thoáng laãn hoäp ñen.

YÙ hó Khi thi át k á h ä th á tö ñ ä á h ä th á ù ù Y nghóa: Khi thieát keá heä thoáng töï ñoäng, muoán heä thoáng coù coùchaát löôïng cao thì khoâng theå boû qua nhieãu


Nguyeân taéc 4Nguyeân taéc 4:: Nguyeân taéc döï tröõNguyeân taéc döï tröõ

Vì nguyeân taéc 3 luoân coi thoâng tin chöa ñaày ñuû phaûi ñeà phoøng caùcbaát traéc xaûy ra vaø khoâng ñöôïc duøng toaøn boä löïc löôïng trong ñieàuy g ï g ä ï ï g gkieän bình thöôøng. Voán döï tröõ khoâng söû duïng, nhöng caàn ñeå ñaûmbaûo cho heä thoáng vaän haønh an toaøn.


Nguyeân taéc 5Nguyeân taéc 5: : Nguyeân taéc phaân caápNguyeân taéc phaân caáp

Moät heä thoáng ñieàu khieån phöùc taïp caàn xaây döïng nhieàu lôùp ñieàukhieån boå sung cho trung taâm. Caáu truùc phaân caáp thöôøng söû duïnglaø caáu truùc hình caây.la cau truc hình cay.

Ña soá heä thoáng ñieàu khieån trong caùc daây chuyeàn saûn suaát hieännay coù theå chia laøm 3 caáp:nay co the chia lam 3 cap: Caáp thöïc thi: ñieàu khieån thieát bò, ñoïc tín hieäu töø caûm bieán. Caáp phoái hôpCap phoi hôïp Caáp toå chöùc vaø quaûn lyù



Thí du: Heä SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)Thí duï: Heä SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)



Thí du: Heä thoáng saûn xuaát linh hoat (FMS)Thí duï: Heä thong san xuat linh hoaït (FMS)


Nguyeân taéc 6Nguyeân taéc 6:: Nguyeân taéc caân baèng noäiNguyeân taéc caân baèng noäi

Moãi heä thoáng caàn xaây döïng cô cheá caân baèng noäi ñeå coù khaû naêngtöï giaûi quyeát nhöõng bieán ñoäng xaûy ra.ï g q y g ä g y


Phaân loaïi heä thoáng ñieàu khieånPhaân loaïi heä thoáng ñieàu khieån


Phaân loaïi döïa treân moâ taû toaùn hoïc cuûa heä thoángPhaân loaïi döïa treân moâ taû toaùn hoïc cuûa heä thoáng

á á û è Heä thoáng lieân tuïc: Heä thoáng lieân tuïc ñöôïc moâ taû baèng phöôngtrình vi phaân.Heä thoáng rôøi rac: Heä thoáng rôøi rac ñöôc moâ taû baèng phöôngHeä thong rôi raïc: Heä thong rôi raïc ñöôïc mo ta bang phöôngtrình sai phaân.

Heä thoáng tuyeán tính: heä thoáng ñöôïc moâ taû bôûi heä phöông trình viáphaân/sai phaân tuyeán tính.

Heä thoáng phi tuyeán: heä thoáng moâ taû bôûi heä phöông trình viphaân/sai phaân phi tuyeánphan/sai phan phi tuyen.

Heä thoáng baát bieán theo thôøi gian: heä soá cuûa phöông trình viphaân/ sai phaân moâ taû heä thoáng khoâng ñoåi.Heä thoáng bieán ñoåi theo thôøi gian: heä soá cuûa phöông trình viphaân/ sai phaân moâ taû heä thoáng thay ñoåi theo thôøi gian.


Phaân loaïi döïa treân soá ngoõ vaøo Phaân loaïi döïa treân soá ngoõ vaøo –– ngoõ ra heä thoángngoõ ra heä thoáng

Heä thoáng moät ngoõ vaøo – moät ngoõ ra (heä SISO): (Single Input –Single Output).Heä thoáng nhieàu ngoõ vaøo nhieàu ngoõ ra (heä MIMO): (MultiHeä thong nhieu ngo vao – nhieu ngo ra (heä MIMO): (MultiInput – Multi Output).

Ña soá caùc heä thoáng trong thöïc teá ñeàu laø heä phi tuyeán bieán ñoåitheo thôøi gian, nhieàu ngoõ vaøo, nhieàu ngoõ ra.Moân hoc Cô sôû tö ñoäng chæ ñeà caäp ñeán lyù thuyeát ñieàu khieån heäMon hoïc Cô sô töï ñoäng chæ ñe caäp ñen ly thuyet ñieu khien heätuyeán tính baát bieán, moät ngoõ vaøo, moät ngoõ ra


Phaân loaïi theo chieán löôïc ñieàu khieånPhaân loaïi theo chieán löôïc ñieàu khieån

Muïc tieâu ñieàu khieån thöôøng gaëp nhaát laø sai soá giöõa tín hieäu ra vaøtín hieäu vaøo chuaån caøng nhoû caøng toát. Tuøy theo daïng tín hieäu vaøomaø ta coù caùc loai ñieàu khieån sau:ma ta co cac loaïi ñieu khien sau:

Ñieàu khieån oån ñònh hoùa: Neáu tín hieäu chuaån r(t) = const, ta goïilaø ñieàu khieån oån ñònh hoùa.

Ñi à khi å th hö t ì h Tí hi ä ø ( ) l ø h ø h ñ åi Ñieàu khieån theo chöông trình: Tín hieäu vaøo r(t) laø haøm thay ñoåitheo thôøi gian nhöng ñaõ bieát tröôùc.

Ñieàu khieån theo doõi: Tín hieäu vaøo r(t) laø haøm khoâng bieát tröôùctheo thôøi gian.


Lòch söû phaùt trieån lyù thuyeát ñieàu khieånLòch söû phaùt trieån lyù thuyeát ñieàu khieån

Ñieàu khieån kinh ñieån Ñieàu khieån hieän ñaïi Ñi à khi å th â i h Ñieàu khieån thoâng minh


Ñieàu khieån kinh ñieånÑieàu khieån kinh ñieån

Moâ taû toaùn hoïc duøng ñeå phaân tích vaø thieát keá heä thoáng laø haømtruyeàn.

Ñaëc ñieåm: Ñaëc ñiem: Ñôn giaûn AÙp dung thuaän lôi cho heä thoáng tuyeán tính baát bieán moät ngoõp ï g ä ï ä g y ä g

vaøo, moät ngoõ ra. Kyõ thuaät thieát keá trong mieàn taàn soá.

Caùc phöông phaùp phaân tích vaø thieát keá heä thoáng: Quyõ ñaïo nghieäm soá. Ñ ë tí h t à á bi å ñ à N i t bi å ñ à B d Ñaëc tính taàn soá: bieåu ñoà Nyquist, bieåu ñoà Bode.

Boä ñieàu khieån: Sôùm treå pha


Sôm tre pha PID (Proportional – Integral – Derivative)

Ñieàu khieån hieän ñaïiÑieàu khieån hieän ñaïi

ế Moâ taû toaùn hoïc chủ yếu duøng ñeå phaân tích vaø thieát keá heä thoáng laøphöông trình traïng thaùi.

Ñaëc ñieåm: Ñaëc ñiem: Coù theå aùp duïng cho heä thoáng phi tuyeán, bieán ñoåi theo thôøi

gian, nhieàu ngoõ vaøo, nhieàu ngoõ ra. Kyõ thuaät thieát keá trong mieàn thôøi gian

Caùc phöông phaùp thieát keá heä thoáng: Ñieàu khieån toái öu. Ñieàu khieån thích nghi. Ñi à khi å b à öõ Ñieàu khieån beàn vöng

Boä ñieàu khieån: Hoài tieáp trang thaùi


Hoi tiep traïng thai

Ñieàu khieån thoâng minhÑieàu khieån thoâng minh

Veà nguyeân taéc khoâng caàn duøng moâ hình toaùn hoïc ñeå thieát keá heäthoáng.

Ñaëc ñieåm: Ñaëc ñiem:Moâ phoûng/baét chöôùc caùc heä thoáng thoâng minh sinh hoïc. Boä ñieàu khieån coù khaû naêng xöû lyù thoâng tin khoâng chaéc chaén,ä g y g g ,

coù khaû naêng hoïc, coù khaû naêng xöû lyù löôïng lôùn thoâng tin. Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

Ñieàu khieån môø (Fuzzy Control).Maïng thaàn kinh nhaân taïo (Neural Network). Th ät t ù di t à (G ti Al ith ) Thuaät toaùn di truyeàn (Genetic Algorithm). …


Noäi dung moân hoïc Cô sôû ñieàu khieån töï ñoängNoäi dung moân hoïc Cô sôû ñieàu khieån töï ñoäng

N äi d hí h û â h Cô ôû t độ h û á ñ à á ñ á Noäi dung chính cuûa moân hoïc Cô sôû tự động chuû yeáu ñeà caáp ñeáncaùc phöông phaùp kinh ñieån phaân tích, thieát keá heä thoáng tuyeántính, baát bieán, moät ngoõ vaøo, moät ngoõ ra. Do vaäy kieán thöùc coù ñöôïctöø moân hoïc giuùp kyõ sö coù theå phaân tích, thieát keá heä thoáng ñieàukhieån ôû caáp thöïc thi (caáp ñieàu khieån thieát bò trong heä thoáng ñieàukhieån phaân caáp)khien phan cap).


Caùc moân hoïc lieân quanCaùc moân hoïc lieân quan

Ñ å ù th å thi át k á ñöô ù h ä th á ñi à khi å ôû á thö thi Ñeå coù theå thieát keá ñöôïc caùc heä thoáng ñieàu khieån ôû caáp thöïc thithöïc teá, ngoaøi kieán thöùc veà lyù thuyeát ñieàu khieån töï ñoäng ngöôøithieát keá caàn naém vöõng kieán thöùc caùc lieân quan nhö:Maïch ñieän, maïch ñieän töû Ño löôøng coâng nghieäp Kyõ thuaät soá, vi xöû lyù Ño löôøng ñieàu khieån duøng maùy tính,…


Caùc moân hoïc naâng cao lyù thuyeát ñieàu khieån töï ñoäng Caùc moân hoïc naâng cao lyù thuyeát ñieàu khieån töï ñoäng

Caùc PP ñieàu khieån hieän ñai seõ ñöôc ñeà caäp ñeán trong moân hoc: Cac PP ñieu khien hieän ñaïi se ñöôïc ñe caäp ñen trong mon hoïc: Lyù thuyeát ñieàu khieån hiện đại(baäc Ñaïi hoïc). Ñieàu khieån toái öu (baäc Cao hoïc).( ä ï ) Ñieàu khieån thích nghi beàn vöõng (baäc Cao hoïc). Ñieàu khieån heä ña bieán (baäc Cao hoïc).

à å á Ñieàu khieån heä phi tuyeán (baäc Cao hoïc). Caùc PP ñieàu khieån thoâng minh seõ ñöôïc ñeà caäp ñeán trong moân hoïc

Trí tueä nhaân tao vaø heä chuyeân gia (baäc Ñai hoc) Trí tueä nhan taïo va heä chuyen gia (baäc Ñaïi hoïc) Heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh (baäc Cao hoïc).Mang neuron nhaän dang, dö baùo vaø ñieàu khieån (baäc Cao hoc).Maïng neuron nhaän daïng, döï bao va ñieu khien (baäc Cao hoïc).

Caùc PP nhaän daïng heä thoáng seõ ñöôïc ñeà caäp ñeán trong moân hoïc:Moâ hình moâ phoûng (baäc Ñaïi hoïc)


Moâ hình hoùa, nhaän daïng vaø moâ phoûng (baäc Cao hoïc)

Moät soá thí duï veà caùc heä thoáng ñieàu khieånMoät soá thí duï veà caùc heä thoáng ñieàu khieån


Caùc öùng duïng cuûa lyù thuyeát ñieàu khieånCaùc öùng duïng cuûa lyù thuyeát ñieàu khieån

Aùp duïng trong haàu heát taát caû caùc lónh vöïc kyõ thuaät Heä thoáng saûn xuaát: nhaø maùy xi maêng, nhaø maùy ñöôøng,…. Q ù t ì h â hi ä hi ät ñ ä lö löô ù át t á ñ ä Quaù trình coâng nghieäp: nhieät ñoä, löu löôïng, aùp suaát, toác ñoä,… Heä cô ñieän töû: caùnh tay maùy, maùy coâng cuï,… Heä thoáng thoâng tin Heä thong thong tin Heä thoáng saûn xuaát vaø truyeàn taûi naêng löôïng Phöông tieän giao thoâng: xe hôi, taøu hoûa, maùy bay, taøu vuõ truï,…g ä g g , , y y, ï, Thieát bò quaân söï Thieát bò ño löôøng Thieát bò ñieän töû daân duïng: maùy ñieàu hoøa, ti vi, tuû laïnh, maùy

giaët, maùy aûnh, noài côm ñieän,… Thieát bò y teá


Thiet bò y te

Heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoääHeä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoää

Nhieät ñoä laø ñaïi löôïng tham gia vaøo nhieàu quaù trình coâng ngheä:saûn xuaát xi maêng, gaïch men, nhöïa, cao su, hoùa daàu, thöïc phaåm,...

à å å à Muïc tieâu ñieàu khieån thöôøng laø giöõ cho nhieät ñoä oån ñònh (ñieàukhieån oån ñònh hoùa) hay ñieàu khieån nhieät ñoä thay ñoåi theo ñaëc tínhthôøi gian ñònh tröôùc (ñieàu khieån theo chöông trình)thôi gian ñònh tröôc (ñieu khien theo chöông trình).


Nhaø maùy xi maêng Nhaø maùy giaáy

Heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoääHeä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoää

Heä thoáng saáy noâng saûn (caø pheâ, haït ñieàu, tieâu,….)

Heä thoáng saáy noâng saûn


Heä thong say nong san

Heä thoáng oån ñònh nhieät ñoääHeä thoáng oån ñònh nhieät ñoää


Heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä theo chöông trìnhHeä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä theo chöông trình


4.7k 4.7kVCC

4.7k 4.7k

Boä ñieàu khieån vaø giao tieáp ngöôøi duøngBoä ñieàu khieån vaø giao tieáp ngöôøi duøng

1k

D6LED 7DOAN1 4 5 7

1kPORTD<6>

Q2

A1015

Q3

A1015PORTD<4> 1k 1k

Q1

A1015PORTD<5>

Q4

A1015PORTD<7>

. . . .

LED_7DOAN4 5 7

VC

C1

AF

VC

C2

VC

C3

VC

C4

G CDO

T

DE B

DOT

238 910 1112 6

AFG CD DE B

G

C

ED

VCCVCC F

AB

D

SW4A

V_sensor

GF

B

VREF+SW4

10k

E

PIC16F877A

234567

3334353637383940

1

RA0/AN0RA1/AN1RA2/AN2/VREF-/CVREFRA3/AN3/VREF+RA4/T0CKI/C1OUT

RB0/INTRB1RB2

RB3/PGMRB4RB5

RB6/PGC

MCLR*/VPPDOT

10k

C

SW5

SW2

SW3

PORTD<5>

10MHz

C16

33p

SW3

SW4

PORTD<6>

PORTD<4>

G

SW1

SW2

7 40

1516171823242526

1920212227282930

1389

RA5/AN4/SS*/C2OUT RB7/PGD

RC0/T1OSO/T1CKIRC1/T1OSI/CCP2RC2/CCP1RC3/SCK/SCLRC4/SDI/SDARC5/SDORC6/TX/CKRC7/RX/DT

RD0/PSP0RD1/PSP1RD2/PSP2RD3/PSP3RD4/PSP4RD5/PSP5RD6/PSP6RD7/PSP7

OSC1/CLKINRE0/RD*/AN5

SW2

SW3

PORTC<2>

PORTD<7>


10MHzCRYSTAL

VCC SW1

C17

33p

SW114

3211

3112

910

OSC2/CLKOUT

VDDVDD

VSSVSS

RE1/WR*/AN6RE2/CS*/AN7

+5V

Maïch ño nhieät ñoä duøng caëp nhieät ñieän (buø nhieät duøng LM335)Maïch ño nhieät ñoä duøng caëp nhieät ñieän (buø nhieät duøng LM335)

R110k

Rf 1

18k

R3

3.3k

Rf 2

10k

+5V

v1R210k -

+

U1

OP07

3

26

74 8

1

+5V+

- U5

OP073

26

74 8

1

v4

RA0/AN0

-5V

-

+

U6

OP07

3

26

7 1

+5V+5V4 8

v2

-5V

4 8

R6

1k

-5V

-

+ U2

OP07

3

26

7 1R4

2.2k

-5V

LM335

v3R8

22k

R10

1k

4 8R510k

R9

10k

+5V

Thermocouple+ C17

10u

R7

100+

- U4

OP073

26

7 1--

+ U3

OP07

3

26

74 8

1

R11

+5V

Vout = 0.0391Td


-5V

0u

4 8

4 8 R112.2k

-5V

Maïch ño nhieät ñoä duøng caëp nhieät ñieän (buø nhieät duøng LM35)Maïch ño nhieät ñoä duøng caëp nhieät ñieän (buø nhieät duøng LM35)

5V

U27 1

5V

5VU1

LM35

1VC

C

2C1

10uF

-

+

OP07

3

26

4 8

5 5V 5

352

GN

D

VOUT

V V2 R1

25k

0

0

-5V

-

+

U4

OP07

3

26

7 1

5V 5V

-

+

U5

OP07

3

26

7 1

R5 PA0/ADC0

3G

V3 Vout

OP07

4 85V

R6R2J1Thermo couple

1 +

U3

36

7 1

OP07

4 8-5V -5VR41.8k

100

V1 R3

C210uF

3.9k1001

-5V

-OP07

26

4 8

V1 R3

100

0


0 00

MMạạch coâng suaátch coâng suaát

+12V

6

HeaterFUSER3

470

220Vac0Vdc

Q2BTA16

Q1R1

U15MOC3020

1

2

4PORTC<2>Q2SC1815

47k

R2330


Moät heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä thöïc teáMoät heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä thöïc teá


Heä thoáng ñieàu khieån ñoäng côHeä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô

Ñ ä ô (DC AC) l ø thi át bò t à ñ ä ñöô öû d át h å Ñoäng cô (DC, AC) laø thieát bò truyeàn ñoäng ñöôïc söû duïng raát phoåbieán trong maùy moùc, daây chuyeàn saûn suaát.

Coù 3 baøi toaùn ñieàu khieån thöôøng gaëp: ñieàu khieån toác ñoä, ñieàug g ëp ä,khieån vò trí, ñieàu khieån moment.


Heä thoáng ñieàu khieån ñònh vò antenHeä thoáng ñieàu khieån ñònh vò anten


Ñieàu khieån PID vò trí ñoäng cô DC Ñieàu khieån PID vò trí ñoäng cô DC


Ñieàu khieån PID soá toác ñoä ñoäng cô DC Ñieàu khieån PID soá toác ñoä ñoäng cô DC


Moät heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô thöïc teáMoät heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô thöïc teá

Ñoäng cô: DC AC Ñoäng cô: DC, AC Caûm bieán: bieán trôû, maùy phaùt toác, encoder Boä ñieàu khieån: DC Driver, AC Driver (Inverter)ä , ( )

DC Motor

Encoder


DC Driver

Heä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûngHeä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûng

Heä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûng thöôøng gaëp trong caùc quaùtrình coâng nghieäp cheá bieán thöïc phaåm, nöôùc giaûi khaùc, caùc heäh á û l ù ù h ûithoáng xöû lyù nöôùc thaûi,...

Ñieàu khieån möïc chaát loûng, ñieàu khieån löu löôïng chaát loûng

Caùc loaïi caûm bieán ño möùc chaát loûng:

Caûm bieán ño dòch chuyeån: bieán trôû, encoder

Caûm bieán aùp suaát

Caûm bieán ñieän dungCam bien ñieän dung


Moät thí duï heä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûngMoät thí duï heä thoáng ñieàu khieån möïc chaát loûng


Hình veõ tham khaûo töø giaùo trình: Cô sôû töï ñoäng hoïc, Löông vaên Laêng, NXB Ñaïi hoïc Quoác Gia

Moâ hình ñieàu khieån möïc chaát loûng trong phoøng thí nghieämMoâ hình ñieàu khieån möïc chaát loûng trong phoøng thí nghieäm


Heä thoáng ñieàu khieån ñoä ñaäm ñaëc boät giaáyHeä thoáng ñieàu khieån ñoä ñaäm ñaëc boät giaáy


Heä thoáng ñieàu khieån goùc caùnh naâng maùy bayHeä thoáng ñieàu khieån goùc caùnh naâng maùy bay


Heä thoáng ñieàu khieån goùc caùnh naâng maùy bayHeä thoáng ñieàu khieån goùc caùnh naâng maùy bay


Sô ñoà khoái heä thoáng ñieàu khieån goùc caùnh naâng maùy baySô ñoà khoái heä thoáng ñieàu khieån goùc caùnh naâng maùy bay


Heä thoáng ñieàu khieån maùy CNCHeä thoáng ñieàu khieån maùy CNC


Sô ñoà khoái heä thoáng ñieàu khieån maùy CNCSô ñoà khoái heä thoáng ñieàu khieån maùy CNC


Heä thoáng chöng caát (coâng ngheä hoùa hoïc)Heä thoáng chöng caát (coâng ngheä hoùa hoïc)


Heä thoáng ñieàu khieån maùy phaùt ñieän hôi nöôùcHeä thoáng ñieàu khieån maùy phaùt ñieän hôi nöôùc


ÑIEÀU KHIEÅN TÖÏ ÑOÄNGÑIEÀU KHIEÅN TÖÏ ÑOÄNGTAÏI SAO CAÀN CÔ SÔÛ TOAÙN HOÏC?TAÏI SAO CAÀN CÔ SÔÛ TOAÙN HOÏC?


Caùc chieán löôïc ñieàu khieånCaùc chieán löôïc ñieàu khieån

(t)

Bộ điề khiểy(t)r(t)

Đối tu(t)e(t)

n(t)

Bộ điều khiểny( )( )

Đối tượng( )e(t)

yht(t)

Cảm biến

ON-OFF: Tín hieäu ñieàu khieån u(t) chæ coù hai möùc 0 hoaëc 1

Lieân tuïc: Tín hieäu ñieàu khieån u(t) nhaän giaù trò lieân tuïc baát kyø.


Ñieàu khieån ONÑieàu khieån ON--OFFOFF

Ñôn giaûn, khi phaân tích vaø thieát keá khoâng caàn döïa vaøo toaùn hoïc

à å à å Chæ cho keát quaû ñieàu khieån toát khi ñoái töôïng ñieàu khieån khoâng coùquaùn tính hoaëc coù quaùn tính raát beù.

Moät soá thí duï: Ñieàu khieån caùc phaàn töû khí neùn Ñieàu khieån ñoäng cô keùo baêng taûi trong moät soá daây chuyeàn saûn

xuaát. Caùc öùng dung khaùc khi khoâng caàn yeâu caàu ñieàu khieån chính Cac öng duïng khac khi khong can yeu cau ñieu khien chính

xaùc.


Thí duï ñieàu khieån möïc chaát loûng trong boàn chöùaThí duï ñieàu khieån möïc chaát loûng trong boàn chöùa

LH

LL

Maùy bôm

V û


Boàn chöùa Van xaû

Caûm bieán möùc chaát loûngCaûm bieán möùc chaát loûng

Ph Phao


Caûm bieán möùc chaát loûngCaûm bieán möùc chaát loûng

C û bi á ñi ä d Cam bien ñieän dung

Nguyeân lyù hoaït ñoängg y y ï ä g Phaùt hieän ra chaát loûng: ON Khoâng phaùt hieän chaát loûng: OFF

LL

LLLL


Thieát bò ñieàu khieånThieát bò ñieàu khieån

Relay Relay

R

R

R

Ti á ñi å thöôø ñ ùN h â ñi ä

R

Tieáp ñieåm thöôøng ñoùng

Tieáp ñieåm thöôøng môû

Nam chaâm ñieän

Loø xo


Sô ñoà ñieàu khieån möùc chaát loûng trong boànSô ñoà ñieàu khieån möùc chaát loûng trong boàn

0VSô ñoà ñieàu khieånLH LL K1

+24V

K1

K1K1

M~220V

Sô ñoà ñoäng löïc

M

K1

~220V


Ñaùp öùng cuûa heä thoáng ñieàu khieån ONÑaùp öùng cuûa heä thoáng ñieàu khieån ON--OFF möùc chaát loûngOFF möùc chaát loûng

y(t)

HIGHHIGH

tDao ñoäng

LOW

tDao ñoäng


Thí duï ñieàu khieån coång töï ñoängThí duï ñieàu khieån coång töï ñoäng

coångcong

ñoäng cô

caûm bieán LS1caûm bieán LS2 cam bien LS1(coâng taéc haønh trình)

cam bien LS2(coâng taéc haønh trình)

Yeâu caàu: Nhaán nuùt [MÔÛ] coång môûNhaán nuùt [ÑOÙNG] coång ñoùngNhaán nuùt [DÖØNG] coång döøng

MÔÛÑOÙNGDÖØNG


Nhan nut [DÖNG] cong döngDÖNG

Caûm bieán vò tríCaûm bieán vò trí

Coâng taéc haønh trình Cong tac hanh trình


Caûm bieán vò tríCaûm bieán vò trí

Caûm bieán ñieän caûm Cam bien ñieän cam


Sô ñoà ñieàu khieån coång töï ñoängSô ñoà ñieàu khieån coång töï ñoäng

+24V 0V

Döøng Môû K1K2

K1

LS1

Ñoùng K1LS2

K1

K2LS2

K2


Sô ñoà ñoäng löïc ñieàu khieån coång töï ñoäng Sô ñoà ñoäng löïc ñieàu khieån coång töï ñoäng

Nguoàn DC+

K1 K2

M

K1K2 K1K2


Sô ñoà ñoäng löïc ñoäng cô DC

Sô ñoà ñoäng löïc ñieàu khieån coång töï ñoäng Sô ñoà ñoäng löïc ñieàu khieån coång töï ñoäng

3Pha220V

K1 K1 K1 K2K2K2

M


Sô ñoà ñoäng löïc ñoäng cô AC

Khuyeát ñieåmKhuyeát ñieåm

Chaát löông ñieàu khieån coù ñaûm baûo khoâng neáu coång coù quaùn Chat löôïng ñieu khien co ñam bao khong neu cong co quantính lôùn?

AÙp duïng sô ñoà töông töï ñeå ñieàu khieån thang maùy di chuyeåntöø taàng naøy ñeán taàng khaùc ngöôøi söû duïng thang coù caûm thaáyan toaøn, thoaûi maùi?


Heä thoáng ñieàu khieån ñònh vò antenHeä thoáng ñieàu khieån ñònh vò anten

Bieán trôû(vò trí ñaët)

AÊn-ten( ò ë )

Boä ñieàu khieån

Ñoäng cô

Boä ñieu khien

Bieán trôûû á


(caûm bieán vò trí)

Heä thoáng ñieàu khieån ñònh vò anten: Ñieàu khieån ONHeä thoáng ñieàu khieån ñònh vò anten: Ñieàu khieån ON--OFFOFF

e(t) = 0 u(t)=0

e(t) > 0 u(t)=+V

e(t) < 0 u(t)=V e(t) < 0 u(t)=V

(t)c(t) Dao ñoäng


t

Heä thoáng ñieàu khieån ñònh vò anten: Ñieàu khieån ONHeä thoáng ñieàu khieån ñònh vò anten: Ñieàu khieån ON--OFFOFF

|e(t)| u(t)=0

e(t) > u(t)=+V

e(t) < u(t)=V

c(t)c(t)

lôùn: Sai soá nhoû: Dao ñoäng


tt

Heä thoáng phaùt hieän hoäp söõa roãngHeä thoáng phaùt hieän hoäp söõa roãng

Hoäp söõa

Loaïi boû

CBCB

ÑaïtC l h khí


Cy-lanh khí

Thieát bò chaáp haønh: cyThieát bò chaáp haønh: cy--lanh khí neùnlanh khí neùn

Xylanh khí 2 chieàuXylanh khí 2 chieu


Thieát bò chaáp haønh: cyThieát bò chaáp haønh: cy--lanh khí neùnlanh khí neùn

Xylanh khí 1 chieàuXylanh khí 1 chieu


Relay thôøi gian (Timer)Relay thôøi gian (Timer)


Sô ñoà ñieàu khieån loaïi boû hoäp söõa roãngSô ñoà ñieàu khieån loaïi boû hoäp söõa roãng

+24V 0V

CB T2 R

+24V

Giöõ trang thaùi loãiR

Giö traïng thai loi

Th øi i ì h õR T1

T1

Thôøi gian trì hoaõn tröôùc khi ñaåy hoäp

T2T1

K

Thôøi gian ñaåy hoäp

åK Van khí ñaåy hoäp


Daây chuyeàn ñoùng hoäp taùoDaây chuyeàn ñoùng hoäp taùo


Phaùt hieän taùo: Caûm bieán quangPhaùt hieän taùo: Caûm bieán quang


Thieát bò ñeám taùo: Boä ñeám (Counter)Thieát bò ñeám taùo: Boä ñeám (Counter)


Daây chuyeàn ñoùng hoäp taùo: Sô ñoà ñieàu khieånDaây chuyeàn ñoùng hoäp taùo: Sô ñoà ñieàu khieån


Boä ñieàu khieån laäp trình (PLC Boä ñieàu khieån laäp trình (PLC Programmable Logic Controller)Programmable Logic Controller)


Haïn cheá cuûa phöông phaùp ñieàu khieån ONHaïn cheá cuûa phöông phaùp ñieàu khieån ON--OFFOFF

y(t)

t

Ñoái töôïng coù quaùn tính, ñaùp öùng coù dao ñoäng


ï g q , p g ä g

Caûi thieän chaát löôïng khi ñoái töôïng coù quaùn tính? Caûi thieän chaát löôïng khi ñoái töôïng coù quaùn tính?

y(t)

t

Caàn hieåu bieát veà ñaëc tính ñoäng hoïc cuûa heä thoáng.

Moâ hình toaùn hoc Lyù thuyeát ñieàu khieån tö ñoäng


Mo hình toan hoïc Ly thuyet ñieu khien töï ñoäng

Technology

Chuong1 cstd