Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển tự động - Phan Văn Cường

Học phần: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Giảng viên: ThS. Phan Văn Cường
Khoa Điện – Điện tử
NỘI DUNG HỌC PHẦN
Chương 1. Tổng quan hệ thống điều khiển tự động.
Chương 2. Mô tả toán học hệ thống điều khiển tự động.
Chương 3. Khảo sát động học hệ tuyến tính liên tục.
Chương 4. Khảo sát tính ổn định của hệ thống điều khiển tự động.
Chương 5. Khảo sát chất lượng của hệ thống điều khiển tự động.
Chương 6. Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động.
TÀI LIỆU HỌC TẬP
 Tài liệu chính: Giáo trình “Lý thuyết điều khiển tự
động”. Phan Xuân Minh (chủ biên), Hà Thị Kim
Duyên, Phạm Xuân Khánh. Nxb Giáo dục, năm
2011.
 Tài liệu tham khảo:
[1] Lý thuyết điều khiển tự động. Phạm Công Ngô.
Nxb KH&KT năm 2006.
HÌNH THỨC KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ
- Dự lớp học lý thuyết (35 tiết);
- Dự lớp học thực hành (22 tiết);
- Kiểm tra thường xuyên (03 bài);
- Thi kết thúc học phần cuối kỳ: hình thức thi vấn đáp;
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG 
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ điều khiển tự động
1.2 Nhiệm vụ cơ bản của điều khiển tự động
1.3 Cơ sở hệ thống điều khiển tự động
1.4 Cơ sở toán học trong lý thuyết điều khiển tự động
1.5 Ví dụ một số hệ thống điều khiển tự động trong
thực tế
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG 
NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
- 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 “gần” với mục đích định trước.
- Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có
sự tác động của con người.
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG 
NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Tại sao phải điều khiển tự động?
Có 2 lý do chính để thực hiện điều khiển:
- Con người không thỏa mãn với các đáp ứng của hệ
thống.
- Muốn tăng độ chính xác, tăng năng suất và hiệu
quả kinh tế.
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG 
NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Năm 1769 James Watt phát hiện điều khiển tốc độ tua bin
hơi nước dựa trên lực quay ly tâm của quả nặng hay còn gọi là
máy điều tốc ly tâm.
1.2 NHIỆM VỤ CƠ BẢN CỦA ĐIỀU 
KHIỂN TỰ ĐỘNG
1. Phân tích hệ thống điều khiển tự động
2. Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động
3. Nhận dạng hệ thống tự động
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
A, Hệ thống điều khiển vòng hở: Là hệ thống điều
khiển mà tín hiệu điều khiển u(t) không phụ thuộc vào
tín hiệu đáp ứng đầu ra y(t).
Ví dụ: Hệ thống điều khiển máy giặt.
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
B, Hệ thống vòng kín hay điều khiển có phản hồi: Là hệ
thống điều khiển mà tín hiệu điều khiển u(t) phụ thuộc vào tín
hiệu đáp ứng đầu ra y(t).
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
Cấu trúc chung của 1 hệ thống điều khiển có phản hồi:
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
C. Các nguyên tắc điều khiển tự động
C1. Nguyên tắc giữ ổn định
Nguyên tắc này giữ tín hiệu ra bằng một hằng số trong quá
trình điều khiển y = const.
- Phương pháp bù tác động bên ngoài
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
- Phương pháp điều khiển
theo sai lệch
- Phương pháp hỗn hợp
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
C2. Nguyên tắc điều khiển theo chương trình
- PLC (Programmable Logic Controller)
- CLC (Computerized Numerical Controller)
1.3 CƠ SỞ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 
TỰ ĐỘNG
D. Phân loại hệ thống điều khiển tự động
D.1 Phân loại theo đặc điểm của tín hiệu
D.2 Phân loại theo số vòng kín
D.3 Phân loại theo khả năng quan sát tín hiệu
D.4 Phân loại theo mô tả toán học
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
1. Tín hiệu
- Khái niệm về tín hiệu:
- Một số tín hiệu điển hình:
a, Tín hiệu bậc thang (còn gọi là heaviside): là một tín hiệu
được định nghĩa bởi:
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
b, Tín hiệu tăng đều: được xác định qua công thức
c, Tín hiệu xung vuông: được xác định qua công thức
d, Tín hiệu dirac: được xác định qua công thức
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Các tín hiệu bậc thang, tăng đều, xung vuông, dirac
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
2. Phép biến đổi Laplace
- Phép biến đổi Laplace thuận
- Biến đổi Laplace ngược
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Ảnh Laplace và ảnh Z của một số hàm thông dụng
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
3. Các phép toán ma trận
- Ma trận là một bảng lập thành từ m hàng và n cột.
Ký hiệu A là ma trận, ví dụ gồm 2 hàng và 2 cột
sau:
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
a. Ma trận chuyển vị: A = {aij} thì A
’ = {aji}.
b. Cộng hai ma trận: C = A + B tương đương cij =aij + bij.
c. Tích hai ma trận: C = A.B tương đương
d. Vết của ma trận (Trace): là tổng tất cả các phần tử trên
đường chéo chính của ma trận vuông.
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
e. Định thức của ma trận vuông A(n*n) là tổng đại số của n!
số hạng lập nên các phần tử của ma trận A. Ký hiệu det(A).
f. Phần phụ đại số: Nếu định thức A ta bỏ đi hàng thứ i và bỏ
đi cột thứ j và giữ lại (n-1) hàng và (n-1) cột và lấy dấu
bằng (-1)i+j, đó là phần phụ đại số của phần tử aij của ma
trận A ký hiệu là Aij.
g. Ma trận nghịch đảo: Nghịch đảo của ma trận A ký hiệu là
inv(A) hay A-1. Tích của A và A-1 là ma trận đơn vị:
A.A-1 = A-1.A = I. Công thức tính ma trận nghịch đảo:
1.4 CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG LÝ 
THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
h. Trị riêng và vector riêng
- Ta xét phương trình vector y = A.x. Với x và y là các
vector cột, A là ma trận vuông. Ý nghĩa của phương trình
này là có một vector x, qua phép biến đổi ma trận A nó sẽ
thành vector y có cùng một hướng với vector x. Nếu tồn tại
một vector x như vậy thì ta nói y tỷ lệ với x hay quan hệ
của y và x là một phép tỷ lệ tuyến tính với hệ số λ. Lúc đó
có thể viết y = A.x = λ.x. Với λ là một đại lượng vô hướng.
- λ được gọi là trị riêng, x được gọi là vector riêng. Để xác
định λ giải phương trình đặc trưng: det(A- λ.I) = 0.
1.5 VÍ DỤ MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỀU 
KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG THỰC TẾ
a, Hệ thống điều khiển nhiệt độ
1.5 MỘT SỐ VÍ DỤ HỆ THỐNG ĐIỀU 
KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG THỰC TẾ
b, Hệ thống điều khiển động cơ
1.5 MỘT SỐ VÍ DỤ HỆ THỐNG ĐIỀU 
KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG THỰC TẾ
c, Hệ thống điều khiển định vị anten, rada
1.5 MỘT SỐ VÍ DỤ HỆ THỐNG ĐIỀU 
KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG THỰC TẾ
d, Hệ thống điều khiển mực chất lỏng
1.5 MỘT SỐ VÍ DỤ HỆ THỐNG ĐIỀU 
KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG THỰC TẾ
e, Hệ thống điều khiển máy công cụ bằng máy tính
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 1
Chương 1 giới thiệu tổng quan về điều khiển tự động,
lịch sử phát triển, khái niệm hệ thống điều khiển, cơ sở toán
học và một số ví dụ tổng quát về hệ thống điều khiển trong
thực tế, qua đó rút ra những chú ý khi thiết kế và xây dựng
hệ thống điều khiển:
- Xác định mục đích điều khiển là việc đầu tiên phải được xác
định khi bắt đầu với một hệ thống bất kỳ, điều khiển cái gì,
với độ chính xác như thế nào và trong khoảng giá trị nào.
Điều này cần phải được trình bày bằng những giá trị, thông
số cụ thể.
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 1
- Nắm vững về thiết bị điều khiển, đo lường và thiết bị chấp
hành: điều này giúp ta có những lựa chọn chính xác và hiệu
quả nhất, các thiết bị được dùng trong hệ thống nhằm đạt được
mục đích điều khiển đã đề ra.
- Hiểu biết về quy trình công nghệ, môi trường làm việc, đặc
trưng của từng hệ thống điều khiển mà ta xây dựng: ta không
thể thiết kế, xây dựng được một hệ thống điều khiển tàu biển
tốt nếu chưa một lần lái hay ít nhất là quan sát người ta lái tàu
biển, . . . Đây là vấn đề khá quan trọng và các kỹ sư, cử nhân
điều khiển tự động luôn phải trau dồi cho mình những kiến
thức về lĩnh vực mà hệ thống điều khiển của mình sẽ hoạt
động.
Thank you!