Bài giảng Điều khiển số - Nguyễn Phùng Quang

Điu khin số  
(Digital Control Systems)  
Phn A:  
Môn hc truyn đạt các kiến thc phc vphân  
tích, thiết kế các hthng điu khin tự động sử  
dng vi xlý (μP, μC, DSP).  
Phn A bao gm các ni dung thuc chương  
trình dành cho Đại hc.  
(Version 6, 8/2011)  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
1
Electrical Engineering - Automatic Control  
Điu khin số  
Chương 1: Mô hình tín hiu và hthng  
1. Cu trúc cơ sca hthng ĐK số  
2. Mô hình tín hiu trên min nh z  
3. Mô hình hthng trên min nh z  
Chương 2: Điu khin có phn hi đầu ra  
1. Xét n định ca hthng số  
2. Thiết kế trên min thi gian xp xliên tc  
3. Thiết kế trên min thi gian gián đon  
4. Mt sdng mrng  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
2
Electrical Engineering - Automatic Control  
Điu khin số  
Chương 3: Điu khin có phn hi trng thái  
1. Ôn li các kiến thc cơ sở  
2. Mô hình trng thái gián đon  
3. Tính ĐK được, QS được và các dng chun  
4. Cu trúc cơ bn ca hthng ĐK strên không  
gian trng thái  
5. Mt sdng mrng  
Chương 4: Thc hin kthut hthng ĐK số  
1. nh hưởng ca shóa (lượng thóa) biên độ  
2. Thiết kế hthng bng máy tính (MATLAB)  
3. Thiết kế hthng vi điu khin  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
3
Electrical Engineering - Automatic Control  
Điu khin số  
Tài liu tham kho:  
[1] Isermann R.: Digitale Regelsysteme. Bd. I und II, Springer-Verlag, 2.  
Auflage, 1987-1988  
[2] Franklin G.F., Powell J.D., Workman M.L.: Digital Control of Dynamic  
Systems. Addison Wesley, 2nd 1994  
[3] Quang Ng.Ph.: MATLAB & Simulink dành cho ksư điu khin tự động.  
Nhà xut bn KH&KT, 2004  
[4] Quang Ng.Ph., Dittrich A.-J.: Vector Control of Three-Phase AC  
Machines. Springer, Berlin – Heidelberg, 2008  
Chú ý: Giáo trình này sdng để dy các lp đại hc vi thi  
lượng 45 tiết, bao gm lý thuyết và ví d. Vi các lp 60  
tiết, sdy ging như lp 45 tiết nhưng có thêm bài tp ln  
12-15 tiết.  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
4
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.1 Cu trúc cơ sca hthng ĐK số  
Khâu Điu chnh:  
1. Pt. Sai phân  
pμukμ ++ p1uk1 + p0uk =  
q0ek +q1ek1 ++qνekν  
Q z1  
q0 +q1z1 ++qν zν  
2. Hàm truyn đạt trên  
( )  
G z =  
=
ÐC ( )  
p0 + p1z1 ++ pμ zμ  
P z1  
min nh z  
( )  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
5
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.1 Cu trúc cơ sca hthng ĐK số  
• Khâu ĐC: sdng vi x(microprocessor: μP),  
vi điu khin (microcontroller: μC) hoc vi xlý  
tín hiu (digital signal processor: DSP)  
• Khâu DAC: có thkhông tn ti mt cách tường  
minh, mà n dưới dng thiết bcó chc năng DA.  
Ví d: khâu điu chế vector đin áp (khi điu  
khin digital động cơ ba pha)  
• Khâu ADC: thường sdng khi đo đạc giá trị  
thc ca đại lượng ra (ví d: đo dòng). Đôi khi tn  
ti dưới dng khác như: đo tc độ quay bng IE  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
6
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.1 Cu trúc cơ sca hthng ĐK số  
Khâu ADC và quá  
trình trích mu đo  
Sau khi trích mu (lý tưởng)  
bng ADC ta thu được chui  
giá trs:  
Để kho sát tín hiu gián đon  
bng công cLaplace (hay  
phân tích ph), đồng thi to  
điu kin mô thn hp vi các  
khâu liên tc, ta nhân chui vi  
hàm δ(t) và thu được dãy xung:  
u* t =  
u kT δ t kT  
( )  
( ) (  
)
k=0  
⎤ ⎡  
u k = u 0 , u 1 , u 2 ,hay  
( )  
( ) ( ) ( )  
⎦ ⎣  
= u t  
δ t kT  
(
( )  
)
k=0  
u = u , u , u ,…  
[ ] [  
]
k
0
1
2
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
7
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.1 Cu trúc cơ sca hthng ĐK số  
Khâu DAC và quá trình  
lưu gi(nh) khi xut  
1esT  
Mô hình tín hiu có dng bc thang trên  
min thi gian:  
U s =  
u eskT  
k
( )  
s
k=0  
Từ đó thu được hàm truyn đạt ca khâu  
u t = u 1 t kT 1 t k +1 T  
( )  
(
)
(
)
{
}
k
gichm:  
1esT  
k=0  
U s  
( )  
G s =  
=
H ( )  
Chuyn sang min nh Laplace:  
U* s  
s
( )  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
8
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.2 Mô hình tín hiu trên min nh z  
Chuyn phương trình mô tdãy xung u*(t) sang min nh Laplace:  
*
*
skT  
u t = u kT δ t kT U s = u e  
( )  
( ) (  
)
( )  
k
k=0  
k=0  
k  
U* s  
=U z =  
u z  
z = esT  
Thay:  
ta thu được:  
( )  
( )  
k
esT =z  
k=0  
Ví d: Mt tín hiu gián đon vthi gian cho trước bi  
0
k < 0  
k 0  
u =  
k
k
a
nh z ca tín hiu ktrên:  
k
⎛ ⎞  
a
ak zk  
=
U z =  
( )  
(
)
⎝ ⎠  
z
k=0  
k=0  
Chui trên chhi tkhi  
đường tròn có bán kính a vai trò quan trng ca T đối  
vi n định ca hthng.  
, tc là vùng phía ngoài  
a z <1  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
9
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
Hthng ĐK sbao gm  
2 loi khâu cơ bn:  
1. Khâu có bn cht gián  
đon: Các tín hiu vào/ra/  
trng thái đều gián đon  
vthi gian và vmc.  
Khâu mô tcác thiết bị  
ĐK digital.  
2. Khâu có bn cht liên  
tc: Mô tđối tượng điu  
khin. Khi gián đon hóa  
sẽ đưa đến mô hình như  
hình bên. Vic gián đon  
hóa xut phát tmô hình  
trng thái liên tc ca đối  
tượng.  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
10  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.1 Mô hình khâu có bn cht gián đon  
Quy lut tính toán (được gi là thut  
toán) xác định đặc tính truyn đạt ca  
khâu.  
a) Mô tbng phương trình sai phân  
*Sai phân bc nht:  
*Sai phân bc n:  
n
n1  
n1  
Δ uk = Δ uk+1 −Δ uk  
n
⎛ ⎞  
⎝ ⎠  
n
n
Sai phân tiến:  
Δuk = uk+1 uk  
=
1  
uk+nν  
( )  
ν
ν=0  
Δuk = uk uk1  
Sai phân lùi  
Mt phương trình sai phân có ít nht 2 giá  
truk+n uk được gi là phương trình  
sai phân bc n.  
2
*Sai phân bc 2:  
Δ uk = Δuk+1 −Δuk  
= uk+2 2uk+1 +uk  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
Electrical Engineering - Automatic Control  
21 August 2011  
11  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.1 Mô hình khâu có bn cht gián đon  
a) Mô tbng phương trình sai phân  
*Pt. sai phân bc n sdng sai phân tiến:  
a0 xk+n ++ an1xk+1 + an xk = b0uk+m ++bm1uk+1 +bmuk  
*Pt. sai phân bc n sdng sai phân lùi:  
a0 xk + a1xk1 ++ an xkn = b0uk +b u ++bmukm  
1 k1  
Gii pt. sai phân bng phương pháp tính truy hi (recursive method)  
Gista xut phát tpt. sai phân lùi vi a0=1  
xk = b0uk +b u ++bmukm a1xk1 a2 xk2 an xkn  
1 k1  
Quá trình tính xk được bt đầu tk=0, ln lượt nâng thêm 1:  
k = 0 x0 = b0u0  
k =1 x1 = b0u1 +b u a1x0  
1 0  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
12  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.1 Mô hình khâu có bn cht gián đon  
a) Mô tbng phương trình sai phân  
Gii pt. sai phân trên min nh z  
* Bước 1: Chuyn đồng thi 2 vế ca pt. sai phân sang min nh z:  
Ζ a x ++ a x + a x = Ζ b u ++b u +b u  
{
}
{
}
0 k+n  
n1 k+1  
n k  
0 k+m  
m1 k+1  
m k  
* Bước 2: Githiết các giá trban đầu x0, x1,…, u0, u1,… bng 0, ta có:  
b0 zm +b zm1 ++b  
1
X z =  
m U z  
( )  
( )  
a0 zn +a1zn1 ++an  
* Bước 3: Áp dng biến đổi ngược để tìm xk  
Chú ý: Có thgii pt. sai phân trên min nh z, xut phát tpt. sai phân tiến  
hoc lùi, kết quthu được bao gicũng là duy nht.  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
13  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.1 Mô hình khâu có bn cht gián đon  
b) Mô tbng hàm truyn đạt trên min nh z  
Vi:  
Chú ý: Trên cơ scác  
phương trình vector sai  
phân, có thmô tkhâu  
truyn đạt gián đon nhiu  
chiu tuyến tính bi:  
X z = Ζ x ;U z = Ζ u  
( )  
{ } 
( )  
{ }  
k
k
nh z ca chui giá tr(tín hiu digital) đầu ra / đầu vào, ta scó  
hàm truyn đạt sau:  
b0 +b z1 ++bm zm  
X z  
( )  
1
G z =  
=
; m = n  
( )  
a0 +a1z1 ++ an zn  
U z  
( )  
X z = G z U z  
( )  
( )
 
( )  
Tương thliên tc, hàm truyn đạt G(z) có thể được coi là nh z  
Trong đó G(z) là ma trn  
truyn đạt gián đon.  
ca hàm trng lượng gián đon [gk] (chui trng lượng). Vy:  
k
g = Ζ1 G z  
x = g u  
( )  
{
}
k
k
ki i  
i=0  
1 1z4  
xk = gk + gk1 + gk2 ++ g1 + g0  
X z  
( )  
Ví d:G z =  
=
Khi uk=1k ta có:  
( )  
x0 =  
x1 =  
x2 =  
x3 =  
g0  
= 0, 25  
= 0,5  
= 0,75  
=1  
1  
U z  
4
1z  
( )  
g1 + g0  
1
z
z
1
4
g2 + g1 + g0  
g3 + g2 + g1 + g0  
gk = Ζ1  
z4  
=
1k 1k4  
(
)
4
z1 z1  
x4 = g4 + g3 + g2 + g1 + g0 =1  
1 1 1 1  
g =  
,
,
,
,0,0,ꢀ  
[ ]  
(
)
k
4 4 4 4  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
14  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.1 Mô hình khâu có bn cht gián đon  
c) Mô tbng mô hình trng thái gián đon  
HMIMO:  
*
*
qk+1 = A qk +B uk  
xk = C*qk +D*uk  
HSISO:  
*
*
qk+1 = A qk +b uk  
xk = c*qk +d*uk  
•Mô hình thu được tphương trình sai phân, hay hàm truyn đạt (trên min nh z) mô tả  
thut toán mà khâu thc hin (thut toán ĐC, lc svv…).  
•Có ththc hin biến đổi sang các dng chun tc (chun ĐK, chun QS) thông dng  
để mô thoc tính toán.  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
15  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.2 Mô hình khâu có bn cht liên tc và tín hiu vào dng bc thang  
a) Đặc đim ca quá trình nhớ  
(xem trang 7)  
Dng bc thang ca tín hiu vào do  
quá trình nhto nên. Trên min  
nh Laplace có dng:  
1esT  
1esT  
U s  
( )  
U s =  
u eskT  
( )  
G s =  
=
H ( )  
k
U* s  
s
s
( )  
ꢂꢃꢄꢃk=0  
ꢂꢃꢃꢃꢄꢃꢃꢅ  
G
s
( )  
*
H
U s  
( )  
Kết lun: Khi xét ĐTĐK không bao giờ được phép quên  
khâu gichm (đặc trưng cho quá trình nh)  
Gi nh Laplace ca đáp ng bước nhy  
đơn v(ca hàm quá độ h(t))là H(s) ta có:  
b) Mô tbng hàm truyn đạt  
X s = G s U* s  
( )  
( ) ( )  
G s = H s esT H s = 1esT H s  
( )  
( )  
( )  
( )  
(
)
Vi X(s) là nh Laplace ca biến ra, U*(s)  
nh Laplace ca chui xung đầu vào  
1esT  
=
G s = G s G s  
( )  
H ( ) ( )  
s
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
16  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.2 Mô hình khâu có bn cht liên tc và tín hiu vào dng bc thang  
b) Mô tbng hàm truyn đạt trên min nh z  
X z = G z U z  
( )  
( ) ( )  
G z  
Vi  
được tính theo mt trong hai cách  
( )  
mô tả ở hình bên  
Ví d: Đối tượng ĐK là mt khâu quán tính  
bc nht. Theo cách đi thuc nhánh bên trái:  
1
1
1
G s =  
H s =  
h t = 1et T 1 t  
( )  
( )  
( )  
( )  
(
)
1+ sT  
s 1+ sT  
(
)
1
1
hk =1kT ekT T  
1
*Chui sau gián đon hóa:  
*Chuyn sang nh z:  
z
z
H z =  
( )  
zeT T  
1
z1  
z1  
G z =1−  
( )  
*Hàm truyn đạt ca  
đối tượng trên min  
nh z:  
z eT T  
1
1eT T  
1
=
zeT T  
1
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
17  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.2 Mô hình khâu có bn cht liên tc và tín hiu vào dng bc thang  
b) Mô tbng hàm truyn đạt trên min nh z  
B s  
B s  
( )  
( )  
G s =  
H s =  
( )  
( )  
Lưu ý, khi hàm truyn đạt có dng phân thc hu tỷ  
scó khnăng tách thành các phân thc ti gin như sau:  
A s  
s A s  
( )  
( )  
1
ssν  
z
Ζ
Ζ
=
a) H(s) có các cc sν bt k, khác nhau:  
b) H(s) có cc sν lp li m ln:  
zesνT  
m1  
m1  
1
1
z
=
zesνT  
m
m1 !  
sν  
(
)
ss  
(
)
ν
Tiếp tc ví dtrang trước bng cách đi theo nhánh bên phi:  
1 T  
s s+1 T  
1
1
1
H s =  
= −  
( )  
*Tách H(s) thành các phân thc ti gin:  
s s+1 T  
z
z1  
(
)
1
1
z
*Tìm H(z) nhtìm nh ca các phân thc ti gin:  
*Hàm truyn đạt ca đối tượng trên min nh z:  
Ζ H s = H z =  
( )  
( )  
{
}
zeT T  
1
1eT T  
1
G z =  
( )  
zeT T  
1
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
18  
Electrical Engineering - Automatic Control  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.2 Mô hình khâu có bn cht liên tc và tín hiu vào dng bc thang  
c) Mô tbng mô hình trng thái gián đon  
•Cho trước đối tượng MIMO:  
q t = Aq t +Bu t  
( )  
( )  
( )  
•Nghim tng quát vi t > t Φ t = eAt :  
( )  
0
t
A tτ  
q t = eA tt )q t +  
e
Bu τ dτ  
(
(
)
0
( )  
( 0 )  
( )  
t0  
= Φ t t q t + Η t t u t  
•Vi t0=tk và chn t=tk+1 ta có:  
k = 0, 1, 2,  
(
0 ) ( 0 )  
(
0 ) ( 0 )  
q t  
= Φ t t q t + Η t t u t  
( k )  
( )  
(
)
k+1  
k+1  
k
k+1  
k
k
ꢂꢃꢃꢄꢃꢅ  
ꢂ ꢃ ꢄꢃꢅ  
T
T
qk+1 = Φ T q +Η T u  
( )  
( )  
k
k
1  
•Vi:  
H T = A Φ T I B  
( )  
( )  
Ưu đim: Ddàng tìm được mô hình  
gián đon ca các đối tượng MIMO  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
Electrical Engineering - Automatic Control  
21 August 2011  
19  
1. Mô hình tín hiu và hthng  
1.3 Mô hình hthng trên min nh z  
1.3.2 Mô hình khâu có bn cht liên tc và tín hiu vào dng bc thang  
d) Quan hgia mô hình trng thái và mô hình truyn đạt  
•Mô hình đầy đủ ca đối tượng MIMO có dng:  
q = Φ T q + Η T u  
( )  
( )  
k+1  
k
k
det z IΦ = 0  
vi phương trình đặc tính:  
[
]
xk = Cqk + Duk  
•Ma trn truyn đạt G(z) trên min nh z ca đối tượng MIMO:  
G z = C zIΦ T 1 H T + D  
G z = C zIΦ T 1 H T  
( )  
( )  
( )  
( )  
( )  
( )  
Khâu  
quán tính  
x z = G z u z ⇒  
( )  
( ) ( )  
adj zIΦ T  
det zIΦ T  
adj zIΦ T  
det zIΦ T  
( )  
( )  
= C  
H T + D  
= C  
H T  
( )  
( )  
( )  
( )  
•Hàm truyn đạt G(z) trên min nh z ca đối tượng SISO:  
G z = c zIΦ T 1 h T + d  
G z = c zIΦ T 1 h T  
T
T
( )  
( )  
( )  
( )  
( )  
( )  
x z  
( )  
Khâu  
quán tính  
G z =  
( )  
adj zIΦ T  
det zIΦ T  
adj zIΦ T  
det zIΦ T  
( )  
( )  
= cT  
h T + d  
( )  
= cT  
h T  
( )  
u z  
( )  
( )  
( )  
Hon.-Prof. Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyn Phùng Quang  
21 August 2011  
20  
Electrical Engineering - Automatic Control  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 116 trang Thùy Anh 27/04/2022 7180
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điều khiển số - Nguyễn Phùng Quang", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_dieu_khien_so_nguyen_phung_quang.pdf