Giáo trình Lý thuyết điều khiển tự động

Chương 1

KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I. VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ:

Sự ra đời của điều khiển học mà nền tảng khoa học của nó là tự động học được coi là một trong những đặc điểm cơ bản của sự phát triển khoa học - kỹ thuật kinh tế trong thế kỷ tới. Ra đời vàonhững năm 40, cho đến nay, điều khiển học đang ở thời kỳ phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rải trong các lĩnh vục kỹ thuật kinh tế xã hội.

 Nói một cách tổng quát : điều khiển học là ngành khoa học nghiên cứu những hệ thống có bản chất khác nhau, có khả năng thu nhận, lưu trữ, biến đổi và sử dụng thông tin để điều khiển và điều chỉnh.

 

doc75 trang | Chia sẻ: lephuong6688 | Lượt xem: 675 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Giáo trình Lý thuyết điều khiển tự động, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ: Sự ra đời của điều khiển học mà nền tảng khoa học của nó là tự động học được coi là một trong những đặc điểm cơ bản của sự phát triển khoa học - kỹ thuật kinh tế trong thế kỷ tới. Ra đời vàonhững năm 40, cho đến nay, điều khiển học đang ở thời kỳ phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rải trong các lĩnh vục kỹ thuật kinh tế xã hội. Nói một cách tổng quát : điều khiển học là ngành khoa học nghiên cứu những hệ thống có bản chất khác nhau, có khả năng thu nhận, lưu trữ, biến đổi và sử dụng thông tin để điều khiển và điều chỉnh. Điều khiển học gồm hai phần : lý thuyết điều khiển tự động và trang thiết bị điều khiển tự động. Lý thuyết điều khiển tự động là khoa học nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động và những quy luật của các quá trình xảy ra trong hệ thống. Nhiệm vụ chính của ngành khoa học này là xây dựng những hệ thống tự động tối ưu và gần tối ưu bằng biện pháp kỹ thuật, đồng thời nghiên cứu các vấn đề thộc về tĩnh học và động học của hệ thống đó. Những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động giúo chúng ta chọn được cấu trúc hợp lý của hệ thống, xác định trị số tối ưu của các thông số, đámh giá tính ổn định và những chỉ tiêu chất lượng của quá trình điều khiển v.v Từ hàng ngàn năm về trước, con người đã có những ý niệm về điều khiển tự động, nhưng những cơ cấu tự động này được chế tạo dưới dạng các đồ chơi. Khoảng thế kỷ thứ III – IV trước công nguyên, D.Phalereous đã chế ra con sên biết bò. Ở thế kỷ thứ I, bạo chúa Hêron ở thành Alexandria đã sáng chế ra các con rối biết múa, con chim biết hót. Gần 1000 năm về trước, vua Lý Nhân Tông đã làm cho một con rùa vàng biết bơi, mồm phun nước, mắt biết liếc nhìn trong những buổi đua thuyền diễu qua điện Linh Quang ở Thăng Long. Năm 1767, nhà cơ khí người Nga I.P.Kulibin đã chế tạo một chiếc đồng hồ hình quả trứng. Ngoài việc biết chỉ giờ, đánh chuông, chiếc đồng hồ này còn trình diễn một màn múa rối sau mỗi giờ. Vào nữa sau thế kỷ XVIII, những người thợ đồng hồ Thụy Sĩ cũng chế tạo những loại đồng hồ tương tự. Đặc biệt nhất là con búp bê của Pierre Jacquet – Droz : nó biết lắc đầu, giơ tay, và có thể viết được tên của mình. Các cơ cấu tự động chỉ bắt đầu phục vụ cho việc sản xuất với việc sáng tạo ra máy dệt tự động điều khiển go bằng trống đục lỗ của chánh thanh tra công nghiệp Pháp Jacque de Vaucanson vào nữa sau thế kỷ XVIII. Năm 1765, kỹ sư người Nga I.I. Polzunov đã chế tạo bộ điều chỉnh mức nước nồi hơi. Năm 1784, J.Watt đã phát minh bộ điều tốc có con lắc li tâm để điều chỉnh máy hơi nước. Kỹ thuật điều khiển tự động phát triển mạnh vào cuối thế kỷ XIX. Trong số những người nổi tiếng trong việc phát triển lý thuyết điều khiển tự động có nhà bác học xuất sắc I.A.Visnhegrat (1877), Routh (1877) và Hurwitz (1895). Những năm đầu thế kỷ XX, kỷ thuậtđiều khiển tự động được dùng rộng rải trong lĩnh vực quân sự. Đặc biệt dùng để điều khiển những tải trọng lớn một cách nhanh chóng, chính xác và tự động như điều khiển đại bác, tàu thủy v.vMinorsky là người đặt nền móng cho lý thuyết điều khiển tự động tàu thủy vào những năm 20 của thế kỷ này. Năm 1917, O.Block đã sử dụng lý thuyết vectơ và hàm biến phức vào việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động. Với phương pháp này, Nyquist (1932) và Mikhailôp (1938) là những người đã tìm ra các tiêu chuẩn ổn định của hệ tuyến tính bằng phương pháp đồ thị. Các định đề và phương pháp khảo sát độ ổn định các hệ phi tuyến của A.M.Liapunôp, các công trình của Pontriaghin v.v, là những viên đá tảng của lý thuyết điều khiển tự động các hệ phi tuyến. Những người đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động chỉ dựa vào các hệ phương trình vi phân. Brown, Hall đã tiếp tục phát triển phương pháp này và đã đề ra phương pháp “Quá tir2nh chuyển tiếp” nhằm nghiên cứu trạng thái chuyển tiếp của hệ thống và đã đề ra các phương pháp thiết kế các hệ thống điều khiển. Năm 1938, Bode đã chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa các đường đặc tính tần số pha và đề ra các công thức tổng quát để giải quyết các nhiệm vụ điều khiển. Chiến tranh thế giới thứ hai đã tạo nên các yêu cầu lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động. Các phương pháp phân tích về thiết kế hệ thống điều khiển tự động đã phát triển mạnh và không ngừng hoàn thiện. Harris (1941) và Hall(1943) đã ứng dụng phương phap hàm biế phức của Nyquist để thiết kế và phân tích các hệ thống điều khiển, đã chỉ ra tầm quan trọng về lý học và kỹ thuật của các vectơ khác nhau vẽ trên mặt phẳng phức. Từ năm 1941 – 1945, Bomberger và Weber, Nichols, Bode đã đưa vào ứng dụng lý thuyết liên quan đến độ giãm chấn và góc lệch pha của Bode, tạo nên phương pháp đơn giản hơn để thiết kế các hệ thống điều khiển. Cũng trong thời gian này Weiner, Phillips và Hall cũng đã nghiên cứu tác động của nhiểu. Người ta cũng thử tìm những tiêu chuẩn để đánh giá hoạt động tối ưu của một hệ thống dưới tác dụng của cùng một lúc ở đầu vào tín hiệu chủ d0ạo và nhiễu. Các hệ thống tối ưu gắn liền với tên tuổi của Canmôgôrôp và Bellman. Các hệ tự thích nghi cũng đã ra đời với các công trình của Xưpkin, Cooper và đang được ứng dụng rộng rãi. Ngày nay, điều khiển tự động đã trở thành một bộ môn không thể tách rời của một quá trình sản xuất hiện đại như ngành chế tạo máy, luyện kim, công ngiệp nhẹ, hóa chất cho đến ngành hàng không (máy bay không người lái ), du hành vũ trụ. Với việc phát triển của máy tính điện tử, đặc biệt chiếc máy vi tính, phạm vi ứng dụng điều khiển tự động càng mở rộng, chất lượng điều khiển càng hoàn thiện nhằm đạt đến một trình độ cao hơn để thực hiện hai mục tiêu của tự động hoá : giải phóng con người khỏi những công việc nặng nhọc và đơn điệu, thay con người điều khiển các quá trình tổng hợp, hiện đại vượt quá khả năng thể chất của con người. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Cũng như mọi ngành khoa học khác, điều khiển học có những khái niệm và thuật ngữ riêng. Do đang trong quá trình phát triển, các định nghĩa, các khái niệm của điều khiển học và tự động học chưa đực hoàn tòan thống nhất và đang trong quá trình hoàn chỉnh. Ta thử xét một số khái niệm hoàn chỉnh để làm cơ sở cho việc nghiên cứu những vấn đề cơ bản của điều khiển tự động. Như ta đã biết : đặc trưng cơ bàn nhất của con người trong hoạt động sản xuất là luôn luôn hành động, tác động vào quá trình sản xuất có mục đích. Bản chất vật chất của các quá trình sản xuất là con người biến đổi vật chất, năng lượng từ dạng không có giá trị sử dụng sang dạng cần thiết cho con người. Để đạt được mục đích đó, con người cần có nguyên vật liệu, năng lượng ban đầu và công cụ sản xuất. Tuy nhiên, 3 yếu tố trên không đủ để tạo nên quá trình sản xuất, mà phải cần thêm một yếu tố nữa, đó là : công cụ sản xuất phải tác động lên nguyên vật liệu, năng lượng theo những trình tự , qui luật nhất định, tức là con người phải xác định phương thức tác động của công cụ sản xuất, gắn liền với nó là phương thức hoạt động của chính bản thân con người trong sản xuất. Xuất phát từ mục đích sản xuất nhận thức về các quy luật tự nhiên, đặc điểm của đối tượng tác động và đặc tính của công cụ sản xuất, con người xác định phương thức tác động của công cụ sản xuất. Phương thức này được gọi là qui trình sản xuất. Với khái niệm trên, ta có các định nghĩa : Định nghĩa 1 : Sự tác động có mục đích vào một đối tượng nhất định được gọi là điều khiển. Định nghĩa 2 : Khoa học về các quy luật, phương pháp và phương tiện điều khiển được gọi là điều khiển học. Tùy theo đặc điểm của đối tượng điều khiển (đối tượng được tác động có mục đích) điều khiển học có thể được chia thành các ngành khoa học hẹp hơn [17]. Khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển trong các hệ thống kỹ thuật, kinh tế , quân sự, sinh học được gọi tương ứng là điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học kinh tế, điều khiển học quân sự, điều khiển học sinh học. Trong các ngành kể trên, điều khiển học kỹ thuật trùng với tự động học, là ngành khoa học phát triển nhất hiện nay, nên trong quyển sách này ta chỉ đề cập đến các vấn đề của điều khiển học kỹ thuật. Danh từ điều khiển học (cybernetic) bắt nguồn từ tiếng Hy-lạp có nghĩa là “nghệ thuật điều khiển”. Nó được nhà khoa học Pháp A.M.Ampre sử dụng đầu tiên vào năm 1834 để chỉ các khoa học điều khiển xã hội loài người mà lúc đó chưa ra đời. Đến năm 1948, nhà toán học Mỹ N.Wiener đã sử dụng trong tác phẩm “Điều khiển học hay điều khiển và thông tin trong cơ thể sống và máy móc”. Trong quá trình biến đổi vật chất từ dạng này sang dạng khác, con mgười đả thực hiện hai chức năng : nguồn năng lượng và công cụ sản xuất. Nguồn năng lượng là sức của bắp thịt để đập búa , kéo xe , Công cụ sản xuất là bàn tay để cày ruộng, dệt vải. Khi dùng máy hơi nước, động cơ đốt trong để giải phóng bắp thịt ; dùng máy cày , máy dệt để giải phóng đôi tay, con người đã tự giải phóng mình ra khỏi chức năng nguồn năng lượng và công cụ sản xuất. Quá trình dùng máy móc để giải phóng con người ra khỏi hai chức năng này là nội dung của cơ khí hóa. Khi đã cơ khí hóa, con người vẫn còn chức năng quan sát, so sánh, kiểm tra sự diễn biến của quá trình sản xuất, và khi cần thiết, con người tác động ngược lại để duy trì một quá trình đã cho. Đây chính là nội dung của chức năng điều khiển của con người trong quá trình sản xuất. Dùng máy móc để thay thế con người thực hiện chức năng điều khiể được gọi là điều khiển tự động . Nó là nội dung đầu tiên của tự động hóa. Với sự phát triển của điều khiển học và tự động hóa, con người dần dần đã chế tạo được các loại máy móc có thể đảm nhận chức năng xác định quá trình sản xuất. Đây là mức độ thứ hai của tự động hóa. Đặc biệt với sự phát triển của máy tính điện tử, việc xác định mục tiêu cụ thể của quá trình sản xuất (sản xuất sản phẩm gì, bao nhiêu ) cũng do máy thực hiện. Đây là mức độ thứ ba của tự động hóa. Cho nên : Định nghĩa 3 : Tựđộng hóa là quá trình dùng máy móc thay thế con người (một phần hay hoàn toàn) thực hiện chức năng điều khiển quá trình sản xuất, chức năng xác định quy trình sản xuất và chức năng xác định mục tiêu cụ thể của quá trình sản xuất. Các mức độ tự động hóa còn có thể cao hơn nữa, máy móc có thể thay thế con người làm nhiều việc phức tạp hơn nữa, nhưng khi đó, con người sẽ càng khéo léo hơn, thông minh hơn, vì họ chính là chủ nhân sản sinh ra những máy móc khéo léo và thông minh. CÁC THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG Để xác định các khái niệm, ta thống nhất các định nghĩa trong các thuật ngữ về điều khiển học như sau : Định nghĩa 4 : Hệ thống là tập hợp các đối tượng mà giữa chúng có mối quan hệ với nhau. Khi đối tượng chịu tác động từ bên ngoài, nó sẽ tạo nên những biến đổi tương ứng và những biến đổi này có thể tác động trở lại môi trường bên ngoài. Những biền đổi bên trong và tác động trở lại bên ngoài như vậy được gọi là phản ứng của đối tượng. Định nghĩa 5 : Tổng thể các quan hệ giữa các tác động bên ngoài vào đối tượng và các phản ứng của nó được gọi là hành vi của đối tượng. Định nghĩa 6 : Các tác dụng bên ngoài vào đối tượng được gọi là đại lượng vào ( tín hiệu vào). Sự tác động trở lại bên ngoài của đối tượng và những biến đổi bên trong có thể trực tiếp quan sát , ghi nhận , được gọi là đại lượng ra ( tín hiệu ra ). Khi không cần nhấn mạnh tính chất vật lý, thuật ngữ “đại lượng” có thể thay bằng thuật ngữ tín hiệu . Khái niệm này được minh họa như sau ( Hình 1.1) : Hình I-1 : Mô tả đại lượng vào , ra. Định nghĩa 7 : Một hệ thống ( người và thiết bị ) cho phép điều khiển một đối tượng được gọi là hệ thống điều khiển . Định nghĩa 8 : Một hệ thống mà hàmh vi hoặc các đại lượng ra của nó cần tuân theo các qui định cho trước, được gọi là hệ thống được điều khiển. (trong nhiều trường hợp hệ thống được điều khiển cũng được gọi là hệ thống điều khiển ). Định nghĩa 9 : Các qui định cho trước mà hành vi và các đại lượng ra của nó cần tuân theo các qui định cho trước, được gọi là mục tiêu điều khiển . Định nghĩa 10 :Nếu quab hệ giữa các địai lượng vào và ra của một đối tượng được xác định trực tiếp, không phải qua các đại lượng khác (bên trong) thì đối tượng đó được gọi là đối tượng điều khiển. ( Ở phần tử điều khiển, khi biết đại lượng vào ta có thể xác định ngay đại lượng ra ). Định nghĩa 11 : Toàn bộ các mối quan hệ giữa các đối tượng tạo nên hệ thống gọi là cấu trúc hệ thống . Định nghĩa 12 : Tổng thể các đại lượng mà một hệ thống có với những giá trị nhất định tại một thời điểm nhất định và cùng với các đầu vào xác định hành vi tương lai của hệ được gọi là trạng thái của hệ. Định nghĩa 13 : Phản ánh là tính chất chung của vật chất : các tác động từ bên ngoài vào một sự vật bao giờ cũng gây ra sự biến đổi ở sự vật đó. Định nghĩa 14 :Sự phản ánh một đối tượng , một quá trình theo một mục tiêu nhất định của con người là mô hình của đối tượng , quá trình đó. ( Như thế một đối tượng có thế có nhiều mô hình khác nhau tùy theo mục đích lập mô hình ). Định nghĩa 15 : Sự phản ánh về một đối tượng có ý nghĩa đối với mục tiêu điều khiển mà trước đó người ta chưa có, được gọi là thông tin . Nội dung của sự phản ánh được gọi là nội dung thông tin . Như vậy, giữa thông tin và mô hình có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, chúng đều phản ánh có mục tiêu về một đối tượng nhất định. Sự phản ánh ở dạng mô hình thường mang tính toàn diện, hệ thống, tương đối ổn định hơn về đối tượng ; còn phản ánh ở dạng thông tin thường mang tính cụ thể, từng mặt, thể hiện tính động của đối tượng. Định nghĩa 16 : Sự thay đổi các đại lượng vật lý thể hiện nộidung thông tin gọi là tín hiệu . Định nghĩa 17 : Sự tiếp diển các thay đổi hoạc các hoạt động được gọi là quá trình . Để điều khiển một đối tượng, một quá trình, hệ thống điều khiển bao gồm các thành phần có kết cấu và liên hệ với đối tượng như sau H.I-2. Các đại lượng tác động vào đối tượng được điều khiển chia làm hai loại : đại lượng nhiễu Z và đại lượng điều khiển U. Định nghĩa 18 : Các đại lượng tác động vào đối tượng được điều khiển làm thay đổi hành vi hoặc đại lượng ra của hệ mà hệ thống điều khiển không làm chúng thay đổi được gọi là các đại lượng nhiễu (Z). Định nghĩa 19 : Các đại lượng tác động vào đối tượng được điều khiển làm thay đổi hành vi hoặc đại lượng ra của hệ mà hệ thống điều khiển khống chế được sự thay đổi của chúng được gọi là các đại lượng điều khiển (U). Định nghĩa 20 : Thiết bị dùng để thay đổi các đại lượng điếu khiển được gọi là cơ cấu tác động. Định nghĩa 21 : Đại lượng vào cơ cấu tác động làm cho đại lượng điều khiển U thay đổi một cách có ý thức được gọi là đại lượng tác động (Y0). Định nghĩa 22 : Thiết bị xác định giá trị của một hay nhiều đại lượng (vào, ra) và phản ánh các đại lượng đó một cách có ý thức bằng các đại lượng vật lý khác được gọi là cơ cấu đo (vào, ra) .Quá trình xác định và phản ánh như yhế được gọi là quá trình đo hay đo. Hình I-2 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển. Thông qua cơ cấu đo H.I-2, các đại lượng ra Y được phản ánh qua các đại lượng (hay tín hiệu) Y’. Thông thường Y và Y’ có bản chất vật lý khác nhau (Thí dụ : Y là nhiệt độ, Y’ là cường độ dòng điện, trong đó Y vá Y’ tỉ lệ thuận với nhau). Các đại lượng vào Z và U được ký hiệu chung là X. Qua cơ cấu đo vào, ta được tín hiệu X’ (thường cũng có bản chất vật lý khác X và tỉ lệ thuận với X). Vì Y tỉ lệ với Y’ và X tỉ lệ với X’, nên chúng chỉ khác nhau với một hệ số chuyển đổi là một hằng số. Do đó, khi nói tới Y’ và X’, ta thường hiểu đó là các đại lượng Y và X. Các đại lượng X’ và Y’ là phản ánh mới nhất về đại lượng vào X và đại lượng ra Y. Do đó X’ và Y’ là các thông tin về đại lượng vào và ra. Bản thân X và Y không phải là thông tin, nên các cơ cấu đo vào, ra còn được gọi là khâu thu thập thông tin (vào, ra). Định nghĩa 23 : Thiết bị xác định đại lượng tác động Y0 để đạt được mục tiêu điều khiển W từ các đại lượng vào X (X’), đại lượng ra Y (Y’) và mục tiêu điều khiển W được gọi là thiết bị điều khiển. Phương thức xác định Y0 từ X’, Y’ và W : Y0 = Y0(X’,Y’,W) được gọi là hàm điều khiển hay algôrit điều khiển. Vì các thông tin X’,Y’ tham gia vào algôrit điều khiển, nên thiết bị điều khiển còn được gọi là khâu xử lý thông tin, và cơ cấu tác động gọi là khâu sử dụng thông tin. Từ những điều kể trên, ta có thể phát biểu qui luật tổng quát của điều khiển học như sau : Điều kiện tổng quát để có thể điều khiển một hệ thống theo mục tiêu cho trước là hệ thống điều khiển phải có các cơ cấu : đo vào hoặc ra (thu thập thông tin), điều khiển (xử lý thông tin), tác động (sử dụng thông tin), và phải tìm được một algôrit điều khiển. Định nghĩa 24 : Các cơ cấu đo ra, điều khiển và tác động tạo nên mối quan hệ giữa đại lượng ra Y và đại lượng vào U được gọi là quan hệ ngược . Các cơ cấu đo vào, điều khiển và tác động tạo nên mối quan hệ giữa đại lượng vào Z và đại lượng vào U được gọi là quan hệ xuôi.Mục tiêu W tham gia vào cả liên hệ ngược và xuôi. Định nghĩa 25 : Điều chỉnh tự động là giữ cho đại lượng đặc trưng của quá trình điều khiển không biến đổi, hay biến đổi theo quy luật cho trước. Điều chỉnh thực tế là một khái niệm hẹp nằm trong khái niệm rộng về Điều khiển và Điều chỉnh tự động là giữ cho một đại lượng không đổi, còn Điều khiển tự động có nghĩa rộng hơn là tự động thực hiện một số tác động lên đối tượng để duy trì hoặc cải thiện điều kiện làm việc của đối tượng theo một mục đích nhất định. BIỂU DIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hình I-3: Sơ đồ khối của phần tử điều khiển Để thể hiện mối quan hệ giữa các phần tử trong hệ thống điều khiển người ta dùng một loại sơ đồ gọi là sơ đồ khối , hay còn gọi là sơ đồ chức năng H.I-3 . Sơ đồ khối là cách thể hiện nguyên lý tác động của các phần tử trong hệ thống. Mỗi phần tử được thể hiện bằng một hình chử nhật, torng đó ghi hàm truyền đạt của phần tử. Mổi phần tử liên kết với nhau bằng điện, từ, cơ, đặc trưng bởi các phương trình và được biểu diển bằng những mũi tên nối liền với nhau. Ưu điểm của loại sơ đồ này là thể hiện được rõ ràng những quá trình xảy ra trong thực tế. Ngoài ra, sơ đồ khối còn giúp ta xây dựng dễ dàng các mối quan hệ tác động tương hổ giữa các phần tử và của toàn bộ hệ thống. Để minh họa ta biểu diển bằng sơ đồ khối hệ thống điều khiển dưới đây : Hình I-4 : Hệ thống điều khiển mức nước H.I-4 trình bày sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển mức nước giữ ở mức ổn định. Trên sơ đồ tổng quát ở H.I-2 ta thấy đối tượng được điều khiển ở đây là mức nước của thùng đựng nước (1). Lượng nước tiêu thụ và cấp vào được phản ánh qua mực nước H0 . Yêu cầu là phải giữ mức nước H0 = const dù lượng nước tiêu thụ được lấy đi như thế nào. Thiết bị điều khiển ở đây bao gồm phao (2) hệ thống đòn bẩy (3) và van (4). e Hình I-5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước Biểu diển sơ đố khối của hệ thống này thể hiện ở H.I-5 trên cơ sở rút gọn sơ đồ ở H.I-2. Theo sơ đồ trên đối tượng điều khiển là mức nước. Tín hiệu ra Y là mức nước tức thời H của thùng, tín hiệu điều khiển U là tiết diện chảy của van. Thiết bị điều khiển gồm có 3 phần tử : phần tử đo lường là phao dùng để đo chiều cao mức nước, phần tử khuếch đại là hệ thống đòn bẩy và phần tử tác động là van. Ở hệ thống điều khiển này, tín hiệu vào X được coi là cố định với giá trị H0 còn tín hiệu ra Y là chiều cao thực tế của mức nước H. Sai lệch tồn tại trong hệ thống là hiệu của mức nước cần giữ ổn định và mức nước thực tế của thùng, tức là : e = H0 – H = X – Y . Do đó, hệ thống điều khiển tự động này được coi là hệ thống điều khiển theo nguyên tắc sai lệch. Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào được thể hiện như sau : Y = G(s)X (I-1) Để biểu diển cơ cấu so sánh ( cộng hoặc trừ giữa các tín hiệu vào), người ta dùng ký hiệu theo H.I-6. Hình I-6: Ký hiệu cơ cấu so sánh. Phần tô đen của vòng tròn được đặc trưng là tín hiệu âm (trừ bớt), phần trắng là tín hiệu dương (thêm vào). Nếu như ta phản hồi tín hiệu ra Y theo sơ đồ H.I-6a thì tín hiệu điều khiển sẽ có : U = X – Y (I-2) và theo H.I-6b thì : U = X + Y (I-3) Để thể hiện rỏ ràng hơn người ta có thể đánh dấu + và – vào những mũi tên tương ứng. Đối với hệ thống điều khiển đơn giản, dùng tín hiệu phản hồi trực tiếp ta có thể thể hiện như H.I-7 : Hình I-7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phản hồi trực tiếp (cứng). Ở đây tín hiệu ra được dẩn về cơ cấu so sánh để đối chiếu với tín hiệu X. Từ sơ đồ ta cũng thấy dể dàng hệ thống này là hệ thống kín. Thông thường, tín hiệu ra dẩn về cơ cấu so sánh cần được biến đổi thành dạng phù hợp với cơ cấu so sánh (thí dụ ở hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, nhiệt độ cần phải được biến đổi thành lực hoặc thành sự thay đổi vị trí ). Sự biến đổi này được thực hiện bằng cơ cấu phản hồi H(s) theo H.I-8. Ở đây tín hiệu phản hồi : Xf = H(s)Y (I-4) và tín hiệu điều khiển : U = X – Xf (I-5) Hình I-8 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển có cơ cấu phản hồi. Ý nghĩa tổng quát của hệ thống điều khiển có phản hồi là hệ thống mà trong đó tín hiệu ra được dẫn về so với tín hiệu vào. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Có nhiều cơ sở để phân loại hệ thống điều khiển. Nếu dựa vào nguyên tắc điều khiển thì ta có thể phân thành 2 loại : hệ thống hở và hệ thống kín. Hệ thống hở : là hệ thống thực hiện nguyên tắc khống chế cứng, tức là tín hiệu ra Y khônh cần đo lường để đưa trở về đầu vào. Mọi sự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bị điều khiển, tín hiệu vào X đặt thế nào thì tín hiệu ra Y cho thế ấy, khả năng phản hồi của hệ thống hở không có. Sơ đồ khối của nó được thể hiện như sau H.I-9: Hình I-9: Sơ đồ khối hệ thống hở. Hệ thống kín : Được thể hiện ở H.I-8. Là hệ thống thực hiện nguyên tắc điều khiển có phản hồi, tức là tín hiệu ra Y

File đính kèm:

  • docGT Ly Thuyet Dieu Khien Tu Dong.doc
Giáo án liên quan