GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ thuật. Lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: điều khiển nhiệt độ, độ ẩm...
Phát minh đầu tiên khởi đầu cho việc phát triển của lĩnh vực điều khiển tự động là bộ điều tốc ly tâm để điều chỉnh nhiệt độ máy hơi nước của Jame Watt năm 1874. Các công trình đáng chú ý trong bước đầu phát triển lý thuyết điều khiển là của các nhà khoa học Minorsky, Hazen, Nyquist...năm 1922. Minorky thực hiện hệ thống điều khiển tự động các con tàu và chứng minh tính ổn định của hệ thống có thể được xác định từ phương trình vi phân mô tả hệ thống. Năm 1932, Nyquist đã đưa ra một nguyên tắc tương đối đơn giản để xác định tính ổn định của hệ thống vòng kìn dựa trên cơ sở đáp ứng vòng hở đối với các tính hiệu vào hình sin ở trạng thái xác lập. Năm 1934, Hazen đã giới thiệu thuật ngữ điều chỉnh cơ tự động (servo mechanism) cho những hệ thống điều khiển định vị vâà thảo luận đến việc thiết kế hệ thống relay điều chỉnh động cơ với ngõ vào tín hiệu thay đổi.
Trong suốt thập niên 40 của thế kỷ 20 phương pháp đáp ứng tần số đã giúp cjo các kỹ sư thiết kế các hệ thống vòng kín tuyến tính thỏa các yêu cầu chất lượng điều khiển. Từ cuối thập niên 40 cho đến đầu thập niên 50 phương pháp quỹ đạo nghiệm của Evan được phát triển khá toàn vẹn.
Phương pháp quỹ đạo nghiệm và đáp ứng tần số được xem là cốt lõi của lý thuyết điều khiển cổ điển cho phép ta thiết kế được những hệ thống ổn định và thỏa các chỉ tiêu chất lượng điều khiển. Những hệ thống này được chấp nhận nhưng chưa phải là tối ưu, hoàn thiện nhất. Cho tới cuối thập niên 50 của thế kỷ 20 việc thiết kế một hay nhiều hệ thống dần dần được chuyển qua việc thiết kế một hệ thống tối ưu với ý nghĩa đầy đủ hơn.
Khi các máy móc hiện đại ngày càng phức tạp hơn với nhioều tín hiệu vào và ra thì việc mô tả hệ thống điều khiển hiện đại này đòi hỏi một lượng rất lớn các phương trình. Lý thuyết điều khiển cổ điển liên quan các hệ thống một ngõ vào và một ngõ ra trở nên bất lực để phân tích các hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu ra. Kể từ khoảng năm 1960 trở đi nhờ máy tính sốcho phép ta phân tích các hệ thống phức tạp trong miền thời gian, lý thuyết điều khiển hiện đại phát triển để đối phó với sự phức tạp của các hệ thống hiện đại. Lý thuyết điều khiển hiện đại dựa trên phân tích trong miền thới gian và tổng hợp dùng các biến trạng thái, cho phép giải các bài toán điều khiển có các yêu cầu chặt chẽ về độ chính xác, trọng lượng và giá thành của các hệ thống trong lĩnh vực kỹ nghệ không gian và quân sự.
Sự phát triển gần đây của lý thuyết điều khiển hiện đại là trong nhiều lĩnh vực điểu khiển tối ưu của các hệ thống ngẫu nhiên và tiền định. Hiện nay máy vi tính ngày càng rẽ, gọn nhưng khả năng xử lý lại rất mạnh nên nó được dùng như là một phần tử trong các hệ thống điều khiển. Những áp dụng gần đây của lý thuyết điều khiển hiện đại vào ngay cả những ngành kỹ thuật như: sinh học, y học, kinh tế, kinh tế xã hội.
TẬP LỆNH CƠ BẢN CỦA MATLAB
I.LỆNH CƠ BẢN
Chú ý: Các lệnh đều viết bằng chữ thường, nhưng vì tác giả muốn viết hoa để người xem tiện theo dõi.
1. Lệnh ANS
a) Công dụng: (Purpose)
Là biến chứa kết quả mặc định.
b) Giải thích: (Description)
Khi thực hiện một lệnh nào đó mà chưa có biến chứa kết quả, thì MATLAB lấy biến Ans làm biến chứa kết quả đó.
c) Ví dụ: (Examples)
2-1
ans = 1
2. Lệnh CLOCK
a) Công dụng: (Purpose)
Thông báo ngày giờ hiện tại.
b) Cú pháp:(Syntax)
c = clock
c) Giải thích: (Description)
Để thông báo dễ đọc ta dùng hàm fix.
d) Ví dụ: (Examples)
c = clock
c =
1.0e+003*
2.0010 0.0040 0.0200 0.0030 0.0420 0.0501
c = fix(clock)
c = 2001 4 20 3 43 3
3. Lệnh COMPUTER
a) Công dụng: (Purpose)
Cho biết hệ điều hành của máy vi tính đang sử dụng Matlab.
b) Cú pháp: (Syntax)
computer
[c,m] = computer
c) Giải thích: (Description)
c: chứa thông báo hệ điều hành của máy.
m: số phần tử của ma trận lớn nhất mà máy có thể làm việc được với Matlab.
d) Ví dụ: (Examples)
demo: là chương trình có sẵn trong trong Matlab, chương trình này minh họa một số chức năng của Matlab.
10. Lệnh DIARY
a) Công dụng:
Lưu vùng thành file trên đĩa.
b) Cú pháp:
diary filename
c) Giải thích:
filename: tên của tập tin.
11. Lệnh DIR
a) Công dụng:
Liệt kê các tập tin và thư mục.
b) Cú pháp:
dir
dir name
c) Giải thích:
dir: liệt kê các tập tin và thư mục có trong thư mục hiện hành.
dir name: đường dẫn đến thư mục cần liệt kê.
12. lệnh DISP
a) Công dụng:
Trình bày nội dung của biến (x) ra màn hình
b) Cú pháp:
disp (x)
c) giải thích:
x: là tên của ma trận hay là tên của biến chứa chuỗi ký tự, nếu trình bày trực tiếp chuỗi ký tự thì chuỗi ký tự được đặt trong dấu ‘’
d) Ví dụ:
» num=('Matlab')
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. Điều khiển học (Cybernctics):
Là khoa học nghiên cứu những quá trình điều khiển và truyền thông máy móc, sinh vật và kinh tế. Điều khiển học mang đặc trưng tổng quát và được phân chia thành nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiễn học kỹ thuật, điều khiển học sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế.
2. Lý thuyết điều khiển tự động:
Là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật. Điều khiển tự động là thuật ngữ chỉ quá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của con người (automatic) nó ngược lại với quá trình điều khiển bằng tay (manual).
3. Hệ thống điều khiển tự động:
Một hệ thống điều khiển tự động bao gồm 3 phần chủ yếu:
Thiết bị điều khiển (TBĐK).
- Đối tượng điều khiển (ĐTĐK).
- Thiết bị đo lường.
Hình 1.1 là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tự động.
Hình 1.1
Trong đó:
C: tín hiệu cần điều khiển, thường gọi là tín hiệu ra (output).
U: tín hiệu điều khiển.
R: tín hiệu chủ đạo, chuẩn, tham chiếu (reference) thường gọi là tín hiệu vào (input).
N: tín hiệu nhiễu tác động từ bên ngoài vào hệ thống.
F: tín hiệu hồi tiếp, phản hồi (feedback).
4. Hệ thống điều khiển kín (closed loop control system):
Là hệ htống điều khiển có phản hồi (feeback) nghĩa là tín hiệu ra được đo lường và đưa về thiết bị điều khiển. Tín hiệu hồi tiếp phối hợp với tín hiệu vào để tạo ra tín hiệu điều khiển. Hình 1.1 chính là sơ đồ của hệ thống kín. Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống kín chính là lý thuyết điều khiển tự động.
5. Hệ thống điều khiển hở:
Đối với hệ thống hở, khâu đo lường không được dùng đến. Mọi sự thay đổi của tín hiệu ra không được phản hồi về thiết bị điều khiển. Sơ đồ hình 1.2 là hệ thống điều khiển hở.
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hở
Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống hở là lý thuyết về relay và lý thuyết ôtômát hữu hạn.
II. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Hệ thống điều khiển có thể phân loại bằng nhiều cách khác nhau. Sau đây là một số phương pháp phân loại:
1. Hệ tuyến tính và phi tuyến:
Có thể nói hầu hết các hệ thống vật lý đều là hệ phi tuyến, có nghĩa là trong hệ thống có ít nhất một phần tử là phần tử phi tuyến (quan hệ vào ra là quan hệ phi tuyến). Tuy nhiên, nếu phạm vi thay đổi của các biến hệ thống không lớn, hệ thống có thể được tuyến tính hóa trong phạm vi biến thiên của các biến tương đối nhỏ. Đối với hệ tuyến tính, phương pháp xếp chồng có thể được áp dụng.
2. Hệ bất biến và biến thiên theo thời gian:
Hệ bất biến theo thời gian (hệ dừng) là hệ thống có các tham số không đổi (theo thời gian). Đáp ứng của các hệ này không phụ thuộc vào thời điểm mà tín hiệu vào được đặt vào hệ thống điều khiển phi thuyền không gian, với khối lượng giảm theo thời gian do tiêu thụ năng lượng trong khi bay.
3. Hệ liên tục và gián đoạn theo thời gian:
Trong hệ liên tục theo thìi gian, tất cả các biến là hàm liên tục theo thời gian. Công cụ phân tích hệ thống liên tục là phép biến đổi Laplace hay Fourier. Tronh khi đó, hệ gián đoạn là hệ thống có ít nhất một tín hiệu là hàm gián đoạn theo thời gian. Người ta phân biệt hệ thống gián đoạn gồm:
- Hệ thống xung: là hệ thống mà trong đó có một phần tử xung (khóa đóng ngắt) hay là tín hiệu được lấy mẫu (sample) và giữ (hold). (Hình 1.3)
