Bài giảng Lý thuyết điều khiển tự động - Chương 1: Phần tử và hệ thống điều khiển tự động - Huỳnh Thái Hoàng

5â é : Nguyên tắc phân cấpâ é â á
‘ Một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều 
khiển bổ sung cho trung tâm. Cấu trúc phân cấp thường sử dụng 
là cấu trúc hình cây.
‘ Đa số hệ thống điều khiển trong các dây chuyền sản suất hiện 
nay có thể chia làm 3 cấp: 
Ž Cấp thực thi: điều khiển thiết bị, đọc tín hiệu từ cảm biến.
Ž Cấp phối hợp
Ž Cấp tổ chức và quản lý
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 21
Nguyên tắc 5â é : Nguyên tắc phân cấpâ é â á
Thí dụ: Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 22
Nguyên tắc 6â é : Nguyên tắc cân bằng nộiâ é â è ä
‘ Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng 
tự giải quyết những biến động xảy ra.
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 23
Phân loại hệ thống điều khiểnâ ï ä á à å
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 24
Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thốngâ ï ï â â û ù ï û ä á
‘ Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục được mô tả bằng phương 
trình vi phân.
Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc được mô tả bằng phương 
trình sai phân.
‘ Hệ thống tuyến tính: hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi 
phân/sai phân tuyến tính.
Hệ thống phi tuyến: hệ thống mô tả bởi hệ phương trình vi 
phân/sai phân phi tuyến.
‘ Hệ thống bất biến theo thời gian: hệ số của phương trình vi 
phân/ sai phân mô tả hệ thống không đổi. 
Hệ thống biến đổi theo thời gian: hệ số của phương trình vi 
phân/ sai phân mô tả hệ thống thay đổi theo thời gian.
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 25
Phân loại dựa trên số ngõ vào â ï ï â á õ ø – ngõ ra hệ thốngõ ä á
‘ Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (hệ SISO): (Single Input –
Single Output).
Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (hệ MIMO): (Multi 
Input –Multi Output).
Đa số các hệ thống trong thực tế đều là hệ phi tuyến biến đổi 
theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra.
Môn học LTĐKTĐ chủ yếu đề cập đến lý thuyết điều khiển hệ 
tuyến tính bất biến, một ngõ vào, một ngõ ra
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 26
Phân loại theo chiến lược điều khiểnâ ï á ï à å
‘ Mục tiêu điều khiển thường gặp nhất là sai số giữa tín hiệu ra và 
tín hiệu vào chuẩn càng nhỏ càng tốt. Tùy theo dạng tín hiệu vào 
mà ta có các loại điều khiển sau:
‘ Điều khiển ổn định hóa: Nếu tín hiệu chuẩn r(t) = const, ta gọi 
là điều khiển ổn định hóa.
‘ Điều khiển theo chương trình: Tín hiệu vào r(t) là hàm thay đổi 
theo thời gian nhưng đã biết trước.
‘ Điều khiển theo dõi: Tín hiệu vào r(t) là hàm không biết trước 
theo thời gian.
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 27
Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiểnû ù å ù á à å
‘ Điều khiển kinh điển
‘ Điều khiển hiện đại
‘ Điều khiển thông minh
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 28
Điều khiển kinh điểnà å å
‘ Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là hàm 
truyền. 
‘ Đặc điểm:
Ž Đơn giản
Ž Áp dụng thuận lợi cho hệ thống tuyến tính bất biến một ngõ 
vào, một ngõ ra.
Ž Kỹ thuật thiết kế trong miền tần số.
‘ Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống:
Ž Quỹ đạo nghiệm số.
Ž Đặc tính tần số: biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode.
‘ Bộ điều khiển:
Ž Sớm trể pha
Ž PID (Proportional – Integral – Derivative)
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 29
Điều khiển hiện đạià å ä ï
‘ Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương 
trình trạng thái. 
‘ Đặc điểm:
Ž Có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến, biến đổi theo thời 
gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra.
Ž Kỹ thuật thiết kế trong miền thời gian
‘ Các phương pháp thiết kế hệ thống:
Ž Điều khiển tối ưu.
Ž Điều khiển thích nghi.
Ž Điều khiển bền vững
‘ Bộ điều khiển:
Ž Hồi tiếp trạng thái
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 30
Điều khiển thông minhà å â
‘ Về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ 
thống.
‘ Đặc điểm:
ŽMô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học.
Ž Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin không chắc chắn, 
có khả năng học, có khả năng xử lý lượng lớn thông tin.
‘ Các phương pháp điều khiển thông minh
Ž Điều khiển mờ (Fuzzy Control).
ŽMạng thần kinh nhân tạo (Neural Network).
Ž Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm).
Ž 
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 31
Nội dung môn học Lý thuyết điều khiển tự độngä â ï ù á à å ï ä
‘ Nội dung chính của môn học LT ĐKTĐ chủ yếu đề cấp đến các 
phương pháp kinh điển phân tích, thiết kế hệ thống tuyến tính, 
bất biến, một ngõ vào, một ngõ ra. Do vậy kiến thức có được từ 
môn học giúp kỹ sư có thể phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển 
ở cấp thực thi (cấp điều khiển thiết bị trong hệ thống điều khiển 
phân cấp).
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 32
Các môn học liên quanù â ï â
‘ Để có thể thiết kế được các hệ thống điều khiển ở cấp thực thi
thực tế, ngoài kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động người 
thiết kế cần nắm vững kiến thức các liên quan như:
Ž Đo lường công nghiệp
ŽMạch điện, mạch điện tử
Ž Kỹ thuật số, vi xử lý
Ž Đo lường điều khiển dùng máy tính,
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 33
Các môn học tiếp theo Lý thuyết điều khiển tự động ù â ï á ù á à å ï ä
‘ Các PP điều khiển hiện đại sẽ được đề cập đến trong môn học: 
Ž Lý thuyết điều khiển nâng cao (bậc Đại học).
Ž Điều khiển tối ưu (bậc Cao học).
Ž Điều khiển thích nghi bền vững (bậc Cao học).
Ž Điều khiển hệ đa biến (bậc Cao học).
Ž Điều khiển hệ phi tuyến (bậc Cao học).
‘ Các PP ĐK thông minh sẽ được đề cập đến trong môn học:
Ž Trí tuệ nhân tạo và hệ chuyên gia (bậc Đại học) 
Ž Hệ thống điều khiển thông minh (bậc Cao học).
ŽMạng neuron nhận dạng, dự báo và điều khiển (bậc Cao học). 
‘ Các PP nhận dạng hệ thống sẽ được đề cập đến trong môn học:
ŽMô hình mô phỏng (bậc Đại học)
ŽMô hình hóa, nhận dạng và mô phỏng (bậc Cao học) 
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 34
Một số thí dụ về các hệ thống điều khiểnä á ï à ù ä á à å
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 35
Các ứng dụng của lý thuyết điều khiểnù ù ï û ù á à å
Áp dụng trong hầu hết tất cả các lĩnh vực kỹ thuật
‘ Hệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy, 
nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát.
‘ Quá trình công nghiệp: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, tốc độ,
‘ Hệ cơ điện tử: robot di dộng, cánh tay máy, máy công cụ,
‘ Hệ thống thông tin: hệ thống phát thanh, truyền hình, tổng đài điện 
thoại
‘ Hệ thống sản xuất và truyền tải năng lượng: nhà máy điện,
‘ Phương tiện giao thông: xe hơi, tàu hỏa, máy bay, tàu vũ trụ,
‘ Thiết bị quân sự: điều khiển rada ,tên lửa, pháo,
‘ Thiết bị đo lường, các máy vẽ
‘ Thiết bị điện tử dân dụng: máy điều hòa, ti vi, tủ lạnh, máy giặt, máy 
ảnh, nồi cơm điện,
‘ Thiết bị y tế
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 36
Hệ thống điều khiển nhiệt độää á à å ä ää
‘ Nhiệt độ là đại lượng tham gia vào nhiều quá trình công nghệ: 
sản xuất xi măng, gạch men, nhựa, cao su, hóa dầu, thực phẩm,...
‘ Mục tiêu điều khiển thường là giữ cho nhiệt độ ổn định (điều 
khiển ổn định hóa) hay điều khiển nhiệt độ thay đổi theo đặc tính 
thời gian định trước (điều khiển theo chương trình). 
Nhà máy xi măng Nhà máy giấy
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 37
Hệ thống ổn định nhiệt độää á å ä ää
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 38
Hệ thống điều khiển nhiệt độ theo chương trìnhä á à å ä ä
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 39
Một hệ thống điều khiển nhiệt độ thực tếä ä á à å ä ä ï á
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 40
Hệ thống điều khiển động cơä á à å ä
‘ Động cơ (DC, AC) là thiết bị truyền động được sử dụng rất phổ 
biến trong máy móc, dây chuyền sản suất.
‘ Có 3 bài toán điều khiển thường gặp: điều khiển tốc độ, điều 
khiển vị trí, điều khiển moment.
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 41
Hệ thống điều khiển định vị antenä á à å
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 42
Hệ thống điều khiển động cơ thực tếä á à å ä ï á
‘ Động cơ: DC, AC
‘ Cảm biến: biến trở, máy phát tốc, encoder
‘ Bộ điều khiển: DC Driver, AC Driver (Inverter)
DC Driver
DC Motor
Encoder
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 43
Hệ thống điều khiển mực chất lỏngä á à å ï á û
‘ Hệ thống điều khiển mực chất lỏng thường gặp trong các quá 
trình công nghiệp chế biến thực phẩm, nước giải khác, các hệ 
thống xử lý nước thải,...
‘ Điều khiển mực chất lỏng, điều khiển lưu lượng chất lỏng
‘ Các loại cảm biến đo mức chất lỏng:
Ž Cảm biến đo dịch chuyển: biến trở, encoder
Ž Cảm biến áp suất
Ž Cảm biến điện dung
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 44
Một thí dụ hệ thống điều khiển mực chất lỏngä ï ä á à å ï á û
Hình vẽ tham khảo từ giáo trình: Cơ sở tự động học, Lương văn Lăng, NXB Đại học Quốc Gia
26 September 2006 © H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM 45
Mô hình điều khiển mực chất lỏng trong phòng thí nghiệmâ à å ï á û ø ä