Bài giảng môn học Mô hình điều khiển

T R
N G  I HC B Á C H K H O A KHOA
IN B
MÔN T 
NG HÓA
 
   Trn ình Khôi Qu c Email : tdkquoc@dng.vnn.vn 2 MC LC Phn m u 1 Khái nim ........................................................................................................................... 4 2 Các nguyên t c iu khin t ng .................................................................................... 5 2.1 Nguyên t c gi n nh .............................................................................................. 5 2.2 Nguyên t c iu khin theo chng trình .................................................................. 5 3 Phân loi h th ng KT .................................................................................................. 5 3.1 Phân loi theo c im ca tín hiu ra...................................................................... 5 3.2 Phân loi theo s vòng kín ......................................................................................... 5 3.3 Phân loi theo kh nng quan sát tín hiu .................................................................. 6 3.4 Phân loi theo mô t toán hc .................................................................................... 6 4 Biêu  iu khin t ng trong mt nhà máy................................................................. 7 5 Phép bin i Laplace ........................................................................................................ 7 Chng 1: MÔ T TOÁN HC CA CÁC PHN T VÀ CA H! TH"NG I#U KHI$N T% &NG 1 Khái nim chung ................................................................................................................ 9 2 Hàm truyn t ................................................................................................................... 9 2.1 nh ngh'a : ................................................................................................................ 9 2.2 Phng pháp tìm hàm truyn t ............................................................................... 9 2.3 Mt s ví d( v cách tìm hàm truyn t ................................................................. 10 2.4 Hàm truyn t ca mt s thit b in hình .......................................................... 12 3 i s s  kh i.............................................................................................................. 12 3.1 M c n i tip.............................................................................................................. 12 3.2 M c song song.......................................................................................................... 12 3.3 M c phn hi ............................................................................................................ 12 3.4 Chuyn tín hiu vào t) tr*c ra sau mt kh i .......................................................... 13 3.5 Chuyn tín hiu ra t) sau ra tr*c mt kh i............................................................. 13 4 Phng trình trng thái..................................................................................................... 15 4.1 *Phng trình trng thái tng quát........................................................................... 15 4.2 Xây dng phng trình trng thái t) hàm truyn t............................................... 17 4.3 Chuyn i t) phng trình trng thái sang hàm truyn.......................................... 19 Chng 2: +C TÍNH &NG HC CA CÁC KHÂU VÀ CA H! TH"NG TRONG MI#N TN S" 1 Khái nim chung .............................................................................................................. 23 2 Phn ,ng ca mt khâu .................................................................................................... 23 2.1 Tín hiu tác ng vào mt khâu (các tín hiu tin nh).......................................... 23 2.2 Phn ,ng ca mt khâu ............................................................................................ 23 3 c tính tn s ca mt khâu ........................................................................................... 24 3.1 Hàm truyn t tn s ............................................................................................... 24 3.2 c tính tn s .......................................................................................................... 25 4 c tính ng hc ca mt s khâu c bn...................................................................... 26 4.1 Khâu t- l .................................................................................................................. 26 4.2 Khâu quán tính b.c 1................................................................................................ 26 4.3 Khâu dao ng b.c 2................................................................................................ 28 4.4 Khâu không n nh b.c 1........................................................................................ 30 4.5 Khâu vi phân lý t ng.............................................................................................. 31 4.6 Khâu vi phân b.c 1................................................................................................... 31 4.7 Khâu tích phân lý t ng........................................................................................... 32 4.8 Khâu ch.m tr/ .......................................................................................................... 32 3 Chng 3: TÍNH 0N 1NH CA H! TH"NG I#U KHI$N T2 &NG 1 Khái nim chung .............................................................................................................. 34 2 Tiêu chu3n n nh i s ................................................................................................ 35 2.1 iu kin cn  h th ng n nh........................................................................... 35 2.2 Tiêu chu3n Routh ..................................................................................................... 35 2.3 Tiêu chu3n n nh Hurwitz..................................................................................... 36 3 Tiêu chu3n n nh tn s ................................................................................................ 36 3.1 Tiêu chu3n Nyquist theo c tính tn s biên pha.................................................... 36 3.2 Tiêu chu3n Nyquist theo c tính tn s logarit....................................................... 36 3.3 Tiêu chu3n n nh Mikhailov ................................................................................. 37 Chng 4: CH4T L
5NG CA QUÁ TRÌNH I#U KHI$N 1 Khái nim chung .............................................................................................................. 38 1.1 Ch  xác l.p .......................................................................................................... 38 1.2 Quá trình quá  ....................................................................................................... 38 2 ánh giá ch6t l7ng ch  xác l.p .............................................................................. 38 2.1 Khi u(t) = U0.1(t) ...................................................................................................... 39 2.2 Khi u(t) = U0.t........................................................................................................... 39 3 ánh giá ch6t l7ng quá trình quá  ........................................................................... 39 3.1 Phân tích thành các biu th,c n gin.................................................................... 39 3.2 Phng pháp s Tustin............................................................................................. 39 3.3 Gii phng trình trng thái ..................................................................................... 39 3.4 S8 d(ng các hàm ca MATAB ................................................................................ 39 4 ánh giá thông qua  d tr n nh.............................................................................. 40 4.1  d tr biên  ..................................................................................................... 40 4.2  d tr v pha....................................................................................................... 40 4.3 M i liên h gia các  d tr và ch6t l7ng iu khin......................................... 40 Chng 5: NÂNG CAO CH4T L
5NG VÀ T0NG H5P H! TH"NG 1 Khái nim chung 41 2 Các b iu khin – Hiu ch-nh h th ng ........................................................................ 41 2.1 Khái nim ................................................................................................................. 41 2.2 B iu khin t- l P ................................................................................................. 41 2.3 B bù s*m pha Lead................................................................................................. 41 2.4 B bù tr/ pha Leg ..................................................................................................... 42 2.5 B bù tr/-s*m pha Leg -Lead................................................................................... 43 2.6 B iu khin PI (Proportional Integral Controller) ................................................ 44 2.7 B iu khin PD (Proportional Derivative Controller) .......................................... 44 2.8 B iu khin PID (Proportional Integral Derivative Controller)............................ 45 Chng 6: CONTROL SYSTEM TOOLBOX & SIMULINK TRONG MATLAB 1 Control System Toolbox .................................................................................................. 47 1.1 nh ngh'a mt h th ng tuyn tính......................................................................... 47 1.2 Bin i s  tng ng..................................................................................... 49 1.3 Phân tích h th ng .................................................................................................... 50 1.4 Ví d( tng h7p.......................................................................................................... 52 2 SIMULINK ...................................................................................................................... 54 2.1 Kh i ng Simulink ................................................................................................. 54 2.2 To mt s  n gin............................................................................................ 55 2.3 Mt s kh i th9ng dùng ......................................................................................... 56 2.4 Ví d( ......................................................................................................................... 57 2.5 LTI Viewer............................................................................................................... 58 Phn m u 4    
iu khin hc là khoa hc nghiên cu nhng quá trình iu khin và thông tin trong các máy móc sinh vt. Trong iu khin hc,  i t ng iu khin là các thit b , các h th ng k thut, các c c sinh vt
iu khin hc nghiên cu quá trình iu khin các  i t ng k thut  c gi là iu khin hc k thut. Trong ó «
iu khin t ng » là c s lý thuyt ca iu khin hc k thuât. Khi nghiên cu các qui lut iu khin ca các h th ng k thut khác nhau, ng i ta s dng các mô hình toán thay th cho các  i t ng kho sát. Cách làm này cho phép chúng ta m rng phm vi nghiên cu và tng quát bài toán iu khin trên nhiu  i t ng có mô t toán hc gi ng nhau. Tài liu này nhm gii thiu mt s kin thc c bn v iu khin t ng h tuyn tính liên tc. Nó có th dùng làm tài liu hc tp cho sinh viên k thut các ngành không chuyên v iu khin cng nh làm tài liu tham kho cho sinh viên ngành in. 1 Khái nim Mt h th ng KT 7c xây dng t) 3 b ph.n ch yu theo s  sau : Trong ó : - O :  i t7ng iu khin - C : b iu khin, hiu ch-nh - M : c c6u o l9ng Các loi tín hiu có trong h th ng gm : - u : tín hiu ch o (còn gi là tín hiu vào, tín hiu iu khin) - y : tín hiu ra - f : các tác ng t) bên ngoài - z : tín hiu phn hi - e : sai lch iu khin Ví d
v mt h thng iu khin n gi n C O M u f y e z h l Qi Q0 Phn m u 5 2 Các nguyên tc i u khi n t ng 2.1 Nguyên t
c gi n nh Nguyên t c này gi tín hiu ra b:ng mt h:ng s trong quá trình iu khin, y = const. Có 3 phng pháp  thc hin nguyên t c gi n nh gm : - Phng pháp bù tác ng bên ngoài (a) - Phng pháp iu khin theo sai lch - Phng pháp h;n h7p 2.2 Nguyên t
c iu khin theo ch ng trình Là gi cho tín hiu ra y = y(t) theo mt chng trình ã 7c nh s<n.  mt tín hiu ra nào ó thc hin theo chng trình, cn phi s8 d(ng máy tính hay các thit b có lu tr chng trình. Ngày nay, 2 thit b thông d(ng ch,a chng trình iu khin là : - PLC (Programmable Logic Controller) - CLC (Computerized Numerical Control) 3 Phân lo i h thng KT 3.1 Phân lo i theo c im ca tín hi u ra - Tín hiu ra n nh - Tín hiu ra theo chng trình 3.2 Phân lo i theo s vòng kín - H h : là h không có vòg kín nào. - H kín: có nhiu loi nh h 1 vòng kín, h nhiu vòng kín, C O M u f y e a) M b) f C u e y O M2 c) f C u e y O M1 Phn m u 6 3.3 Phân lo i theo kh nng quan sát tín hi u 3.3.1 H
thng liên tc Quan sát 7c t6t c các trng thái ca h th ng theo th9i gian. Mô t toán hc : phng trình i s , phng trình vi phân, hàm truyn 3.3.2 H
thng không liên tc Quan sát 7c mt phn các trng thái ca h th ng. Nguyên nhân: - Do không th t 7c t6t c các cm bin. - Do không cn thit phi t  các cm bin. Trong h th ng không liên t(c, ng9i ta chia làm 2 loi: a) H th ng gián on (S. discret) Là h th ng mà ta có th quan sát các trng thái ca h th ng theo chu k= (T). V bn ch6t, h th ng này là mt dng ca h th ng liên t(c. b) H th ng vi các s kin gián on (S à événement discret) - c trng b i các s kin không chu k= - Quan tâm n các s kin/ tác ng Ví d
v h thng liên t
c, gián o n, h thng vi các s kin gián o n 3.4 Phân lo i theo mô t toán hc - H tuyn tính: c tính t'nh ca t6t c các phân t8 có trong h th ng là tuyn tính. c im c bn: xp chng. - H phi tuyn: có ít nh6t mt c tính t'nh ca mt phn t8 là mt hàm phi tuyn. - H th ng tuyn tính hóa: tuyn tính hóa t)ng phn ca h phi tuyn v*i mt s iu kin cho tr*c  7c h tuyn tính gn úng. Bng chuyn 2 Piston 3 2 Piston 1 Bng chuyn 3 Bng chuyn 1 Phn m u 7 4 Biêu  i u khi n t ng trong mt nhà máy 5 Phép bin i Laplace Gi s8 có hàm f(t) liên t(c, kh tích. nh Laplace ca f(t) qua phép bin i laplace, ký hiu là F(p) 7c tính theo nh ngh'a: 0 ( ) ( ) ptF p f t e dt ∞ − =
- p: bin laplace - f(t): hàm g c - F(p): hàm nh Mt s tính cht c a phép bi n i laplace 1. Tính tuyn tính { }1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )L af t bf t aF p bF p+ = + 2. nh laplace ca o hàm hàm g c { }'( ) ( ) (0)L f t pF p f= − Nu các iu kin u b:ng 0 thì: { }( ) ( ) ( )n nL f t p F p= 3. nh laplace ca tích phân hàm g c Qun lý nhà máy iu khin, giám sát, bo d>ng B iu khin, iu ch-nh, PLC Cm bin, c cu chp hành Niv 4 Niv 2 Niv 1 Niv 0 Niv 3 Qun lý sn xut, lp k ho ch sx. Phn m u 8 0 ( )( ) t F pL f d p τ τ    =    
4. nh laplace ca hàm g c có tr/ { }( ) ( )pL f t e F pττ −− = 5. Hàm nh có tr/ { }( ) ( )atL e f t F p a− = + 6. Giá tr u ca hàm g c (0) lim ( ) p f pF p →∞ = 7. Giá tr cu i ca hàm g c 0 ( ) lim ( ) p f pF p → ∞ = NH LAPLACE VÀ NH Z CA MT S HÀM THÔNG DNG f(t) F(p) F(z) δ(t) 1 1 1 1 p 1 z z − t 2 1 p ( )21 Tz z − 2 1 2t 3 1 p ( ) ( ) 2 3 1 2 1 T z z z + − e-at 1 p a+ aT z z e−− 1-e-at ( ) a a p a+ ( ) ( )( ) 1 1 aT aT e z z z e − − − − − sinat 2 2 a p a+ 2 sin 2 cos 1 z aT z z aT− + cosat 2 2 p p a+ 2 2 cos 2 cos 1 z z aT z z aT − − + Ch ng 1 Mô t toán hc 9   MÔ T TOÁN HC CA CÁC PHN T VÀ CA H THNG
IU KHIN T
NG 1 Khái nim chung -  phân tích mt h th ng, ta phi bit nguyên t c làm vic ca các phn t8 trong s , bn ch6t v.t lý, các quan h v.t lý, - Các tính ch6t ca các phn t8/h th ng 7c biu di/n qua các phng trình ng hc, th9ng là phng trình vi phân. -  thu.n l7i hn trong vic phân tích, gii quyt các bào toán, ng9i ta mô t toán hc b:ng hàm truyn t (transfer fuction), phng trình trng thái, v.v 2 Hàm truy n  t 2.1 nh ngha : Hàm truyn  t c a mt khâu (hay h thng) là t s gia tín hiu ra vi tín hiu vào biu din theo toán t laplace, ký hiu là W(p), vi các iu kin ban u trit tiêu. trong ó ( )( ) ( ) Y pW p U p = v*i y(0) = y’(0) = = y(n-1)(0) = 0 u(0) = u’(0) = = u(m-1)(0) = 0 2.2 Ph ng pháp tìm hàm truyn  t T) phng trình vi phân tng quát ca mt khâu (h th ng) có dng 1 0 1 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ... ( ) ... ( ) n m n mn m d y t dy t d u t du t a a a y t b b b u t dt dt dt dt + + + = + + + bin i laplace v*i các iu kin ban u b:ng 0 và theo nh ngh'a, ta có dng tng quát ca hàm truyn t 1 0 1 0 ... ( )( ) ... ( ) m m n n b p b p b M pW p a p a p a N p + + + = = + + + N(p) : a th,c dc tính Ví d
cách tìm hàm truyn  t t phng trình vi phân Ý ngha - Quan sát hàm truyn t, nh.n bit c6u trúc h th ng - Xác nh tín hiu ra theo th9i gian (bin i laplace ng7c) - Xác nh các giá tr u, giá tr xác l.p ca h th ng - Xác nh 7c h s khuch i t'nh ca h th ng - Ví d W(p) U(p) Y(p) Ch ng 1 Mô t toán hc 10 2.3 Mt s ví d v cách tìm hàm truyn  t Nguyên t c chung : - Thành l.p phng trình vi phân - S8 d(ng phép bin i laplace Ví d 1 : Khuch i lc b:ng cánh tay òn Xét phng trình cân b:ng v mômen : F1(t)*a = F2(t)*b F1(p)*a = F2(p)*b 2 1 F ( )W(p)= F ( ) p a p b = Ví d 2 : ng c in mt chiu kich t) c l.p Gi s8 t) thông Φ = const, J là mômen quán tính qui v tr(c ng c, B là h s ma sát tr(c. Thành l.p hàm truyn t ca ng c v*i: u: tín hiu vào là in áp phn ,ng ω: tín hiu ra là góc quay ca tr(c ng c. Gii: Phng trình quan h v in áp phn ,ng: u u e di u Ri L e dt e K ω = + + = Φ Suy ra e di u Ri L K dt ω= + + Φ (1.1) Phng trình quan h v momen trên tr(c ng c: i dK i J B dt ω ωΦ = + (1.2) Thay (1.2) vào (1.1), ta 7c: 2 2 e i i R d L d d u J B J B K K dt K dt dt ω ω ω ω ω = + + + + Φ  Φ Φ    a b F1 F2 J u i B Ch ng 1 Mô t toán hc 11 2 2 e i i i LJ d RJ LB d RB u K K dt K dt K ω ω ω + = + + + Φ Φ Φ Φ  V.y ( )22 2 0( ) ( )U p a p a p a pω= + + v*i 2 1 0; ; e i i i LJ RJ LB RB a a a K K K K + = = = + Φ Φ Φ Φ  Hàm truyn t ca ng c in mt chiu là: 2 2 2 0 ( ) 1( ) ( ) pW p U p a p a p a ω = = + + Ví d 3: Tìm hàm truyn t ca mch in t8 dùng KTT, gi thit khuch i thu.t toán là lý t ng. Ta có: 2 2 i i V V dV dVC V V R C R dt dt − − − − − = = + (1) Xét dòng in qua V+ 0 0 1 1 2i i V V V V V V V R R + + +− − = = + (2) Mt khác, do gi thit KTT là lý t ng nên V- = V+. T) (1) và (2) 0 2 0 2 i i dV dVR C V R C V dt dt + = − 0 2 2 ( ) 1( ) ( ) 1i V p R CpW p V p R Cp − = = + Ví d 4: Trong ó: Vi V0 R1 R1 R2 C +Vcc -Vcc y(t) u(t) r h γ Ch ng 1 Mô t toán hc 12 u(t): lu l7ng ch6t l?ng vào; y(t) là lu l7ng ch6t l?ng ra; A là din tích áy ca b ch6t l?ng Gi p(t) là áp su6t ca ch6t l?ng ti áy b, bit các quan h sau: ( )( ) p ty t r = (r là h s ) ( ) ( )p t h tγ= Tìm hàm truyn t ca b ch6t l?ng. Gii Theo các quan h trong gi thit, ta có: ( )( ) p ty t h r r γ = = (1.3)  gia tng chiu cao ct ch6t l?ng là: ( ) ( )dh u t y t dt A − = (1.4) T) (1.3) và (1.4), suy ra: ( ) ( )dy u t y t dt r A γ − = ( ) ( )dyrA y t u t dt γ+ = Hàm truyn t ca b ch6t l?ng trên là: ( )( ) ( ) 1 1 Y p KW p U p rAp Tp γ = = = + + 2.4 Hàm truyn  t ca mt s thit b in hình - Các thit b o l9ng và bin i tín hiu: W(p) = K - ng c in mt chiu: 2 1 2 2 KW(p)= T T 1p T p+ + - ng c không ng b 3 pha KW(p)= T 1p + - Lò nhit KW(p)= T 1p + - Bng ti -W(p)= pKe τ 3  i s s  khi i s s  kh i là bin i mt s  ph,c tp v dng n gin nh6t  thu.n tin cho vic tính toán. 3.1 M
c ni tip 1 2W(p)= . ... nW W W 3.2 M
c song song 1 2W(p)= ... nW W W± ± ± 3.3 M
c phn hi 1 1 2 W(p)= 1 W WW± W1 W2 - + U(p) Y(p) Ch ng 1 Mô t toán hc 13 3.4 Chuyn tín hi u vào t trc ra sau mt khi 3.5 Chuyn tín hi u ra t sau ra trc mt khi Ví d
1: I#U KHI$N M2C CH4T L@NG TRONG B$ CHAA Cho mt h th ng iu khin t ng mc ch6t l?ng trong b ch,a nh hình vB, bit r:ng: - Hàm truyn ca b chuyn i mc ch6t l?ng/dòng in 1 1)( + = pT pG c LT v*i Tc=1 - Phng trình vi phân biu di/n qaun h gia lu l7ng và  cao ct ch6t l?ng là: )()()()( tQtQth dt tdh ai +=+θ v*i θ=25 - Hàm truyn ca c b chuyn i dòng in sang áp su6t và van t ng là: LT LIC LI VT LV h H0 Qi Qa Qo M X P LT : chuyn i m,c ch6t l?ng LIC : B hiu ch-nh LY : chuyn i dòng in/áp su6t LV : van diu ch-nh t ng VT : van iu khin b:ng tay W U(p) Y(p) W U(p) Y(p) ⇔ Y(p) W Y(p) W U1(p) Y(p) ± U2(p) W U1(p) Y(p) ± U2(p) W ⇔ Ch ng 1 Mô t toán hc 14 Ti T T Ta Qe = + == 1 1 )( )()( pTpN pQpG V e V v*i Tv=4 Yêu cu : 1. Thành l.p s  iu khin ca h th ng. 2. Tìm các hàm truyn t 0 ( ), ( ), ( ) aHU HQ HQW p W p W p 3. Gi s8 cha có b iu khin C(p) = 1. Tìm giá tr xác l.p ca ct n*c ngõ ra nu u(t)= 5.1(t) và Qa = 2.1(t).
S Ví d( 2 : Cho mô hình ca mt b iu hòa nhit  ch6t l?ng nh hình vB Trong ó : - Ti : nhit  ch6t l?ng vào b - T : nhit  ch6t l?ng trong b - Ta : nhit  môi tr9ng Bit r:ng : - Nhit l7ng ch6t l?ng mang vào b : Qi = VHTi v*i H là h s nhit ; V là lu l7ng ch6t l?ng vào b. - Nhit l7ng in tr cung c6p cho b Qe(t) - Nhit l7ng ch6t l?ng mang ra kh?i b Q0 = VHT - Nhit l7ng tn th6t qua thành b do chênh lch v*i môi tr9ng ( )1s aQ T TR= − Bit nhit l7ng ch6t l?ng nh.n 7c sB làm tng nhit  ch6t l?ng theo biu th,c l dTQ C dt = Hãy thành l.p mô hình iu khin ca b trao i nhit trên. Gii Phng trình cân b:ng nhit ca b ch6t l?ng 0l i e aQ Q Q Q Q= + − − Hay C(p) GV(p) G(p) GLT(p) Qa Qo Qi Y U ε X H Ch ng 1 Mô t toán hc 15 a i e T TdTC VHT Q VHT dt R − = + − − ⇔ 1 1 i e a dTC VH T VHT Q T dt R R + + = + +   ⇔ ( )1 0 0 0( ) ( ) ( ) ( )i e aa p a T p b T p Q p c T p+ = + + ⇔ [ ]0 0 1 0 1( ) ( ) ( ) ( )i e aT p b T p Q p c T p a p a = + + + Mô hình iu khin là : 4 Phng trình tr ng thái 4.1 *Ph ng trình tr ng thái tng quát 4.1.1 Khái ni
m -  i v*i mt h th ng, ngoài tín hiu vào và tín hiu ra cn phi xác nh, ôi khi ta cn quan sát các trng thái khác. Ví d(  i v*i ng c in là dòng in, gia t c ng c, tn hao, v.v - Các trng thái này có gì khác v*i tín hiu ra ? Nu là tín hiu ra thì phi o l9ng 7c b:ng các b cm bin, còn bin trng thái thì hoc o 7c, hoc xác nh 7c thông qua các i l7ng khác. - T) ó ng9i ta xây dng mt mô hình toán cho phép ta có th xác nh 7c các bin trng thái. 4.1.2 D ng t ng quát ca phng trình tr ng thái Xét h th ng có m tín hiu vào và r tín hiu ra. H th ng có : - m tín hiu vào: u1(t), u2(t), , um(t), vit 1 ... m u U u =    , mU ∈
H thng u1(t) um(t) y1(t) yr(t) 1 0 1 a p a+ b0 c0 Qe Ta Ti T Ch ng 1 Mô t toán hc 16 - r tín hiu ra: y1(t), y2(t), , yr(t), vit 1 ... r y Y y =    , rY ∈
- n bin trng thái : x1(t), x2(t), , xn(t), vit 1 ... n x X x =    , nX ∈
Phng trình trng thái dng tng quát ca h th ng 7c biu di/n d*i dng : X AX BU Y CX DU  = +  = +  V*i , , ,nxn nxm rxn rxmA B C D∈ ∈ ∈ ∈



A, B, C, D gi là các ma tr.n trng thái, nu không ph( thuc vào th9i gian gi là h th ng d)ng. Nhn xét : - Phng trình trng thái mô t toán hc ca h th ng v mt th9i gian d*i dng các phng trình vi phân. - H th ng 7c biu di/n d*i dng các phng trình vi phân b.c nh6t. 4.1.3 Ví d thành lp phng trình tr ng thái Ví d
1 Xây dng phng trình trng thái ca mt h th ng cho d*i dng phng trình vi phân nh sau : 2 22 5 d y dy y u dt dt + + = Gii H có mt tín hiu vào và mt tín hiu ra. t 1 2 x y dy x y dt = = =  T) phng trình trên, ta có : 2 2 12 5x x x u+ + = Nh v.y : 1 2 2 1 2 5 1 1 2 2 2 x y x x x x u = =   = − − +    ⇔ [ ] 1 1 2 2 1 2 0 1 0 5 1 1 2 2 2 0 1 x x u x x x y x            = +       − −            =       t A, B, C, D là các ma tr.n tng ,ng, suy ra X AX BU Y CX DU  = +  = +  Ch ng 1 Mô t toán hc 17 Ví d
2 Cho mch in có s  nh hình vB sau, hãy thành l.p phng trình trng thái cho mch in này v*i u1 là tín hiu vào, u2 là tín hiu ra. Gii Gi s8 mch h ti và các iu kin u b:ng 0. Gi i là dòng in chy trong mch, ta có : 0 0 0 1 1 t i t di u Ri L idt dt C u idt C  = + +    = 

t các bin trng thái là : 1 2 0,x i x u= = , ta có : 1 1 2 2 1 iu Rx Lx x Cx x = + +  =   hay 1 1 2 2 1 1 1 1 i R x x x u L L L x x C  = − − +   =    và 2 0x u= V.y : [ ] 1 1 2 2 1 0 2 1 1 1 00 0 1 i R x xL L uL x x C x u x   − −         = +                  =       H?i : Tr9ng h7p t 1 0 2,x u x i= = , phng trình trng thái ca mch in sB có dng nh th nào ? Nhn xét - V*i cùng h th ng sB có nhiu phng trình trng thái khác nhau. - Hàm truyn t ca h th ng là duy nh6t. 4.2 Xây dng ph ng trình tr ng thái t hàm truyn  t 4.2.1 Khai tri n thành các tha s n gin Nu hàm truyn t 7c biu di/n d*i dng tích các th)a s nh sau : ( )1 ( ) 1( ) ( ) n i i Y pW p K U p p p = = = − ∏ R L C ui u0 Ch ng 1 Mô t toán hc 18 t các bin trung gian nh hình vB, ta có : 1 1 1 2 2 2 1 1 ... n n n n x p x Ku x p x x x p x x − = +  = +    = +    và y = xn Suy ra phng trình trng thái là : [ ][ ] 1 1 2 2 1 2 1 0 0 1 0 0 0 1 n n T n x p K x p u x p y x x x                   = +                      =    4.2.2 Khai tri n thành t ng các phân thc n gin Nu hàm truyn t 7c khai trin d*i dng : 1 ( )( ) ( ) n i i i K Y pW p p p U p = = = −  1 ( ) ( ) n i i i KY p U p p p =   =   −   S  c6u trúc nh sau : Nh v.y : i i ipX p X U= + i i ix p x u= + 1 1 p p− 2 1 p p− 1 np p− U X1 X2 Xn K1 K2 Kn Y1 Y2 Yn Y 1 K p p− 2 1 p p− 1 np p− U Y x1 x2 xn Ch ng 1 Mô t toán hc 19 Hay [ ][ ] 1 1 2 2 1 2 1 2 1 1 1 0 1n n T n n x p x p u x p y K K K x x x                   = +                      =    4.2.3 S dng mô hình tích phân c bn Tr9ng h7p hàm truyn t có dng 1 0 ( )( ) ( ) ...nn Y p KW p U p a p a p a = = + + + t ( 1) ( )1 2 1 3 2, , ,..., , n n n nx y x x y x x y x y x y − = = = = = = =       Suy ra : 1 2 2 3 11 1 ... ... n n n n n n x x x x aa K x x x u a a a − = = = − − − +    4.3 Chuyn i t ph ng trình tr ng thái sang hàm truyn 1( ) ( )W p C pI A B D−= − + M&T S" BÀI TCP CH
DNG 1 Bài tp 1 I#U KHI$N L
U L
5NG CH4T L@NG TRONG "NG DEN Cho s  iu khin mc lu l7ng ca mt 9ng ng dFn ch6t l?ng nh hình vB Bit hàm truyn ca c c6u chuyn i t) dòng in sang áp su6t + van LV + 9ng ng + b chuyn i t) lu l7ng sang dòng in là 12.2)( )()( + == − p e pX pYpH p Hãy thành l.p mô hình iu khin ca h th ng. Bài tp 2 I#U CHGNH NHI!T & CA MÁY LOI KHÍ CHO NHI HDI N*c tr*c khi 7c a vào lò hi cn phi qua máy loi khí nh:m loi b*t khí CO2 và O2 trong n*c. Các loi khí này kém tan, chính vì v.y sB làm áp su6t hi th6p, nhit  FE FT FIC FY Y X FE : o lu l7ng FT : chuyn i lu l7ng/ dòng in FIC : b iu khin lu l7ng FY : chuyn i dòng in/áp su6t LV Ch ng 1 Mô t toán hc 20 cao. N*c trong máy loi khí này có áp su6t th6p và nhit  bão hòa khong 104°C. S  diu ch-nh nhit  ca máy loi khí nh sau : Hàm truyn ca van iu ch-nh TV + ni hi + b o TE là 18 2 )( )()( 4 + == − p e pX pYpT p B chuyn i in áp/dòng in TY có nhim v( chuyn i tín hiu in áp ( vài micro volt) t- l v*i nhit  thành tín hiu dòng in I (4-20mA)  a n b iu ch-nh TIC. Hàm truyn ca b chuyn i TY là : 13.0 1 )( )()( + == ppY pIpC Hãy thành l.p mô hình iu khin ca h th ng. Bài tp 3 I#U CHGNH NHI!T & CA B& TRAO 0I NHI!T S  ca mt b trao i nhit nh hình vB, trong ó θ1>T1. LT TE TY TIC Qv Qe Hi n ni hi N*c TE : u dò nhit  TV : van t ng iu ch-nh nhit  TY : chuyn i in áp/dòng in LT : b chuyn i m,c TIC : b iu ch-nh nhit  LV : van iu ch-nh m,c LV TV Y I X T Ch ng 1 Mô t toán hc 21 Yêu cu iu khin là gi cho nhit  ra T2 ca ch6t l?ng cn làm nóng không i v*i mi lu l7ng Qf. Mt tín hiu iu khin X a n van sB kh ng ch nhit  T2 ca ch6t l?ng, nhit  này 7c th hin qua tín hiu o l9ng Y. Hàm truyn ca van TV + b trao i nhit + b o TT là ( )312 4.1 )( )()( + == ppX pYpH . Mt khác, nu gi tín hiu iu khin X không i nhng lu l7ng Qf ca ch6t l?ng cn làm nóng thay i cIng làm nh h ng n nhit  ra T2. nh h ng ca Qf n T2 7c cho b i hàm truyn ( )215.0 2 )( )()( + −== ppQ pYpD f Hãy thành l.p mô hình iu khin ca h th ng. Bài tp 4 I#U KHI$N NHI!T & CA M&T MÁY HÓA L@NG GA (liquéfacteur) S  kh i ca mt máy hóa l?ng ga 7c cho trong hình sau : Trong ó : TT : b chuyn i nhit  TIC : b iu ch-nh nhit  FT1 : b chuyn i lu l7ng (in t)) FT2 : b chuyn i lu l7ng v*i o l9ng tuyn tính M FT1 TIC FT2 TT Q2, T1 Q2, T2 Q1, T3 Q1, T4 Ga cn hóa l?ng Ga l?ng Ch6t làm lnh Y X FIC X1 TT TIC TV FT Qf,T1 Qf,T2 Qc,θ2 Qc,θ1 Ch6t l?ng cn làm nóng Ch6t l?ng mang nhit Y X TT : b chuyn i nhit  TV : van iu ch-nh nhit  TIC : b iu ch-nh nhit  FT : b chuyn i lu l7ng Ch ng 1 Mô t toán hc 22  iu khin nhit  ca ga ã 7c hóa l?ng, ng9i ta i lu l7ng Q1 ca ch6t làm lnh b i b iu khin TIC. Ga tr*c khi hóa l?ng có nhit  T1, sau khi 7c hóa l?ng sB có nhit  T2. Hàm truyn ca các khâu trong s  7c nh ngh'a nh sau : p eK pQ pTpH p 1 1 1 2 1 1)( )()( 1 θ τ + == − )( )()( 2 2 2 pQ pTpH = )( )()( 3 2 3 pT pTpH = )( )()( 1 2 4 pT pTpH = 1)( )()( 2 5 == pT pYpH 1)( )()( 16 == pX pQpH V*i K1=2, τ1=1 min, θ1=4 min. Hãy thành l.p mô hình iu khin ca h th ng. Ch ng 2
c tính ng hc 23  
C TÍNH
NG HC CA CÁC KHÂU VÀ CA H THNG TRONG MIN TN S 1 Khái nim chung - Nhim v( ca chng : xây dng c tính ng hc ca khâu/h th ng trong min tn s . M(c ích : + Kho sát tính n tính + Phân tích tính ch6t + Tng h7p b iu khin - Khâu ng hc : nhng  i t7ng khác nhau có mô t toán hc nh nhau 7c gi là khâu ng hc. Có mt s khâu ng hc không có phn t8 v.t lý nào tng ,ng, ví d( ( ) 1W p Tp= + hay ( ) 1W p Tp= − . 2 Phn ng ca mt khâu 2.1 Tín hi u tác ng vào mt khâu (các tín hi
u tin nh) 2.1.1 Tín hi
u bc thang n v 1 0( ) 1( ) 0 0 t u t t t ≥ = =  < Dng tng quát 0 0 0 0 0 U ( ) 1( ) 0 t t u t U t t t t ≥ = − =  < 2.1.2 Tín hi
u xung n v 0 01( )( ) ( ) 0 td t u t t tdt δ ≠= = =  ∞ = Tính ch6t : 0 ( ) 1t dtδ ∞ =
2.1.3 Tín hi
u iu hòa u(t) = Umsin(ωt + ϕ) Biu di/n d*i dng s ph,c ( )( ) j tmu t U e ω ϕ+→ 2.1.4 Tín hi
u bt k  i v*i mt tín hiu vào b6t k=, ta luôn có th phân tích thành tng ca các tín hiu n gin trên. 2.2 Phn ng ca mt khâu Cho mt khâu 7c mô t toán hc nh hình vB : W(p) U(p) Y(p) u(t) y(t) t u 1 t δ(t) Ch ng 2
c tính ng hc 24 nh ngh'a: Ph n ng c a mt khâu (h thng) i vi mt tín hiu vào xác nh chính là c tính quá  hay c tính thi gian c a khâu ó. 2.2.1 Hàm quá  ca mt khâu Hàm quá  c a mt khâu là ph n ng c a khâu i vi tín hiu vào 1(t). Ký hiu : h(t) Biu th,c : 1 ( )( ) W ph t L p −   =     2.2.2 Hàm trng lng ca mt khâu Hàm trng lng c a mt khâu là ph n ng c a khâu i vi tín hiu vào δ(t). Ký hiu : ω(t) Biu th,c : { }1( ) W(p)t Lω −= hay ( )( ) dh tt dt ω = Ví d
: Cho mt khâu có hàm truyn t là 5( ) 2 1 W p p = + Tìm phn ,ng ca khâu  i v*i tín hiu u(t) = 2.1(t-2)-2.1(t-7). 3 c tính tn s ca mt khâu 3.1 Hàm truyn  t tn s 3.1.1 nh ngha: Hàm truyn  t tn s c a mt khâu, ký hiu là W(jω), là t s gia tín hiu ra vi tín hiu vào  tr ng thái xác lp khi tín hiu vào bin thiên theo qui lut iu hòa ( ) sinmu t U tω= . - J trng thái xác l.p (nu h th ng n nh): yxl(t)= Ymsin(ωt + ϕ) - Biu di/n d*i dng s ph,c : ( )( ) j tu t e ω→ ( )( ) j tmy t Y e ω ϕ+∞ → - Theo nh ngh'a : ( ) ( ) ( )( ) ( ) j t jxl m m j t mm y t Y e YW j e u t UU e ω ϕ ϕ ω ω + = = = Nhn xét: Hàm truyn t tn s - Là mt s ph,c - Ph( thuc vào tn s tín hiu. Do W(jω) là s ph,c nên có th biu di/n nó nh sau : ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) jW j A e W j P jQ ϕ ωω ω ω ω ω = = + 3.1.2 Cách tìm hàm truyn  t tn s t hàm truyn  t ca mt khâu Có th ch,ng minh 7c hàm truyn t tn s 7c tìm 7c t) hàm truyn t ca mt khâu (h th ng) theo quan h sau : ( ) ( ) p jW j W p ωω == Ví d : Tìm hàm truyn t tn s ca khâu có hàm truyn 5( ) 2 1 W p p = + . Ý ngha c a W(jω) Ch ng 2
c tính ng hc 25 - Xác nh 7c h s khuch i / góc lch pha  i v*i tín hiu xoay chiu - Xác nh 7c phng trình ca tín hiu ra trng thái xác l.p. 3.2 c tính tn s 3.2.1 c tính tn s biên pha (Nyquist) Xu6t phát t) cách biu di/n hàm truyn t tn s ( ) ( ) ( )W j P jQω ω ω= + - Xây dng h tr(c v*i tr(c hoành P, tr(c tung Q. - Khi ω bin thiên, vB nên c tính tn s biên pha.
nh ngha : c tính tn s biên pha (TBP) là qu  o c a hàm truyn  t tn s W(jω) trên mt ph ng phc khi ω bin thiên t -∞ n ∞. c im : - TBP  i x,ng qua tr(c hoành nên ch- cn xây dng ½ c tính khi ω bin thiên t) 0 n ∞ và l6y  i x,ng qua tr(c hoành  7c toàn b c tính. - Có th xác nh 7c môdun A, góc pha ϕ t) TBP 3.2.2 c tính tn s logarit (Bode) Quan sát s bin thiên ca biên  và góc pha theo tn s Xây dng h gm 2 c tính : *
c tính tn s biên  logarit
TBL - Hoành  là ω hay logω [dec] - Tung  L [dB]. Hàm L 7c xác nh 20log ( )L A ω= TBL biu di/n bin thiên ca h s khuch i tín hiu theo tn s tín hiu vào. *
c tính tn s pha logarit
TPL - Hoành  là ω hay logω [dec] - Tung  ϕ [rad], 7c xác nh trong W(jω). TPL biu di/n bin thiên ca góc pha theo tn s tín hiu vào. * c im ca c tính logarit Khi h th ng có n khâu n i tip : 1 2 1 2 ... ... n n L L L L ϕ ϕ ϕ ϕ = + + + = + + + logω ω L logω ω ϕ P jQ A ϕ Ch ng 2
c tính ng hc 26 4 c tính ng hc ca mt s khâu c bn 4.1 Khâu t l W(p) = K 4.1.1 Hàm truyn  t tn s 4.1.2 c tính Nyquist P = K Q = 0 4.1.3 c tính Bode 20lg 0 L K ϕ = = 4.1.4 Hàm quá  ( ) .1( )h t K t= 4.2 Khâu quán tính bc 1 ( ) 1 KW p Tp = + 4.2.1 Hàm truyn  t tn s 2 2 2 2 2 2 , 1 1 , 1 K KTP Q T T KA arctg T T ω ω ω ϕ ω ω = = − + + = = − + 4.2.2 c tính Nyquist Ch ng 2
c tính ng hc 27 -2 0 2 4 6 8 10 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Nyquist Diagram Real Axis Im a gin ar y Ax is c tính Nyquist ca khâu quán tính b.c 1 (K = 10, T = 0.1) 4.2.3 c tính Bode 2 220lg 20lg 1L K T ω= − + arctg Tϕ ω= − -20 -10 0 10 20 30 40 M ag ni tu de (dB ) 10-1 100 101 102 103 -90 -45 0 45 Ph as e (de g) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính Bode ca khâu quán tính b.c 1 (K = 10, T = 0.1) Trên h tr(c logarit, có th vB c tính biên pha gn úng ca khâu quán tính b.c nh6t nh sau : *
c tính biên  logarit - ω → 0 : L → L1 = 20lgK; - ω → ∞ : L → L2 = 20lgK – 20lgω; - ω = ωg = 1/T: L1(ωg) = L2(ωg) *
c tính pha logarit - ω → 0 : ϕ → 0; Ch ng 2
c tính ng hc 28 - ω → ∞ : ϕ → -pi/2; - ω = ωg = 1/T: ϕ(ωg) = -pi/4 Chú ý: sai lch gia c tính gn úng và c tính chính xác không 7c l*n hn 3dB. 4.2.4 Hàm quá  ( )/( ) 1 t Th t K e−= − 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 2 4 6 8 10 12 Step Response Time (sec) Am pli tu de c tính quá  ca khâu quán tính b.c 1 (K = 10, T = 0.1) 4.3 Khâu dao ng bc 2 2 0 2 2 0 0 ( ) 2 W p K p p ω ξω ω= + + v*i ξ <1 4.3.1 Hàm truyn  t tn s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 3 0 0 0 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 2 0 0 2 222 2 2 2 2 0 0 0 2 , 4 4 2 , 4 K KP Q KA arctg ω ω ω ξω ω ω ω ξ ω ω ω ω ξω ω ω ξω ωϕ ω ωω ω ξ ω ω − = = − − + − + = = − − − + Ch ng 2
c tính ng hc 29 4.3.2 c tính Nyquist -2 0 2 4 6 8 10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Nyquist Diagram Real Axis Im a gin ar y Ax is c tính Nyquist ca khâu dao ng b.c 2 (K = 10, ω0 = 0.5, ξ = 0.9) 4.3.3 c tính Bode ( )22 2 2 2 2 20 0 020lg 20lg 4L Kω ω ω ξ ω ω= − − + -80 -60 -40 -20 0 20 40 M ag n itu de (dB ) 10-2 10-1 100 101 102 -180 -135 -90 -45 0 45 Ph as e (de g) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính Bode ca khâu dao ng b.c 2 (K = 10, ω0 = 0.5, ξ = 0.9) Cách vB c tính biên pha gn úng : *
c tính biên  logarit - ω → 0 : L → L1 = 20lgK; - ω → ∞ : L → L2 = 20lgKω02 – 40lgω; - ω = ωg = ω0: L1(ωg) = L2(ωg). Ch ng 2
c tính ng hc 30 ω0 7c gi là tn s dao ng t nhiên *
c tính pha logarit - ω → 0 : ϕ → 0; - ω → ∞ : ϕ → -pi; - ω = ωg = ω0: ϕ(ωg) = -pi/2 4.3.4 Hàm quá  ( )0 2021( ) 1 sin 1 arccos1 th t K e tξω ω ξ ξξ −   = − − +   −  0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 2 4 6 8 10 12 14 Step Response Time (sec) Am pli tu de c tính quá  ca khâu dao ng b.c 2 v*i các h s ξ khác nhau 4.4 Khâu không n nh bc 1 ( ) 1 KW p Tp = − 4.4.1 Hàm truyn  t tn s 2 2 2 2 2 2 , 1 1 , 1 K KTP Q T T KA arctg T T ω ω ω ϕ ω pi ω = − = − + + = = − + 4.4.2 c tính Nyquist 4.4.3 c tính Bode 2 220lg 20lg 1L K T ω= − + arctg Tϕ ω pi= − 4.4.4 Hàm quá  ( )/( ) 1t Th t K e= − Ch ng 2
c tính ng hc 31 4.5 Khâu vi phân lý tng ( ) W p Kp= 4.5.1 Hàm truyn  t tn s 0, , 2 P Q K A K ω pi ω ϕ = = = = 4.5.2 c tính Nyquist 4.5.3 c tính Bode 20lg 20lgL K ω= + 4.6 Khâu vi phân bc 1 ( )( ) 1W p K Tp= + 4.6.1 Hàm truyn  t tn s 2 2 , 1, P K Q TK A K T arctgT ω ω ϕ ω = = = + = 4.6.2 c tính Nyquist -2 0 2 4 6 8 10 12 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Nyquist Diagram Real Axis Im ag in ar y Ax is c tính Nyquist ca khâu vi phân b.c nh6t 4.6.3 c tính Bode 2 220log 20log 1 1 g L K T T ω ω = + + = Ch ng 2
c tính ng hc 32 10-1 100 101 102 103 0 45 90 135 Ph as e (de g) 0 10 20 30 40 50 60 M a gn itu de (dB ) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính Bode ca khâu vi phân b.c 1 (K = 10, T = 0.1) 4.7 Khâu tích phân lý tng ( ) KW p p = 4.7.1 Hàm truyn  t tn s 0, , 2 KP Q KA ω piϕ ω = = − = = − 4.7.2 c tính Nyquist 4.7.3 c tính Bode 20lg 20lgL K ω= − 4.8 Khâu chm tr -( ) pW p e τ= 4.8.1 Hàm truyn  t tn s ( ) 1, jW j e A ωτω ϕ ωτ − = = = − 4.8.2 c tính Nyquist 4.8.3 c tính Bode 0L ϕ ωτ = = − Ch ng 2
c tính ng hc 33 10-1 100 101 102 103 -180 -135 -90 -45 0 45 Ph as e (de g) -20 -10 0 10 20 30 40 M ag nit u de (dB ) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính Bode ca khâu quán tính b.c 1 (xanh blue) và khâu quán tính b.c nh6t có tr/ 0.5s (xanh verte) Các lnh thc hin vB c tính trên trong MATLAB : num=10 den=[0.1 1] W1=tf(num,den) W2=W1; set(W2,’IODelay,0.5); W2 bode(W1); hold on bode(W2); Ch ng 3 Tính n  nh ca h th ng 34   TÍNH !N
"NH CA H THNG
IU KHIN T#
NG 1 Khái nim chung Kho sát mt h th ng iu khin t ng 7c mô t toán hc d*i dng hàm truyn t : 1 0 1 0 ... ( )( ) ... ( ) m m n n b p b p b Y pW p a p a p a U p + + + = = + + + (3.1) Phng trình vi phân tng ,ng ca h th ng là : 1 0 1 0... ... n m n mn m d y dy d u du a a a y b b b u dt dt dt dt + + + = + + + (3.2) Nghim ca phng trình vi phân (3.2) có dng nh sau : 0( ) ( ) ( )qdy t y t y t= + (3.3) Trong ó :
y0(t) là nghim riêng ca phng trình (3.2) có v phi, c trng cho quá trình xác lp.
ydq(t) là nghim tng quát ca (3.2), c trng cho quá trình quá . Tính !n nh c a mt h thng ch ph
thuc vào quá trình quá , còn quá trình xác lp là mt quá trình !n nh. nh ngha : a) Mt h th ng KT n nh nu quá trình quá  t t dn theo th9i gian. lim ( ) 0qd t y t →∞ = b) Mt h th ng KT không n nh nu quá trình quá  tng dn theo th9i gian. lim ( )qd t y t →∞ = ∞ c) Mt h th ng KT biên gi*i n nh nu quá trình quá  không i hay dao ng không t t dn. Xét nghim ydq(t) trong (3.3), dng tng quát ca nghim quá  nh sau : , 1 1 ( ) i n n p t qd i qd i i i y t C e y = = = =  (3.4) v*i n là b.c và pi là nghim ca phng trình c tính 1 0( ) ... 0nnN p a p a p a= + + + = (3.5) Ci là các h:ng s (tính theo các iu kin u). * Kh$o sát các tr%ng h&p nghim pi : i) pi là nghim thc i ip α= , i t qd i iy C e α = , 0, 0 lim lim , 0 , 0 i i t qd i i i i t t i y C e Cα α α α →∞ →∞ <  = = =  ∞ > ii) pi là cp nghim phc liên hp: , 1i i i ip jα β+ = ± , , 1 2 cos( )itqd i qd i i i iy y Ae tα β ϕ++ = + , , 1 0, 0 lim( ) dao dong, 0 , 0 i qd i qd i i t i y y α α α + →∞ <  + = =  ∞ > Ch ng 3 Tính n  nh ca h th ng 35 K t lun : 1) H th ng iu khin t ng n nh nu t"t c các nghim ca phng trình c tính có phn thc âm. 2) H th ng iu khin t ng không n nh nu có ít nh"t mt nghim ca phng trình c tính có phn thc dng. 3) H th ng iu khin t ng biên gi*i n nh nu có ít nh6t mt nghim ca phng trình c tính có phn thc b#ng 0, các nghim còn li có phn thc âm. 2 Tiêu chun n nh  i s 2.1 iu ki n cn  h thng n nh Xét mt h th ng iu khin t ng có phng trình c tính tng quát nh sau : 1 0( ) ... 0nnN p a p a p a= + + + = Phát bi'u : « iu kin cn  mt h thng KT tuyn tính !n nh là t"t c các h s c a phng trình c tính dng » 2.2 Tiêu chu!n Routh 2.2.1 Cách thành lp bng Routh pn an an-2 an-4 a0 pn-1 an-1 an-3 an-5 (a0) pn-2 cn-2,1 cn-2,2 p2 c2,1 c2,2 p1 c1,1 c1,2 p0 c0,1 V*i : 2 4 1 3 1 5 2,1 2,2 1 1 ; n n n n n n n n n n n n a a a a a a a a c c a a − − − − − − − − − − = − = − ; 2,1 2,2 1,1 2,3 0,1 1,1 c c c c c c = − Quy t(c : M;i s hng trong bng Routh là mt t- s , trong ó : - T8 s là nh th,c b.c 2, mang d6u âm. Ct th, nh6t ca nh th,c là ct th, nh6t ca 2 hàng ,ng sát trên hàng có s hng ang tính ; ct th, hai ca nh th,c là ct ,ng sát bên phi s hng ang tính cIng ca 2 hàng trên. - MFu s : T6t c các s hng trên cùng mt hàng có cùng mFu s là s hng ct t, nh6t ca hàng sát trên hàng có s hng ang tính. 2.2.2 Phát bi u tiêu chun Routh iu kin cn và   h thng tuyn tính !n nh là t"t c các s h ng trong ct th nh"t c a b ng Routh ph i dng. 2.2.3 Các tính cht ca bng Routh - Có th nhân hoc chia t6t c các s hng trên cùng mt hàng ca bng Routh v*i mt s dng. - S ln i d6u ca các s hng trong ct th, nh6t ca bng Routh b:ng s nghim ca phng trình c tính có phn thc dng. Ch ng 3 Tính n  nh ca h th ng 36 - Nu trong ct th, nh6t ca bng Routh có mt s hng b:ng 0 thì h th ng cIng không n nh.  xác nh s nghim âm, có th thay s 0 b:ng s ε > 0 r6t bé  tip t(c xác nh các s hng còn li. - Nu t6t c các s hng trên cùng 1 hàng ca bng Routh b:ng 0 thì h th ng biên gi*i n nh. - Tr9ng h7p h th ng có khâu ch.m tr/, có th khai trin Fourrier hàm mI nh sau : 2( ) ( )1 1! 2! p p pe τ τ τ− − −= + + + 2.3 Tiêu chu!n n nh Hurwitz 2.3.1 Phát bi u iu kin cn và   hê thng tuyn tính !n nh là các h s an và các inh thc Hurwitz dng. 2.3.2 Cách thành lp inh thc Hurwitz nh th,c ∆n có : - n ct và n hàng - 9ng chéo chính ca ∆n b t u t) a1 liên tip n an. - Các s hng trong cùng mt ct có ch- s tng dn t) d*i lên trên. - Các s hng có ch- s l*n hn n hay nh? hn 0 ghi 0. 3 Tiêu chun n nh tn s 3.1 Tiêu chu!n Nyquist theo c tính tn s biên pha 3.1.1 Phát bi u iu kin cn và   mt h thng kín ph n h$i -1 !n nh là : - Khi h h !n nh hoc  biên gii !n nh, c tính tn s biên pha c a h h không bao im M(-1,j0). - Khi h h không !n nh, c tính tn s biên pha c a h h bao im M(-1,j0) m/2 vòng kín khi ω bin thiên t 0 n ∞, vi m là s nghim c a phng trình c tính c a h h có phn thc dng. 3.1.2 Áp dng tiêu chun - Tiêu chu3n này ch- áp d(ng cho h kín. Tr9ng h7p không phi h phn hi -1 thì chuyn v dng ph$n h)i -1. - Có th xác nh s ln bao N ca c tính tn s (ω bin thiên t) 0 n ∞) v*i im M nh sau : ( ) ( ),0 ,0 2 C C N + − −∞ −∞ − =   V*i : + C+ giao im dng : là giao ca W(jω) v*i tr(c thc, có chiu ↑ theo chiu tng ca ω. + C- giao im âm : là giao ca W(jω) v*i tr(c thc, có chiu ↓ theo chiu tng ca ω. 3.2 Tiêu chu!n Nyquist theo c tính tn s logarit 3.2.1 Phát bi u iu kin cn và   h kín ph n h$i -1 !n nh khi h h !n nh (hay  biên gii !n nh) là s giao im dng b#ng s giao im âm trong ph m vi tn s ω  L(ω) >0. 3.2.2 Áp dng tiêu chun - Trong c tính logarit Ch ng 3 Tính n  nh ca h th ng 37 + C+ giao im dng : là giao ca ϕ(ω) v*i 9ng thKng -pi, có chiu ↓ theo chiu tng ca ω. + C- giao im âm : là giao ca ϕ(ω) v*i 9ng thKng -pi, có chiu ↑ theo chiu tng ca ω. - Tiêu chu3n ch- áp d(ng cho h kín phn hi -1, h h ã n nh. 3.3 Tiêu chu!n n nh Mikhailov 3.3.1 Phát bi u iu kin cn và   h thng tuyn tính !n nh là biu $ vect a thc c tính A(jω) xu"t phát t tr
c thc dng quay n góc phn t ngc chiu kim $ng h$ khi ω t%ng t 0 n ∞. 3.3.2 Áp dng tiêu chun - Tiêu chu3n này 7c áp d(ng  xét n nh cho h b6t k= (h /kín) - a th,c c tính là a th,c t8 s ca hàm truyn t. Ch ng 4 Ch t l ng ca quá trình iu khin 38   CH*T L+,NG CA QUÁ TRÌNH
IU KHIN 1 Khái nim chung Ch6t l7ng ca mt h th ng iu khin t ng 7c ánh giá qua 2 ch  : ch  xác l.p và quá trình quá . 1.1 Ch  xác lp Ch6t l7ng iu khin 7c ánh giá qua :
Sai lch t'nh St: là sai lch không !i sau khi quá trình quá  kt thúc. 1.2 Quá trình quá  Ch6t l7ng ca h th ng 7c ánh giá qua 2 ch- tiêu chính : a)
 quá iu ch!nh ln nh t σmax : là sai lch cc i trong quá trình quá  so v*i giá tr xác l.p, tính theo n v phn trm. max *100%max y y y σ ∞ ∞ − = b) Thi gian quá  ln nh t Tmax : V mt lý thuyt, quá trình quá  kt thúc khi t → ∞. Trong iu khin t ng, ta có th xem quá trình quá  kt thúc khi sai lch ca tín hiu 7c iu khin v*i giá tr xác l.p ca nó không v7t quá 5% (mt s tài liu chn biên  là ± 2%). Khong th9i gian ó gi là Tmax. Thc t iu khin cho th6y : khi gim σmax thì Tmax tng và ng7c li. Thông th9ng, qui nh cho mt h th ng iu khin : σmax = (20 ÷ 30)% Tmax = 2 n 3 chu k= dao ng quanh giá tr xác l.p c) Thi gian t"ng tm : là th9i gian t) 0 n lúc tín hiu iu khin t 7c giá tr xác l.p ln u tiên. 2 ánh giá cht lng  ch  xác lp Xét mt h th ng kín phn hi -1. Wh(p) U(p) Y(p) E(p) σmax Tmax tm t y Ch ng 4 Ch t l ng ca quá trình iu khin 39 Theo nh ngh'a, ta có : 0 lim ( ) lim ( )t t p S e t pE p →∞ → = = Theo s  kh i trên, ta có : ( )( ) 1 ( )h U pE p W p = + V.y 0 ( )lim ( ) lim 1 ( )t t p h U pS e t p W p→∞ → = = + Nhn xét : sai lch t'nh St ph( thuc - Hàm truyn t ca h h - Tín hiu kích thích. Hàm truyn t ca h h có dng tng quát nh sau : ' ' 1 0' ... 1( ) ( ) ... 1 m m h n n b p b pK KW p W p p a p pν ν ν− + + + = = + + ν là b.c tích phân 2.1 Khi u(t) = U0.1(t) 1( )U p p = 0 0 1lim 1 ( ) t p S K W p pν → = + - V*i ν = 0 : 0 1t US K = + - V*i ν = 1,2,.. St = 0 2.2 Khi u(t) = U0.t 0 2( ) UU p p = 0 0 0 lim 1 ( ) t p US Kp W p pν → =   +    - V*i ν = 0 : tS = ∞ - V*i ν = 1: 0t US K = - V*i ν = 2,3,.. St = 0 3 ánh giá cht lng  quá trình quá  Phi vB 7c áp ,ng quá  y(t) ca h th ng 3.1 Phân tích thành các biu thc  n gin Trong phng pháp này, tín hiu ra Y(p) 7c phân tích thành tng ca các thành phn n gin. S8 d(ng bng tra Laplace hay hàm ilaplace trong MATLAB  tìm hàm g c y(t). 3.2 Ph ng pháp s Tustin 3.3 Gii ph ng trình tr ng thái 3.4 S" dng các hàm ca MATAB - Hàm step: tìm hàm quá  ca mt khâu - Hàm impulse: tìm hàm trng l7ng ca mt khâu Hàm lsim: phn ,ng ca khâu  i v*i tín hiu vào b6t k=. Câu lnh: LSIM(sys,u,t) V*i: + sys là tên ca hàm truyn t ã 7c nh ngh'a tr*c Ch ng 4 Ch t l ng ca quá trình iu khin 40 + u là vect tín hiu vào + t là vect th9i gian. Ví d(: t = 0:0.01:2*pi; u = sin(t); lsim(W1,u,t); 4 ánh giá thông qua  d tr n nh 4.1  d tr biên  ( )L L piω−∆ = − 4.2  d tr v pha 180 ( )cϕ ϕ ω∆ = + Có th xác nh các  d tr v biên , v pha b:ng MATLAB - MARGIN(SYS) : vB c tính tn s biên pha logarit + ghi các giá tr v  d tr n nh trên c tính - [Gm,Pm]=MARGIN(SYS) : ghi các giá tr Gm = ∆L; Pm = ∆ϕ * Tính ch6t : Yêu cu ca quá trình iu khin (tham kho) ∆L = 6 ÷ 12 dB ∆ϕ ≈ 45° 4.3 Mi liên h gia các  d tr và ch#t l$ng iu khin - Khi tn s c t ωc tng : Tmax gim, tm gim. - Khi tng ∆ϕ ,  quá iu l*n nh6t σmax gim. lgω lgω L ϕ -pi ∆L ∆ϕ ωc ω -pi Control System Toolbox & Simulink 41   NÂNG CAO CH*T L+,NG VÀ T!NG H,P H THNG 1 Khái nim chung Trong mt h th ng iu khin t ng, vai trò ca b iu khin C là : - 0n nh hóa h th ng - Nâng cao ch6t l7ng iu khin. 2 Các b i u khi n – Hiu ch!nh h thng 2.1 Khái ni m - Có nhiu loi b iu khin (khác nhau v c6u to, mô t tóan hc, tác d(ng iu khin,) - M(c ích là nh:m thay i các giá tr v ∆L, ∆ϕ, tn s c t → thay i ch6t l7ng h th ng - - Sau khi m c b iu khin, ta sB có : L’ = Lc + Lh ϕ’ = ϕc + ϕh 2.2 B iu khin t l P 2.2.1 Hàm truyn  t W(p ) = K 2.2.2 c tính tn s logarit L = 20lgK ϕ = 0 Nhn xét : - Tng (gim) biên  trên toàn c tính - Không làm thay i v pha. 2.2.3 Tác dng iu khi n 2.3 B bù sm pha Lead 2.3.1 Hàm truyn  t 1( ) , 1 1 aTpW p K a Tp + = > + 2.3.2 c tính tn s logarit ϕ = arctg(aTω) - arctg(Tω) max 1 1 sin 0 1 max T a a a ω ϕ = − = > + Wh(p) U(p) Y(p) E(p) Wc(p) Control System Toolbox & Simulink 42 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 M ag n itu de (dB ) 10-1 100 101 102 103 0 45 90 Ph as e (de g) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính logarit ca b bù s*m pha (K=1, T=0.1, a = 5) Nhn xét : - c tính biên  làm tng h s khuch i vùng tn s cao - Gây ra s v7t pha vùng tn s trung bình. 2.3.3 Tác dng hi
u chnh Tùy thuc vào cách chn h s khuch i K, các thông s a, T mà tác d(ng hiu ch-nh r6t khác nhau. Nên t.n d(ng s v7t pha tn s trung bình  làm tng  d tr v pha ca h th ng. 2.4 B bù tr pha Leg 2.4.1 Hàm truyn  t 1( ) , 1 1 aTpW p K a Tp + = < + 2.4.2 c tính tn s logarit ϕ = arctg(aTω) - arctg(Tω) max 1 1 sin 0 1 max T a a a ω ϕ = − = < + Control System Toolbox & Simulink 43 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 M a gn itu de (dB ) 100 101 102 103 -30 0 Ph a s e (de g) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính logarit ca b bù tr/ pha (K=1, T=0.1, a = 0.5) Nhn xét : - c tính biên  làm gim h s khuch i vùng tn s cao - Gây ra s ch.m pha vùng tn s trung bình. 2.4.3 Tác dng hi
u chnh - Có th tng h s khuch i ca h th ng mà không nh h ng n tn s c t. - Tránh s ch.m pha do b iu khin gây ra làm nh h ng n  d tr v pha. 2.5 B bù tr -sm pha Leg -Lead 2.5.1 Hàm truyn  t 1 1 2 2 1 2 1 2 1 1( ) 1 1 1, 1 a T p a T pW p K T p T p a a + + =   + +   2.5.2 c tính tn s logarit 1 max11 11 1 2 max 22 22 2 1 1 ;sin 0 1 1 1 ;sin 0 1 max max a aT a a aT a ω ϕ ω ϕ − = = < + − = = < + Nhn xét : - B bù leg-lead gm 2 b bù n i tip. -  phát huy u im ca b bù, phn tr/ pha nên tn s th6p, phn s*m pha tn s trung bình hay tn s cao. Do ó iu kin các thông s là : 2 1 2 2 11 1 2 2 1 1 T a T aT a T a   Control System Toolbox & Simulink 44 2.5.3 Tác dng hi
u chnh - Chn các thông s thích h7p sB làm tng ∆ϕ - Tng h s khuch i ca h th ng. 2.6 B iu khin PI (Proportional Integral Controller) 2.6.1 Hàm truyn  t 1( ) 1 i W p K T p = +   2.6.2 c tính tn s logarit ϕ = arctg(Tiω) - pi/2 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 M a gn itu de (dB ) 10-1 100 101 102 103 -90 -60 -30 0 Ph as e (de g) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính logarit ca b iu khin PI (K=1, Ti=0.1) Nhn xét : - Tng 1 b.c tích phân - Gây ra s ch.m pha vùng tn s th6p. 2.6.3 Tác dng hi
u chnh - Gim b.c sai lch t'nh. - Tác d(ng hiu ch-nh ph( thuc r6t l*n vào vic chn thông s b iu khin. 2.7 B iu khin PD (Proportional Derivative Controller) 2.7.1 Hàm truyn  t ( )( ) 1 DW p K T p= + 2.7.2 c tính tn s logarit ϕ = arctg(TDω) Control System Toolbox & Simulink 45 -20 -10 0 10 20 30 40 M a gn itu de (dB ) 10-3 10-2 10-1 100 101 0 30 60 90 Ph a se (de g) Bode Diagram Frequency (rad/sec) c tính logarit ca b iu khin PD (K=1, Td=10) Nhn xét : - Gây ra s v7t pha vùng tn s cao. - Tng h s khuch tn s cao 2.7.3 Tác dng hi
u chnh - Góp phn ci thin ∆ϕ. - Tng mnh h s khuch i tín hiu tn s cao -> d/ b nh h ng ca nhi/u. 2.8 B iu khin PID (Proportional Integral Derivative Controller) 2.8.1 Hàm truyn  t 1( ) 1 IP d P D i KW p K T p K K p T p p = + + = + +   Ta có : ( ) ( )( )2 1 21( ) 1 1 1 1p Ip d i d i i i K KW p K T p T p T T p T p T p T p T p p = + + = + + = + +   v*i    =+ = i id TTT TTTT 21 21 KI = K/Ti Gii h phng trình trên, ta 7c          −−=   −+= i di i di T TTT T TTT 411 2 411 2 2 1 nu dT4Ti ≥ (gi thit T1>T2) Hay ( )1 2 1 1( ) 1 1 ( )* ( )PI PDW p KT T p W p W pT p = + + =   2.8.2 c tính tn s logarit Nhn xét : - Là s kt h7p ca b iu khin PI và PD Control System Toolbox & Simulink 46 2.8.3 Tác dng hi
u chnh - PI : gim b.c sai lch t'nh - PD : tng ∆ϕ Control System Toolbox & Simulink 47   CONTROL SYSTEM TOOLBOX & SIMULINK TRONG MATLAB #ng dng  phân tích, thit k và mô ph$ng các h th ng tuyn tính GILI THI!U MATLAB, tên vit t t ca t) ting Anh MATrix LABoratory, là mt môi tr9ng mnh dành cho các tính toán khoa hoc. Nó tích h7p các phép tính ma tr.n và phân tích s da trên các hàm c bn. Hn na, c6u trúc  ha h*ng  i t7ng ca Matlab cho phép to ra các hình vB ch6t l7ng cao. Ngày nay, Matlab tr thành mt ngôn ng « chu3n » 7c s8 d(ng rng rãi trong nhiu ngành và nhiu qu c gia trên th gi*i. V mt c6u trúc, Matlab gm mt c8a s chính và r6t nhiu hàm vit s<n khác nhau. Các hàm trên cùng l'nh vc ,ng d(ng 7c xp chung vào mt th vin, iu này giúp ng9i s8 d(ng d/ dng tìm 7c hàm cn quan tâm. Có th k ra mt s th vin trong Matlab nh sau : - Control System (dành cho iu khin t ng) - Finacial Toolbox (l'nh vc kinh t) - Fuzzy Logic (iu khin m9) - Signal Processing (x8 lý tín hiu) - Statistics (toán hc và th ng kê) - Symbolic (tính toán theo biu th,c) - System Identification (nh.n dng) - Mt tính ch6t r6t mnh ca Matlab là nó có th liên kt v*i các ngôn ng khác. Matlab có th gi các hàm vit b:ng ngôn ng Fortran, C hay C++, và ng7c li các hàm vit trong Matlab có th 7c gi t) các ngôn ng này Các bn có th xem phn Help trong Matlab  tham kho cách s8 d(ng và ví d( ca t)ng lnh, hoc download (mi/n phí) các file help dng *.pdf ti trang Web ca Matlab a ch- 1 Control System Toolbox Control System Toolbox là mt th vin ca Matlab dùng trong l'nh vc iu khin t ng. Cùng v*i các lnh ca Matlab, t.p lnh ca Control System Toolbox sB giúp ta thit k, phân tích và ánh giá các ch- tiêu ch6t l7ng ca mt h th ng tuyn tính. 1.1 nh ngha mt h thng tuyn tính 1.1.1 nh ngha bng hàm truyn H thng mt tín hiu vào/ra Câu lnh: sys=tf(num,den,T) - num: vect ch,a các h s ca a th,c t8 s , b.c t) cao n th6p theo toán t8 Laplace (h liên t(c) hoc theo toán t8 z (h gián on) - den: vect ch,a các h s ca a th,c mFu s , b.c t) cao n th6p - T: chu k= l6y mFu, ch- dùng cho h gián on (tính b:ng s) Ví d(: nh ngh'a mt hàm truyn trong Matlab 42 23)( 2 ++ + = pP ppF num=3*[1 2];den=[1 2 4];sys1=tf(num,den); Control System Toolbox & Simulink 48 4,056,0 6,0 *1,2)( 2 +− − = zz z zF num=2.1*[1 -0.6];den=[1 -0.56]; T=0.5;sys2=tf(num,den,T) H thng nhiu tín hiu vào/ra Câu lnh : G11=tf(num11,den11,T); G12=tf(num12,den12,T);...; G1n=tf(num1n,den1n,T); G21=tf(num21,den21,T); G22=tf(num22,den22,T);...; G2n=tf(num2n,den2n,T); Gp1=tf(nump1,denp1,T); G12=tf(nump2,denp2,T);...; Gpn=tf(numpn,denpn,T); sys=[G11,G12,...,G1n;G21;G22;...;G2n;...;Gp1,Gp2,...,Gpn]; 1.1.2 nh ngha bng zero và cc H thng mt tín hiu vào/ra Câu lnh: sys=zpk(Z,P,K,T) - Z,P là các vect hàng ch,a danh sách các im zerô và cc ca h th ng. - K là h s khuch i Chú ý: nu h th ng không có im zerô (cc) thì ta t là [] Ví d(: )5( 2)( + + = pp ppF Z=-2;P=[0 -5];K=1;sys=zpk(Z,P,K); H thng nhiu tín hiu vào/ra Câu lnh : G11=zpk(Z11,P11,T); G12=zpk(Z12,P12,T);...; G1n=zpk(Z1n,P1n,T); G21=zpk(Z21,P21,T); G22=zpk(Z22,P22,T);...; G2n=zpk(Z2n,P2n,T); Gp1=zpk(Zp1,Pp1,T); G12=zpk(Zp2,Pp2,T);...; Gpn=zpk(Zpn,Ppn,T); sys=[G11,G12,...,G1n;G21;G22;...;G2n;...;Gp1,Gp2,...,Gpn]; 1.1.3 Phng trình tr ng thái Câu lnh: sys=ss(A,B,C,D,T) - A,B,C,D là các ma tr.n trng thái nh ngh'a h th ng - T là chu k= l6y mFu. Chuy n  i gi a các d ng bi u di!n - Chuyn t) phng trình trng thái sang hàm truyn [num,den] = ss2tf(A,B,C,D) - Chuyn t) dng zero/cc sang hàm truyn [num,den] = zp2tf(Z,P,K) G(r) U1 Un Y1 Yn               = )()()( ... )()()( )(...)()( )( 21 22221 11211 rGrGrG rGrGrG rGrGrG rG pnpp n n Control System Toolbox & Simulink 49 - Chuyn t) hàm truyn sang phng trình trng thái [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) 1.1.4 Chuy n  i gi a h
liên tc và gián o n S hóa mt h thng liên tc Câu lnh: sys_dis=c2d(sys,T,method) - sys, sys_dis h th ng liên t(c và h th ng gián on tng ,ng - Ts th9i gian l6y mFu - method phng pháp l6y mFu: ‘zoh’ l6y mFu b.c 0, ‘foh’ l6y mFu b.c 1, ‘tustin’ phng pháp Tustin Ví d(: chuyn mt khâu liên t(c có hàm truyn 15.0 2)( + = p pG sang khâu gián on b:ng phng pháp gi mFu b.c 0, chu k= l6y mFu T=0.01s num=2 den=[0.5 1] sysc=tf(num,den) sysd=c2d(sysc,0.01,’zoh’) H liên tc tng ng c a mt h thng gián on Câu lnh: sys=d2c(sys_dis,method) 1.2 Bin i s  t ng  ng 1.2.1 M"c ni tip Câu lnh: sys=series(sys1,sys2) 1.2.2 M"c song song Câu lnh: sys=parallel(sys1,sys2) 1.2.3 M"c phn h#i Câu lnh: sys=feedback(sys1,sys2,sign) sign = +1 nu phn hi dng và sign=-1 (hoc không có sign) nu phn hi âm. sys1 sys2 U Y sys1 sys2 U Y Control System Toolbox & Simulink 50 1.3 Phân tích h thng 1.3.1 Trong min th$i gian Hàm quá  h(t) Câu lnh: step(sys) VB hàm quá  ca h th ng tuyn tính sys. Khong th9i gian vB và b*c th9i gian do Matlab t chn. Mt s tr9ng h7p khác - step(sys,t_end): vB hàm quá  t) th9i im t=0 n th9i im t_end. - step(sys,T): vB hàm quá  trong khong th9i gian T. T 7c nh ngh'a nh sau T=Ti:dt:Tf.  i v*i h liên t(c, dt là b*c vB,  i v*i h gián on, dt=Ts là chu k= l6y mFu. - step(sys1,sys2,sys3,) : vB hàm h(t) cho nhiu h th ng ng th9i. - [y,t]=step(sys): tính áp ,ng h(t) và lu vào các bin y và t tng ,ng Hàm tr-ng l&ng ω(t) Câu lnh: impulse(sys) 1.3.2 Trong min tn s
c tính bode Câu lnh: bode(sys) VB c tính tn s Bode ca h th ng tuyn tính sys. Di tn s vB do Matlab t chn. Mt s tr9ng h7p khác - bode(sys,{w_start,w_end}): vB c tính bode t) tn s w_start n tn s w_end. - bode(sys,w) vB c tính bode theo vect tn s w. Vect tn s w 7c nh ngh'a b:ng hàm logspace. Ví d(: w=logspace(-2,2,100) nh ngh'a vect w gm 100 im, t) tn s 10-2 n 102. - bode(sys1,sys2,sys3,) vB c tính bode ca nhiu h th ng ng th9i. - [mag,phi,w]=bode(sys,) lu t6t c các im tính toán ca c tính bode vào vect mag, phi ,ng v*i tn s w tng ,ng. Chú ý:  i v*i h th ng gián on, di tn s  vB phi th?a mãn nh lý Shannon.
c tính Nyquist Câu lnh: nyquist(sys) nyquist(sys,{w_start,w_end}) nyquist(sys,w) nyquist(sys1,sys2,sys3,...,w) [real,ima,w]=nyquist(sys,)
c tính Nichols Câu lnh: nichols(sys) nichols(sys,{w_start,w_end}) nichols(sys,w) nichols(sys1, sys2, sys3,...,w) [mag,phi,w]=nichols(sys,) Tính toán G(ω), arg[G(ω)] và vB trong mt phKng Black. Ví d(: VB các c tính tn s ca h th ng sau Control System Toolbox & Simulink 51 2 00 2 2 0 2 )( ωξω ω ++ = pp pG v*i ω0=1rad/s và ξ=0,5 w0=1 ;xi=0.5 ;num=w0^2 ;den=[1 2*xi*w0^2 w0^2] ;G=tf(num,den); w=logspace(-2,2,100) ; bode(G,w) ; % vB c tính bode trong di tn s w nichols(G); % vB c tính nichols trong di tn s t chn ca Matlab nyquist(G); % vB c tính nyquist 1.3.3 Mt s hàm  phân tích Hàm margin - margin(sys) vB c tính Bode ca h th ng SISO và ch- ra  d tr biên ,  d tr pha ti các tn s tng ,ng. - [delta_L,delta_phi,w_L,w_phi]=margin(sys) tính và lu  d tr biên  vào bin delta_L ti tn s w_L, lu  d tr v pha vào bin delta_phi ti tn s w_phi. Hàm pole vec_pol=pole(sys) tính các im cc ca h th ng và lu vào bin vec_pol. Hàm tzero vec_zer=tzero(sys) tính các im zero ca h th ng và lu vào bin vec_zer. Hàm pzmap - [vec_pol,vec_zer]=pzmap(sys) tính các im cc và zero ca h th ng và lu vào các bin tng ,ng. - pzmap(sys) tính các im cc, zero và biu di/n trên mt phKng ph,c. Hàm dcgain G0=dcgain(sys) tính h s khuch i t'nh ca h th ng và lu vào bin G0. 1.3.4 Mt s hàm c bi
t trong không gian tr ng thái Hàm ctrl Câu lnh: C_com=ctrl(A,B) C_com=ctrl(sys) Tính ma tr.n “iu khin  c” C ca mt h th ng. Ma tr.n C 7c nh ngh'a nh sau: C=[B AB A2B An-1B] v*i A∈ℜnxn Hàm obsv Câu lnh: O_obs=obsv(A,C) O_obs=obsv(sys) Tính ma tr.n “quan sát  c” O ca mt h th ng. Ma tr.n O 7c nh ngh'a nh sau: O=[C CA CA2 CAn-1] Hàm ctrbf Câu lnh: [Ab,Bb,Cb,T,k]=ctrbf(A,B,C) Chuyn v dng chu3n (canonique) “iu khin 7c” ca mt h th ng biu di/n d*i dng phng trình trng thái. Trong ó: Ab=TAT-1, Bb=TB, Cb=CT-1, T là ma tr.n chuyn i. Hàm obsvf Câu lnh: [Ab,Bb,Cb,T,k]=obsvf(A,B,C) Control System Toolbox & Simulink 52 Chuyn v dng chu3n “quan sát 7c“ ca mt h th ng biu di/n d*i dng phng trình trng thái. Trong ó: Ab=TAT-1, Bb=TB, Cb=CT-1, T là ma tr.n chuyn i. 1.4 Ví d tng h$p Cho mt h th ng kín phn hi -1, trong ó hàm truyn ca h h là 2 00 2 2 0 2 *)1()( ωξω ω τ +++ = pppp KpG v*i K=1, τ=10s, ω0=1rad/s và ξ=0.5 1. VB c tính tn s Nyquist. Ch,ng t? r:ng h kín không n nh. 2. VB áp ,ng quá  ca h kín. 3.  h th ng n nh, ng9i ta hiu ch-nh h s khuch i K=0.111. Xác nh tn s c t,  d tr biên  và  d tr v pha ca h th ng trong tr9ng h7p này. 4. Xác nh các thông s quá  (th9i gian quá  l*n nh6t Tmax,  quá iu ch-nh l*n nh6t σmax) ca h th ng ã hiu ch-nh. Gii Câu 1 >>K=1;to=10;w0=1;xi=0.5; >>num1=K;den1=[to 1 0]; >>num2=w0^2;den2=[1 2*xi*w0 w0^2] ; >>G=tf(num1,den1)*tf(num2,den2) Transfer function: 1 ---------------------------- 10 s^4 + 11 s^3 + 11 s^2 + s >>w=logspace(-3,2,100) ; % to vect tn s  vB các c tính tn s >>nyquist(G,w); c tính 7c biu din trên hình 6.1  xét tính n nh ca h kín dùng tiêu chu3n Nyquist, tr*c tiên ta xét tính n nh ca h h . Nghim ca phng trình c tính ca h h 7c xác nh : >>pole(G) ans = 0 -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660i -0.1000 H h có 1 nghim b:ng 0 nên biên gi*i n nh. Real Axis Im ag in ar y Ax is Nyquist Diagrams -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 From: U(1) To : Y( 1) Real Axis Im ag in ar y Ax is Nyquist Diagrams -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 From: U(1) To : Y( 1) Hình 6.1 : c tính tn s Nyquist ca h h Control System Toolbox & Simulink 53 Quan sát c tính tn s Nyquist ca h h trên hình 6.1 (phn zoom bên phi), ta th6y c tính Nyquist bao im (-1,j0), và do h h biên gi*i n nh nên theo tiêu chu3n Nyquist, h thng kín s. không n /nh. Câu 2 >>G_loop=feedback(G,1,-1) ; % hàm truyn h kín >>step(G_loop) ; Câu 3 >>K=0.111 ;num1=K ; % thay i h s khuch i K >>GK=tf(num1,den1)*tf(num2,den2) Transfer function: 0.111 ---------------------------- 10 s^4 + 11 s^3 + 11 s^2 + s >>margin(GK) c tính tn s Bode ca h h ã hiu ch-nh 7c biu di/n trên hình 6.3. T) c tính này, ta có th xác nh 7c ∆L=18.34dB ; ∆ϕ = 44.78° ; ωc=0.085rad/s Time (sec.) Am pl itu de Step Response 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 -10 -5 0 5 10 15 From: U(1) To : Y( 1) Hình 6.2 : áp ,ng quá  h kín Frequency (rad/sec) Ph as e (de g); M ag n itu de (dB ) Bode Diagrams -150 -100 -50 0 50 Gm=18.344 dB (at 0.30151 rad/sec), Pm=44.775 deg. (at 0.084915 rad/sec) 10-3 10-2 10-1 100 101 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 Hình 6.3 : c tính tn s Bode ca h h ã hiu ch-nh Control System Toolbox & Simulink 54 Time (sec.) Am pl itu de Step Response 0 50 100 150 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 From: U(1) To : Y( 1) Hình 6.4 áp ,ng quá  h kín ã hiu ch-nh Hình 6.5 C8a s chính ca Simulink Câu 4 >>GK_loop=feedback(GK,1,-1) ; >>step(GK_loop); S8 d(ng con tr? chut và kích vào các im cn tìm trên c tính, ta xác nh 7c σmax=23%; Tmax= 70.7s 2 SIMULINK Simulink 7c tích h7p vào Matlab (vào khong u nhng nm 1990) nh mt công c(  mô ph?ng h th ng, giúp ng9i s8 d(ng phân tích và tng h7p h th ng mt cách trc quan. Trong Simulink, h th ng không 7c mô t d*i dng dòng lnh theo kiu truyn th ng mà d*i dng s  kh i. V*i dng s  kh i này, ta có th quan sát các áp ,ng th9i gian ca h th ng v*i nhiu tín hiu vào khác nhau nh : tín hiu b.c thang, tín hiu sinus, xung ch nh.t, tín hiu ngFu nhiên b:ng cách thc hin mô ph?ng. Kt qu mô ph?ng có th 7c xem theo th9i gian thc trên các Oscilloscope trong môi tr9ng Simulink, hay trong môi tr9ng Matlab. Simulink hoàn toàn tng thích v*i Matlab, nhng nó là mt dao din  ha. Vì v.y t6t c các hàm trong Matlab u có th truy c.p 7c t) Simulink, ngay c các hàm do ng9i s8 d(ng to ra. Ng7c li, các kt qu tìm 7c trong Simulink u có th 7c s8 d(ng và khai thác trong môi tr9ng Matlab. Cu i cùng, Simulink cho phép ng9i s8 d(ng kh nng to ra mt th vin kh i riêng. Ví d(, nu bn mu n làm vic trong l'nh vc iu khin các máy in, bn có th to ra mt th vin riêng ch,a các mô hình máy in Nh v.y, v*i công c( Simulink, ta có th t tin hành mô ph?ng thí nghim, quan sát kt qu, kim ch,ng v*i lý thuyt tr*c khi tin hành thí nghim trên mô hình th.t. 2.1 Khi ng Simulink  kh i ng Simulink t) môi tr9ng Matlab, ta gõ dòng lnh simulink. Lúc này mt c8a s nh trên hình 6.5 sB xu6t hin, trên ó có các th m(c chính và các th vin con ca Simulink.  b t u làm vic, ta to c8a s m*i b:ng cách kích vào biu t7ng « New ». Có 8 th vin chính ca Simulink 7c phân loi nh sau : Control System Toolbox & Simulink 55 - Continuous : h th ng tuyn tính và liên t(c - Discrete : h th ng tuyn tính gián on - Nonliear : mô hình hóa nhng phn t8 phi tuyn nh rle, phn t8 bão hòa - Source : các kh i ngun tín hiu - Sinks : các kh i thu nh.n tín hiu - Function & Table : các hàm b.c cao ca Matlab - Math : các kh i ca simulink v*i các hàm toán hc tng ,ng ca Matlab - Signals & System : các kh i liên h tín hiu, h th ng con 2.2 T o mt s   n gin  làm quen v*i Simulink, ta b t u b:ng mt ví d( n gin : phân tích hàm quá  ca mt khâu b.c hai có hàm truyn 2 00 2 2 0 2 )( ωξω ω ++ = pp pG v*i ω0=1rad/s và ξ=0,5. Các b*c thc hin  7c s  mô ph?ng nh hình 6.6 nh sau : - Kh i ng Simulink t) Matlab b:ng dòng lnh simulink - Trong c8a s chính ca Simulink, chn biu t7ng « New »  to c8a s ,ng d(ng. - Mu n to mt kh i trong c8a s ,ng d(ng, ta tìm kh i ó trong các th vin ca Simulink, kích chn và kéo nó vào c8a s ,ng d(ng. Ví d(,  to kh i Step, ta vào th vin Simulink -> Continuous -> Sources -> Step, kh i Transfer Fcn trong Simulink -> Continuous -> Transfer Fcn -  t thông s cho t)ng kh i, ta m kh i ó ra b:ng cách double-click chut vào nó. Lúc này t các thông s theo h*ng dFn trên màn hình. - 9ng n i gia các kh i 7c thc hin b:ng cách dùng chut kéo các mIi tên u (cu i) m;i kh i n v trí cn n i. Sau khi to 7c s  kh i nh hình 6.6, ta có th b t u tin hành mô ph?ng (v*i các tham s mc nh) b:ng cách chn Simulation -> Start. Xem kt qu mô ph?ng b:ng cách m kh i Scope nh hình 6.7. Hình 6.7 : Kt qu mô ph?ng Hình 6.6 : Mt s  Simulink n gin Control System Toolbox & Simulink 56  xem ng th9i tín hiu vào và ra trên cùng mt Scope, ta to s  mô ph?ng nh hình 6.8. Kt qu mô ph?ng biu di/n trên hình 6.9. 2.3 Mt s khi th%ng dùng Th vi
n « Sources » Step To ra tín hiu b.c thang liên t(c hay gián on. Ramp To tín hiu d c tuyn tính (rampe) liên t(c. Sine Wave To tín hiu sinus liên t(c hay gián on. Constant To tín hiu không i theo th9i gian. Clock Cung c6p ng h ch- th9i gian mô ph?ng. Có th xem 7c « ng h » này khi ang thc hin mô ph?ng. Chú ý : Mu n kh i clock ch- úng th9i im ang mô ph?ng, tham s Sample time 7c t nh sau → 0 : h liên t(c → >0 : h gián on, clock lúc này sB ch- s chu k= l6y mFu t trong Sample time. Th vi
n « Sinks » Scope Hin th các tín hiu 7c to ra trong mô ph?ng. XY Graph VB quan h gia 2 tín hiu theo dng XY. Kh i này cn phi có 2 tín hiu vào, tín hiu th, nh6t tng ,ng v*i tr(c X, tín hiu vào th, hai tng ,ng v*i tr(c Y. To Workspace T6t cc các tín hiu n i vào kh i này sB 7c chuyn sang không gian tham s ca Matlab khi thc hin mô ph?ng. Tên ca bin chuyn vào Matlab do ng9i s8 d(ng chn. 2.3.1 Th vi
n « Continuous » Transfer Fcn Mô t hàm truyn ca mt h th ng liên t(c d*i dng
a thc t s /
a thc m%u s . Các h s ca a th,c t8 s và mFu s do ng9i s8 d(ng nh.p vào, theo b.c gim dn ca toán t8 Laplace. Ví d(  nh.p vào hàm truyn có dng 1 12 2 ++ + ss s , ta nh.p vào nh sau :Numerator [2 1], Denominator [1 1 1]. State Space Mô t hàm truyn ca mt h th ng liên t(c d*i dng ph ng trình trng thái. Các ma tr.n trng thái A, B, C, D 7c nh.p vào theo qui *c ma tr.n ca Matlab. Integrator Khâu tích phân. sDerivative Khâu o hàm Transport Delay Khâu to tr/ Hình 6.8 Hình 6.9 Control System Toolbox & Simulink 57 Th vi
n « Discrete » Discrete Transfer Fcn Mô t hàm truyn ca mt h th ng gián on d*i dng
a thc t s /
a thc m%u s . Các h s ca a th,c t8 s và mFu s do ng9i s8 d(ng nh.p vào, theo b.c gim dn ca toán t8 z. Discrete State Space Mô t hàm truyn ca mt h th ng gián on d*i dng ph ng trình trng thái. Ng9i s8 d(ng phi nh.p vào các ma tr.n trng thái A,B,C,D và chu k= l6y mFu. Discrete-Time Integrator Khâu tích phân ca h th ng gián on. First-Order Hold Khâu gi mFu b.c 1. Ng9i s8 d(ng phi nh.p vào chu k= l6y mFu. Zero-Order Hold Khâu gi mFu b.c 0. Ng9i s8 d(ng phi nh.p vào chu k= l6y mFu. Th vi
n « Signal&Systems » Mux Chuyn nhiu tín hiu vào (vô h*ng hay vect) thành mt tín hiu ra duy nh6t dng vect. Vect ngõ ra có kích th*c b:ng tng kích th*c ca các vect vào. S các tín hiu vào 7c nh ngh'a khi m kh i Mux. Ví d(, nu t tham s number of inputs là 3, ngh'a là có 3 tín hiu vào phân bit, vô h*ng. Nu t number of inputs là [1 2] thì có 2 tín hiu vào phân bit : tín hiu th, nh6t vô h*ng, tín hiu th, hai là vect 2 thành phn. Demux Chuyn 1 tín hiu vào thành nhiu tín hiu ra, ng7c v*i kh i Mux. In1 Chèn mt cng vào. Kh i này cho phép giao tip gia s  chính và s  con. Out1 Chèn mt cng ra. Th vi
n « Math » Abs Tín hiu ra là giá tr tuyt  i ca tín hiu vào. Gain Tín hiu ra b:ng tín hiu vào nhân h s Gain (do ng9i s8 d(ng inh ngh'a). Sign Tính d6u ca tín hiu vào, b:ng 1 nu tín hiu vào > 0 b:ng 0 nu tín hiu vào = 0 b:ng -1 nu tín hiu vào < 0 Sum Tín hiu ra là tng ca các tín hiu vào. 2.4 Ví d  mô ph?ng h th ng trong ví d( m(c 1.4, ta to s  kh i trong Simulink nh hình 6.10. Thay i h s khuch i K (K=1 và K=0.111), ta 7c các áp ,ng quá  ca h kín trên hình 6.11 và 6.12. Hình 6.10 : S  mô ph?ng trong Simulink Control System Toolbox & Simulink 58 2.5 LTI Viewer Nh ta ã bit, khi thc hin mô ph?ng trên Simulink, ta ch- có th quan sát 7c các c tính th9i gian ca h th ng.  có th phân tích toàn din mt h th ng, ta cn các c tính tn s nh c tính Bode, c tính Nyquist, quM o nghim s v.v « LTI Viewer » là mt giao din  ha cho phép quan sát áp ,ng ca mt h th ng tuyn tính, trong l'nh vc tn s cIng nh th9i gian, mà không cn gõ li lnh hay l.p trình theo t)ng dòng lnh nh trong Control System Toolbox. Nó s8 d(ng trc tip s  kh i trong Simulink. 2.5.1 Kh%i ng LTI Viewer  kh i ng LTI Viewer t) Simulink, ta chn menu Tool -> Linear Analysis. Lúc này, Matlab sB m 2 c8a s m*i: - C8a s LTI Viewer (hình 6.13) có 2 phn chính: o Phn c8a s  ha dùng  biu di/n các 9ng c tính. o Thanh công c( phía d*i ch- dFn cách s8 d(ng LTI Viewer - C8a s ch,a các im input và output (hình 6.14). Các im này 7c dùng  xác nh im vào/ra trên s  Simulink cn phân tích. 2.5.2 Thit lp các i m vào/ra cho LTI Viewer Dùng chut kéo rê các im “input point”, “output point” trên c8a s hình 6.14 và t lên các v trí tng ,ng trên s  Similink. Hình 6.11 : áp ,ng quá  (K=1) Hình 6.12 : áp ,ng quá  (K=0.111) Hình 6.13 Hình 6.14 Control System Toolbox & Simulink 59 Chú ý: Vic chn các im t “input”, “output” phi phù hp yêu c&u phân tích. LTI Viewer tính hàm truyn bng cách tuyn tính hóa h th ng vi 2 im input/output ã  c  nh ngha. Khi v' các c tính t&n s cng nh thi gian, LTI s dng các h th ng ã  c tuyn tính hóa này. 2.5.3 Tuyn tính hóa mt mô hình  tìm mô hình gia 2 im input/output ã nh ngh'a, ta thc hin nh sau: Chn c8a s LTI Viewer (hình 6.13) → Chn memu Simulink → Get linearized model Lúc này, trong phn  ha ca c8a s LTI Viewer sB xu6t hin t tính quá  ca mô hình tuyn tính hóa tìm 7c.  xem các c tính khác trên LTI Viewer, ta ch- vic kích chut phi vào phn  ha, chn menu Plot Type → chn loi c tính cn quan sát. Ghi chú: - C, m;i ln thc hin tuyn tính hóa mt mô hình (Simulink → Get linearized model) thì LTI Viewer sB np mô hình hin hành ti ca s Simulink vào không gian ca nó. Nu gia 2 ln thc hin tuyn tính hóa, mô hình không có s thay i (c6u trúc hay thông s ) thì 2 mô hình tìm 7c tng ,ng sB gi ng nhau. - Có th b.t/t t c tính ca mt hay nhiu mô hình ã tìm 7c trong LTI Viewer b:ng cách: kích chut phi vào c8a s  ha → chn Systems → chn mô hình cn b.t/t t. Tin ích này r6t cn thit khi ta mu n so sánh tác ng do s bin i mt thông s nào ó n h th ng. 2.5.4 Lu và s dng các thông s ca mô hình tuyn tính hóa -  lu mô hình tuyn tính hóa v)a tìm 7c, chn memu File → Export -  s8 d(ng các thông s ca mô hình : o Dng hàm truyn [num,den]=tfdata(« bien file »,’v’) o Dng phng trình trng thái [A,B,C,D]=ssdata(« bien file ») 2.5.5 Ví d s dng LTI Viewer Gi s8 ã có hàm mô hình mô ph?ng trên ca s Simulink nh hình 2.6. S8 d(ng LTI Viewer  quan sát các c tính sau: - c tính tn s Nyquist ca h h khi cha hiu ch-nh (K=1) và ã hiu ch-nh (K=0.111). - c tính tn s Bode ca h h ã hiu ch-nh . - c tính quá  ca h kín cha hiu ch-nh và ã hiu ch-nh. TH2C HI!N Theo yêu cu t ra, ta cn phi có 4 h th ng có thông s và c6u trúc khác nhau: h h v*i K=1, h h v*i K=0.111, h kín K=1 và h kín K=0.111. Do v.y, ta cn thc hin 4 ln tuyn tính hóa  có 7c 4 mô hình khác nhau trong LTI Viewer. Các b*c thc hin tun t nh trong hình 6.15. Control System Toolbox & Simulink 60 Sau 4 ln tuyn tính hóa trong LTI Viewer, ta 7c 4 h th ng ln l7t là baitap1_simulink_1 n baitap1_simulink_4 (s  trong Simulink có tên là baitap1_simulink). Trên c8a s  ha lúc này sB hin th ng th9i c tính quá  ca c 4 mô hình trên. -  xem c tính Nyquist ca h h tr*c và sau hiu ch-nh: o Kích chut phi vào phn  ha, chn Systems, chn 2 mô hình 1 và 2. o Tip t(c kích chut phi vào phn  ha, chn Plot Type → Nyquist. Trên c8a s  ha sB xu6t hin 2 c tính Nyquist v*i 2 màu phân bit. -  xem c tính quá  ca h kín tr*c và sau hiu ch-nh: o Kích chut phi vào phn  ha, chn Systems, chn 2 mô hình 3 và 4. o Tip t(c kích chut phi vào phn  ha, chn Plot Type → Step. Các c tính khác 7c tin hành mt cách tng t. a) b) c) d) Hình 6.15 : S  và c6u trúc  tuyn tính hóa