Xem mẫu
- CÂU HỎI
TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT.
Câu1.
Khi thi thiết kế hệ thống tự động hoá cần qua tâm đến vấn đề gì? Cho
biết tổng quan về hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ, chức năng của
hệ.
Câu 2.
Thiết bị kỹ thuật trong hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nhằm
mục đích gì? Hãy cho biết tổng quan về hệ thiết bị nói chung.
Câu 3.
Đảm bảo toán học cho hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nhằm
mục đích gì? Hãy xây dựng bài toán tối ưu.
Câu 4.
Khi nào cần nhận dạng đánh giá thông số của hệ được điều khiển? Hãy
cho biết 1 phương pháp nhận dạng đánh giá thông số mà anh chị biết.
Câu 5.
Hãy trình bày luật điều khiển PID, cánh chọn thông số nào đó mà anh
chị biết.
Bài tập tiểu luận số 3.
Cho một hệ thống động cơ mô tả toán học dạng:
.
x1 = x 2 + u1
.
x 2 = − x 1 − 2.x 2 + u 2
Với x1(0)=10
x2(0)=0.
Tìm luật điều khiển để toàn hệ đạt tiêu chuẩn tối ưu cực tiểu hàm:
1
1
2∫
J= (x 1 + x 2 + 0,1.u 1 + 0,1.u 2 ).dt
2
2
2
2
0
MỞ ĐẦU
Ngày nay nhắc đến tự động hoá quá trình công nghệ không còn là
một khái niệm mơ hồ nữa mà nó đã được ứng dụng rộng dãi trên thế giới
và trong mọi lĩnh vực. Trong mấy thậm kỷ gần đây với sự phát triển mạnh
mẽ của khoa học và sự bùng nổ thông tin, sự phát triển mạnh mẽ máy tính
1
- điện tử và công nghệ điện tử, vi điện tử, bán dẫn và các dụng cụ chính xác
khác… cộng với sự phát hiện nhiều quy luật điều khiển mới, thúc đẩy quá
trình tự động hoá công nghệ cũng phát triển mạnh mẽ, sâu rộng và ngày
càng hoàn thiện hơn.
Hoà chung nền khoa học của thế giới, nền sản xuất nước ta cũng dần
đi vào phát triển lĩnh vực này. Với đặc điểm là một nước đang phát triển,
nền khoa học kỹ thuật còn non kém, trong khi đó sự phát triển khoa học
như vũ bão đã đẩy nước ta cũng như các nước đang phát triển khác rơi vào
hoàn cảnh trở thành nơi chứa đựng các dây truyền lạc hậu từ các nước phát
triển hơn, hoặc bị khống chế về công nghệ. Trước tình hình như vậy đòi
hỏi cần có một đội ngũ kỹ sư phải hiểu biết về lĩnh vực tự động hoá, am
hiểu về công nghệ và có tính năng động, tự chủ để đáp ứng yêu cầu của xã
hội. Chính vì vậy môn học “ Tự động hoá qúa trình công nghệ được đưa
vào giảng dạy ở bộ môn Tự động hoá, giúp cho sinh viên có cái nhìn tổng
quan về một hệ thống quá trình công nghệ tự động.
Câu 1.
Khi thiết kế hệ thống tự động hoá cần quan tâm đến vấn đề
gì?
Tự động hoá quá trình công nghệ là hệ thống điều khiển tự động sản
xuất trong các xí nghiệp, sử dụng các thiết bị tự động để xử lý thông tin,
xử dụng các phương tiện toán học để giải quyết các nhiệm vụ điều khiển
hoạt động kinh tế , sản xuất của xí nghiệp. Các hệ thống điều khiển này
được hiểu là hệ thống điều khiển các quá trình trên cơ sở sử dụng kĩ thuật
tính, kỹ thuật tự động, kỹ thuật điều khiển, điều chỉnh để điều khiển công
nghệ theo một tiêu chuẩn xác định đặt trước mà trong đó con người mong
muốn và quyết định quá trình.
2
- Chính vì vậy khi thiết kế hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất
chúng ta cần phải quan tâm đến những vấn đề toán học, thông tin nhân lực
và kỹ thuật.
Thứ nhất, đảm bảo toán học của hệ thống tự động hoá quá trình công
nhgệ ( HT-TĐH-QTCN ) Là xác định phưong pháp hiện thực hoá việc điều
khiển QTCN theo các tiêu chuẩn xác định và thực hiện hoá chương trình
của chúng . Để bảo đảm được toán học , chúng ta phải bảo đảm được hai
phần có quan hệ mật thiết với nhau : Bảo đảm algoritm và bảo đảm chương
trình . bảo đảm algoritm của HT-TĐH-QTCN tạo ra nội dung chính của
các vấn đề thiết kế trên cơ sở đó soạn thảo soạn thảo thiết ké chi tiét của
các hệ thống còn riêng rẽ . Bảo đảm này có ý nghĩa quan rtọng , xác định
chất lượng của hệ thống . Vì thế khi thiết kế hệ thống , hiện thực việc bảo
đảm algoritm phải trên cơ sớ lý thuyết điều khiển tự động , điều khiển
lôgic , điều khiển hệ thao tác , phân tích thao tác và hệ thống . Bảo đảm
chương trình tạo ra phần có ý nghĩa bao hàm những thiết kế cụ thể của các
hệ thống con
Thứ hai , bảo đảm thông tin HT-TĐH-QTCN là xác định các
phương pháp cụ thể để biểu diễn các thông tin về trạng thái của đối tượng
được điều khiển . Các thông tin về trạng thái của của đối tượng được biểu
diễn ở dạng số cho máy tính hay dạnd số liệu tính cần thiết cho người vận
hành trong quá trình điều khiển hệ thống . Hiểu theo nghĩa rộng , đảm bảo
thông tin là hệ thống phản ánh quá trính sản xuất , là hệ thống các mô hình
thông tin dùng để mô tả một cách hình thức quá trình sán xuất . Hiểu theo
nghĩa hẹp , đảm bảo thông tin là hệ thống phân loại mã hoá thông tin kinh
tế , kỹ thuật , công nghệ và hiện thực hệ thống thông tin . Để đảm bảo
được thông tin , ta phải đảm bảo đựơc đủ thông tin để thực hiện các mục
tiêu yêu cầu , các tín hiệu và mã phải theo tiêu chuẩn , phải đơn giản nhất
,thích hợp với nơi sản xuất , ít bị nhiềm và phỉa có khả năng trao đổi thông
tin giữa các thiết bị kỹ thuật .
Thứ ba , bảo đảm tổ chức nhân lực là đại diện cho các vấn đề : xác
định nội dung , nguyên tắc hoạt động của người thao tác khi điều khiển
QTCN ở chế độ bình thường và chế độ sự cố ; Điều phối nhân lực để tạo ra
quan hệ giữa các nhà công nghệ và người thao tác sao cho bảo đảm điều
khiển quá trình theo chương trình thống nhất .
Cuối cùng ,bảo đảm kỹ thuật HT-TĐH-QTCN là toàn bộ thiết bị kỹ
thuật của hệ thống hay còn goi là “phần cứng” của hệ . Bảo đảm này được
hiện thực hoá từ kỹ thuật tự động , kỹ thuật tính điều chỉnh . Các thiết bị kỹ
thuật phải thực hiện được những chức năng của hệ thống cần thiét kế .
Cho biết tổng quan về hệ thống tự động hoá quá trình công
nghệ, chức năng của hệ.
Sơ đồ tổng quan về hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ công
nghệ
3
- Tổ chức hoá Vận hành điều
phối
Thông tin Soạn thảo, xử lý Thông tin ra
vào thông tin
Đảm bảo kỹ Đảm bảo
thuật-(máy tính) chương trình
toán học
Tuỳ thuộc công nghệ yêu cầu, ứng với mỗi quá trình công nghệ người
ta xây dựng hệ điều khiển tương ứng. Việc xây dựng tuỳ thuộc vào chỉ tiêu
chất lượng đặt ra.
Tuy nhiên có thể nói rằng tất cả các hệ đều phải trên cơ sở nền tảng:
Có con người phục vụ, thao tác điều phối giám sát.
Đảm bảo được vấn đề thông tin, tổ chức, kỹ thuật, chương trình toán
học.
Trong quá trình hoạt động của hệ, các khâu có quan hệ mật thiết với
nhau. Con người cùng với thiết bị tính làm nhiệm vụ đảm bảo cho hệ thống
làm việc theo yêu cầu công nghệ đặt ra.
Đảm bảo toán học, chương trình sẽ xác định đúng các luật điều khiển
chiến lược điều khiển cho hệ thống, thông qua các thiết bị kỹ thuật để thực
hiện hoá, đảm bảo hệ thống làm việc theo yêu cầu công nghệ mong muốn.
Chức năng của hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ
Tuỳ thuộc vào đặc điểm công nghệ mà chức năng của hệ thống có
những đặc điểm đặc trưng khác nhau. Tuy nhiên các hệ thống tự động hoá
quá trình sản xuất ngày nay đều cố gắng hoàn thiện các chức năng sau:
Chức năng thông tin
Chức năng trao đổi trực tiếp
Chức năng điều khiển
Chức năng bổ trợ
1.Chức năng thông tin.
Hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ phải đảm bảo được vấn đề
thông tin cho toàn hệ. Các hệ con của hệ này cần phải giải quyết:
+Chọn, soạn thảo và thu nhận thông tin. Ví dụ : đo lường các thông số
của quá trình, các tín hiệu về trạng thái của trạng thái hệ thống…
+Kiểm tra, ghi lại các thông số của quá trình, trạng thái của các thiết bị
so với ban đầu, yêu cầu tín hiệu hoá các giá trị vượt giá trị giới hạn.
+Phân tích được hoạt động của hệ thống, ghi nhận trạng thái khi không
an toàn.
+Ghi lại quá trình công nghệ theo các thông số công nghệ yêu cầu. Ví
dụ đồ thị, hình ảnh.
4
- Chức năng thông tin là rất quan trọng, đây chính là yếu tố thiết yếu của
một hệ thống tự động. Bởi vì để điều khiển một hệ thống đòi hỏi phải nắm
vững được các thông số, trạng thái của hệ. Chức năng thông tin cung cấp
những thông số, quá trình hoạt động của hệ thống để giúp cho quá trình
điều khiển, giám sát hệ thống. Chính vì vậy mà trong hệ thống tự động
hoá, ngày càng đòi hỏi phải hoàn thiện chức năng thông tin. Chức năng
thông tin hoàn thiện thì hệ càng có tính điều khiển thời gian thực và có khả
năng giám sát cao.
2.Chức năng trao đổi trực tiếp:
Các hệ thống con dùng trao đổi trực tiếp có nhiệm vụ xử lý logic các
thông tin về hệ thống trong trạng thái sự cố và hoạt động bình thường.
Các nhiệm vụ cơ bản:
+Trao đổi diễn biến công nghệ, trạng thái thiết bị công nghệ.
+Kiểm tra các thông tin cho kết quả.
+Thông báo trước về tình trạng sự cố, khả năng giảm chất lượng sản
phẩm.
3.Chức năng điều khiển.
Chức năng này nhằm đưa công nghệ đang thực hiện đạt được các mục
tiêu hiệu quả nhất. Các hệ con phải đảm bảo:
+Điều chỉnh, bảo vệ, điều khiển logic….(theo công nghệ yêu cầu) các
thông số của hệ.
+ổn định các thông số của công nghệ.
+Đảm bảo chống nhiễu lên hệ thống.
+Dừng hoặc khởi động liên động khi thay đổi ca sản xuất.
+Điều khiển các hoạt động bổ trợ, năng lượng….
+Kiểm tra hoạt động của các luật điều khiển.
+Cùng với người vận hành, phải đảm bảo điều khiển hệ trong các chế
độ của hệ thống.
+Đảm bảo kế hoạch tối ưu cho quá trình sản xuất.
4.Chức năng bổ trợ.
-Bảo vệ sức khoẻ của con người, người vận hành.
-Bảo vệ an toàn chung, kỷ luật lao động.
-Bảo vệ chống sự cố lên người vận hành, môi trường.
Mức độ của các chức năng trên phụ thuộc vào sự phát triển của kỹ thuật
và mức độ đầu tư tự động hoá, yêu cầu chất lượng sản phẩm.
Câu 2.
Mục đích của thiết bị kỹ thuật trong hệ thống tự động hoá quá trình
công nghệ.
Thiết bị kỹ thuật của hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nhằm
đảm bảo vấn đề kỹ thuật cho hệ, ở đây được xem là phần cứng của hệ. Như
vậy thiết bị kỹ thuật được lựa chọn sao cho đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật
5
- của hệ thống. Ngoài ra thiết bị kỹ thuật chiếm vốn đầu tư và công sức lớn
trong công việc xây dựng và vận hành hệ. Do đó thiết bị phải được chọn
lựa kĩ càng phù hợp với khả năng kinh tế và yêu cầu kĩ thuaậ của hệ thống.
Tổng quan về hệ thiết bị nói chung
Các thiết bị nói chung có thể chia thành các nhóm sau:
Thiết bị thu nhận thông tin.
Thiết bị truyền tin.
Thiết bị xử lý tin.
Thiết bị ra và sử dụng thông tin.
1.Thiết bị thu nhận và đưa thông tin vào.
*Thiết bị thu nhận thông tin về quá trình cần điều khiển:
+Thiết bị thu nhận thông tin tự động hoá về quá trình:
-Các bộ biến đổi đo các đại lượng vật lý(cảm biến, biến dòng, điod
quang…)
-Các bộ biến đổi đo các thông số hoạt động của các máy.
-Các bộ biến đổi đo các thông số sản phẩm sản xuất.
-Cảm biến ký hiệu các đối tượng sản xuất.
+ Thiết bị thu nhận thông tin bằng tay về quá trình:
-Các thiết bị bằng tay(nút ấn, bàn phím…)
-Các thiết bị bán tự động (cảm biến đo chuyên dụng)
*Thiết bị đưa thông tin vào
+Thiết bị xử lý các tín hiệu thông tin
-Khuếch đại tín hiệu.
-Biến đổi dạng năng lượng của tín hiệu.
-Các bộ lọc tín hiệu.
-Biến đổi các dạng tín hiệu(tương tự, số…)
-Các thiết bị nhận tin từ bộ nhớ.
-Các thiết bị cho toán tử
+Thiết bị thông tin đã mã hoá.
-Cảm biến thẻ đục lỗ.
-Cảm biến băng đục lỗ.
-Cảm biến các băng từ, đĩa từ
+Thiết bị có cảm biến thông tin từ đồ thị
-Thiết bị cảm nhận băng mã chữ, kí hiệu.
-Thiết bị cảm nhận đồ thị, thông báo.
-Thiết bị cảm nhận từ phim (microfim)
+Thiết bị tiếp xúc trực tiếp với người điều hành:
-Các dạng bàn phím, bàn điều khiển.
-Bút vẽ điện, ánh sáng.
-Thiết bị cho thu nhận thông tin từ lời nói.
+Thiết bị cho việc chuẩn bị bằng tay thông tin:
-Thiết bị để chuẩn bị bằng tay thông tin cho thẻ đục lỗ, băng đục lỗ.
-Thiết bị để chuẩn bị bằng tay thông tin cho băng từ, thẻ từ, đĩa từ.
-Thiết bị để chuẩn bị bằng tay cho phim.
6
- 2.Thiết bị truyền tin
+Các bảng thông báo:
-Các bảng thông báo cố định
-Các bảng thông báo di động
+Thiết bị truyền
-Các bộ biến đổi, chuyển mạch ghép nối.
-Các thiết bị chống nhiễu.
-Kênh truyền.
3. Thiết bị xử lý thông tin.
-Các thiết bị điều khiển máy tính số.
-Các máy tính vạn năng.
-Vi xử lý và máy tính PC.
-PLC, CNC.
-Các máy tính chuyên dụng.
4. Thiết bị đầu ra và sử dụng thông tin.
*Các thiết bị cho đầu ra thông tin
+Thiết bị cho quan hệ trực tiếp với người điều hành:
-Chỉ thị số, bảng chữ cái.
-Các thiết bị chỉ báo tương tự.
-Thiết bị có hình ảnh, lời nói.
-Xung kiểm tra và tín hiệu hoá.
+Các thiết bị thông tin dạng đồ thị:
-Máy chữ, các máy in.
-Các thiết bị ghi đồ thị thông số của quá trình, hệ thống.
-Các thiết bị vẽ theo trục toạ độ.
-Các thiết bị ghi dạng phim.
+Các thiết bị ghi thông tin dạng mã:
-Thẻ đục lỗ, băng đục lỗ.
-Thẻ từ, băng từ.
+Các thiết bị xử lý thông tin và tín hiệu:
-Các thiết bị cho công chúng.
-Các thiết bị lưu trữ thông tin.
-Các bộ biến đổi A/D, D/A.
-Các bộ biến đổi năng lượng điện –cơ, điện-thuỷ lực, điện-khí nén.
-Các bộ khuếch đại tín hiệu.
*Các thiết bị sử dụng thông tin để gây ảnh hưởng lên quá trình:
+Thiết bị sử dụng thông tin tự động:
-Thiết bị điều khiển các Atômát.
-Thiết bị để điều khiển công suất.
-Các phần tử chấp hành được điều khiển trực tiếp.
+Thiết bị để tín hiệu hoá trực tiếp lên người vận hành.
-Các thiết bị tạo tín hiệu quang học.
7
- -Các thiết bị tạo tín hiệu thông tin bằng lời nói, âm thanh.
5.Các thiết bị đảm bảo năng lượng cho hệ thống.
+Các thiết bị cung cấp năng lượng:
-Thiết bị ghép nối với lưới năng lượng chung.
-Thiết bị nguồn dự phòng.
+Các thiết bị kiểm tra sửa chữa..
+Các thiết bị bảo vệ môi trường làm việc.
Câu 3.
Mục đích của đảm bảo toán học hệ thống tự đọng hoá quá trình công
nghệ
Đảm bảo toán học cho hệ thống TĐH-QTCN là xác định luật điều
khiển và chương trình. Ta thực hiện việc điều khiển QTCN theo các tiêu
chuẩn xác định như tối ưu, thích nghi.
Đảm bảo toán học bao gồm hai nội dung chính: đảm bảo Algoritm
và đảm bảo chương trình. Mà hai nội dung này là chủ chốt trong một hệ
thống QTCN. Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm, giá trị phải tăng, chi
phí phải giảm thì vấn đề điều khiển QTCN và chương trình của hệ sẽ quyết
định tất cả.
Giả sử một động cơ điện một chiều là đối tượng của hệ TĐHQTSX,
để điều chỉnh động cơ quay theo những tốc độ khác nhau hay khống chế
dòng ở mức độ nào đó, hay chỉnh định mômen để điều chỉnh sức căng của
băng tải hoặc điều chỉnh vị trí của Rôbốt. Tất cả đều phải căn cứ vào mô tả
toán học của động cơ điện một chiều. Từ mô tả toán học ta mới có phương
án điều khiển phù hợp. Hơn nữa các luật điều khiển và chương trình đều
xuất phát từ toán học như điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi...
Tóm lại mục đích của điều khiển toán học chính là đảm bảo các luật
điều khiển và chương trình, đồng nghĩa với việc có một luật điều khiển
thích hợp cho đối tượng để nâng cao chất lượng của hệ.
Đảm bảo Agloritm có ý nghĩa quan trọng xác định được chất lượng
của hệ thống khi hiện thực hoá, việc đảm bảo Agloritm phải trên cơ sở:
+ Lý thuyết điều khiển tự động.
+ Lý thuyết điều khiển lôgic.
+ Kỹ thuật tính.
Có thể mô tả mục đích vai trò của luật điều khiển theo sơ đồ:
Mục đích- Tính hiệu quả F1 Mục đích cực tiểu năng
của điều khiển lượng
Hàm F điều khiển QTCN Hàm1-tối ưu hoá chế độ
động.
Điều khiển thực hiện F: Điều khiển thực hiện F1
1.Đ/khiển chế độ động. F1 F11 1.Đ/khiển đóng QTCN.
8
- 2.Đ/khiển chế độ xác lập. F2 F12 2.Điều khiển QTCN.
3. Đ/khiển chế độ sự cố. F3 F13 3.Điều khiển tối ưu chế
4.Đ/khiển chế độ chất lượng F4 độ động.
Sau khi có mô hình toán học và thuật toán của hệ thống, tiến hành lập
chương trình để tính trên máy tính. Như vậy, đảm bảo chương trình nhằm
mục đích viết chương trìnhtính toán bằng ngôn ngữ lập trình và máy tính
sau đó tiến hành chạy dưa ra kết quả sử dụng trực tiếp vào hệ thống TĐH-
QTCN hoặc làm trung gian cho bước tính tiếp theo.
Như vậy đảm bảo toán học hệ thống là xác định tính đúng đắn của hệ
bằng toán học và chương trình- phần mềm của hệ. Ngày có nhiều ngôn ngữ
để lập trình việc chọn ngôn ngữ nào và kỹ thuật lập trình ra sao ảnh hưởng
rất lớn đến tốc độ tính toán và kết quả tính.
Hãy xây dựng bài toán tối ưu.
Thông thường các hệ thống điều khiển được thiết kế đều nhằm thoả
mãn một số chỉ tiêu chất lượng đề ra nào đó. Các chỉ tiêu chất lượng phải
tốt nhất theo một quan điểm nào đó thường gọi là chỉ tiêu (chất lượng tối
ưu). Trong trường hợp tổng quát chỉ tiêu chất lượng tối ưu thường được
gọi là chuẩn tối ưu và được mô tả bằng một hàm toán học J nào đó
Chính vì vậy việc đầu tiên khi xây dựng một bài toán tối ưu là ta phải
xác định được tiêu chuẩn tối ưu, hay còn gọi là chuẩn tối ưu và mô tả bằng
1 hàm toán học J nào đó.
Các chỉ tiêu tối ưu trong thực tế có thể là:
+Thời gian quá trình quá độ ngắn nhất.
+Độ quá điều chỉnh δmax nhỏ nhất.
+Sai lệch tĩnh nhỏ nhất.
+Năng lượng tiêu thụ nhỏ nhất.
+Giá thành rẻ nhất.
+Cấu trúc đơn giản nhất, độ ổn định cao nhất….
Về tổng quát, tiêu chuẩn tối ưu J là một phiến hàm thường phụ thuộc
thông số, cấu trúc của hệ thống.
Trong thực tế tiêu chuẩn J được đề ra sẽ bị hạn chế bởi nhiều điều kiện
và tính chất của hệ thống. Hệ thống đảm bảo tối ưu theo tiêu chuẩn J tức là
hệ thống có thông số sao cho hàm J đạt cực trị (cực đại hoặc cực tiểu).
Nghiên cứu hệ thống điều khiển tối ưu, tức là quan tâm tới:
+Xác định bài toán tối ưu, các điều kiện biên và tiêu chuẩn tối ưu.
+Xác định được luật điều khiển để cho quá trình cần điều khiển là tối
ưu, tổng hợp được hệ đó và xây dựng được hệ thống đó trong điều kiện
thực tế.
-Hệ thống tối ưu có thể phân thành 2 loại chính:
+Hệ thống tối ưu tiền định tức là hệ thống tối ưu có tin tức đầy đủ về
đối tượng cần điều khiển.
9
- +Hệ thống tối ưu ngẫu nhiên tức hệ thống không có đầy đủ thông tin về
hệ thống cần điều khiển)
Tóm lại: điều khiển tối ưu rất quan trọng trong thực tế vì điều khiển
tối ưu nâng cao chất lượng hệ thống đảm bảo mọi chỉ tiêu trong hệ đều tối
ưu nhất với mục đích cuối cùng là đáp ứng yêu cầu công nghệ với sai số
nhỏ nhất.
Câu 4
Khi nào cần nhận dạng đánh giá thông số của hệ được điều
khiển.
Trong các hệ thống điều khiển tự động thì nhận dạng hệ thống là rất
quan trọng. Nó quyết định chất lượng điều khiển toàn hệ thống. Việc nhận
dạng các tham số của hệ thống được tiến hành trên cơ sở tính toán bằng
cách giải các phương trình vi tích phân với các số liệu đo lường được.
Trong quá trình làm việc của đối tượng(máy móc) có rất nhiều yếu tố ảnh
hưởng đến trạng thái của đối tượng, do đó làm ảnh hưởng đến các thông
số, chỉ tiêu của hệ. Muốn cho đối tượng làm việc ổn định thì thì khi đó ta
sử dụng nhận dạng đánh giá thông số của hệ thống. Các tín hiệu được nhận
dạng sẽ được đưa qua khâu tính toán rồi khâu so sánh để so sánh với tín
hiệu điều khiển, từ đó sử lý và đưa ra các tham số của hệ thích hợp để
không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Tóm lại ta cần nhận dạng đánh giá hệ thống khi:
+ Khi chúng ta chưa biết đầy đủ thông tin về hệ thống, lúc đó nếu
chúng ta điều khiển đối tượng của hệ thống thì khó có thể chính xác được
+ Khi hệ thống rất phức tạp, khó có thể mô tả toán học ngay được mà
cần thu thập đầy đủ thông tin vào ra của hệ thống, từ đó chọn mô hình và
đánh giá tham số của hệ thống. Khi đó ta sẽ có mô hình gần đúng với hệ
thống thực và đưa ra cách điều khiển tốt nhất.
+ Khi các tác động bên ngoài làm ảnh hưởng gây nhiễu đến trạng thái
của đối tượng.
+ Khi các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao.
+ Khi đối tượng điêù khiển có dải làm việc không rộng.
Ngày nay với sự phát triẻn nhanh chóng của khoa học kỹ thuật hiện đại,
của công nghệ thông tin điện tử đã cho phép tính toán công việc với số
lượng lớn và do đó kỹ thuật nhận dạng ngày càng phát huy được tác dụng
ưu thế của mình.
Chính vì vậy, nhận dạng đánh giá hệ thông đang được ứng dụng rộng
rãi trong rất nhiều lĩnh vực nhất là lĩnh vực điều khiển hệ thống.
Đánh giá thông sốcủa hệ thống là chọn ra thông số tốt nhât phù hợp với
chỉ tiêu chất lượng của hệ. Do đó về thực chất, mục đích của việc đánh giá
thông số là để chọn ra mô hình phù hợp gần đúng nhất với đối tượng, từ đó
đưa ra cách điều khiển tối ưu nhất.
Mục đích cuối cùng của việc điều chỉnh là sao cho e->0 tức là
y->ym, và lúc này ta đã nhận dạng được hệ thống.
10
- Một phương pháp nhận dạng - đánh giá thông số đã biết.
Phương pháp đánh giá thông số bằng thực nghiệm chính là một trong các
bước nhận dạng hệ thống. Khi nhận dạng hệ thống có các bước sau:
+ Thu thập dữ liệu vào ra của hệ
+ Chọn cấu trúc mô hình cho phù hợp.
+ Đánh giá, xác định các thông số của nó.
+ Chọn phương án phân tích và nhận dạng nó.
Như vậy bài toán đánh giá thông số là một phần của bài toán nhận dạng
nhằm đánh giá các thông số của đại lượng điều khiển phục vụ cho bộ điều
khiển (thích nghi hoặc không thích nghi)
Đánh giá thông số bằng thực nghiệm dựa vào các đặc tính quá độ để
xác định các thông số đặc trưng như hằng số thời gian, hệ số tắt ...
Giả sử đặc tính quá độ của hệ như hình vẽ với bước nhảy 1(t)
TP: thời gian quá độ
Tn: thời gian tăng
Tus: thời gian kéo thực
Tuf: thời gian kéo hiện lực
D: độ trễ
Ti, vi: toạ độ điểm uốn
Nếu vi > 0,261 ->giá trị xác lập =1
Thông thường có 3 mô hình thực nghiệm sau:
*Mô hình một:
Ke − Dt
Đặt Fs =
TP + 1
Để đắt giá tham số của hệ này, ta xác định các hệ số K, D, T theo đặc tính
quá độ, dựa vào đó để thu được các chỉ tiêu tốt nhất về hệ thống.
* Mô hình hai:
Ke − Dt
Đặt Fs =
(TP + 1) n
Xác định K, D, T, n theo các công thức kinh nghiệm và bảng giá trị;
*Mô hình ba:
Ke − Dt
Đặt Fs =
Tp 2 + 2Tξp + 1
Xác định K, D, T, ξ theo các công thức kinh nghiệm.
Sau khi đã xác định được các tham số tốt nhất ứng với các yêu cầu chất
lượng hệ, ta sẽ thu được mô hình gần đúng với hệ thống thực và nếu cần
chính xác nữa, ta sẽ tiếp tục chọn mô hình cho chính xác thêm.
Ba dạng mô hình trên chính là ba dạng cơ bản của mô hình giả định, mục
tiêu là đưa đến Y = Ym thì ta sẽ xác định chính xác Fs qua Fm.
Câu 5
Trình bày luật điều khiển PID
Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh PID
fn(t)
e(t)
+ u(t)
Bộ điều khiển Đối
PID tượng 11
z(t)
- Trong đó Gr(s) = K0(1+1/Td.s+Td..s)
Đặc tính quá độ của bộ điều chỉnh PID
h(t)
u(t)
kp
1 e(t)
0 t
Ti
Trong hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của tác động điều
khiển tích phân là loại trừ(khử) sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt
sự truyền tăng theo tỉ lệ của nhiễu lớn bằng cách hiệu chỉnh liên tục hoặc
“lặp lại”(đặt trở lại) đầu ra bị điều khiển, vì lý do đó đôi khi người ta gọi
nó là tác động lặp lại. Tốc độ mà tác động đó “lặp lại” nhân đôi hoặc lặp
lại tác động tỉ lệ được xác định bằng tốc độ lặp lại Ti.
Tác động vi phân có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong
tín hiệu sai số và do đó làm giảm khuynh hướng dao động. Vì tác động vi
phân đáp ứng với tốc độ thay đổi của đầu ra nên gọi là tác động tốc độ.
Khoảng thời gian Td gọi là tốc độ suất hoặc còn gọi là thời gian sớm lên
được tính bằng phút. Còn hệ số khuếch đại Kd là khoảng thời gian Td mà
trong đó tác động vi phân làm cho tác động hình thành bởi điều khiển tỉ lệ
sớm hơn. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID được giới thiệu trên hình
vẽ trên.
Trong thực tế bộ điều khiển PID có thể tạo ra bằng cách mắc nối tiếp 2
bộ điều khiển PI và PID.
Cách chọn tham số bộ điều khiển
Tiêu chuẩn chọn thông số điều khiển của Ziegle-Nichols(1942) là tiêu
chuẩn được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực điều khiển các đối tượng
phức tạp trong công nghiệp khi đối tượng chưa xác định được. Tiêu chuẩn
này cho phép tạo ra một quá trình quá độ với độ quá điều chỉnh khoảng
20% cho thời gian điều khiển là nhỏ nhất.
Với cách chọn thông số cho bộ điều khiển này thì cho ta được tỉ số hai
giá trị cực đại liên tục y2/y1 của qúa trình quá độ bằng ¼ nghĩa là giá trị
cực đại sau nhỏ hơn giá trị cực đại trước là 4 lần.
12
- Các bước tính chọn thông số cho bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn:
1.Cho bộ điều khiển hoạt động ở chế độ điều khiển P. Các tác động
tích phân và vi phân đóng kín hoàn toàn nghĩa là ta đặt Ti = ∞, Td=0. Lúc
này bộ điều khiển là bộ điều khiển tỉ lệ.
2.Tăng hệ số khuếch đại Kp đến chừng nào đáp ứng đầu ra xuất hiện có
dao động với biên độ không đổi(ở biên giới ổn định).
3.Đo chu kì dao động Tosc lúc này đọc gía trị Kp và đây chính là giá trị
khuếch đại tới hạn Kph.
4. Từ đó tuỳ thuộc vào việc sử dụng bộ điều khiển mà ta đặt thông số
cho nó theo bảng số
Thông số Kp Ti Td
Bộ điều khiển
G(s)≈ Kp -0,5Kph
G(s)=Kp(1+1/Ti.s) 0,45Kpth 0,85Tosc
G(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s) 0,6.Kpth 0,5.Tosc 0,12Tosc
Câu 6: Bài tiểu luận số 3.
Xét một hệ thống tuyến tính với các hệ số biến thiên theo thời gian
13
- dX(t)
= A(t)X(t) + B(t)U
dt
Giả thiết rằng véc tơ C(t) là véc tơ đơn vị I, Yw(t) = 0
Véc tơ: Y(t) = X(t) = -E(t)
Hàm:
T1
1 / 1
J= X (t1) ϕ (t1)+ ∫ [X (t)ψt)ψ(t) ) + U(t) ρ(t)U(t)]dt
T T
2 2 T0
Ý nghĩa vật lý của vấn đề đặt ra là giữa cho trạng thái của hệ gần điểm
không. Sao cho mất mát năng lượng ít khi điều khiển. Bài toán đặt ra là tìm
véctơ đại lượng điều khiển u(t) sao cho sai số e(t) là nhỏ nhất. Nếu giả thiết
u(t) là không giới hạn thì ta đi đến xác định trị số của nó. Ta có thể thấy
điều khiển tối ưu là mọi hàm tuyến tính của trạng thái. Tức là có dạng:
U(t) = -R(t)X(t) t ∈ [t o .t1]
Với R(t) ma trận bậc nxn.
Chúng ta giả thiết tồn tại ở trạng thái tối ưu cực tiểu. Cần tìm điều kiện cần
cho điều khiển tối ưu và tìm sự điều khiển cực trị. Hàm Hamilton theo
nguyên lý cực tiểu là:
1
H = λ T (t)[A(t) + B(t)U(t)] + [X T (t)ψt)ψ(t) ) + U(t) T ρ(t)U(t)]
2
Véc tơ λ (t) tìm được từ phương trình vi phân:
dλ ∂H
=−
dt ∂X(t)
Tức:
dλ
= −ψX (t ) − A T (t )λ (t )
dt
Điều khiển tối ưu:
∂H
=0
∂U(t)
Do vậy ta có:
∂H
= ρ(t)U(t) + B T (t).λt). = 0
∂U(t)
Từ các phương trình trên ta suy ra:
U(t) = −ρ −1 (t).BT (t)λ (t)
giả thiết ρ (t) là ma trận xác định dương. Điều khiển tối ưu phải cực tiểu
với hàm Hamilton. Điều khiển cần ∂H / ∂u (t ) phải đạt cực trị theo u(t) thì
ma trận ∂ 2 H / ∂u 2 (t ) có bậc mxm phải xác định dương. Vậy suy ra:
∂2H
= ρ (t )
∂u 2 (t )
Vì ρ (t ) là ma trận xác định dương cho tối thiểu u(t) điều khiển baỏ đảm
hàm H đạt cực trị (cực tiểu ). Phần còn lại của bài toán là xác định λ (t ) nhờ
phương trình
dX(t)
= A(t)X(t) − B(t)ρ −1 (t)B T λ(t )
dt
14
- dX (t )
= A(t ) X (t ) − S (t )λ (t )
dt
Ở đây S(t) = B(t). ρ −1 (t ).B T (t ) là ma trận nxn. Hệ phương trình cần xét là
dX
= A(t ) X (t ) − S (t )λ (t )
dt
dλ
= −ψ(t)X(t) − A T (t)λ (t)
dt
Giả thiết λ(t) có dạng:
λ(t)=K(t).X(t)
Vậy:
dλ dK(t) dX(t)
= X(t) + K(t)
dt dt dt
dX(t)
→ = A(t)X(t) − B(t)ρ −1 (t)B T (t)K(t)X(t)
dt
dλ (t) dK(t)
→ =[ + K(t)A(t) − K(t)B(t)ρ −1 (t)B T (t)K(t)]X(t)
dt dt
dλ (t)
Ma : = [− ψ(t) − A T (t)K(t)]X(t)
dt
So sánh , rút gọn ta được:
dK(t)
+ K(t)A(t) − K(t)B(t)ρ −1 (t)B T (t)K(t) + A T (t)K(t) + ψ(t) = 0 (*)
dt
Phương trình dạng Riccati tồn tại lời giải duy nhất, ta tìm được K(t). Nếu
điều kiện đầu cho trước X(t0)=X0 ta tìm được K(t) là một ma trận dương và
đối xứng. Như vậy có thể viết lại luật tối điều khiển tối ưu :
U(t) = -ρ -1 (t)BT (t)K(t)X(t)
Áp dụng vào bài toán cụ thể của ta có:
Hệ thống động cơ mô tả toán học dạng:
.
x1 = x 2 + u1
.
x 2 = − x 1 − 2.x 2 + u 2
Ta viêt lại:
⎡ . ⎤ ⎡0 1 ⎤ ⎡ x 1 ⎤ ⎡1 0⎤ ⎡ u 1 ⎤
⎢ x.1 ⎥ = ⎢ ⎥.⎢ ⎥ + ⎢ ⎥.⎢ ⎥
⎢ x ⎥ ⎣ − 1 − 2 ⎦ ⎣ x 2 ⎦ ⎣0 1 ⎦ ⎣ u 2 ⎦
⎣ 2⎦
⎡0 1 ⎤ ⎡1 0⎤
A=⎢ ⎥; B = ⎢0 1 ⎥
⎣ − 1 − 2⎦ ⎣ ⎦
Theo đề bài có:
1
1
J= ∫ (x 1 + x 2 + 0,1.u 1 + 0,1.u 2 ).dt
2 2 2 2
20
Mà ta lại có:
t1
J= G n [x(t 2 )] + ∫ f n +1 [x(t), u(t)]d(t)
to
15
- Đồng nhất ta có:
1 2
f n +1 [x(t), u(t)] = (x 1 + x 2 + 0,1.u 1 + 0,1.u 2 )
2
2
2
2
Hàm Hamilton theo nguyên lý cực tiểu có dạng:
H = f n +1 + λ T .f(x, u)
1 2 ⎡ x 2 + u1 ⎤
H= (x 1 + x 2 + 0,1.u 1 + 0,1.u 2 ) + [λ 1
2
2
2 λ 2 ].⎢ ⎥
2 ⎣− x 1 − 2.x 2 + u 2 ⎦
dλ ∂H
Do =− nên ta có:
dt ∂X(t)
dλ 1
= −x 1 + λ 2
dt
dλ 2
= − x 2 − λ 1 + 2.λ 2
dt
⎡ dλ 1 ⎤
⎢ dt ⎥ ⎡1 0 ⎤ ⎡ x 1 ⎤ ⎡ 0 − 1 ⎤ ⎡ λ 1 ⎤
⎢ dλ ⎥ = − ⎢ ⎥.⎢ ⎥ − ⎢ ⎥.⎢ ⎥
⎢ 2⎥ ⎣ 0 1 ⎦ ⎣ x 2 ⎦ ⎣1 − 2 ⎦ ⎣ λ 2 ⎦
⎣ dt ⎦
⎡1 0 ⎤
ψ(t) = ⎢ ⎥;
⎣0 1 ⎦
∂H
Do = ρ(t)U(t) + B T (t).λ (t) = 0 mà:
∂U(t)
∂H
= 0,1.u 1 + λ 1
∂U 1 (t)
∂H
= 0,1.u 2 + λ 2
∂U 2 (t)
⎡0,1 0 ⎤
ρ(t) = ⎢ ⎥
⎣ 0 0,1⎦
Giả thiết λ(t) có dạng: λ(t)=K.X(t)
Xét (*)
Về mặt lý thuyết , ma trận K(t) có thể xác định được nhờ việc lấy tích phân
phương trình trên . Nhưng hệ thống của chúng ta là hệ thống dừng , trong
dK(t)
đó ρ (t ),ψ (t ) là các ma trận hằng xác định dương . Lúc đó =0
dt
Nên K được tính thông qua phương trình:
K(t)A(t) − K(t)B(t)ρ −1 (t)BT (t)K(t) + A T (t)K(t) + ψ(t) = 0
Giải phương trình trên bằng MATLAB ta có :
16
- >> A=[0 1;-1 -2]
A=
0 1
-1 -2
>> B=[1 0;0 1]
B=
1 0
0 1
>> ψ=[1 0;0 1]
ψ=
1 0
0 1
>> ρ=[0.1 0;0 0.1]
ρ=
0.1000 0
0 0.1000
>> K=care(A,B, ψ, ρ)
K=
0.3096 0.0190
0.0190 0.1787
Từ đó ta xác định ma trận U:
−1
⎡0,1000 0 ⎤ ⎡1 0⎤ ⎡0,3096 0,0190⎤ ⎡ X 1 ⎤
U = −⎢ . .
⎣ 0 0,1000⎥ ⎢0 1⎥ ⎢0,0190 0,1787 ⎥ ⎢ X 2 ⎥
⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎣ ⎦
⎡− 3,0690 − 0,1900⎤
U =⎢ ⎥.[ X ]
⎣ − 0,1900 − 1,7870 ⎦
17
nguon tai.lieu . vn
