1 of 183

HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN SỐ

TS. Đỗ Văn Cần

ĐT: 0935253630

Web: noibunphodien.com

Khoa Kỹ thuật & Công nghệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

1

2 of 183

HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN SỐ

2

3 of 183

HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN SỐ

1. Tổng quan (4 tiết)

2. Biến đổi Z (8 tiết)

3. Mô hình toán học hệ điều khiển số (8 tiết)

4. Thiết kế bộ điều khiển số (10 tiết)

Phần mềm Matlab

3

4 of 183

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

1.2. Biến đổi AD (2 tiết)

​

4

5 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Hệ thống điều khiển tự động (a) có phản hồi:

C- là tín hiệu cần điều khiển;

U- là tín hiệu điều khiển;

R - là tín hiệu chủ đạo, chuẩn hoặc tham chiếu;

N - là tín hiệu nhiễu tác động bên ngoài hệ thống;

F - là tín hiệu hồi tiếp phản hồi.

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

5

6 of 183

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

​

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Hệ thống điều khiển liên tục: Tất cả các tín hiệu truyền trong hệ thống đều là các tín hiệu liên tục

Hệ thống điều khiển số: Là có ít nhất một tín hiệu truyền trong hệ thống là tín hiệu xung, số

6

7 of 183

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

​

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

7

Giá trị đặt

r(t)

ADC

e[k]

Bộ điều khiển

D(z)

PWM/DAC

u(t)

Đối tượng

G(s)

Cảm biến

y(t)

Vòng lặp thực: Đo → Tính sai lệch → Tính điều khiển → Giới hạn → Xuất tín hiệu

Cấu trúc bộ điều khiển số

8 of 183

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

​

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Đặc điểm

Tác động nhanh: Các thiết bị tương tự tác động gần như tức thời trong khi các thiết bị số tác động chậm do cần thời gian biến đổi và xử lý.

​

Thiết bị số phải thực hiện theo các bước:

  1. Lấy mẫu,
  2. Ghi dữ liệu.
  3. Tính toán,
  4. Xử lý theo chương trình

​

8

9 of 183

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

​

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Số hóa hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có phản hồi

9

10 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Lấy mẫu theo thời gian

Lấy mẫu theo mức

10

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Lấy mẫu là đo đạt các giá trị theo thời gian, có lấy mẫu theo thời gian cố định (Chu kỳ) lấy mẫu theo giá trị định trước

11 of 183

Lượng tử hóa (quantization) là quá trình biến đổi giá trị biên độ liên tục của tín hiệu thành một số hữu hạn các mức rời rạc.

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Tín hiệu:

      • Tương tự
      • Rời rạc
      • Tín hiệu số
      • Liên tục

Lượng tử hóa:

      • Lượng tử hóa theo thời gian
      • Lượng tử hóa theo mức
      • Lượng tử hóa hỗn hợp

11

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

12 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

12

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Quá trình

Đại lượng rời rạc

Kết quả

Ý nghĩa

Lấy mẫu

Thời gian

x[k] = x(kTs)

Chọn thời điểm đo

Lượng tử hóa

Biên độ

Giá trị thuộc tập mức hữu hạn

Chọn mức gần nhất

Mã hóa

Biểu diễn số

Từ nhị phân N bit

Lưu và xử lý bằng máy tính

13 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Hàm bậc thang đơn vị

13

 

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

14 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Hàm xung Dirac

14

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

15 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Hàm dốc đơn vị

15

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

16 of 183

1.1. Khái niệm và một số hàm cơ bản (2 tiết)

Bài tập

16

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

17 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

17

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

18 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

Hàm chuyển đổi D/A

18

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

19 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

19

Theo định lý Nyquist, chu kỳ lấy mẫu T của bộ biến đổi A/D phải có giá trị

​

​

​

​

​

fmax là tần số cực đại của sóng điều hoà hình sin của tín hiệu đầu vào

 

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

20 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

20

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

21 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

Để chuyển đổi từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ta phải thực hiện qua hai bước

  • Chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu lấy mẫu thông qua quá trình lấy mẫu tín hiệu: x(t) 🡪 x’(t)
  • Chuyển từ tín hiệu lấy mẫu thành tín hiệu số thông qua quá trình lượng tử hóa theo mức: x’(t) 🡪 x*(t)

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

21

22 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

22

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Bước lượng tử

Δ = (Vmax − Vmin) / 2ᴺ

Sai số lượng tử cực đại

|eq| ≤ Δ/2

•

Số mức: 2¹² = 4096

•

Độ phân giải: 10/4096 = 2,44 mV

•

Cảm biến 0–10 V ↔ 0–1500 vòng/phút

•

Độ phân giải tốc độ ≈ 0,366 vòng/phút

Tăng số bit giúp giảm sai số lượng tử nhưng không loại bỏ nhiễu cảm biến.

23 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

23

 

Xét bộ lấy mẫu có đầu vào là tín hiệu liên tục x(t) và đầu ra là tín hiệu rời rạc x*(t). Quá trình lấy mẫu có thể mô tả bởi biểu thức toán học sau:

 

Giả sử x(t) = 0 khi t < 0 ta được:

 

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

24 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

Biến đổi Laplace hai vế ta được

24

 

 

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Đây là biểu thức toán học mô tả quá trình lấy mẫu

Mô tả bộ biến đổi A/D được biểu thị ở sơ đồ khối trước/sau

25 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

25

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

26 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

Khâu giữ dữ liệu là khâu chuyển tín hiệu rời rạc theo thời gian thành tín hiệu liên tục theo thời gian. Khâu giữ dữ liệu có nhiều dạng khác nhau, đơn giản nhất và được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển rời rạc là khâu giữ bậc 0 ( Zero- Order Hold- ZOH)

26

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

27 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

Ta tìm được hàm truyền của khâu ZOH . Để ý rằng nếu tín hiệu vào của khâu ZOH là xung dirac thì tín hiệu ra là xung vuông có độ rộng bằng T. Ta có

27

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

28 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

28

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Hàm truyền khâu giữ bậc không

GZOH(s) = (1 − e⁻ˢᵀ) / s

•

DAC/ZOH biến chuỗi u[k] thành tín hiệu bậc thang

•

Giữ nguyên giá trị trong toàn bộ chu kỳ T

•

Gây trễ pha xấp xỉ T/2

•

Ts càng lớn, ảnh hưởng đến dự trữ pha càng rõ

u(t)

0 T 2T 3T 4T 5T 6T

29 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

29

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

30 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

30

Biểu thức toán học trên là hàm truyền của khâu lưu giữ bậc 0. Trong các hệ thống điều khiển thực tế, nếu có thể bỏ qua được sai số lượng tử hóa thì các khâu chuyển đổi D/A chính là các khâu giữ bậc 0 (ZOH).

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

31 of 183

1.2. Bộ biến đổi A/D (2t)

31

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

32 of 183

Kết luận

32

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

33 of 183

Câu hỏi chương

33

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển số cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập điều khiển chỉnh lưu tia 3 pha, thể hiện chi tiết hàm truyền từng đối tượng (2đ)

  • Thiết bị điều khiển số
  • Hàm DAC
  • Hàm ADC
  • Chỉnh lưu Tia 3 pha
  • Động cơ điện một chiều với hằng số Tc, Tđ

34 of 183

34

chương 1: TỔNG QUAN (4t)

Bài tập ứng dụng: điều khiển tốc độ động cơ DC

Tốc độ đặt

PI số

Giới hạn

PWM

Động cơ

Thông số cho trước

•

Encoder đo tốc độ

•

Ts = 10 ms

•

Giới hạn duty cycle: 0–100%

•

Tốc độ đặt: 500 → 800 vòng/phút

Yêu cầu thực hiện

•

Vẽ vị trí đo và khâu xuất PWM

•

Đánh giá lựa chọn Ts

•

Lập phương trình PI dạng gia tăng

•

Mô phỏng nhiễu tải và bão hòa

•

Dự đoán khi tăng Ts lên 100 ms

Sản phẩm: sơ đồ khối + mô hình Simulink + đồ thị đáp ứng + nhận xét kỹ thuật

35 of 183

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

​

2.1. Định nghĩa (2 tiết)

2.2. Tính chất (2 tiết)

2.3. Biến đổi Z ngược (2 tiết)

2.4. Bài tập và kiểm tra số 1 (2 tiết)

35

36 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

36

Khi giải phương trình sai phân bậc cao người ta thường gặp nhiều khó khăn, vì vậy người ta thường dùng biến đổi Z để biến phương trình sai phân tuyến tính của hệ gián đoạn thành phương trình đại số.

Điều này hoàn toàn tương tự như trong trường hợp hệ liên tục dùng biến đổi Laplace để biến phương trình vi tích phân thành phương trình đại số.

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

Phương trình sai phân

y[k]+a₁y[k−1]=bu[k]

Biến đổi Z

Dịch thời gian ↔ z⁻¹

Phương trình đại số

Y(z)=G(z)U(z)

Phân tích hệ

Cực • zero • ổn định

37 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

37

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

Miền hội tụ là tập hợp tất cả các giá trị z sao cho F(z) hữu hạn. Giả sử f(t) là tín hiệu liên tục trong miền thời gian, lấy mẫu f(t) với chu kì lấy mẫu T ta được chuỗi rời rạc f(k)=f(kT). Biểu thức lấy mẫu f(t):

38 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

38

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

39 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

39

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

40 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

40

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

41 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

41

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

42 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

42

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

43 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

43

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

44 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

44

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

Mặt phẳng s

Re(s) < 0

Hệ liên tục ổn định

Ánh xạ

z = eˢᵀˢ

Tần số gập quanh đơn vị

Mặt phẳng z

|z| < 1

Hệ rời rạc ổn định

s = 0

z = 1

s = −∞

z = 0

s = jω

|z| = 1

s = σ + jω

|z| = e^(σTs)

Chu kỳ lấy mẫu Ts quyết định vị trí cực sau khi ánh xạ sang mặt phẳng z.

45 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

45

Ví dụ biến đổi Z

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

46 of 183

2.1. Định nghĩa (2t)

46

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

47 of 183

47

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

48 of 183

2.2. Tính chất phép biến đổi Z(2t)

2.2.1. Tính tuyến tính

Ví dụ: f(t) = t+sin2πt

​

​

48

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

49 of 183

2.2. Tính chất phép biến đổi Z(2t)

2.2.2. Tính dịch trong miền thời gian

Ví dụ: f(t-5) → Z{f(k-5)}

49

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

50 of 183

2.2. Tính chất phép biến đổi Z(2t)

2.2.3. Tính tỉ lệ trong miền Z

Ví dụ f(k) = 2^k.e^-k

50

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

51 of 183

2.2. Tính chất phép biến đổi Z(2t)

2.2.4. Tính đạo hàm

Ví dụ f(k) = k.e^-k

51

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

52 of 183

2.2. Tính chất phép biến đổi Z(2t)

2.2.5. Giá trị đầu/giá trị cuối

Ví dụ f(k) = e^(-2k)

52

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

53 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.1. Hàm Dirac

53

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

54 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.2. Hàm nấc đơn vị

54

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

55 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.2. Hàm nấc đơn vị

Theo định nghĩa:

​

​

​

​

​

Nếu Z^(-1) <1 thì biểu thức trên là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn. Áp dụng công thức tính tổng của cấp số nhân lùi vô hạn , ta dễ dàng suy ra

55

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

56 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.3. Hàm dốc đơn vị

​

56

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

57 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.4. Hàm mũ

​

57

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

58 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.4. Hàm mũ

Theo định nghĩa

​

​

​

​

​

​

​

Nếu

​

thì biểu thức trên là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn . Áp dụng công thức tính tổng của cấp số nhân lùi vô hạn.

58

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

59 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.4. Hàm mũ

Ta có:

59

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

60 of 183

2.3. Biến đổi Z các hàm cơ bản (2t)

2.3.5. Bài tập

Hãy dùng định nghĩa để biến đổi Z hàm sau

f(t) = sin2πt; f(t) 10+2.e-t

​

Hãy dùng bảng để biến đổi Z hàm sau

60

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

61 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

61

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

Phép biến đổi Z ngược Cho X(z) là hàm theo biến phức z . Biến đổi Z ngược của X(z) là

​

​

​

​

Với C là đường cong kín bất kì nằm trong ROC của X(Z) và bao gốc tọa độ . Tìm x(k) bằng công thức trên rất phức tạp ,thực tế ta thực hiện bằng các phương pháp sau:

62 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.1. Phân tích X(z) thành tổng các hàm cơ bản, sau đó tra bảng biến đổi Z

​

62

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

63 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.2. Phân tích X(z) thành chuỗi lũy thừa

Theo định nghĩa biến đổi Z

​

​

​

​

Do đó nếu phân tích X(z) thành tổng của chuỗi lũy thừa ta sẽ được giá trị x(k) chính là hệ số của thành phần Z^(-k)-lk

​

63

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

64 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.2. Phân tích X(z) thành chuỗi lũy thừa

-lk

​

64

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

65 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.3. Tính x(k) bằng công thức đệ qui

-lk

​

65

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

66 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.3. Tính x(k) bằng công thức đệ qui

Biến đổi Z ngược hai vế phương trình trên (để ý tính chất dời trong miền thời gian), ta được

​

66

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

67 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.4. Áp dụng công thức thặng dư

​

67

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

68 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.4. Áp dụng công thức thặng dư

​

68

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

69 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.4. Áp dụng công thức thặng dư

​

69

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

70 of 183

2.4. Biến đổi Z ngược (2t)

2.4.5. Bài tập kiểm tra 1

​

  1. Biến đổi z cho hàm sau

b. Biến đổi ngược z cho hàm sau

70

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

71 of 183

2.4. Matlab Bài tập (2t)

2.4.5. Bài tập kiểm tra 1

​

  1. Biến đổi z cho hàm sau

b. Biến đổi ngược z cho hàm sau

71

chương 2: PHÉP BIẾN ĐỔI Z (8t)

72 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.1. Mô tả bằng phương trình sai phân (2 tiết)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

3.4. Lập trình phần mềm Matlab - Kiểm tra (2 tiết)

72

73 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.1. Mô tả bằng phương trình sai phân (2 tiết)

73

Để mô tả hệ liên tục, ta sử dụng phương trình vi phân. Để mô tả hệ rời rạc, ta sử dụng phương trình sai phân. Phương trình sai phân là xét xấp xỉ gần đúng phương trình vi phân được viết ở dạng thuận lợi cho việc lập trình trên máy tính.

Phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng bậc n được viết dưới dạng tổng quát như sau với r(k) là tín hiệu vào, c(k) là tín hiệu ra:

​

​

​

với n ≥ m, với n gọi là bậc của hệ thống rời rạc

+ c(j), r(j) (với j = k, k+1,...k+n) là các giá trị rời rạc của biến c(k) và r(k) tại thời điểm lấy mẫu thứ j.

74 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.1. Mô tả bằng phương trình sai phân (2 tiết)

74

Xét phương trình sai phân bậc nhất: y(k+1) + y(k) = 0

Áp dụng tính chất dịch gốc của biến đổi Z

Bài tập: y(k+2) + y(k) = x(k+1) + x(k)

75 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.1. Mô tả bằng phương trình sai phân (2 tiết)

75

Bài tập: y(k+2) + y(k) = x(k+1) + x(k)

76 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

76

Hàm truyền đạt của một phần tử hoặc của hệ thống điều khiển là tỷ số giữa ảnh lượng ra và ảnh lượng vào của phần tử hoặc hệ thống đó theo toán tử Z với điều kiện đầu bằng không.

77 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

77

78 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

78

Ví dụ 2.2. Cho hệ thống rời rạc mô tả phương trình sai phân :

c(k+3) +2c(k+2) – 5c(k+1) + 3c(k) = 2r(k+2) + r(k)

Tìm hàm truyền của hệ thống Giải. Biến đổi Z hai vế phương trình sai phân mô tả hệ thống ,ta được :

79 of 183

chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

79

3.2.1. Hai khâu nối tiếp cách nhau bởi khâu lấy mẫu

80 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

80

3.2.1. Hai khâu nối tiếp cách nhau bởi khâu lấy mẫu

81 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

81

3.2.2. Hai khâu nối tiếp không cách nhau bởi khâu lấy mẫu

82 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

82

3.2.2. Hai khâu nối tiếp không cách nhau bởi khâu lấy mẫu

83 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

83

3.2.3. Hệ thống hồi tiếp có khâu lấy mẫu trong kênh sai số

84 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

84

3.2.3. Hệ thống hồi tiếp có khâu lấy mẫu trong kênh sai số

85 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

85

3.2.4. Hệ thống hồi tiếp có khâu lấy mẫu trong vòng hồi tiếp

​

​

​

Trường hợp này không tìm được biểu thức hàm truyền, quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra như sau

86 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

86

3.2.5. Hệ thống hồi tiếp có các khâu lấy mẫu đồng bộ trong nhánh thuận

​

87 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

87

3.2.6. Hệ thống hồi tiếp có các khâu lấy mẫu đồng bộ và các khâu nối tiếp ở nhánh thuận

​

88 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.2. Mô tả bằng hàm truyền đạt (2 tiết)

88

3.2.7. bài tập

​

​

​

Mô phỏng Matlab 6 trường hợp trên với hàm truyền

G1(s)=1/(s+2)

G2(s) = 1/(s+3)

H(s)=1; R(s) là hàm bậc thang Step 1

89 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

89

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Xét hệ thống rời rạc có quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra mô tả phương trình sai phân (hệ số a0 =1)

​

Tương tự như đã làm đối với hệ liên tục, ta đặt các biến trạng thái để biến đổi tương đương phương trình sai phân bậc n ở trên thành hệ n phương trình sai phân bậc một.

90 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

90

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

​

91 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

91

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Kết hợp với phương trình trên với các biểu thức đặt biến trạng thái ta được hệ phương trình sau

92 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

92

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Viết lại dưới dạng ma trận

93 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

93

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Đáp ứng của hệ thống

94 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

94

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

​

95 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

95

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Ví dụ 2.6. Cho hệ thống điều khiển rời rạc mô tả bởi phương trình sai phân: 2c(k+3) = c(k+2) + 5c(k+1) +4c(k) = 3r(k) Hãy viết hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống

​

96 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

96

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống đã cho là

97 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

97

3.3.1. Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân

Ví dụ: 5c(k+3)-6c(k+2)+7c(k+1)+c(k)= r(k+2)+2r(k+1)+r(k)

X(k+1)= A.X(k)+ B.r(k)

C(k)=C.X(k)

X(k) = [x1(k) x2(k) x3(k)]T

A = [0 1 0; 0 0 1; 6/5 -7/5 -⅕]

B = [1 2 1]

C = [1 0 0]

98 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

98

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

Cho hệ thống mô tả bởi hàm truyền

​

​

Biến đổi tương đương hàm truyền về dạng phương trình sai phân

​

​

99 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

99

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

​

100 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

100

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

Từ cách đặt biến trạng thái trên ta rút ra phương trình sau

101 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

101

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

Do đó hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ thống có dạng:

102 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

102

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

Ví dụ 2.7. Cho hệ thống rời rạc mô tả bởi phương trình sai phân

​

​

Đặt các biến trạng thái

​

103 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

103

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

​

​

​

Hệ phương trình biến trạng thái có dạng:

104 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

104

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

Ví dụ. Cho hệ thống mô tả bởi hàm truyền

e(k)

105 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

105

3.3.2. Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền hệ rời rạc

Đặt biến trạng thái

​

​

​

Ta được hệ phương trình

106 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.3. Mô tả bằng phương trình trạng thái (2 tiết)

106

3.3.3. Bài tập

Hãy thành lập hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống có hàm truyền là

107 of 183

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (8t)

3.4. Mô tả toán học hệ điều khiển số bằng Matlab Simulink (2 tiết)

107

Tạo ra hệ thống mô tả bởi hàm truyền : lệnh tf(transfer function) Cú pháp : G=tf(TS,MS,T) tạo ra hệ thống rời rạc mô tả bởi hàm truyền G có tử số là đa thức TS, mẫu số là đa thức MS và chu kỳ lấy mẫu là T. Nếu không xác định T thì đặt T = 1

108 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và tiêu chuẩn ổn định ổn định (2 tiết)

4.2. Bộ điều khiển PID số (2 tiết)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển (2 tiết)

4.4. Bài tập ứng dụng điều khiển số (2 tiết)

4.5. Lập trình bộ điều khiển số (2 tiết)

108

109 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

109

Hệ thống ổn định

Hệ thống không ổn định

Hệ thống biên giới ổn định

110 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

110

Ta đã biết, hệ điều khiển số tuyến tính được mô tả bởi phương trình sai phân tuyến tính có dạng tổng quát

​

​

Để xét hệ thống số ổn định hay không, ta phải giải phương trình sai phân. Nghiệm tổng quát của phương trình sai phân mô tả hệ thống điều khiển số có dạng

​

Trong đó: c(nT) là nghiệm riêng của phương trình sai phân.

c­0(nT) biểu diễn trạng thái xác lập của hệ thống, không ảnh hưởng ổn định

c­qd(nT)là nghiệm tổng quát của phương trình sai phân thuần nhất

111 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

111

Vì vậy, để xét tính ổn định của hệ thống điều khiển số ta cần giải phương trình sai phân thuần nhất:

​

Tính chất của nghiệm của phương trình trên được xác định dựa vào nghiệm của phương trình đặc tính

​

​

Giả thiết phương trình đặc tính có n nghiệm riêng biệt, nghiệm của phương trình sai phân thuần nhất có dạng:

​

Ci là các hằng số được xác định từ sơ kiện bài toán.

112 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

112

Hệ thống điều khiển số sẽ ổn định khi

​

Điều kiện trên được xác định thông qua các đặc tính nghiệm số của phương trình đặc tính. Từ những phân tích trên ta rút ra kết luận đối với hệ thống điều khiển số tuyến tính.

+ Hệ ổn định nếu phương trình đặc tính của hệ có các nghiệm thực hoặc nghiệm phức có mô đun < 1.

+ Hệ không ổn định nếu phương trình đặc tính của hệ có các nghiệm thực hoặc nghiệm phức có mô đun > 1.

+ Hệ ở biên giới ổn định nếu phương trình đặc tính của hệ có nghiệm thuần ảo và các nghiệm khác là nghiệm thực hay phức có môđun =1

113 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

113

Mối liên hệ giữa mặt phẳng Z và mặt phẳng S

Mặt phẳng Z liên hệ với mặt phẳng S theo công thức Z=esT

Hai mặt phẳng này đều là các lượng phức được biểu diễn trên trục thực và ảo chi khác ở chỗ mặt phẳng S có thứ nguyên của tần số còn mặt phẳng Z thì không có thứ nguyên

​

114 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

114

Ví dụ 1

​

​

​

​

​

​

Ví dụ 2

115 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

115

  • Điều kiện cần và đủ để hệ thống điều khiển số ổn định là tất cả các nghiệm của phương trình đặc tính đều có môdun nhỏ hơn 1
  • Điều kiện cần và đủ để hệ thống điều khiển số không ổn định là có ít nhất một nghiệm của của phương trình đặc tính đều có môdun lớn hơn 1
  • Điều kiện cần và đủ để hệ thống điều khiển số ở biên giới ổn định là có ít nhất một nghiệm của của phương trình đặc tính đều có môdun bằng 1 và các nghiệm còn lại có môdun nhỏ hơn 1

116 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

116

  • Xét tính ổ định hàm truyền G= (2z+1)/(z^5+6z^4+1z^3+2z^2+z+1)

117 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

117

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Muốn dùng tiêu chuẩn Routh-Hurwitz để đánh giá tính ổn định của hệ rời rạc ta phải thực hiện phép đổi biến

​

Với cách biến đổi như trên miền nằm trong vòng tròn đơn vị của mặt phẳng z tương ứng với nửa trái của mặt phẳng

118 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

118

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Ví dụ: Cho hệ thống rời rạc có phương trình đặc tính

thành lập bảng Routh theo qui tắc:

- Bảng Routh có n+1 hàng.

- Hàng 1 các hệ số có chỉ số chẵn.

- Hàng 2 các hệ số có chỉ số lẻ.

- Phần tử ở hàng i cột j của bảng Routh (i = 3) được tính theo:

119 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

119

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Bảng Routh

120 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

120

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Bảng Routh

​

​

​

​

​

​

​

​

Do tất cả hệ số ở cột 1 bảng Routh đều dương nên hệ thống ổn định

121 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

121

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Bài tập:

​

​

Thay thế

​

Ta có phương trình đặc tính miền tần số:

​

​

Xác định Bảng Routh - Hurwitz

122 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

122

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Xác định Bảng Routh - Hurwitz

H1

ω5

7

-50

23

0

H2

ω4

-13

74

19

0

H3

ω3

10,

3,

​

​

H4

ω2

31,

19

​

​

H5

ω1

40

​

​

​

H6

ω0

19

​

​

​

123 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.2. Tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

123

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

Thành lập ma trận Hurwitz theo qui tắc:

+ Ma trận Hurwitz là ma trận vuông cấp n×n.

+ Đường chéo của ma trận Hurwitz là các hệ số từ a1 đến an.

+ Hàng lẻ của ma trận Hurwitz gồm các hệ số có chỉ số lẻ theo thứ tự tăng dần nếu ở bên phải đường chéo và giảm dần nếu ở bên trái đường chéo.

+ Hàng chẵn của ma trận Hurwitz gồm các hệ số có chỉ số chẵn theo thứ tự tăng dần nếu ở bên phải đường chéo và giảm dần nếu ở bên trái đường chéo

Điều kiện cần và đủ để hệ thống ổn định là tất cả các định thức con chứa đường chéo của ma trận Hurwitz đều dương

124 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

124

4.2.1. Tiêu chuẩn Routh – Hurwitz mở rộng

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

Do các định thức con đều dương nên hệ số ổn định.

125 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.1. Định nghĩa và các tiêu chuẩn ổn định (2 tiết)

125

Đề thi:

Cho Hàm truyền G(z),

  • Xác định phương trình đặc tính trong miền tần số ω
  • Xây dựng Bảng Routh
  • Xây dựng Matran Huzwitz
  • Xét tính ổn định của hệ thống bằng Bảng Routh và Matran Huzwitz

​

126 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.2. Bộ điều khiển PID số (2 tiết)

126

4.2.1. Hệ thống điều khiển số

Có nhiều sơ đồ điều khiển khác nhau có thể áp dụng cho hệ rời rạc , trong đó sơ đồ điều khiển thông dụng nhất là hiệu chỉnh nối tiếp với bộ điều khiển Gc(z) là bộ điều khiển sớm pha, trễ pha số, PID số

​

​

​

​

Một sơ đồ điều khiển khác cũng được sử dụng rất phổ biến là điều khiển hồi tiếp trạng thái

127 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.2. Bộ điều khiển PID số (2 tiết)

127

4.2.2. Khâu tỉ lệ

​

128 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.2. Bộ điều khiển PID số (2 tiết)

128

4.2.3. Khâu vi phân

​

​

​

​

Khâu vi phân rời rạc được tính bằng các công thức sai phân

​

129 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.2. Bộ điều khiển PID số (2 tiết)

129

4.2.4. Khâu tích phân

Tích phân hình thang

​

130 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.2. Bộ điều khiển PID số (2 tiết)

130

4.2.4. Bộ điều khiển PI, PD, PID số như sau

​

131 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

131

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

​

​

​

Đối tượng

​

​

​

​

Tín hiệu điều khiển trong hệ hồi tiếp trạng thái

u(k) = r(k) - Kx(k)

​

132 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

132

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

Hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ hồi tiếp trạng thái

​

​

​

​

Phương trình đặc tính của hệ hồi tiếp trạng thái

​

​

Viết phương trình đặc tính mong muốn

133 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

133

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

Ví dụ:

​

​

​

​

​

Hãy tính vecto hồi tiếp trạng thái sao cho hệ kín có cặp cực phức với

​

​

và T=0,1

134 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

134

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

Giải : Phương trình đặc tính của hệ thống kín là

135 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

135

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

Cặp cực quyết định mong muốn

​

Trong đó:

136 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

136

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái

Phương trình đặc tính mong muốn

​

​

Cân bằng các hệ số ở hai phương trình (*) và (**), ta được

​

​

​

Giải hệ phương trình trên ta được

137 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

137

4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID

Thiết kế bộ điều khiển PID theo hình

​

​

​

​

​

​

​

Thiết kế khâu hiệu Gc(z) để hệ thống có cặp cực phức với x=0,707; wn =2rad/s và sai số xác lập đối xá đôi với với tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị bằng 0

138 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

138

4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID

Giải. Do yêu cầu sai số xác lập đối với tín hiệu vào là hàm nấc bằng 0 nên ta sử dụng hiệu chỉnh Gc(z) là khâu PI

​

Phường trình đặc tính của hệ thống sau khi hiệu chỉnh là

139 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

139

4.1.2. Thiết kế bộ điều khiển PID

Do đó

​

Thay T=2 ta suy ra

​

Cặp cực quyết định mong muốn là

140 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.3. Thiết kế bộ điều khiển số (2 tiết)

140

4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID

Phương trình đặc tính mong muốn là

​

So sánh (1) và (2) suy ra

141 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

141

Sơ đồ điều khiển động cơ điện một chiều

142 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

142

Số hóa sơ đồ điều khiển

143 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

143

Số hóa sơ đồ điều khiển

144 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

144

Xây dựng phương trình *

145 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

145

Thực hiện biến đổi Z

146 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

146

Lựa chọn bộ điều khiển

147 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

147

Rút gọn

148 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

148

Rút gọn

149 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

149

Rút gọn

150 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

150

Tính toán hàm truyền

151 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

151

Tính toán hàm truyền

152 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

152

Tính toán hàm truyền

153 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.4. Bài tập áp dụng (2 tiết)

153

Tính toán hàm truyền

154 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

154

Khâu bậc 2

155 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

155

Khâu bậc 2

156 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

156

Khâu bậc 2

157 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

157

Khâu bậc 2

158 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

158

Khâu bậc 1

159 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

159

Khâu bậc 1

160 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

160

Khâu bậc 1

161 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

​

161

Khâu bậc 1

162 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

162

Áp dụng

163 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

163

Áp dụng

164 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

164

Áp dụng

165 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

165

Áp dụng

166 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

166

Áp dụng

167 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

167

Áp dụng

168 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

168

Áp dụng

169 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

169

Áp dụng

170 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

170

Áp dụng

171 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

171

Code Matlab Link

https://drive.google.com/file/d/19rKt0do1KtOOp21_2iUyvTr-wGXoHoC0/view

T=0.001;

Kcl=0.0017

Kd=0.01

K=Kcl*Kd;

a1=exp(-T/Tc);

a2=K*(1-a1);

a3=K*[T-Tc*(1-a1)];

a4=K*[Tc*(1-a1)-T*a1];

Time=5;

Kmax=floor(Time/T);

y(1)=0;

u(1)=0;

wph(1)=0;

iph(1)=0;

x1(1)=0;

e1(1)=0;

e2(1)=0;

y(2)=0;

u(2)=0;

wph(2)=0;

iph(2)=0;

x1(2)=0;

e1(2)=0;

e2(2)=0;

172 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (10T)

4.5. Viết chương trình (2 tiết)

172

Code Matlab Link

https://drive.google.com/file/d/19rKt0do1KtOOp21_2iUyvTr-wGXoHoC0/view

for k = 3:Kmax + 3

x(k)=Wd;

y(k) = (a1+1)*y(k-1)-a1*y(k-2)+a3*u(k-1)+a4*u(k-2);

iph(k) = a1*iph(k-1)+ a2*Kbd*u(k-1);

wph(k) = (a1+1)*wph(k-1)-a1*wph(k-2)+a3*Kft*u(k-1)+a4*Kft*u(k-2);

e2(k)=x(k)- wph(k);

x1(k) = x1(k-1)+A02*e2(k)+A12*e2(k-1);

e1(k)=x1(k)-iph(k);

u(k) = u(k-1)+A01*e1(k)+A11*e1(k-1);

end

173 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6. Từ thuật toán điều khiển số đến hệ thống chạy trên chip

168

Mô hình

G(z), trạng thái

Thuật toán

PID, observer

Mã thực thi

C/C++, fixed-point

Chip

MCU/DSP/FPGA

Phần công suất

PWM, driver

Đối tượng

Động cơ/quá trình

Mục tiêu triển khai

Đúng thuật toán • đúng chu kỳ lấy mẫu • không vượt giới hạn • an toàn khi lỗi

Mô phỏng tốt chưa đủ: mã phải đáp ứng thời gian thực và tương thích phần cứng.

174 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.1. Chọn chip theo chu kỳ lấy mẫu và độ phức tạp thuật toán

169

Nền tảng

Phù hợp

Đặc điểm

MCU

PID, điều khiển logic, hệ SISO

Chi phí thấp, ngoại vi tích hợp

DSP/MCU điều khiển

Điều khiển động cơ, biến đổi công suất

ADC/PWM nhanh, tính toán số tốt

FPGA/SoC

Đa kênh song song, độ trễ rất thấp

Linh hoạt nhưng thiết kế phức tạp

Tiêu chí chọn: số kênh ADC • độ phân giải • PWM • RAM/Flash • FPU • timer • giao tiếp • an toàn

175 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.2. Chuỗi tín hiệu phần cứng: cảm biến → ADC → chip → PWM

170

Cảm biến

Điều hòa

Anti-alias

ADC

Chip

PWM/DAC

Driver

Đối tượng

Các vấn đề phải kiểm tra

•

Dải điện áp và mức logic

•

Cách ly, nối đất và chống nhiễu

•

Tần số cắt lọc anti-aliasing

•

Đồng bộ ADC với thời điểm PWM

Đầu ra điều khiển

•

PWM: duty cycle và dead-time

•

DAC: độ phân giải và tốc độ cập nhật

•

Giới hạn dòng/áp phần công suất

•

Trạng thái an toàn khi mất tín hiệu

Không nối trực tiếp chip với tải công suất; luôn cần tầng driver/bảo vệ.

176 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.3. Timer và ngắt tạo chu kỳ lấy mẫu cố định

171

Timer event → đọc ADC → lọc → tính điều khiển → giới hạn → cập nhật PWM → kết thúc ISR

Trong ngắt điều khiển (ISR)

•

Chỉ thực hiện tác vụ thời gian thực

•

Không dùng vòng lặp chờ hoặc xử lý dài

•

Không truyền thông chậm trong ISR

•

Đọc dữ liệu nhất quán và cập nhật nguyên tử

Trong vòng lặp nền

•

Giao diện và truyền thông

•

Ghi dữ liệu, chẩn đoán

•

Cập nhật tham số có kiểm soát

•

Theo dõi lỗi và watchdog

Nguyên tắc: một chu kỳ – một lần tính – một lần cập nhật đầu ra.

177 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.4. Chuyển PID số thành mã thực thi theo dạng gia tăng

172

Phương trình

Δu[k]=A₀e[k]+A₁e[k−1]+A₂e[k−2]

u[k]=sat(u[k−1]+Δu[k])

e = ref - y;

du = A0*e + A1*e1 + A2*e2;

u = clamp(u1 + du, UMIN, UMAX);

PWM_SetDuty(u);

e2 = e1; e1 = e; u1 = u;

Quy tắc lập trình

•

Thứ tự cập nhật bộ nhớ phải đúng

•

Khởi tạo e1, e2 và u1 khi khởi động

•

Giới hạn đầu ra trước khi ghi PWM

•

Dùng anti-windup khi bão hòa

•

Bảo vệ khi giá trị NaN/Inf hoặc cảm biến lỗi

178 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.5. Fixed-point cần scaling để tránh tràn số và mất độ phân giải

173

Biểu diễn Qm.n

x_real = x_int / 2ⁿ

Ví dụ Q15

0,5 ↔ 16384

1,0 gần ↔ 32767

Kiểm tra bắt buộc

•

Miền giá trị lớn nhất của mọi biến

•

Độ lớn tích số trước khi dịch bit

•

Saturation thay vì tràn vòng

•

Sai số làm tròn và tích lũy

•

So sánh fixed-point với mô phỏng double

Chip có FPU vẫn cần kiểm tra giới hạn và thời gian thực thi.

179 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.6. Giới hạn và anti-windup bảo vệ cơ cấu chấp hành

174

Giới hạn biên độ

umin ≤ u[k] ≤ umax

Giới hạn tốc độ thay đổi

|u[k]−u[k−1]| ≤ Δumax

Khi bão hòa

•

Dừng tích phân nếu sai lệch làm bão hòa nặng hơn

•

Hoặc dùng back-calculation

•

Theo dõi cờ saturation

•

Chuyển Manual/Auto không tạo bước nhảy

•

Cấu hình trạng thái đầu ra an toàn

Anti-windup không thay thế giới hạn phần cứng; bảo vệ dòng/áp phải độc lập với phần mềm.

180 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.7. Deadline, jitter và overrun quyết định khả năng chạy thời gian thực

175

Điều kiện deadline

TADC + Tcalc + Tout < Ts

Ví dụ Ts = 100 µs

ADC 8 µs + PID 12 µs + PWM 3 µs

= 23 µs < 100 µs

Phải đo trên chip

•

Thời gian thực thi trung bình và lớn nhất

•

Jitter của thời điểm bắt đầu ISR

•

Tỷ lệ sử dụng CPU

•

Số lần overrun/deadline miss

•

Ảnh hưởng của truyền thông và ngắt ưu tiên cao

Dùng GPIO hoặc cycle counter để đo thời gian thực thi.

181 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.8. Quy trình kiểm thử: MIL → SIL → PIL → HIL → thiết bị thật

176

MIL

Mô hình

SIL

Mã trên PC

PIL

Mã trên chip

HIL

Chip + mô phỏng thời gian thực

Thực tế

Thiết bị thật

Mục tiêu từng bước

•

MIL: đúng thuật toán và chỉ tiêu

•

SIL: mã sinh/viết tay tương đương mô hình

•

PIL: sai khác số học và thời gian thực thi

Trước khi chạy tải thật

•

HIL: thử lỗi cảm biến và giới hạn

•

Kiểm tra watchdog, mất truyền thông

•

Kiểm tra dừng khẩn và trạng thái an toàn

Không chuyển trực tiếp từ Simulink sang thiết bị công suất mà bỏ qua SIL/PIL/HIL.

182 of 183

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ

4.6.9. Bài thực hành: triển khai PI tốc độ động cơ lên MCU/DSP

177

Thông số

•

Encoder hoặc cảm biến tốc độ

•

Ts = 1 ms

•

PWM điều khiển bộ công suất

•

Giới hạn duty cycle 0–95%

•

PI dạng gia tăng

Nhiệm vụ

•

Cấu hình timer, ADC/encoder và PWM

•

Viết ISR điều khiển

•

Thêm saturation và anti-windup

•

Đo thời gian thực thi lớn nhất

•

Thử thay đổi tải và giá trị đặt

Tiêu chí nghiệm thu

Đúng Ts • không overrun • đáp ứng đạt yêu cầu • không vượt giới hạn • có chế độ an toàn

183 of 183

Thank you

For your attention

183