Bài giảng Lý thuyết điều khiển tự động - Bài 1: Nhập môn điều khiển tự động - Đỗ Tú Anh

Lý thuyết ðiều khiển tự ñộng
ThS. ðỗ Tú Anh
Bộ môn ðiều khiển tự ñộng
Khoa ðiện, Trường ðHBK HN
Nhập môn 
ðiều khiển 
tự ñộng
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Nhập môn

 Ví dụ về các hệ thống ðKTð (từng phần hoặc toàn phần)

 Một hệ thống ñiều khiển tự ñộng là một tổ hợp các phần tử
cùng hoạt ñộng với nhau sao cho toàn bộ hệ thống vận hành 
một cách tự ñộng ñể thực hiện một chức năng (nhiệm vụ) ñặt 
trước.
• Máy móc thiết bị: tủ lạnh, máy ñiều hòa nhiệt ñộ, thang 
máy, vô tuyến ñiều khiển từ xa, hệ thống viễn thông, 
Internet, 
• Công nghiệp: CN sản xuất giấy, xi măng, CN ô tô, 
• Ứng dụng khác: nhà máy ñiện, lò phản ứng (hạt nhân hoặc 
hóa chất), hệ thống giao thông vận tải, rô bốt, hệ thống vũ
khí, máy tính, nông nghiệp, hệ thống tự ñộng hóa tòa nhà, 
2-1
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Nhập môn

 Ưu ñiểm của các hệ thống ðKTð
• Giảm thiểu sự tham gia của con người trong các lĩnh vực kỹ
thuật kể trên  giảm nhân công, tăng năng suất và chất lượng 
sản phẩm, 
• Giảm lao ñộng nặng nhọc, tai nạn nghề nghiệp.
• Nâng cao chất lượng cuộc sống.

 Một vài phát minh ñáng nhớ
• 1769, James Watt phát minh ra máy ñiều chỉnh tốc ñộ ly tâm 
dùng trong ñộng cơ hơi nước.
• 1957, Liên Xô cũ phóng thành công vệ tinh nhân tạo bay 
quanh trái ñất.
• 1969, dự án tàu vũ trụ Apollo của Mỹ ñưa con người lần ñầu 
tiên bước lên mặt trăng.
2-2
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Nhập môn

 Lịch sử phát triển
• 1930 – 1960: ðiều khiển kinh ñiển 
(Classical Control)
• 1960 – nay: ðiều khiển hiện ñại 
(Modern Control)
ðiều khiển tỷ lệ – tích 
phân – vi phân (PID)
ðiều khiển trong không 
gian trạng thái, ðK tối 
ưu, ðK số, ðK thích 
nghi, ðK bền vững, ðK 
mờ, 
2-3
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
ðN 1.1 Xét ñối tượng T cần ñiều khiển và ñáp ứng mong muốn 
y(t), hãy tìm một tín hiệu vào u(t) thích hợp sao cho với tín hiệu 
ñó, hệ thống sẽ ñạt ñược tín hiệu ra mong muốn y(t). Ở ñây, tín 
hiệu vào thích hợp u(t) ñgl tín hiệu ñiều khiển.
Hệ thống ñiều khiển
ðTðK
u(t) y(t)
Kích thích
Tín hiệu vào
ðáp ứng
Tín hiệu ra
Tín hiệu ra y(t) có quan hệ với tín hiệu vào u(t): y(t)=Tu(t), 
trong ñó T là một toán tử.
Trên thực tế, bài toán tìm tín hiệu ñiều khiển u(t) ñược 
chuyển thành bài toán tổng hợp (thiết kế) bộ ñiều khiển.
2-4
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Hệ thống ñiều khiển
ðN 1.2 Hệ thống ñiều khiển vòng hở (open-loop) là hệ thống 
mà tín hiệu vào u(t) không phụ thuộc vào tín hiệu ra y(t), có
nghĩa là u(t) không phải là một hàm của y(t).
ðN 1.3 Hệ thống ñiều khiển vòng kín (closed-loop) là hệ
thống mà tín hiệu vào u(t) phụ thuộc vào tín hiệu ra y(t), có
nghĩa là u(t) là một hàm của y(t).
Bộ ðK ðTðK
r(t) y(t)u(t)
Bộ ðK ðTðK
r(t) y(t)u(t)
Bộ ðK 
(controller,regulator, 
compensator)
r(t) – tín hiệu ñặt 
(reference signal)
2-5
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Hệ thống ñiều khiển
Ví d
ụ Máy giặt quần áo là một hệ thống ðK vòng hở
Bộ lập trình 
(Bộ ðK)
Máy giặt 
(ðTðK)Tín hiệu 
ñặt
Tín hiệu 
ðK
Quần áo ñã 
ñược giặt
r(t) u(t) y(t)
Ví d
ụ Bình nước nóng là một hệ thống ðK vòng kín
Bộ ðC nhiệt 
(Bộ ðK)
Bình nước nóng 
(ðTðK)Tín hiệu 
ñặt
Tín hiệu 
ðK
Nhiệt ñộ 
nước
r(t) u(t) y(t)
2-6
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Hệ thống ñiều khiển
• Ở hệ thống ðK vòng kín, thông tin liên quan ñến ñầu 
ra của hệ ñược ñưa trở lại ñầu vào  tác ñộng hồi tiếp.
• Nếu chất lượng của hệ thống chưa ñược thỏa mãn, 
nhờ tác ñộng hồi tiếp, bộ ðK sẽ vẫn “hành ñộng” ñể 
ñưa hệ thống ñạt tới chất lượng mong muốn.
• Các hệ thống ðK vòng kín ñược sử dụng khi yêu cầu 
chất lượng ðK cao (về ñộ chính xác, tốc ñộ, )
Trong phạm vi chương trình, chúng ta chỉ quan tâm ñến các hệ 
ñiều khiển hồi tiếp.
2-7
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Hệ thống ñiều khiển hồi tiếp
Sơ ñồ hoàn chỉnh
Thiết bị ðK ðTðK
r(t) y(t)u(t)
Thiết bị CH 
Thiết bị ño 
Bộ so sánh 
+
_
ˆ( )y t
e(t)
e(t) Tín hiệu sai lệch
ˆ( )y t Tín hiệu ño ñược
2-8
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Ví d
ụ Hệ thống ñiều khiển lò phản ứng hạt nhân
Sơ ñồ khối 
cấu trúc ??? 
Hệ thống ñiều khiển hồi tiếp
2-9
Lý thuyết ðKTð 1 Bộ môn ðKTð-Khoa ðiện
Các bước thiết kế hệ thống ñiều khiển
1. Nghiên cứu ñối tượng cần ðK và quyết ñịnh các loại cảm biến và
thiết bị chấp hành sẽ sử dụng.
2. Mô hình hóa hệ thống cần ðK; ñơn giản hóa mô hình nếu cần thiết.
3. Phân tích mô hình; xác ñịnh các tính chất của nó.
4. Quyết ñịnh các chỉ tiêu chất lượng của hệ.
5. Quyết ñịnh cấu trúc ñiều khiển.
6. Thiết kế bộ ðK thỏa mãn các chỉ tiêu CL ñặt ra, nếu không, giảm 
bớt chỉ tiêu hoặc tổng quát hóa cấu trúc bộ ðK.
7. Mô phỏng hệ thống ðK vừa nhận ñược, hoặc trên máy tính hoặc 
trên ñối tượng thử nghiệm.
8. Lặp lại bước 1 nếu cần thiết.
9. Chọn các phần cứng và phần mềm và thực hiện bộ ðK.
10.Chỉnh ñịnh trực tuyến (on-line) bộ ðK nếu cần thiết.
2-10