Giáo trình Cơ sở điều khiển tự động - Đặng Hoài Bắc

HC VIN CÔNG NGHBƯU CHÍNH VIN THÔNG  
CƠ SỞ  
ĐIU KHIN TỰ ĐỘNG  
(Dùng cho sinh viên hệ đào to đại hc txa)  
Lưu hành ni bộ  
HÀ NI - 2006  
HC VIN CÔNG NGHBƯU CHÍNH VIN THÔNG  
CƠ SỞ  
ĐIU KHIN TỰ ĐỘNG  
Biên son :  
Ths. ĐẶNG HOÀI BC  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
LI NÓI ĐẦU  
Lch sphát trin ca điu khin tự động được ghi nhn ttrước công nguyên, bt đầu từ  
đồng hnước có phao điu chnh Ktesibios Hy Lp. Hệ điu chnh nhit độ đầu tiên do Cornelis  
Drebble (1572 - 1633) người Hà Lan sáng chế. Hệ điu chnh mc đầu tiên là ca Polzunou người  
Nga (1765) Hệ điu chnh tc độ được ng dng trong công nghip đầu tiên là ca Jame Watt  
(1769). Thế chiến ln thhai đòi hi sphát trin vlý thuyết và ng dng để có nhng máy bay  
lái tự động, nhng hệ điu khin vtrí cúa loi pháo, điu khin các loi vũ khí khác, điu khin  
tự động các rađa v.v… Nhng năm 1950, các phương pháp toán hc và phân tích đã phát trin và  
đưa vào ng dng nhanh chóng. Mthnh hành hướng nghiên cu trong min tn svi các  
công trình ng dng ca Bode, Nyquist và Black các trung tâm thí nghim đin tín. Trong khi  
y, Liên Xô (cũ) ngtrlĩnh vc lý thuyết và ng dng trong min thi gian.  
Tnhng năm 1980, máy tính sbt đầu được sdng rng rãi, cho phép điu khin vi độ  
chính xác cao các đối tượng khác nhau. Các phương pháp ca Liapunou, Minorsky cũng như lý  
thuyết điu khin ti ưu hin đại ca L.S. Pontryagin (Liên Xô cũ), ca R.Belman (M) có ý  
nghĩa rt ln. Các nguyên tc điu khin thích nghi, điu khin bn vng, điu khin m, các “hệ  
thông minh” v.v… ra đời và được áp dng có hiu quvào thc tin.  
Nhìn chung, cơ sở điu khin tự động là môn hc trang bcho sinh viên nhng kiến thc cơ  
bn để phân tích và tng hp hthng điu khin kthut trong min thi gian và min tn số  
bng công ctoán hc. Trong sách hướng dn hc tp này, chúng ta tp trung xét các hthng  
trong min liên tc và min ri rc, đề cp đến các vn đề cơ bn nht ca lý thuyết hthng điu  
khin được ng dng cho kthut. Các phương pháp được đề cp đến để phân tích và tng hp hệ  
thng là phương pháp kinh đin kho sát theo hàm truyn đạt ca hthng và phương pháp không  
gian trng thái. Ni dung chính sbao gm 7 chương:  
Chương 1: Mô ttoán hc hthng ĐKTĐ liên tc.  
Chương II. Các đặc tính ca hthng ĐKTĐ liên tc.  
Chương III. Kho sát tính n định ca hthng ĐKTĐ liên tc.  
Chương IV. Kho sát cht lượng hthng ĐKTĐ liên tc.  
Chương V. Tng hp hthng ĐKTĐ liên tc.  
Chương VI. Mô ttoán hc hthng ĐKTĐ ri rc.  
Chương VII. Phân tích và tng hp hthng ĐKTĐ ri rc.  
Ngày nay, các công cụ để điu khin đều biến đổi nhanh chóng và hoàn thin, nhưng nhng  
nguyên lý cơ bn vn không thay đổi hoc thay đổi không đáng k. Các vn đề được đề cp trong  
sách hướng dn này da trên các giáo trình về Điu khin tự động trong và ngoài nước nhưng  
được tóm tt và cô đọng giúp hc viên nm được nhng vn đề cơ bn nht ca môn hc.  
Vì thi gian có hn, chc còn mt ssai sót không tránh khi, nhóm biên son mong nhn  
được các góp ý ca người đọc để hoàn thin trong các ln xut bn sau.  
Tác gi  
3
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
CHƯƠNG I. MÔ TTOÁN HC HTHNG ĐIU KHIN  
TỰ ĐỘNG LIÊN TC  
NI DUNG  
1.1 GII THIU CHUNG  
Trong mi hot động ca con người, bt clĩnh vc nào, bt cvtrí nào đều liên quan  
đến hai từ điu khin. Trong khoa hc, tn ti mt ngành khoa hc đã và đang phát trin mnh  
m, đó là điu khin hc.  
Điu khin hc là khoa hc nghiên cu vcác quá trình thu thp, xlý tín hiu và điu  
khin trong mi lĩnh vc đời sng xã hi, khoa hc công ngh, môi trường... Điu khin hc chia  
ra làm nhiu lĩnh vc khác nhau gm điu khin hc toán hc, điu khin hc sinh hc, điu khin  
hc kthut...  
Điu khin hc kthut là khoa hc nghiên cu vquá trình thu thp, xlý tín hiu và điu  
khin các quá trình và hthng thiết bkthut. Khái nim điu khin được hiu là tp hp tt cả  
các tác động mang tính tchc ca mt quá trình nhm đạt được mc đích mong mun ca quá  
trình đó. Hthng điu khin mà không có stham gia trc tiếp ca con người trong quá trình  
điu khin được gi là điu khin tự động.  
Chương này đề cp đến các vn đề sau:  
+ Khái nim chung vhthng điu khin, phân tích sơ đồ khi ca mt hthng điu  
khin thông thường và các phân lai các hthng điu khin.  
+ Mô ttoán hc các hthng điu khin trong min thi gian và trong min tn s. Các  
cách biu din hthng điu khin tự động (ĐKTĐ) và mi quan hgia chúng.  
1.1.1 Sơ đồ khi hthng điu khin tự động đin hình.  
Mt hthng ĐKTĐ gm ba thành phn cơ bn là đối tượng điu khin (Object - O), thiết  
bị điu khin (Controller - C) và thiết bị đo lường (Measuring Device - M).  
Đối tượng điu khin là thành phn tn ti khách quan có tín hiu ra là đại lượng cn được  
điu khin và nhim vcơ bn ca điu khin là phi tác động lên đầu vào ca đối tượng điu  
khin sao cho đại lượng cn điu khin đạt được giá trmong mun. Thiết bị điu khin là tp hp  
tt ccác phn tca hthng nhm mc đích to ra giá trị điu khin tác động lên đối tượng.  
Giá trnày được gi là tác động điu khin.  
Đại lượng cn điu khin còn được gi là đại lượng ra ca hthng ĐKTĐ. Nhng tác  
động tbên ngoài lên hthng được gi là tác động nhiu.  
Có ba phương thc điu khin là phương thc điu khin theo chương trình, phương thc  
bù nhiu và phương thc điu khin theo sai lch.  
Trong phương thc điu khin theo chương trình, tín hiu điu khin được phát ra do mt  
chương trình định sn trong thiết bị điu khin. Vi phương thc bù nhiu, tín hiu điu khin  
được hình thành khi xut hin nhiu lon tác động lên hthng, tín hiu điu khin phát ra nhm  
bù li stác động ca nhiu lon để gicho giá trra ca đại lượng cn điu khin không đổi. Vì  
vy hbù nhiu còn được gi là hbt biến.  
4
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
Trong kthut thường sdng phương thc điu khin theo sai lch, trong đó tín hiu điu  
khin là ssai lch gia giá trmong mun và giá trị đo được ca đại lượng cn điu khin. Sơ đồ  
cu trúc ca hệ điu khin tự động theo sai lch được mô ttrên hình 1.1.  
y
x
u
e
C
O
f
M
Hình 1.1. Sơ đồ khi hthng điu khin tự động điên hình  
Các tín hiu tác động trong hthng:  
u : tín hiu vào (input)  
y : tín hiu ra (output)  
x : tín hiu điu khin tác động lên đối tượng (O)  
e : sai lch điu khin  
f : tín hiu phn hi  
Hthng ĐKTĐ luôn tn ti mt trong hai trng thái là trng thái xác lp (trng thái tĩnh)  
và trng thái quá độ (trng thái động). Trng thái xác lp là trng thái mà tt ccác đại lượng ca  
hthng đều đạt được giá trkhông đổi. Trng thái quá độ là trng thái ktthi đim có tác  
động nhiu cho đến khi hthng đạt được trng thái xác lp mi. Lý thuyết điu khin tự động tp  
trung mô tvà phân tích trng thái quá độ ca hthng. Trng thái xác lp đánh giá độ chính xác  
ca quá trình điu khin. Nếu trng thái xác lp vn còn tn ti sai lch gia tín hiu chủ đạo và  
tín hiu đo, giá trnày được gi là sai lch dư (hay sai lch tĩnh), ký hiu là , hthng được gi  
là hthng có sai lch dư. Nếu ∂ = 0 thì gi là hthng không có sai lch dư.  
1.1.2 Phân loi hthng điu khin tự động.  
Có rt nhiu cách phân loi hthng ĐKTĐ. Mc đích ca phn này không phi nhm đi  
sâu các cách phân loi hthng mà đi sâu mt cách phân loi để chúng ta thy được vtrí, gii  
hn ca phn lý thuyết mà mình đang nghiên cu. Vi mc đích đó, hthng ĐKTĐ được phân  
làm hai loi chính, phthuc vào tính cht ca các phn ttrong hthng là hthng tuyến tính  
và hthng phi tuyến.  
- Htuyến tính là hthng mà tt ccác phn tca nó đều là tuyến tính.  
- Hphi tuyến là hthng mà chcn mt trong các phn tca nó là phi tuyến.  
Ni dung cơ bn nht ca lý thuyết điu khin tự động là đi sâu nghiên cu htuyến tính.  
Đặc trưng cơ bn nht ca các phn ttuyến tính là nguyên lý xếp chng, nghĩa là khi có mt tổ  
hp tín hiu tác động ở đầu vào ca phn tthì tín hiu ra sbng thp tương ng ca các tín  
hiu ra thành phn. Hthng phi tuyến không có tính cht này.  
5
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
Da vào tính cht truyn tín hiu mà hthng tuyến tính li được phân ra làm hai loi là hệ  
thng liên tc tuyến tính và hthng ri rc tuyến tính. Các khái nim liên tc và ri rc ở đây  
được hiu theo biến thi gian.  
- Hthng liên tc tuyến tính nếu tt ccác tín hiu xut hin trong hthng đều là  
tín hiu liên tc theo thi gian.  
- Hthng ri rc tuyến tính nếu chcn mt tín hiu xut hin trong hthng tín  
hiu ri rc theo thi gian.  
Da vào lượng thông tin thu thp được ban đầu về đối tượng điu khin và tính cht ca nó  
mà ta phi xây dng được hthng thiết bị điu khin thích hp, đảm bo được cht lượng ca  
điu khin. Do đó, hthng liên tc tuyến tính được phân ra làm hai loi là hệ điu khin thông  
thường hệ điu khin tthích nghi.  
Hthng tuyến tính được xây dng cho nhng đối tượng mà các thông tin ban đầu về  
chúng khá đầy đủ. Trong hthng này, cu trúc và tham sca thiết bị điu khin là không đổi  
vi đối tượng điu khin cth. Đối vi nhng đối tượng điu khin mà thông tin ban đầu không  
đầy đủ hay quá trình công nghcó yêu cu đặc bit thì hthng tuyến tính không đáp ng được  
thì phi xây dng hthng thích nghi. Đối vi hthng thích nghi, ngoài cu trúc thông thường,  
trong thiết bị điu khin còn có mt sthiết bị đặc bit khác thc hin chc năng riêng ca nó  
nhm đảm bo cht lượng ca quá trình điu khin.  
Hthng ĐKTĐ còn được phân ra làm hai loi là hthng hvà hthng kín. Đối vi hệ  
thng h, tín hiu ca đại lượng cn điu chnh không được sdng trong quá trình to ra tác  
động điu khin. Hthng kín sdng phương pháp điu khin theo sai lch. Tín hiu đo được  
ca đại lượng cn điu khin được đưa phn hi trli đầu vào hthng và được sdng trong  
quá trình to ra tác động điu khin.  
Vic phân loi các hthng ĐKTĐ trên đây chlà mt cách. Tuy nhiên, gia các loi hthng  
này có liên quan mt thiết vi nhau, ví dnhư trong htuyến tính có hliên tc và hri rc…  
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ ĐỘNG HC HTHNG ĐIU KHIN TỰ  
ĐNG.  
Các đặc tính quan trng ca hthng điu khin tự động bao gm: đặc tính tĩnh, đặc tính  
động, các đặc tính thi gian và các đặc tính tn s.  
Đặc tính tĩnh đưa ra quan hvào ra ca hth ng trng thái xác lp, nó thhin độ chính  
xác điu khin ca hthng.  
Đặc tính động ca hthng thường được mô tbng hàm truyn đạt. Nếu thay p = jω  
trong công thc tính hàm truyn đạt, ta nhn được hàm truyn tn svà từ đây có thkho sát đặc  
tính động hc ca hthng thông qua đặc tính tn sca nó.  
1.2.1 Mô ththng trong min thi gian  
1.2.1.1 Hàm truyn đạt ca hthng  
Mi quan hvào – ra trong hthng ĐKTĐ thường được biu din thông qua hàm truyn đạt:  
Y p =W p .U p  
( ) ( ) ( )  
(1.1)  
6
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
trong đó:  
Y p là tín hiu ra ca hthng  
( )  
U p là tín hiu vào ca hthng  
( )  
W p là hàm truyn đạt ca hthng  
( )  
Định nghĩa: Hàm truyn đạt ca hthng là tsgia tín hiu ra và tín hiu vào ca hệ  
thng đó biu din theo biến đổi Laplace vi điu kin đầu trit tiêu.  
L y t  
( )  
{
}
W p =  
( )  
(1.2)  
L u t  
( )  
{
}
vi L là biến đổi Laplace.  
Mt hthng điu khin tự động thường được biu din dưới dng phương trình vi phân  
(PTVP) dng tng quát:  
dny  
dn1y  
dy  
+...+an1 +any=b  
dmu dm1  
y
du  
++bm1 +bmu  
dt  
(1.3)  
a
+a  
+b  
0
0 dtn 1 dtn1  
dtn 1 dtn1  
dt  
trong đó a 0 ÷ an, b0 ÷ bm là các hsn m  
Vi điu kin đầu trit tiêu:  
1
n
( )  
0 = ... = y( ) 0 = 0  
y 0 = y  
( )  
( ) ( )  
(1.4)  
1
( )  
n
0 = ... = u( ) 0 = 0  
u 0 = u  
( )  
( ) ( )  
Biến đổi Laplace ca (1.3) ta có hàm truyn đạt ca HTĐKTĐ là:  
( ) b0 pm + b pm1 +...+ bm1p + bm  
Y p  
1
W p =  
( )  
=
(1.5)  
(1.6)  
a0 pn + a1pn1 +...+ an1p + an  
U p  
( )  
a0 pn + a1pn1 +...+ an1p + an = 0  
(1.6) được gi là phương trình đặc tính hay phương trình đặc trưng (PTĐT) ca hthng  
ĐKTĐ.  
Trong biu thc (1.5), các nghim ca đa thc tsố được gi là các đim không (zero), còn  
các nghim ca đa thc mu số được gi là các đim cc (pole).  
1.2.1.2 Phương trình trng thái mô ththng  
Để hiu rõ vcách xây dng phương trình trng thái, ta hãy xét mt mch lc tương tự  
RLC như sau:  
L
R
i
C
7
U1  
U2  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
Tsơ đồ này ta có các phương tr ình mô tvào ra hthng như sau  
di 1  
U1 = iR + L  
+
idt  
(1)  
(2)  
dt C  
1
U2 =  
idt  
C
Ta thy rng các trng thái ca mch sphthuc i và U2. Để xây dng mô hình toán ta  
đặt:  
U2 = x1  
i = x2  
x1, x2 được gi là biến trng thái, to ra mt không gian trng thái mô tcác trng thái ca  
mch đin trên. Trong bài toán điu khin tự động người ta quan tâm đến tc độ biến thiên ca  
ꢀ ꢀ  
trng thái: x , x (đạo hàm hay vi phân bc 1 ca x1, x2).  
1
2
1
1
(2) x = x2  
x =0.x + .x2 +0.U1  
1
1
1
C
1  
C
R
R
1
1  
1
(1) x2 = x x2 + U1  
x2 = x x2 + U1  
1
1
L
L
L
L
L
L
Biu din dưới dng ma trn, ta có:  
1
C
R
x
x
⎡ ⎤  
1
⎡ ⎤  
0
0
1
⎡ ⎤  
⎢ ⎥  
⎢ ⎥  
⎢ ⎥  
=
+
U1  
1
⎢ ⎥  
⎢ ⎥  
⎢ ⎥  
1  
⎢ ⎥  
⎢ ⎥  
x2  
x2  
L⎦  
⎣ ⎦  
⎣ ⎦  
ꢂꢃꢄ  
Lꢁ  
L  
B.U  
X
X
A
X = AX + BU  
(*)  
(*): gi là phương trình trng thái mô thot động ca mch RLC trên.  
Như vy thay vì ta phi nghiên cu tmch đin cth, tphương trình trng thái, dưới  
góc độ toán hc ta hoàn toàn có ththhin toàn bcác hot động ca mch đin vi các kết quả  
tương tnhư khi nghiên cu trên mch cth.  
Vi A, B là các ma trn trng thái quyết định vic thay đổi các trng thái ca h. Ma trân A  
được gi là ma trn chuyn trng thái.  
Đối vi các hthng phc tp, ta có dng tng quát ca phương trình trng thái và phương  
trình ra là:  
x = f x,u,t  
(
)
)
(1.7)  
y = g x,u,t  
(
trong đó: x, x, f : là các vector n chiu  
u : là các vector r chiu  
8
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
y, g : là các vector m chiu  
Nếu htuyến tính thì (1.7) được viết dưới dng phương trình trng thái dng tng quát  
mô tmt hthng ĐKTĐ bt knhư sau:  
x = A t x + B t u  
( )  
( )  
(1.8)  
y = C t x + D t u  
( ) ( )  
(các hsca ma trn là hàm thay đổi theo thi gian)  
Nếu hthng tuyến tính là dng, tc A, B, C, D là ma trn hng s(không đổi theo thi  
gian) thì ta có hphương trình trng thái:  
x = Ax + Bu  
(1.9)  
y = Cx + Du  
trong đó:  
a
a12 ... a1n  
b
b
... b  
1r  
11  
11  
12  
a21 a22 ... a2n  
b21 b22 ... b2r  
A =  
, B =  
...  
... ... ...  
... ... ... ...  
a
an2 ... ann ⎦  
b
bn2 ... bnr ⎦  
n1  
n1  
c
c12 ... c1n  
d
d12 ... d1r  
11  
11  
c21 c22 ... c2n  
d21 d22 ... d2r  
C =  
, D =  
...  
... ... ...  
...  
... ... ...  
c
m1  
cm2 ... cmn ⎦  
d
m1  
dm2 ... dmr ⎦  
Sau khi được biu din bi phương trình trng thái như (1.8), (1.9) ta scó sơ đồ cu trúc  
dng tng quát biu din như hình vẽ  
D
+
x t  
( )  
y t  
( )  
u t  
( )  
x t  
( )  
+
t
B
C
dτ  
( )  
0
+
A
Hình 1.2 Sơ đồ cu trúc tng quát theo phương trình trng thái ca hliên tc  
1.2.1.3 Thành lp phương trình trng thái thàm truyn đạt cho trước.  
* Nếu đặc tính động hc ca hthng được mô tbng PTVP dng:  
9
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
dny  
dn1y  
dy  
(1.10)  
(1.11)  
a
+a  
+...+an1 +any=ku  
0 dtn 1 dtn1  
vi u là tác động đầu vào ca hthng.  
Hàm truyn đạt ca hcó dng:  
dt  
k
W p =  
( )  
a0 pn + a1pn1 +...+ an1p + an  
Gii phương trình (1.10), ta tìm được hàm y t , nghĩa là biết được sthay đổi ca tín hiu  
( )  
ra theo thi gian khi có tác động đầu vào. Có thchuyn (1.10) thành n PTVP bc nht bng cách  
thay đổi biến s:  
y = y  
1
dy1  
= y2 A y  
1 1  
dt  
dy2  
dt  
= y3 A2 y1  
Đặt:  
...  
dyn1  
dt  
= yn An1y1  
dyn  
= ku An y1  
dt  
Vy ta có phương trình trng thái mô ththng:  
x = Ax + Bu  
y = Cx  
A 1 ... 0  
0
⎡ ⎤  
1
⎢ ⎥  
A2 0 ... 0  
0
⎢ ⎥  
vi A =  
, B =  
, C = 1 0 ... 0  
[
]
⎢ ⎥  
... ... ... ...  
...  
⎢ ⎥  
A 0 ... 0  
k
n
⎣ ⎦  
yn1  
y = y1  
y2  
u
yn  
yn  
y2  
y1  
1
1
1
1
k0  
p
p
p
p
An  
An1  
A2  
A
1
Hình 1.3 Sơ đồ cu trúc hthng  
10  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
+
y
y t  
( )  
u t  
( )  
y
+
t
B
C
dτ  
( )  
0
+
A
Hình 1.4 Sơ đồ cu trúc trng thái ca hệ  
* Nếu đặc tính động hc ca hthng được mô tbng PTVP dng:  
dny dn1y dmu m1y  
dy  
+...+an1 +any=b  
d
du  
++bm1 +bmu  
dt  
(1.12)  
(1.13)  
a
+a  
+b  
dtn 1 dtn1  
0
0 dtn 1 dtn1  
dt  
thì hàm truyn đạt ca hthng có dng:  
B0 pm + B pm1 +...+ Bm1p + Bm  
1
W p =  
( )  
pn + A pn1 +...+ An1p + An  
1
vi Bi = b a0 , A = ai a0 .  
i
i
y = y  
1
dy1  
= y2 A y + B0u  
1 1  
dt  
dy2  
dt  
= y3 A2 y1 + B u  
1
Đặt:  
...  
dyn1  
dt  
= yn An1y1 + Bm1u  
dyn  
= Bmu An y1  
dt  
Vy ta có phương trình trng thái mô ththng:  
x = Ax + Bu  
y = Cx  
A 1 ... 0  
B
0
1
A2 0 ... 0  
B
1
vi A =  
, B =  
, C = 1 0 ... 0  
[
]
... ... ... ...  
...  
A 0 ... 0  
B
m ⎦  
n
11  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
Bm1  
B
B0  
1
yn  
yn1  
y = y1  
yn  
y2  
y1  
1
1
1
1
Bm  
u
p
p
p
p
A2  
A
An  
An1  
1
Hình 1.5 Sơ đồ cu trúc hthng  
+
y
y t  
( )  
u t  
( )  
y
+
t
B
C
dτ  
( )  
0
+
A
Hình 1.6 Sơ đồ cu trúc trng thái ca hệ  
1.2.2 Mô ththng trong min tn số  
Để xác định các đặc tính tn sca hthng, trước hết phi xác định hàm truyn đạt ca nó,  
sau đó thay p = jω vào, ta snhn được hàm truyn tn số để từ đó xét các đặc tính tn sca hệ  
thng.  
Thông thường, hthng ĐKTĐ được phân ra thành hthng hvà hthng kín.  
Y
U
U
Y
Wh  
p
( )  
Wh  
p
( )  
(a)  
(b)  
Hình 1.7 Sơ đồ hthng h(a) và hthng kín (b)  
Gi Wh p là hàm truyn đạt ca hhW p là hàm truyn đạt ca hkín thì ta có  
( )  
( )  
k
mi quan hgia chúng là:  
Wh  
p
( )  
Wk p =  
( )  
(1.14)  
1+Wh  
p
( )  
12  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
1.2.2.1 Các đặc tính tn sca hhở  
Gishthng hở được mô tbi hàm truyn đạt:  
Wh p =W p .W p ...W p  
n
(1.15)  
(1.16)  
( )  
( )  
( )  
( )  
1
2
Nếu hàm truyn tn sca các phn tử được mô tdưới dng:  
W jω = A ω .e jϕ ω  
( )  
(
)
i
(
)
i
i
thì hàm truyn tn sca hhở được tính theo biu thc:  
n
n
j
ϕ ω  
(
i
)
i=1  
Wh jω =  
A ω .e  
( )  
(1.17)  
(
)
i
i=1  
Các đặc tính tn sca hhslà:  
- Đặc tính biên tn (BT):  
n
A ω =  
( )  
A ω  
( )  
(1.18)  
(1.19)  
(1.20)  
i
i=1  
- Đặc tính pha tn (hay pha tn logarithm – PT- PTL)  
n
ϕ ω = ϕ ω  
( )  
( )  
i
i=1  
- Đặc tính biên tn logarithm (BTL)  
n
n
L ω = 20lg A ω =  
( ) ( )  
20lg A ω =  
( )  
L ω  
( )  
i
i
i=1  
i=1  
Như vy, đặc tính BTL và PTL ca hhbng tng đại sca các đặc tính BTL và PTL  
ca các phn tthành phn.  
1.2.2.2 Đặc tính tn sca hkín  
Nếu hàm truyn tn sca hhở được biu din theo công thc (1.17) thì theo (1.14),  
(1.18), (1.19), ta có hàm truyn tn sca hkín là:  
A ω e jϕ ω  
A ω  
( )  
(
)
( )  
Wk jω =  
=
(1.21)  
(
)
1+ A ω e jϕ ω  
ejϕ ω) + A ω  
(
)
(
( )  
( )  
Sdng công thc Eurler:  
ejϕ ω = cosϕ ω jsinϕ ω  
( ) ( )  
(1.22)  
(
)
ta được:  
13  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
A ω  
( )  
Wk jω =  
(1.23)  
(1.24)  
(1.25)  
(
)
A ω + cosϕ ω jsinϕ ω  
( )  
( )  
( )  
Tách phn thc và phn o ta có:  
A ω A ω + cosϕ ω ⎤  
( ) ( ) ( )  
A ω sinϕ ω  
( ) ( )  
Wk jω =  
+ j  
(
)
1+ A2 ω + 2cosϕ ω A ω  
1+ A2 ω + 2cosϕ ω A ω  
( ) ( ) ( )  
( ) ( ) ( )  
- Đặc tính BT ca hkín  
A ω  
( )  
A ω =  
( )  
k
1+ A2 ω + 2cosϕ ω A ω  
( ) ( ) ( )  
- Đặc tính PT ca hkín:  
sinϕ ω  
( )  
ϕ ω = arctg  
( )  
(1.26)  
k
A ω + cosϕ ω  
( ) ( )  
Như vy có thda vào các công thc trên để xây dng các đặc tính tn sca hthng  
kín.  
1.3 CÁC QUY TC BIN ĐI SƠ ĐỒ KHI  
1.3.1 Hthng gm các phn tmc ni tiếp  
Các phn tử được gi là mc ni tiếp nhau nếu tín hiu ra ca phn ttrước là tín hiu vào  
ca phn tsau. Tín hiu vào ca hthng là tín hiu vào ca phn tử đầu tiên và tín hiu ra ca  
hthng là tín hiu ra ca phn tcui cùng. Sơ đồ ca các phn tmc ni tiếp được mô ttrên  
hình 1.8.  
U
U
Y
Y
U1  
U2  
W
W2  
Wn  
W .W2...Wn  
1
1
Hình 1.8 Sơ đồ hthng gm các phn tmc ni tiếp  
Thình 1.8 ta có:  
W =U1 U  
1
W2 =U2 U1  
Wn = Y Un1  
Vy hàm truyn đạt ca hthng:  
Y
W p = =W .W2...Wn  
(1.27)  
( )  
1
U
14  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
1.3.2 Hthng gm các phn tmc song song  
Hthng được xem là gm các phn tmc song song nếu tín hiu vào ca hthng là tín  
hiu vào ca các phn tthành phn còn tín hiu ra ca hthng bng tng đại sca các tín hiu  
ta ca tng phn tthành phn. Sơ đồ hthng gm các phn tmc song song được mô ttrên  
hình 1.9.  
Thình 1.9 ta có:  
Y =W U  
1
1
Y2 =W2U  
Yn =WnU  
Vi Y = Y 1 +Y2 +...+Yn  
Vy hàm truyn đạt ca hthng:  
Y
W p = =W +W2 +...+Wn  
( )  
(1.28)  
1
U
U1 =U  
U2 =U  
W
1
Y
1
U
Y
Y2  
Y
W2  
W +W2 +...+Wn  
1
U
Yn  
Un =U  
Wn  
Hình 1.9 Sơ đồ hthng gm các phn tmc song song  
1.3.3 Hthng có mch mc phn hi (hi tiếp)  
Hthng có mch mc phn hi gm hai loi là phn hi âm và phn hi dương.  
Đối vi phn hi dương: tín hiu ra ca hthng chính là tín hiu được đưa vphn hi còn  
trong phn hi âm, tín hiu đó có thêm du âm.  
e
e
U
U
Y
Y
W
W
1
1
F
F
+
W2  
W2  
(a)  
(b)  
Hình 1.10 Sơ đồ hthng có mch phn hi âm (a) và dương (b)  
15  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
*Xét hthng có phn hi âm (hình 1.10a):  
e =U F  
Y=W .e  
1
Z =W2.Y  
Gii ra ta có:  
Y
W
1
W p =  
( )  
=
=
(1.29)  
(1.30)  
U
1+W W2  
1
* Xét hthng có phn hi dương: e =U + F  
Y
W
1
W p =  
( )  
U
1W W  
1 2  
1.3.4 Chuyn đổi vtrí các tín hiu  
Chuyn đổi vtrí các tín hiu là công cụ để chuyn sơ đồ khi các mch liên kết phc tp  
sang các mch liên kết đơn gin như mc song song, ni tiếp, hi tiếp để từ đó có thsdng các  
quy lut đã nêu trên nhm xác định hàm truyn đạt ca hthng. Nguyên tc ca vic chuyn đổi  
là không làm thay đổi struyn tín hiu trong hthng.  
1.3.4.1 Chuyn đổi tín hiu vào  
* Ttrước ra sau mt khi:  
U1  
W
W
U1  
U2  
Y
Y
U2  
W
(a)  
Hình 1.11 Chuyn tín hiu vào ttrước ra sau mt khi  
Thình 1.11 (a) và (b) ta có: Y =WU1 +WU2  
(b)  
Vy tín hiu U1 chuyn ttrước ra sau mt khi thì tín hiu đó phi đi qua mt khi mi có  
hàm truyn đạt chính bng khi đó.  
* Tsau ra trước mt khi:  
U1  
U2  
1 W  
U1  
U2  
Y
Y
W
W
(a)  
(b)  
Hình 1.12 Chuyn tín hiu vào tsau ra trước mt khi  
16  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
Thình 1.12 (a) và (b) ta có: Y =U1 +WU2  
Vy tín hiu U1 chuyn tsau ra trước mt khi thì tín hiu đó phi đi qua mt khi mi có  
hàm truyn đạt chính bng nghch đảo ca khi đó.  
1.3.4.2 Chuyn đổi tín hiu ra  
* Ttrước ra sau mt khi:  
Y
1
Y
1 W  
1
Y2  
U
U
W
Y2  
W
(a)  
(b)  
Hình 1.13 Chuyn tín hiu ra ttrước ra sau mt khi  
* Tsau ra trước mt khi:  
Y
1
Y
W
1
Y2  
U
U
W
W
Y2  
(a)  
(b)  
Hình 1.14 Chuyn tín hiu ra tsau ra trước mt khi  
1.3.4.3 Các bcng, đim rnhánh lin nhau có thể đổi chcho nhau  
Y
Y
U1  
U1  
U2  
U3  
U2  
U3  
(a)  
(b)  
Y
Y
U
U
Z2  
Z1  
(b)  
Z1  
Z2  
(a)  
Hình 1.15 Các bcng, đim rnhánh có thchuyn vtrí cho nhau  
17  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
Ví d1.1: Xác định hàm truyn đạt ca hthng có sơ đồ như hình 1.16:  
W6  
+
+
B
Y
U
W1  
W2  
W3  
W4  
A
W5  
Hình 1.16  
Để tính được hàm truyn đạt ca hthng, ta phi chuyn hthng vdng có tháp dng  
được các công thc trong phn 1.3. Có nhiu cách thc hin như:  
-
Cách 1: Chuyn A vB (chuyn tín hiu ra tsau ra trước khi W3), sau đó hoán đổi vtrí  
ca A và B.  
-
Cách 2: Chuyn B vA (chuyn tín hiu ra ttrước ra sau khi W3), sau đó hoán đổi vtrí  
ca A và B.  
Sau đây ta sthc hin theo cách 1, khi đó ta có hthng tương đương như trên hình 1.17.  
Thình 1.17, ta có thtính hàm truyn đạt ca ba khâu W2, W3, W6 và có hthng tương  
đương như hình 1.18:  
W2  
W236  
=
1W2.W3.W6  
W6  
W3  
+
+
B
Y
U
W3  
W1  
W2  
W4  
A’  
W5  
Hình 1.17  
18  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
B
Y
U
W3  
W1  
W236  
W4  
W5  
Hình 1.18  
Thình 1.18:  
W .W236  
1
W
=
12356  
1+W5.W1.W236  
Hàm truyn đạt hca hthng:  
Hàm truyn đạt kín ca hthng:  
Wh =W12356.W3.W4  
Wh  
Wk =  
1+Wh  
1.4 GRAPH TÍN HIU  
Được dùng để xác định hàm truyn đạt ca hthng ĐKTĐ vi các đặc đim sau:  
Graph là đồ hình gm các nhánh và các nút.  
-
-
Mi mt nút ca graph được biu din bng mt đim và ghi tên mt đại lượng nào đó  
trong hthng điu khin. Nút gc là lượng vào, nút ngn là lượng ra ca mt khâu nào  
đó.  
X j  
-
Mt nhánh ni nút gc và nút ngn có mũi tên, trên đó ghi giá trị  
hàm truyn đạt tương ng vi mt khâu nào đó (hình 1.19). Hàm  
truyn đạt ca mt nhánh bng tsgia giá trnút ngn và giá  
trnút gc:  
Wij  
Hình 1.19  
Xi  
Wij = X j Xi  
Tương tnhư sơ đồ cu trúc, sliên kết ca các nhánh riêng lto thành mt graph tín hiu  
cho mt hthng điu khin.  
* Các quy tc biến đổi ca graph:  
-
Các nhánh ni tiếp:  
X2  
X1  
X2  
X3  
X1  
W1  
W1  
W1.W2  
Hình 1.20  
19  
Chương 1. Mô ttoán hc hthng điu khin tự động  
-
Các nhánh song song:  
W1  
W2  
X2  
X1  
X1  
X2  
W1+W2  
Hình 1.21  
-
Phn hi dương (âm)  
W1  
W2  
X2  
X1  
X1  
X2  
W
1
1±W .W2  
1
Hình 1.22  
-
Khnhánh to vòng kín:  
W2  
X3  
X3  
X1  
X1  
W .W3  
X2  
W1  
W1  
1
1W2  
Hình 1.23  
* Stương quan gia sơ đồ cu trúc hthng và graph tín hiu trong hthng điu khin  
Hình 1.23 là graph tín hiu biu din hthng có sơ đồ cu trúc như hình 1.24.  
X2  
X3  
X1  
W1  
W3  
+
W2  
Hình 1.24  
Theo hình 1.23 ta có:  
X2 =W X +W2X2  
1 1  
20  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 152 trang baolam 05/05/2022 4420
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ sở điều khiển tự động - Đặng Hoài Bắc", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_co_so_dieu_khien_tu_dong_dang_hoai_bac.pdf