Đồ án môn học    Thiết bị tự động
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………
….
………………………………………………

Thái nguyên ngày …tháng…năm 2007
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM
……………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………….
………………………………………………

Thái nguyên ngày …tháng…năm 2007
GIÁO VIÊN CHẤM
(Ký và ghi rõ họ tên)
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
1
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Mục Lục
Mục lục 2

5.4: Thiết kế bộ điều khiển số 74
5.5 : Mô phỏng và nhân xét 78
Tai liệu tham khảo 80
Lời nói đầu
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
2
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước nhà nước đạng bước vào
thời kỳ công nghiệp hóa ,hiện đại hóa đất nước với những cơ hội thuận lợi và
những khó khăn thách thức lớn.Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ những chủ
nhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề .Sự phát triển nhanh
chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện –
điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày . Để đáp
ứng được những yêu cầu đó ,chúng em những chủ nhân tương lai của đất
nước cần có ý thức học tập và nghiên cứu về chuyên môn của mình trong
trường đại học KTCN một cách đúng đắn và sâu rộng .
Điều khiển – Đo lường là một trong nhưng ngành mới ,đang có đà phát
triển một cách tích cực trong nền CN nước nhà ,chính vì vậy chúng em những
kỹ sư tương lai của đất nước đang nghiên cứu trên ghế nhà trường đều ý thức
một cách rõ ràng về Điều Khiển Tự Động .
Đồ án “Thiết Bị Tự Động ” là một trong những đề tài mà chúng em đang
nghiên cứu đã nói lên được phần nào về vấn đề thiết kế và mô phỏng hệ thống
điều khiển. Rất quan trọng trong hệ thống thiết bị công nghiệp hiện nay.
Trong quá trình thiết kế đồ án của em có sự giúp đỡ chỉ dẫn tận tình của
thầy cô trong bộ môn đặc biệt là PGS TS: Nguyễn Hữu Công ,Ths. Nguyễn
Văn Chí,KS.Phạm Phú Thiêm.Qua đây em gửi lời cảm ơn chân thành tới các
thầy trực tiếp hướng dẫn đồ án của và các thầy trong bộ môn đã giúp đỡ em
trong đồ án này .Tuy vậy bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu
sót ,em rất mong các thầy thông cảm .
Em xin chân thành cảm ơn!

mãn các chỉ tiêu chất lượng định trước.
Ở hình 1.1 ta thấy đầu vào của bộ điều khiển là sai lệnh e(t) = r(t) – z(t)
đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển u(t)
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
4
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Đối với bộ điều khiển đơn giản thì có 1 đầu vào và 1 đầu ra (SISO), bộ
điều khiển phức tạp là bộ điều khiển có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra
(MIMO).
Bộ điều khiển có nhiệm vụ duy trì sự ổn định của hệ thống nghĩa là nó
điều khiển quá trình của hệ thống tiến tới một giá trị xác lập.
1.2- Nguyên tắc điều khiển và phân loại hệ thống điều khiển.
1.2.1- Các nguyên tắc điều khiển.
Các hệ thống điều khiển tự động có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản :
- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch
- Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu
- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo sai lệch và bù nhiều
1.2.2- Phân loại các hệ thống điều khiển tự động.
Hệ thống điều khiển tự động có thể phân loại theo nhiều phương pháp
khác nhau đó là:
- Hệ thống điều khiển tuyến tính, hệ thống điều khiển theo phi tuyến.
- Hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc ( hệ xung - số).
- Hệ tiền định, hệ thống ngẫu nhiên.
Hệ thống tối ưu : là hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bị điều
khiển có chức năng tổng hợp được một tín hiệu u(t) tác động lên đối tượng
nhằm chuyển trạng thái điều khiển tự động từ trạng thái đầu đến trạng thái
cuối với khoảng thời gian ngắn nhất hoặc làm cho hệ đạt được độ chính xác
điều khiển cao nhất.
Hệ thống điều khiển thích nghi (hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh) là hệ
thống có khả năng thích ứng tự động những biến đổi của điều kiện môi trường

∞
∞−
y
yy
max
δ% : lượng quá điều chỉnh
Y(∞) : giá trị xác lập của đại lượng ra
Y(max): giá trị cực đại
• Thời gian quá độ (t
qd
) là thời gian được tính từ lúc hàm quá độ được xem là
không lớn hơn miền sai số ± 5% y(∞)
• Độ tác động nhanh : Độ tác động nhanh của hệ thống được đánh giá bằng
thời gian t
m
là thời điểm mà hàm quá độ có giá trị cực đại y
max.
• Số lần dao động (n) : Là số lần dao động quanh trị số xác lập y(∞) trước khi
kết thúc quá trình quá độ .
b, Chất lượng tĩnh.
Ở hệ điều chỉnh, chất lượng được đánh giá theo sai lệch tĩnh:
e =
( ) ( )
∞=
∞→
ete
t
lim
trong trường hợp chung, nếu cơ cấu điều khiển và đối tượng điều khiển có
hàm truyền tương ứng với:

1
1
lim
0

Khi hệ thống là một khâu quán tính đơn giản thì :

kkTs
Ts
Ts
k
e
ss
+
=
++
+
=
+
+
=
→→
1
1
1
1
lim
1
1
1

hàm truyền đạt để nghiên cứu, khảo sát và đánh giá chất lượng của hệ.
Ngày nay máy tính số phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng và với dung
lượng bộ nhớ lớn đã không ngừng thay thế được máy tính tương tự mà còn
cho phép khảo sát và đánh giá các hệ tự động với tốc độ và độ chính xác ngày
càng cao.
Trong lĩnh vực nghiên cứu các hệ tự động những phần mền chuyên dùng
như TUTSIN, MATLAB… không những được dùng để mô phỏng nghiên
cứu, khảo sát mà còn điều khiển trực tiếp các hệ tự động, không phải lập trình
phức tạp, thao tác đơn giản dễ sử dụng.
• Phương pháp gián tiếp
Với hệ bậc hai, các mối quan hệ giữa chỉ số dao động Mp

( )
( )
oW
pW
M
k
k
p
ϖ
ϖ
=
ωp là tần số ở biên độ cực đại với δ% t
qd
, t
m
, γ
c
, ω

d, Chất lượng hỗn hợp.
ở một mức độ nào đó, chất lượng động và chất lượng tĩnh có thể được
đánh giá theo tiêu chuẩn hỗn hợp, phương pháp đánh giá này rất thuận tiện
trong công việc tính toán & thưc nghiệm để phân tích và tổng hợp các hệ tối
ưu
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
9
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Nếu tín hiệu ra y(t) và cùng với nó sai lệch e(t) không dao động quanh trị
số xác lập y(∞) dùng tiêu chuẩn phân dạng

( )
∫
∞
=
0
dtteJ
o
Khi đó dao động, tiêu chuẩn trên không được thì có thể dùng tiêu chuẩn dạng( )
∫
∞
=
o
dtteJ
1
( )
∫

dt
dt
de
teJ
α
α : Trong số để đánh giá mức độ quan trọng của tốc độ biến đổi của sai lệch
(cũng như của đầu ra) so với bình phương sai lệch.
Kết luận
Đối với một hệ thống điều khiển tự động chỉ tiêu vể ổn định và chất lượng
của hệ thống là 2 nội dung cơ bản để đánh giá một hệ thống điều khiển
Tuy nhiên điều kiện ổn định phải được thoả mãn sau đó mới xét về mặt
chất lượng, của việc đánh giá chất lượng của hệ thống gồm có:
- Chất lượng tĩnh
- Chất lượng động
- Chất lượng ở quá quá trình quá độ
- Chất lượng hỗn hợp
Chất lượng của hệ phụ thuộc vào các thông số, cấu trúc, tính chất của các
khâu động học. Do đó khi hệ thống được phân tích và xét ổn định đã được
thảo mãn, chúng ta phải khảo sát chất lượng bằng các phương pháp hiệu chỉnh
khác nhau nhằm nâng cao chất lượng hệ thống .
1.3.3 –Đánh giá chất lượng thông qua điểm cực
1 Đánh giá chất lượng thông qua điểm cực
Hệ quán tính bậc 1
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
10
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
-Hàm truyền hệ quán tính bậc 1:
( )
1
K

( ) (1 )
t
T
c t K e
−
= −
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
C(s)
1
K
Ts
+
R(s)
11
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Nhận xét về hệ quán tính bậc 1:
-Hệ quán tính bậc 1 chỉ có một cực thực ( -1/T ),đáp ứng quá độ không có vọt
lố.
-T :là thời điểm đáp ứng của khâu quán tính bậc 1 đạt 63% giá trị xác lập.
- Cực thực càng xa trục ảo thì thời gian T càng nhỏ, hệ thống đáp ứng càng
nhanh.
- Thời gian quá độ của hệ tuyến tính bậc 1 là :

1
lntqd T
ε
 
=
 ÷
 

2
2 2 2
2
n
n n
K
s s
ω
ξω ω
=
+ +

1
( , (0,1))
n
T
ω ξ
= ∈
-Hệ dao động bậc 2 có cặp cực phức :
2
1,2
1
n n
p j
ξω ω ξ
=− ± −
- Đáp ứng quá độ :
2
2 2 2
1

 
 
 
−
 
 
(cos )
θ ξ
=
• Hệ dao động bậc 2
Giản đồ cực –zero Đáp ứng quá độ
Của khâu dao động bậc 2 Của khâu dao động bậc 2
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
2 2
2 1
K
T s Ts
ξ
+ +
R(s)
C(s)
13
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
+ Nhận xét về khâu dao động bậc 2-Hệ dao động bậc 2 có cặp cực phức,đáp ứng quá độ có dạng dao động có
biên độ giảm dần.
- Nếu
0

 
 ÷= −
 ÷
−
 
Quan hệ giữa hệ số tắt và độ vọt lố
ξ
càng lớn ( cặp cực càng nằm gần trục thực ) POT càng nhỏ
ξ
càng nhỏ ( cặp cực phức càng nằm gần trục ảo) POT càng lớn
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
14
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
- Thời gian quá độ :
+ Tiêu chuẩn 5 % :
3
qd
n
t
ξω
=
+ Tiêu chuẩn 3% :
4
qd
n
t
ξω
=
*Quan hệ giữa vị trí cực và đáp ứng hệ dao động bậc 2
- Các hệ dao động bậc 2 có các cực nằm trên cùng một tia xuất phát từ góc tọa

GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
16
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
1.4-Các quy luật điều chỉnh lý tưởng.
1.4.1-Các quy luật điều chỉnh vị trí.
Điều chỉnh vị trí là quy luật điều chỉnh không liên tục, không tương tự, nó
không có mối liên hệ liên tục giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào, đặc tính tác
động của máy điều chỉnh mang tính vị trí phụ thuộc vào dấu của sai lệch.
a, Quy luật điều chỉnh hai vị trí.
+ Nguyên lý điều chỉnh:
- Tín hiệu ra của máy điều chỉnh được xác lập ở hai vị trí hoặc U
max
hoặc U
min
- Phương trình mô tả của hệ thống:

u = B.Signe
B- là tác động điều chỉnh
Signe- là dấu của sai lệch
u- là tín hiệu ra
e > 0 → Signe = 1 → u = U
max
= B
e <0 → Signe = -1 → u = U
min
= -B(0)
Như vậy máy điều chỉnh 2 vị trí thực chất là một rơle 2 vị trí lý tưởng có tín
hiệu vào là e, quá trình quá độ điều chỉnh hệ thống thể hiện

Hình 1.5- Khâu rơle 2 vị trí Hình 1.6- Giản đồ thời gian

Tác động điều chỉnh 2 vị trí là U
max
và U
min
nên quá trình điều chỉnh mang
tính tự dao động xung quanh giá trị chủ đạo x.
+ Chất lượng quá trình điều chỉnh:
Được đánh giá bằng hai thông số:
- Biên độ dao động ∆

2
minmax
YY −
=∆
- Sai lệch tĩnh S

2
minmax
YY
XS
+
−=
Y
max
và Y
min
là giá trị cực đại và cực tiểu của đại lượng cần điều chỉnh khi quá
trình điều chỉnh đã đạt tới trạng thái dao động ổn định.
Nhận xét:
- Giá trị của ∆ và S phụ thuộc vào các tham số động học của đối tượng điều

khi 0 ≤e ≤ a, x – a ≤ y ≤ x, Sign(e) = 0, u = U
nor
khi e < 0, y > x, Sign(e) = -1, u = U
min
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
18
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
+ Thuyết
minh:
Khi sai lệch e > a thì đối tượng nhận được giá trị U
max
vì vậy y tăng tới thời
điểm t
1
thì 0 ≤e ≤ a → tác động điều chỉnh chuyển sang trạng thái U
nor
, tốc độ
y giảm cho tới thời điểm t
2
tác động điều chỉnh chuyển từ U
nor
→ U
min
, từ thời
điểm này quá trình điều chỉnh sẽ tạo ra dao động xác lập như điều chỉnh 2 vị
trí giữa U
nor
và U
min
.

du
c
1
=
+ Thuyết minh và chất lượng điều chỉnh:
- Nếu hệ thống sử dụng thiêt bị 2 vị trí thì quá trình điều chỉnh như sau:
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
19
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
+ khi e > 0, sign(e) = 1 ,
c
Tdt
du 1
=

+ khi e < 0, sign(e) = -1 ,
c
Tdt
du 1
−=

Với hệ thống này nếu ta chọn được T
c
thích hợp với đối tượng điều chỉnh
thì chất lượng của quá trình điều chỉnh hệ thống tốt hơn điều chỉnh 2 vị trí,
dưới tác động của thiết bị vị trí cơ cấu chấp hành sẽ tìm được tác động điều
chỉnh thích hợp đảm bảo cho giá trị của lượng cần điều chỉnh ở trạng thái cân
bằng chỉ dao động nhỏ xung quanh giá trị của x. Tuy nhiên do tác động của
thiết bị vị trí nên hệ thống vẫn luôn tự dao động và cơ cấu chấp hành làm việc
liên tục.

trường hợp:
• Tại U
1
: có thể làm cho y tăng vượt quá giá trị (x+a) như hình vẽ, lúc đó
động cơ quay theo chiều ngược lại để giảm U đến giá trị U
2
và y cũng sẽ giảm
tới vùng cân bằng trong khoảng từ (x–a) → (x+a).
• Giá trị U
1
đủ đảm bảo cho y cân bằng trong khoảng xác định trên, lúc đó quá
trình điều chỉnh được xem như kết thúc tại t
1
.
1.4.2- Các quy luật điều chỉnh liên tục.
Quy luật điều chỉnh được mô tả bằng phương trình vi phân tuyến tính tác
động được mang tính chất liên tục phụ thuộc giá trị sai lệch e, các quy luật
này thường đảm bảo độ chính xác cao nếu ta chọn được các thông số của máy
điều chỉnh hợp lý và khoảng 90% thiết bị tự động trong công nghiệp đang sử
dụng quy luật này.
a, Quy luật điều chỉnh tỉ lệ P.
- Phương trình vi phân mô tả:
u = K
m
.e
K
m
– hằng số khuếch đại của quy luật
- Hàm truyền đạt:
W(S) = K
2
2
1
10
2
2
1
10
0
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
22
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Xét tín hiệu đầu vào:

Gọi
( ) ( ) ( ) ( )
SWKKSWSWSW
dtmdtdch 0

==
( ) ( )
( )
( )
SW
SW
SXSY
h
h

1
.
1
1.
Sai lệch tĩnh được đánh giá:

( ) ( )
SESteS
st
.limlim
0
→∞→
==
- Khi tín hiệu vào là hàm đơn vị: x(t) = A.1(t)
→
( )
S
A
SX =

( )
0
.11
1
lim
0
≠
+
=
+

dm
ss
0
2
00
1
1
lim.lim
Như vậy quy luật tỷ lệ không nên sử dụng để điều khiển theo chương trình.
• Ta xét tới chất lượng quá độ của hệ thống khi thay đổi hệ số K
m
bằng cách
thực hiện chạy mô phỏng nhiều lần trên máy tính ta thu được kết quả như sau:
(tín hiệu vào có dạng x(t) = 1(t)):
Đường 1 : là K
m
nhỏ, tác động điều chỉnh nhỏ dần quá trình không dao động
Đường 2 : là K
m
lớn hơn
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
23
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Đường 3 : là K
m
lớn nhất
Trong 3 trường hợp K
m1
< K
m2

1
=
- Hàm truyền tần số:
( )
2
.
.
1
.
1
Π
−
==
j
ii
e
TTj
jW
ωω
ω

Vẽ các đặc tính tần số và hàm truyền của quy luật tích phân như sau:

GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
24
Đồ án môn học    Thiết bị tự động
Ta có nhận xét:
Quy luật tích phân phản ứng kém với các tín hiệu tần số cao, trong tất cả
dải tần số tín hiệu ra và luôn chậm pha hơn so với tín hiệu và 1 góc π/2. Quy
luật tích phân tác động chậm, hệ thống tự động được sử dụng máy điều chỉnh

.
1
.
1
1
.
==
+
=
GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng
25