Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
Lý thuyết chung về hệ thống điều khiển
nhiều chiều
Chương 1:
Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển nhiều chiều
Trong cuộc sống, chúng ta gặp rất nhiều đối tượng nhiều chiều (đối
tượng MIMO). Đó là các đối tượng nhiều đại lượng đầu vào, nhiều đại
lượng đầu ra. Một hệ thống gồm có đối tượng nhiều chiều và bộ điều khiển
các đại lượng của đối tượng đó được gọi là hệ thống điều khiển nhiều chiều.
1. Đối tượng nhiều chiều và phương pháp điều khiển
1.1. Đối tượng nhiều chiều
Đối tượng nhiều chiều là đối tượng có nhiều đại lượng vào và nhiều
đại lượng ra. Tất cả các đại lượng này có quan hệ chặt chẽ với nhau, tác
động qua lại lẫn nhau. Ví dụ như, khi chúng ta tăng lượng nước ra vòi tắm
hoa sen bằng cách tăng độ mở của vòi nước nóng thì sau đó nhiệt độ lại tăng
lên; một mặt chúng ta muốn có nhiều thời gian nghỉ ngơi nhưng chúng ta lại
dùng nhiều thời gian để làm việc để kiếm nhiều tiền hơn. Như vậy, với một
đối tượng nhiều chiều, việc thay đổi một đại lượng đầu vào nào đó sẽ dẫn tới
sự thay đổi của các đại lượng đầu ra khác. Do đó mà việc điều khiển đối
tượng nhiều chiều rất khó khăn, cấu trúc hệ thống phức tạp. Khó khăn chủ
yếu trong việc điều khiển đối tượng nhiều chiều là phải làm việc với các ma
trận thay vì các hàm truyền.
N
1
N
2
… N
n
X
1
X
n
là các tác động nhiễu
1
Đối tượng điều
khiển
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
Ta thấy rằng, với mỗi một đại lượng đầu vào bất kỳ thay đổi đều dẫn
đến sự thay đổi của các đại lượng đầu ra nên ta có thể xem một đối tượng
nhiều chiều bao gồm nhiều đối tượng một chiều riêng biệt (đối tượng SISO,
có một đầu vào và một đầu ra), có quan hệ đan chéo, tác động qua lại lẫn
nhau, theo các quy luật khác nhau. Việc điều khiển một đối tượng SISO dơn
giản hơn nhiều và có nhiều phương pháp điều khiển hơn so với việc điều
khiển một đối tượng MIMO nên nhiệm vụ đặt ra là xác định các quy luật tác
động như đã nói ở trên thông qua nhận dạng đối tượng.
1.2. Phương pháp điều khiển đối tượng nhiều chiều
Trong thực tế, đối tượng nhiều chiều có thể phân tích thành nhiều đối
tượng SISO và các mối quan hệ được mô tả dưới dạng hàm truyền đạt. Các
quan hệ biểu diễn dưới dạng mô hình sau:
Y
1
=F
1
(X
1
,X
2
,…,X
n
, N
,X
2
,…,X
n
, N
1
,N
2
,…,N
n
)
Việc xác định các hàm truyền đạt thể hiện các mối quan hệ đó được
tiến hành khảo sát bằng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp đơn
giản nhất là phương pháp thực nghiệm. Trong phương pháp này, các đối
tượng đơn được gọi là các kênh của đối tượng nhiều chiều. Như vậy, với
mỗi kênh đó, ta sẽ có một bộ điều khiển thích hợp. Một hệ thống điều khiển
2
Hình 1.2: M« h×nh ®èi tîng nhiÒu chiÒu vµ c¸c t¸c ®éng bªn trong
C¸c quan hÖ bªn trong
®èi tîng (bao gåm quan
hÖ ®éc lËp vµ quan hÖ ®an
chÐo nhau)
x
1
, x
2
, ..., x
n
y
1
Trong đó :
=
n
U
U
U
U
2
1
là tín hiệu vào (tín hiệu chủ đạo);
=
n
X
X
X
X
2
1
là đại lợng điều chỉnh;
=
n
1
là tín hiệu ra (đại lợng đợc điều chỉnh).
Bi toỏn iu khin t ra l phi bo m sao cho chờnh lch gia
cỏc i lng c iu chnh Y
1
,Y
2
,,Y
n
vi cỏc tớn hiu ch o U
1
,U
2
,
,U
n
gõy ra bi cỏc tỏc ng nhiu l nh nht. Khú khn gp phi l s ta
iu khin ln v phi phng trỡnh vi phõn bc cao. õy l mt bi toỏn
khú, phc tp, thut toỏn iu khin ch yu tp trung vo vn nh hng
gia cỏc tớn hiu iu khin trong h thng.
Cú hai phng ỏn gii quyt nh sau:
3
Thiết bị
điều
khiển
Thiết bị
điều
khiển
Đối tượng
điều khiển
o Quan hệ chéo hiệu chỉnh tạo thành khi đa các tác động nhân tạo vào
giữa các hệ thống điều chỉnh nhằm phân ly tạo cho hệ thống có các tính
chất mong muốn xác định.
Mặt khác, ta cũng có thể chia các quan hệ chéo theo hớng truyền của tín hiệu :
o Quan hệ chéo thuận : Trong đó các tín hiệu từ đầu ra hay đầu vào của
một nhóm khâu đợc truyền tới đầu ra hay đầu vào của một nhóm khâu
khác ở phía trớc theo hớng tín hiệu truyền.
o Quan hệ chéo ngợc : Trong đó tín hiệu từ đầu ra hay đầu vào của một
nhóm khâu đợc truyền tới đầu ra hay đầu vào của một nhóm khâu khác
ở phía trớc theo hớng ngợc với tín hiệu truyền.
Khi tổng hợp các quan hệ chéo của hệ thống điều khiển nhiều chiều,
ngời ta sử dụng rộng rãi nguyên lý bất biến. Cơ sở lý thuyết của nguyên lý bất
biến là trong một hệ thống thiết bị điều khiển ngời ta tạo ra những khối quan
hệ chéo bù giữa các kênh với mục đích bù lại các quan hệ chéo vật lý tồn tại
trong lòng đối tợng. Vì vậy khi một hệ thống làm việc thì do có quan hệ chéo
bù nên tín hiệu ra của các kênh khác không thay đổi. Máy điều chỉnh của các
kênh này không phải làm việc, ta nói các hệ thống đơn đã đợc phân ly từ hệ
4
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
thống kép (nhiều chiều). Tín hiệu ra của kênh bất biến với tác động điều khiển
của các kênh khác.
Để thực hiện việc phân ly giữa các kênh chúng ta phải dựa vào phơng
trình đặc tính của các đối tợng từ đó rút ra các giá trị bù các quan hệ chéo giữa
các kênh. Việc này đòi hỏi chúng ta phải tìm hiều kỹ phơng trình đặc tính và
các quan hệ sẵn có của đối tợng.
2. H thng iu khin nhiu chiu thớ nghim
2.1. i tng iu khin nhiu chiu thớ nghim
i tng iu khin nhiu chiu thớ nghim l mt bỡnh nc cú
dũng nc núng v dũng nc lnh chy vo. Nc trong bỡnh l nc m
v cho chy ra ngoi sau khi ó thớ nghim. Dũng nc núng v dũng nc
1
V
2
V
3
H/I
Bình nước hỗn hợp
PT-100
P
1
P
2
Mức
Nhiệt độ
Hỡnh 1.5: Mô hình hệ thống nhiều chiều thí nghiệm
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
2.2. Hệ thống điều khiển nhiều chiều thí nghiệm
Hệ thống điều khiển nhiều chiều thí nghiệm bao gồm cả đối tượng
điều khiển nhiều chiều thí nghiệm, máy tính điều khiển cùng với card vào ra
MF604, các bộ chuyển đổi và các sensor.
Sơ đồ tổng quát hệ thống như sau:
6
Bình nước
hỗn hợp
Nước lạnh Nước nóng
Nguồn
I/P
I/P
H/I
U/I
Máy tính IBM PC
Cụ thể các phần tử đo, chuyển đổi như sau:
2.2.1. Nhiệt kế điện trở PT-100
Nhiệt độ nước nóng được đo bởi nhiệt kế điện trở PT-100 với giá trị
điện trở 100Ω ở 0
o
C (R
0
= 100Ω) và điện trở R
t
phụ thuộc vào nhiệt độ theo
công thức sau:
R
t
= R
0
(1+3,96.10
-3
.t-5,8.10
-7
.t
2
) (1.1)
Nhiệt độ nước ấm thường từ 20
o
C đến 80
o
C nên bỏ qua thành phần
bậc cao, khi đó:
R
Khi nhiệt độ biến thiên trong khoảng 20÷80
o
C thì điện trở biến thiên
tuyến tính trong khoảng 107,92÷131,68Ω. Điện áp đưa vào card là điện áp
trong khoảng 0÷5V nên cần phải biến đổi từ tín hiệu điện trở sang tín hiệu
điện áp bằng bộ biến đổi R/U sao cho khi R=107,92Ω thì U=0V và khi
R=131,68Ω thì U=5V. Để đơn giản, mạch chuyển đổi R/U phải luôn đảm
bảo cho quan hệ giữa điện áp và điện trở là tuyến tính.
U(V)
5
3,333
0,833
0
107,92 111,88 123.76 131,68 R(Ω)
Hình 1.8: Đặc tính bộ chuyển đổi R/U
Từ đặc tính trên ta rút ra quan hệ U(R) như sau:
U = 5.(R – 107,92)/23,76 (V) (1.3)
9
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
10
Hình 1.9: S¬ ®å nguyªn lý m¹ch chuyÓn ®æi R/U
+1 2V
+1 2V
+1 2V
+1 2V
+1 2V
-1 2V
-1 2V
-1 2V
R1 0
L M741
3
2
6
7
1
4
5
R5
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
OP1
OP2
U1
VR3
OP3 Ura
VR2
VR1
Rt
P
N
A
2
2
=
−
−
−
R
UU
R
UU
PPv
⇒
2
42
2
42
4
U
RR
R
U
RR
R
U
vP
+
+
+
=
(1.5)
) là:
6
12
4
2
R
UU
R
UU
I
P
t
−
−
−
=
(1.7)
Thay (1.5) và (1.6) vào (1.4) ta có:
2
42
2
42
4
1
35
3
U
RR
R
U
(1.8)
Thay (1.5) và (1.8) vào (1.7) ta rút ra được:
1
5342
423
5362
423
534
3
6262
4
11
U)
)RR(RR
)RR(R
)RR(RR
)RR(R
)RR(R
R
R
(U)
RRR
R
(I
vt
+
+
−
+
+
2
=R
4
=R
5
=R vµ
RR
R
R
6
2
3
+
=
, ta tìm được:
vt
U
RR
RR
I
6
6
+
=
(1.10)
Từ biểu thức (1.10) ta thấy dòng I
t
qua điện trở R
t
chỉ phụ thuộc vào
v
6
Khi ®ã:
Ω=
+
=
+
=
k751,7
10.1010.9,2
)10.10(
RR
R
R
33
23
6
2
3
Mạch khuếch đại OP2 và OP3:
Tín hiệu điện áp U
2
phụ thuộc vào điện trở R
t
được đưa vào hai tầng
khuếch đại OP2 và OP3 sẽ cho điện áp U
ra
của mạch R/U. Cần chọn hệ số
khuếch đại của OP2 và OP3 sao cho U
ra
2
= - 10 thì hệ số khuếch đại của OP3 là:
5,10
10
105
K
K
K
2
3
−=−==
Chọn R
7
=R
8
=R
9
=10k
Chọn R
10
=1k
Có:
Ω==−=⇒−=
k10010.10R.KR
R
R
K
7211
7
11
v
=4,5V, VR
2
dùng để chỉnh điện áp U
ra
=0 khi
R
t
=107,92Ω (ở 20
o
C) và VR
3
dùng để chỉnh U
ra
=5V khi R
t
=131,68Ω (ở
80
o
C).
Thông số các phần tử trong mạch R/U được tóm tắt trong bảng sau:
STT Tên phần tử Giá trị Ghi chú
1 R
1
1k
12
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
2 R
2
10k
13 R
13
20k
14 R
14
90k
15 D 4,5V Diode Zener
16 OP1 LM741 Mch n dũng
17 OP2 LM741 Mch khuch i
18 OP3 LM741 Mch khuch i
19 VR
1
20k iu chnh sao cho I
t
=2mA
20 VR
2
20k iu chnh im khụng ca U
ra
21 VR
3
20k
iu chnh in ỏpU
ra
=5V khi R
t
=131,68
2.2.3. Thit b o mc
Mức nớc hỗn hợp chứa trong bể đợc đo nhờ bộ chuyển đổi đo mức tác
động theo nguyên lý cột áp thuỷ tĩnh. Tín hiệu ra từ bộ chuyển đổi đo mức này
1
(u A) to in th dng v khi ú I
1
I
2
. Khuếch đại thuật toán OP1
sẽ cho ra là điện áp tỷ lệ với điện áp do dòng cần chuyển đổi tạo ra
(U
v
=U
AB
=U
R1
) theo hệ số K
1
. Sau đó điện áp này sẽ đợc khuếch đại lần nữa
nhờ khuếch đại thuật toán OP2 sao cho điện áp ra biến thiên trong khoảng từ
0ữ5V. Nh vậy hệ số khuếch đại của toàn bộ mạch khi chọn điện trở R
1
=50
là:
50
50.10).810(
05
R.I
U
U
U
K
14
0
8
9
10
2,5
5
U(V)
I(mA)
Hỡnh 1.11: Đặc tính của bộ chuyển đổi I/U
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
Ta chọn R
5
=100K, R
3
=10K. Khi đó ta cũng có R
4
=R
5
=100K và
R
2
=R
3
=10K.
Hệ số khuếch đại của OP2 sẽ là K
2
=K/K
1
=-5.
-1 2V
-1 2V
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
13
2
13
2
+
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
VR1 R9
VR2
R4
R2
7 R
7
40k
8 R
8
1k
9 R
9
100k
10 R
10
40k
11 VR
1
20k Điều chỉnh điện áp U
ra
=0 khi I=8mA
12 VR
2
20k Điều chỉnh điện áp U
ra
=5V khi I=10mA
13 OP1 LM741
14 OP2 LM741
2.2.5. Bộ chuyển đổi U/I
Hai van khí nén V
1
, V
2
(hình 1.6) được điều khiển bằng áp suất khí
-
L M741
3
2
6
7
1
4
5
13
2
13
2
C828
3
2
1
VR1
R1
VR2 R3
R5
R4
Uv
D
R2 Ira1
Ira2T
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
M¹ch chuyÓn ®æi U/I sö dông khuÕch ®¹i thuËt to¸n LM741. §iÖn ¸p cÇn
chuyÓn ®æi U
v
4
Chọn VR
1
=20k, R
1
=100k, R
2
=100k, R
3
=1k, VR
2
=10k và R
5
=100k
Hiệu chỉnh VR
1
sao cho khi U
v
=5V thì I
ra
=20mA
Hiệu chỉnh VR
2
sao cho khi U
v
=0 thì I
ra
=4mA
Thông số các phần tử trong mạch nguyên lý bộ chuyển đổi I/U được cho
trong bảng sau:
ra
tỷ lệ với dòng điện vào. áp suất khí nén ra
sẽ thay đổi trong khoảng từ 0,2ữ1kg/cm
2
(atm). Tại thời điểm ban đầu ta điều
chỉnh vít 5 sao cho áp suất ra p
r
=0,2kg/cm
2
, dòng điện tơng ứng lúc đó là
0mA. Đây chính là giới hạn dới của chuyển đổi I/P. Giới hạn trên cũng đợc
điều chỉnh bởi R
1
sao cho khi dòng điện bằng 20mA thì áp suất ra là 1kg/cm
2
.
18
Hỡnh 1.15: Sơ đồ nguyên lý b chuyển đổi I/P
VR
R
2
1
3
4
5
6
7
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
19
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
020-021 Bộ điều khiển ngắt (8259)
040-043 Bộ phát thời gian (8254)
060-063 Bộ kiểm tra bàn phím (8242)
070-07F Đồng hồ thời gian thực (MC 146818)
080-09F Thanh ghi trang DMA (LS670)
0A0-0BF Bộ điều khiển ngắt 2 (8259)
0C0-0DF Bộ điều khiển DMA2 (8237)
0E0-0EF Dự trữ cho bản mạch chính
0F0-0FF Bộ đồng xử lý 80*87
1F0-1F8 Bộ điều khiển đĩa cứng
200-20F Cổng dùng cho trò chơi
278-27F Cổng song song 2 (LPT2)
2B0-2DF Card EGA2
2E8-2EF Cổng nối tiếp 4 (COM4)
2F8-2FF Cổng nối tiếp 2 (COM2)
300-31F Card mở rộng của người dùng
320-32F Bộ điều khiển đĩa cứng
360-36F Cổng nối mạng (LAN)
378-37F Cổng song song 1 (LPT1)
380-38F Cổng nối tiếp đồng bộ 2
3A0-3AF Cổng nối tiếp đồng bộ 1
3B0-3BF Màn hình đơn sắc
3C0-3CF Card EGA
3E8-3EF Cổng nối tiếp 3 (COM3)
3F0-3F7 Bộ điều khiển đĩa mềm
3F8-3FF Cổng nối tiếp 1 (COM1)
21
Website: http://www.docs.vn Email : [email protected] Tel : 0918.775.368
Bảng sau đây sẽ mô tả cách địa chỉ bởi 4 khóa DIP SW1:
Địa chỉ mặc định của card là 300H, có nghĩa là chỉ có khóa SW1-1
MF604 gồm 32 thanh ghi đánh địa chỉ theo chế độ địa chỉ tức thì theo
địa chỉ của card (chọn bởi các khóa SW1).
3.1. Bộ biến đổi A/D
Tất cả các chức năng của ADC được xác định bởi 4 thanh ghi:
• Thanh ghi điều khiển ADCTRL được sử dụng để chọn kênh vào, dải
điện áp vào, và bắt đầu biến đổi. Các bít của nó như sau:
RNG và BIP dùng để chọn dải điện áp đầu vào:
A0,A1,A2 dùng để chọn kênh vào:
• Thanh ghi trạng thái ADSAT:
• Thanh ghi dữ liệu ADLO và ADHI:
25
Copyright: Tài liệu đại học ©