khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động, chương 1

Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ thuật. Lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: điều khiển nhiệt độ, độ ẩm... Phát minh đầu tiên khởi đầu cho việc phát triển của lĩng vực điều khiển tự động là bộ điều tốc ly tâm để điều chỉnh nhiệt độ máy hơi...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
khảo sát ứng dụng MATLAB trong điều khiển tự động, chương 1 Kh¶o s¸t øng dông MATLAB trong ®iÒu khiÓn tù ®éng Chương 1 GIíI THIÖU Lý THUYÕT §IÒU KHIÓN Tù §éNG §iÒu khiÓn tù ®éng ®ãng vai trß quan träng trong sù ph¸t triÓn cña khoa häc vµ kü thuËt. LÜnh vùc nµy h÷u hiÖu kh¾p n¬i tõ hÖ thèng phi thuyÒn kh«ng gian, hÖ thèng ®iÒu khiÓn tªn löa, m¸y bay kh«ng ng-êi l¸i, ng-êi m¸y, tay m¸y trong c¸c quy tr×nh s¶n xuÊt hiÖn ®¹i, vµ ngay c¶ trong ®êi sèng hµng ngµy: ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é, ®é Èm... Ph¸t minh ®Çu tiªn khëi ®Çu cho viÖc ph¸t triÓn cña lÜng vùc ®iÒu khiÓn tù ®éng lµ bé ®iÒu tèc ly t©m ®Ó ®iÒu chØnh nhiÖt ®é m¸y h¬i n-íc cña Jame Watt n¨m 1874. C¸c c«ng tr×nh ®¸ng chó ý trong b-íc ®Çu ph¸t triÓn lý thuyÕt ®iÒu khiÓn lµ cña c¸c nhµ khoa häc Minorsky, Hazen, Nyquist...n¨m 1922. Minorky thùc hiÖn hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng c¸c con tµu vµ chøng minh tÝnh æn ®Þnh cña hÖ thèng cã thÓ ®-îc x¸c ®Þnh tõ ph-¬ng tr×nh vi ph©n m« t¶ hÖ thèng. N¨m 1932, Nyquist ®· ®-a ra mét nguyªn t¾c t-¬ng ®èi ®¬n gi¶n ®Ó x¸c ®Þnh tÝnh æn ®Þnh cña hÖ thèng vßng k×n dùa trªn c¬ së ®¸p øng vßng hë ®èi víi c¸c tÝnh hiÖu vµo h×nh sin ë tr¹ng th¸i x¸c lËp. N¨m 1934, Hazen ®· giíi thiÖu thuËt ng÷ ®iÒu chØnh c¬ tù ®éng (servo mechanism) cho nh÷ng hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®Þnh vÞ v©µ th¶o luËn ®Õn viÖc thiÕt kÕ hÖ thèng relay ®iÒu chØnh ®éng c¬ víi ngâ vµo tÝn hiÖu thay ®æi. Trong suèt thËp niªn 40 cña thÕ kû 20 ph-¬ng ph¸p ®¸p øng tÇn sè ®· gióp cjo c¸c kü s- thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng vßng kÝn tuyÕn tÝnh tháa c¸c yªu cÇu chÊt l-îng ®iÒu khiÓn. Tõ cuèi thËp niªn 40 cho ®Õn ®Çu thËp niªn 50 ph-¬ng ph¸p quü ®¹o nghiÖm cña Evan ®-îc ph¸t triÓn kh¸ toµn vÑn. Ph-¬ng ph¸p quü ®¹o nghiÖm vµ ®¸p øng tÇn sè ®-îc xem lµ cèt lâi cña lý thuyÕt ®iÒu khiÓn cæ ®iÓn cho phÐp ta thiÕt kÕ ®-îc nh÷ng hÖ thèng æn ®Þnh vµ tháa c¸c chØ tiªu chÊt l-îng ®iÒu khiÓn. Nh÷ng hÖ thèng nµy ®-îc chÊp nhËn nh-ng ch-a ph¶i lµ tèi -u, hoµn thiÖn nhÊt. Cho tíi cuèi thËp niªn 50 cña thÕ kû 20 viÖc thiÕt kÕ mét hay nhiÒu hÖ thèng dÇn dÇn ®-îc chuyÓn qua viÖc thiÕt kÕ mét hÖ thèng tèi -u víi ý nghÜa ®Çy ®ñ h¬n. Khi c¸c m¸y mãc hiÖn ®¹i ngµy cµng phøc t¹p h¬n víi nhioÒu tÝn hiÖu vµo vµ ra th× viÖc m« t¶ hÖ thèng ®iÒu khiÓn hiÖn ®¹i nµy ®ßi hái mét l-îng rÊt lín c¸c ph-¬ng tr×nh. Lý thuyÕt ®iÒu khiÓn cæ ®iÓn liªn quan c¸c hÖ thèng mét ngâ vµo vµ mét ngâ ra trë nªn bÊt lùc ®Ó ph©n tÝch c¸c hÖ thèng nhiÒu ®Çu vµo, nhiÒu ®Çu ra. KÓ tõ kho¶ng n¨m 1960 trë ®i nhê m¸y tÝnh Kh¶o s¸t øng dông MATLAB trong ®iÒu khiÓn tù ®éng sècho phÐp ta ph©n tÝch c¸c hÖ thèng phøc t¹p trong miÒn thêi gian, lý thuyÕt ®iÒu khiÓn hiÖn ®¹i ph¸t triÓn ®Ó ®èi phã víi sù phøc t¹p cña c¸c hÖ thèng hiÖn ®¹i. Lý thuyÕt ®iÒu khiÓn hiÖn ®¹i dùa trªn ph©n tÝch trong miÒn thíi gian vµ tæng hîp dïng c¸c biÕn tr¹ng th¸i, cho phÐp gi¶i c¸c bµi to¸n ®iÒu khiÓn cã c¸c yªu cÇu chÆt chÏ vÒ ®é chÝnh x¸c, träng l-îng vµ gi¸ thµnh cña c¸c hÖ thèng trong lÜnh vùc kü nghÖ kh«ng gian vµ qu©n sù. Sù ph¸t triÓn gÇn ®©y cña lý thuyÕt ®iÒu khiÓn hiÖn ®¹i lµ trong nhiÒu lÜnh vùc ®iÓu khiÓn tèi -u cña c¸c hÖ thèng ngÉu nhiªn vµ tiÒn ®Þnh. HiÖn nay m¸y vi tÝnh ngµy cµng rÏ, gän nh-ng kh¶ n¨ng xö lý l¹i rÊt m¹nh nªn nã ®-îc dïng nh- lµ mét phÇn tö trong c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn. Nh÷ng ¸p dông gÇn ®©y cña lý thuyÕt ®iÒu khiÓn hiÖn ®¹i vµo ngay c¶ nh÷ng ngµnh kü thuËt nh-: sinh häc, y häc, kinh tÕ, kinh tÕ x· héi. I. NH÷NG KH¸I NIÖM C¬ B¶N 1. §iÒu khiÓn häc (Cybernctics): Lµ khoa häc nghiªn cøu nh÷ng qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn vµ truyÒn th«ng m¸y mãc, sinh vËt vµ kinh tÕ. §iÒu khiÓn häc mang ®Æc tr-ng tæng qu¸t vµ ®-îc ph©n chia thµnh nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau nh-: to¸n ®iÒu khiÓn, ®iÒu khiÔn häc kü thuËt, ®iÒu khiÓn häc sinh vËt (pháng sinh vËt: bionics), ®iÒu khiÓn häc kinh tÕ. 2. Lý thuyÕt ®iÒu khiÓn tù ®éng: Lµ c¬ së lý thuyÕt cña ®iÒu khiÓn häc kü thuËt. §iÒu khiÓn tù ®éng lµ thuËt ng÷ chØ qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn mét ®èi t-îng trong kü thuËt mµ kh«ng cã sù tham gia cña con ng-êi (automatic) nã ng-îc l¹i víi qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn b»ng tay (manual). 3. HÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng: Mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng bao gåm 3 phÇn chñ yÕu: ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn (TB§K). Kh¶o s¸t øng dông MATLAB trong ®iÒu khiÓn tù ®éng - §èi t-îng ®iÒu khiÓn (§T§K). - ThiÕt bÞ ®o l-êng. H×nh 1.1 lµ s¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng. H×nh 1.1 Trong ®ã: C: tÝn hiÖu cÇn ®iÒu khiÓn, th-êng gäi lµ tÝn hiÖu ra (output). U: tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. R: tÝn hiÖu chñ ®¹o, chuÈn, tham chiÕu (reference) th-êng gäi lµ tÝn hiÖu vµo (input). N: tÝn hiÖu nhiÔu t¸c ®éng tõ bªn ngoµi vµo hÖ thèng. F: tÝn hiÖu håi tiÕp, ph¶n håi (feedback). 4. HÖ thèng ®iÒu khiÓn kÝn (closed loop control system): Lµ hÖ htèng ®iÒu khiÓn cã ph¶n håi (feeback) nghÜa lµ tÝn hiÖu ra ®-îc ®o l-êng vµ ®-a vÒ thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu håi tiÕp phèi hîp víi tÝn hiÖu vµo ®Ó t¹o ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. H×nh 1.1 chÝnh lµ s¬ ®å cña hÖ thèng kÝn. C¬ së lý thuyÕt ®Ó nghiªn cøu hÖ thèng kÝn chÝnh lµ lý thuyÕt ®iÒu khiÓn tù ®éng. 5. HÖ thèng ®iÒu khiÓn hë: §èi víi hÖ thèng hë, kh©u ®o l-êng kh«ng ®-îc dïng ®Õn. Mäi sù thay ®æi cña tÝn hiÖu ra kh«ng ®-îc ph¶n håi vÒ thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn. S¬ ®å h×nh 1.2 lµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn hë. R U C TB§K §T§K H×nh 1.2: HÖ thèng ®iÒu khiÓn hë C¬ së lý thuyÕt ®Ó nghiªn cøu hÖ thèng hë lµ lý thuyÕt vÒ relay vµ lý thuyÕt «t«m¸t h÷u h¹n. II. PH©N LO¹I HÖ THèNG §IÒU KHIÓN Tù §éNG HÖ thèng ®iÒu khiÓn cã thÓ ph©n lo¹i b»ng nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. Sau ®©y lµ mét sè ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i: 1. HÖ tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn: Cã thÓ nãi hÇu hÕt c¸c hÖ thèng vËt lý ®Òu lµ hÖ phi tuyÕn, cã nghÜa lµ trong hÖ thèng cã Ýt nhÊt mét phÇn tö lµ phÇn tö phi tuyÕn (quan hÖ vµo ...