Bài giảng Mô phỏng thiết kế hệ thống tự động: Chương 1 - ĐH Giao thông Vận tải

Bài giảng Mô phỏng thiết kế hệ thống tự động: Chương 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm; Một số nguyên tắc điều khiển; Phân loại hệ thống điều khiển; Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động; Mô hình toán học; Tính chất của phép biến đổi Laplace; Phương pháp tìm biến đổi Laplace ngược;...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Mô phỏng thiết kế hệ thống tự động: Chương 1 - ĐH Giao thông Vận tải TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Khoa Cơ Khí-Bộ môn Kỹ thuật máy ----------&&O&&--------- MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHƯƠNG I KHÁI NIỆM HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 1/2/2012 1/89 Tài liệu tham khảo  Lý thuyết điều khiển tự động - Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, NXB ĐHQG TP HCM, 2003  Automation and Control systems - Benjamin C. Kuo, Prentice-Hall International, Ninth ediction, 2010.  Modern Control Engineering - Katsuhiko Ogata, Prentice-Hall, Fifth ediction, 2010.  Control Systems Engineering - Norman S. Nise, Fifth ediction, 2008. 1/2/2012 2/89 Khái niệm 1/2/2012 3/89 Khái niệm 1/2/2012 4/89 Định nghĩa: 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 tiến “Gần” với mục đích định trước. Tại sao cần phải điều khiển?  Do đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu.  Tăng độ chính xác.  Tăng năng suất.  Tăng hiệu quả kinh tế. 1/2/2012 5/89 3 thành phần cơ bản của HT ĐKTĐ  O: Đối tượng điều khiển  u: tín hiệu điều khiển, là tín hiệu chủ đạo.  C: Bộ điều khiển, điều chỉnh  y: Tín hiệu ra.  M: Cơ cấu đo lường  f: Các tác động từ bên ngoài.  z: Tín hiệu hồi tiếp.  e: Sai lệch điều khiển. 1/2/2012 6/89 3 bài toán cơ bản  Phân tích hệ thống: Cho hệ thống tự động đã biết cấu trúc và thông số. Tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng hệ thống.  Thiết kế hệ thống: Biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển sao cho hệ thống thu được thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng.  Nhận dạng hệ thống: Chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. Xác định cấu trúc và thông số của hệ thống. 1/2/2012 7/89 Một số nguyên tắc điều khiển  Bù tác động bên ngoài  Điều khiển theo sai lệch  Hỗn hợp 1/2/2012 8/89 Phân loại hệ thống điều khiển Có nhiều chỉ tiêu phân loại khác nhau, tuy nhiên ta có thể kể một số loại được phân theo mô tả toán học của hệ thống như sau:  Hệ thống liên tục (pt vi phân)  Hệ thống rời rạc (pt sai phân)  Hệ thống tuyến tính (vi phân hoặc sai phân tuyến tính)  Hệ thống phi tuyến (vi phân hoặc sai phân phi tuyến)  Hệ thống bất biến theo thời gian (hệ số của pt vi phân hoặc sai phân mô tả hệ thống không đổi)  Hệ thống biến đổi theo thời gian (hệ số của pt vi phân hoặc sai phân mô tả hệ thống thay đổi theo thời gian) 1/2/2012 9/89 Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động 1/2/2012 10/89 Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động Hệ thông điều khiển không liên tục 1/2/2012 11/89 Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động 1/2/2012 12/89 Một số ví dụ về hệ thống điều khiển tự động 1/2/2012 13/89 Mô hình toán học Tại sao cần mô hình toán học để mô tả hệ thống?  Hệ thống điều khiển thực tế đa dạng và có bản chất vật lý khác nhau.  Cần cơ sở chung để phân tích, thiết kế.  Với hệ thống tuyến tính hệ số hằng, có thể sử dụng phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng để mô tả quan hệ giữa tín hiệu vào và tính hiệu ra. dny d n- 1 y dy dmx d m- 1 x dx an n + an - 1 n- 1 + ... + a1 + a0 y = bm m + bm- 1 m- 1 + ... + b1 + b0 x dt dt dt dt dt dt n: Bậc của hệ thống, hệ thống hợp thức nếu n  m ai, bi: Thông số của hệ thống 1/2/2012 14/89 Ví dụ 1: Đặc tính động học hệ thống giảm chấn của xe d 2 y t  dy  t  M 2 +B + Ky  t   f  t  dt dt M: khối lượng tác động lên bánh xe. B: hệ số cản nhớt. K: độ cứng lò xo f(t): lực do sóc: tín hiệu vào. y(t): dịch chuyển của thân xe: tín hiệu ra 1/2/2012 15/89 Ví dụ 2: Đặc tính động học tốc độ xe ô tô dv  t  M + Bv  t   f  t  dt M: khối lượng xe, thông số hệ thống B: hệ số ma sát. f(t): lực kéo của động cơ: tín hiệu vào. v(t): tốc độ xe: tín hiệu ra. 1/2/2012 16/89 Ví dụ 3: Đặc tính của mạch điện  Áp dụng định luật Kirchoff ta viết được phương trình điện áp như sau: di(t ) 1 ei  Ri(t ) + L +  i(t )dt dt C eo  1  i(t )dt C Gọi q   i(t )dt , ta có phương trình vi phân dạng như sau: ...