- Văn bản
- Lịch sử
CHAPTER1Introduction to ControlSyst
CHAPTER
1
Introduction to Control
Systems
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
Introduction
2
7
9
17
History of Automatic Control 4
Two Examples of the Use of Feedback
Control Engineering Practice
8
Examples of Modern Control Systems
Automatic Assembly and Robots 16
Engineering Design 18
Mechatronic Systems 19
Control System Design
23
26
27
Design Example: Turntable Speed Control 24
Design Example: Insulin Delivery Control System
The Future Evolution of Control Systems
Sequential Design Example: Disk Drive Read System
P R E V I E W
In this chapter, we describe a general process for designing a control system. A con-
trol system consisting of interconnected components is designed to achieve a de-
sired purpose. To understand the purpose of a control system, it is useful to examine
examples of control systems through the course of history. These early systems in-
corporated many of the same ideas of feedback that are in use today.
Modern control engineering practice includes the use of control design strate-
gies for improving manufacturing processes, the efficiency of energy use, and ad-
vanced automobile control (including rapid transit, among others). We will examine
these very interesting applications of control engineering and introduce the subject
area of mechatronics.
We also discuss the notion of a design gap. The gap exists between the complex
physical system under investigation and the model used in the control system syn-
thesis. The iterative nature of design allows us to handle the design gap effectively
while accomplishing necessary trade-offs in complexity, performance, and cost in
order to meet the design specifications.
Finally, we introduce the Sequential Design Example: Disk Drive Read System.
This example will be considered sequentially in each chapter of this book. It repre-
sents a very important and practical control system design problem while simulta-
neously serving as a useful learning tool.
1
2
Chapter 1
Introduction to Control Systems
1.1 INTRODUCTION
Engineering is concerned with understanding and controlling the materials and
forces of nature for the benefit of humankind. Control system engineers are con-
cerned with understanding and controlling segments of their environment, often
called systems, to provide useful economic products for society. The twin goals of
understanding and controlling are complementary because effective systems con-
trol requires that the systems be understood and modeled. Furthermore, control en-
gineering must often consider the control of poorly understood systems such as
chemical process systems. The present challenge to control engineers is the model-
ing and control of modern, complex, interrelated systems such as traffic control sys-
tems, chemical processes, and robotic systems. Simultaneously, the fortunate
engineer has the opportunity to control many useful and interesting industrial au-
tomation systems. Perhaps the most characteristic quality of control engineering is
the opportunity to control machines and industrial and economic processes for the
benefit of society.
Control engineering is based on the foundations of feedback theory and linear
system analysis, and it integrates the concepts of network theory and communica-
tion theory. Therefore control engineering is not limited to any engineering disci-
pline but is equally applicable to aeronautical, chemical, mechanical, environmental,
civil, and electrical engineering. For example, a control system often includes elec-
trical, mechanical, and chemical components. Furthermore, as the understanding of
the dynamics of business, social, and political systems increases, the ability to control
these systems will also increase.
A control system is an interconnection of components forming a system config-
uration that will provide a desired system response. The basis for analysis of a sys-
tem is the foundation provided by linear system theory, which assumes a
cause–effect relationship for the components of a system. Therefore a component or
process to be controlled can be represented by a block, as shown in Figure 1.1. The
input–output relationship represents the cause-and-effect relationship of the
process, which in turn represents a processing of the input signal to provide an out-
put signal variable, often with a power amplification. An open-loop control system
utilizes a controller or control actuator to obtain the desired response, as shown in
Figure 1.2. An open-loop system is a system without feedback.
An open-loop control system utilizes an actuating device to control the process
directly without using feedback.
FIGURE 1.1
Process to be
controlled.
Input
Process
Output
FIGURE 1.2
Open-loop control
system (without
feedback).
Desired output
response
Actuating
device
Process
Output
Section 1.1
Desired output
response
Introduction
Comparison
Controller
Process
Output
3
FIGURE 1.3
Closed-loop
feedback control
system (with
feedback).
Measurement
In contrast to an open-loop control system, a closed-loop control system utilizes
an additional measure of the actual output to compare the actual output with the
desired output response. The measure of the output is called the feedback signal. A
simple closed-loop feedback control system is shown in Figure 1.3. A feedback con-
trol system is a control system that tends to maintain a prescribed relationship of
one system variable to another by comparing functions of these variables and using
the difference as a means of control.
A feedback control system often uses a function of a prescribed relationship be-
tween the output and reference input to control the process. Often the difference be-
tween the output of the process under control and the reference input is amplified
and used to control the process so that the difference is continually reduced. The
feedback concept has been the foundation for control system analysis and design.
A closed-loop control system uses a measurement of the output and feedback of
this signal to compare it with the desired output (reference or command).
Due to the increasing complexity of the system under control and the interest in
achieving optimum performance, the importance of control system engineering has
grown in the past decade. Furthermore, as the systems become more complex, the in-
terrelationship of many controlled variables must be considered in the control scheme.
A block diagram depicting a multivariable control system is shown in Figure 1.4.
A common example of an open-loop control system is an electric toaster in the
kitchen. An example of a closed-loop control system is a person steering an auto-
mobile (assuming his or her eyes are open) by looking at the auto’s location on the
road and making the appropriate adjustments.
The introduction of feedback enables us to control a desired output and can im-
prove accuracy, but it requires attention to the issue of stability of response.
Desired
output
response
Controller
Process
Output
variables
FIGURE 1.4
Multivariable
control system.
Measurement
4
Chapter 1
Introduction to Control Systems
1.2 HISTORY OF AUTOMATIC CONTROL
The use of feedback to control a system has a fascinating history. The first applica-
tions of feedback control appeared in the development of float regulator mecha-
nisms in Greece in the period 300 to 1 B.C. [1, 2, 3]. The water clock of Ktesibios used
a float regulator (refer to Problem 1.11). An oil lamp devised by Philon in approxi-
mately 250 B.C. used a float regulator in an oil lamp for maintaining a constant level
of fuel oil. Heron of Alexandria, who lived in the first century A.D., published a book
entitled Pneumatica, which outlined several forms of water-level mechanisms using
float regulators [1].
The first feedback system to be invented in modern Europe was the tempera-
ture regulator of Cornelis Drebbel (1572–1633) of Holland [1]. Dennis Papin
[1647–1712] invented the first pressure regulator for steam boilers in 1681. Papin’s
pressure regulator was a form of safety regulator similar to a pressure-cooker
valve.
The first automatic feedback controller used in an industrial process is general-
ly agreed to be James Watt’s flyball governor, developed in 1769 for controlling the
speed of a steam engine [1, 2]. The all-mechanical device, shown in Figure 1.5, mea-
sured the speed of the output shaft and utilized the movement of the flyball with
speed to control the valve and therefore the amount of steam entering the engine.
As the speed increases, the ball weights rise and move away from the shaft axis, thus
closing the valve. The flyweights require power from the engine to turn and there-
fore cause the speed measurement to be less accurate.
The first historical feedback system, claimed by Russia, is the water-level float
regulator said to have been invented by I. Polzunov in 1765 [4]. The level regulator
system is shown in Figure 1.6. The float detects the water level and controls the valve
that covers the water inlet in the boiler.
Measured
speed
Metal
sphere
Governor
Boiler
Steam
Valve
Output
shaft
Engine
FIGURE 1.5
Watt’s flyball
governor.
Section 1.2
History of Automatic Control
Water
5
Float
Steam
FIGURE 1.6
Water-level float
regulator.
Valve
The period preceding 1868 was characterized by the development of automat-
ic control systems through intuition and invention. Efforts to increase the accuracy
of the control system led to slower attenuation of the transient oscillations and
even to unstable systems. It then became imperative to develop a theory of auto-
matic control. J.C. Maxwell formulated a mathematical theory related to control
theory using a differential equation model of a governor [5]. Maxwell’s study was
concerned with the effect various system parameters had on the system perfor-
mance. During the same period, I. A. Vyshnegradskii formulated a mathematical
theory of regu
1
Introduction to Control
Systems
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
Introduction
2
7
9
17
History of Automatic Control 4
Two Examples of the Use of Feedback
Control Engineering Practice
8
Examples of Modern Control Systems
Automatic Assembly and Robots 16
Engineering Design 18
Mechatronic Systems 19
Control System Design
23
26
27
Design Example: Turntable Speed Control 24
Design Example: Insulin Delivery Control System
The Future Evolution of Control Systems
Sequential Design Example: Disk Drive Read System
P R E V I E W
In this chapter, we describe a general process for designing a control system. A con-
trol system consisting of interconnected components is designed to achieve a de-
sired purpose. To understand the purpose of a control system, it is useful to examine
examples of control systems through the course of history. These early systems in-
corporated many of the same ideas of feedback that are in use today.
Modern control engineering practice includes the use of control design strate-
gies for improving manufacturing processes, the efficiency of energy use, and ad-
vanced automobile control (including rapid transit, among others). We will examine
these very interesting applications of control engineering and introduce the subject
area of mechatronics.
We also discuss the notion of a design gap. The gap exists between the complex
physical system under investigation and the model used in the control system syn-
thesis. The iterative nature of design allows us to handle the design gap effectively
while accomplishing necessary trade-offs in complexity, performance, and cost in
order to meet the design specifications.
Finally, we introduce the Sequential Design Example: Disk Drive Read System.
This example will be considered sequentially in each chapter of this book. It repre-
sents a very important and practical control system design problem while simulta-
neously serving as a useful learning tool.
1
2
Chapter 1
Introduction to Control Systems
1.1 INTRODUCTION
Engineering is concerned with understanding and controlling the materials and
forces of nature for the benefit of humankind. Control system engineers are con-
cerned with understanding and controlling segments of their environment, often
called systems, to provide useful economic products for society. The twin goals of
understanding and controlling are complementary because effective systems con-
trol requires that the systems be understood and modeled. Furthermore, control en-
gineering must often consider the control of poorly understood systems such as
chemical process systems. The present challenge to control engineers is the model-
ing and control of modern, complex, interrelated systems such as traffic control sys-
tems, chemical processes, and robotic systems. Simultaneously, the fortunate
engineer has the opportunity to control many useful and interesting industrial au-
tomation systems. Perhaps the most characteristic quality of control engineering is
the opportunity to control machines and industrial and economic processes for the
benefit of society.
Control engineering is based on the foundations of feedback theory and linear
system analysis, and it integrates the concepts of network theory and communica-
tion theory. Therefore control engineering is not limited to any engineering disci-
pline but is equally applicable to aeronautical, chemical, mechanical, environmental,
civil, and electrical engineering. For example, a control system often includes elec-
trical, mechanical, and chemical components. Furthermore, as the understanding of
the dynamics of business, social, and political systems increases, the ability to control
these systems will also increase.
A control system is an interconnection of components forming a system config-
uration that will provide a desired system response. The basis for analysis of a sys-
tem is the foundation provided by linear system theory, which assumes a
cause–effect relationship for the components of a system. Therefore a component or
process to be controlled can be represented by a block, as shown in Figure 1.1. The
input–output relationship represents the cause-and-effect relationship of the
process, which in turn represents a processing of the input signal to provide an out-
put signal variable, often with a power amplification. An open-loop control system
utilizes a controller or control actuator to obtain the desired response, as shown in
Figure 1.2. An open-loop system is a system without feedback.
An open-loop control system utilizes an actuating device to control the process
directly without using feedback.
FIGURE 1.1
Process to be
controlled.
Input
Process
Output
FIGURE 1.2
Open-loop control
system (without
feedback).
Desired output
response
Actuating
device
Process
Output
Section 1.1
Desired output
response
Introduction
Comparison
Controller
Process
Output
3
FIGURE 1.3
Closed-loop
feedback control
system (with
feedback).
Measurement
In contrast to an open-loop control system, a closed-loop control system utilizes
an additional measure of the actual output to compare the actual output with the
desired output response. The measure of the output is called the feedback signal. A
simple closed-loop feedback control system is shown in Figure 1.3. A feedback con-
trol system is a control system that tends to maintain a prescribed relationship of
one system variable to another by comparing functions of these variables and using
the difference as a means of control.
A feedback control system often uses a function of a prescribed relationship be-
tween the output and reference input to control the process. Often the difference be-
tween the output of the process under control and the reference input is amplified
and used to control the process so that the difference is continually reduced. The
feedback concept has been the foundation for control system analysis and design.
A closed-loop control system uses a measurement of the output and feedback of
this signal to compare it with the desired output (reference or command).
Due to the increasing complexity of the system under control and the interest in
achieving optimum performance, the importance of control system engineering has
grown in the past decade. Furthermore, as the systems become more complex, the in-
terrelationship of many controlled variables must be considered in the control scheme.
A block diagram depicting a multivariable control system is shown in Figure 1.4.
A common example of an open-loop control system is an electric toaster in the
kitchen. An example of a closed-loop control system is a person steering an auto-
mobile (assuming his or her eyes are open) by looking at the auto’s location on the
road and making the appropriate adjustments.
The introduction of feedback enables us to control a desired output and can im-
prove accuracy, but it requires attention to the issue of stability of response.
Desired
output
response
Controller
Process
Output
variables
FIGURE 1.4
Multivariable
control system.
Measurement
4
Chapter 1
Introduction to Control Systems
1.2 HISTORY OF AUTOMATIC CONTROL
The use of feedback to control a system has a fascinating history. The first applica-
tions of feedback control appeared in the development of float regulator mecha-
nisms in Greece in the period 300 to 1 B.C. [1, 2, 3]. The water clock of Ktesibios used
a float regulator (refer to Problem 1.11). An oil lamp devised by Philon in approxi-
mately 250 B.C. used a float regulator in an oil lamp for maintaining a constant level
of fuel oil. Heron of Alexandria, who lived in the first century A.D., published a book
entitled Pneumatica, which outlined several forms of water-level mechanisms using
float regulators [1].
The first feedback system to be invented in modern Europe was the tempera-
ture regulator of Cornelis Drebbel (1572–1633) of Holland [1]. Dennis Papin
[1647–1712] invented the first pressure regulator for steam boilers in 1681. Papin’s
pressure regulator was a form of safety regulator similar to a pressure-cooker
valve.
The first automatic feedback controller used in an industrial process is general-
ly agreed to be James Watt’s flyball governor, developed in 1769 for controlling the
speed of a steam engine [1, 2]. The all-mechanical device, shown in Figure 1.5, mea-
sured the speed of the output shaft and utilized the movement of the flyball with
speed to control the valve and therefore the amount of steam entering the engine.
As the speed increases, the ball weights rise and move away from the shaft axis, thus
closing the valve. The flyweights require power from the engine to turn and there-
fore cause the speed measurement to be less accurate.
The first historical feedback system, claimed by Russia, is the water-level float
regulator said to have been invented by I. Polzunov in 1765 [4]. The level regulator
system is shown in Figure 1.6. The float detects the water level and controls the valve
that covers the water inlet in the boiler.
Measured
speed
Metal
sphere
Governor
Boiler
Steam
Valve
Output
shaft
Engine
FIGURE 1.5
Watt’s flyball
governor.
Section 1.2
History of Automatic Control
Water
5
Float
Steam
FIGURE 1.6
Water-level float
regulator.
Valve
The period preceding 1868 was characterized by the development of automat-
ic control systems through intuition and invention. Efforts to increase the accuracy
of the control system led to slower attenuation of the transient oscillations and
even to unstable systems. It then became imperative to develop a theory of auto-
matic control. J.C. Maxwell formulated a mathematical theory related to control
theory using a differential equation model of a governor [5]. Maxwell’s study was
concerned with the effect various system parameters had on the system perfor-
mance. During the same period, I. A. Vyshnegradskii formulated a mathematical
theory of regu
0/5000
chương
1 giới thiệu control
systems
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
introduction
2
7
9
17
history điều khiển tự động 4
hai ví dụ về việc sử dụng các thông tin phản hồi
thực hành kỹ thuật kiểm soát
8
ví dụ về các hệ thống hiện đại kiểm soát
lắp ráp tự động và robot 16
18
kỹ thuật thiết kế hệ thống cơ điện tử 19
hệ thống điều khiển thiết kế
26
23
27 thiết kế Ví dụ:kiểm soát tốc độ bàn xoay 24
thiết kế ví dụ: hệ thống điều khiển giao insulin
sự phát triển tương lai của hệ thống điều khiển
tuần tự ví dụ thiết kế: ổ đĩa hệ thống đọc
xem trước trong chương này, chúng tôi mô tả một quá trình chung cho việc thiết kế một hệ thống điều khiển. một-con
hệ thống trol bao gồm các thành phần liên kết với nhau được thiết kế để đạt được một mục đích
de SIRED.để hiểu được mục đích của một hệ thống điều khiển, nó rất hữu ích để kiểm tra
ví dụ về hệ thống điều khiển thông qua quá trình lịch sử. các hệ thống đầu-
corporated nhiều ý tưởng cùng một thông tin phản hồi được sử dụng ngày nay.
thực hành kỹ thuật điều khiển hiện đại bao gồm việc sử dụng các thiết kế điều khiển strate-
lược để cải thiện quy trình sản xuất, hiệu quả sử dụng năng lượng, và quảng cáo
kiểm soát ô tô vanced (bao gồm cả vận chuyển nhanh chóng, trong số những người khác). chúng tôi sẽ kiểm tra các ứng dụng này
rất thú vị của kỹ thuật điều khiển và giới thiệu các chủ đề
khu vực cơ điện tử.
chúng tôi cũng thảo luận về các khái niệm về một khoảng cách thiết kế. khoảng cách tồn tại giữa các hệ thống phức tạp
vật lý điều tra và mô hình được sử dụng trong các hệ thống điều khiển syn-
luận án.. tính chất lặp đi lặp lại của thiết kế cho phép chúng tôi để xử lý các khoảng cách thiết kế hiệu quả
trong khi hoàn thành cần thiết đánh đổi phức tạp, hiệu suất và chi phí trong
để đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế
cuối cùng, chúng tôi giới thiệu các ví dụ thiết kế theo trình tự: ổ đĩa đọc hệ thống .
ví dụ này sẽ được xem xét theo thứ tự trong mỗi chương của cuốn sách này. nó người đại-
1
2 chương sents một hệ thống kiểm soát vấn đề thiết kế rất quan trọng và thiết thực trong khi simulta-
neously phục vụ như một công cụ học tập hữu ích. 1
giới thiệu về hệ thống kiểm soát
1.1 giới thiệu kỹ thuật là có liên quan với sự hiểu biết và kiểm soát các tài liệu và
lực lượng của thiên nhiên vì lợi ích của nhân loại. kỹ sư hệ thống điều khiển là con-
cerned với sự hiểu biết và kiểm soát các phân đoạn của môi trường của họ, thường được gọi là hệ thống
, cung cấp sản phẩm kinh tế hữu ích cho xã hội. hai mục tiêu
hiểu biết và kiểm soát được bổ sung bởi vì hệ thống hiệu quả xây
trol yêu cầu hệ thống được hiểu và mô hình hóa. Hơn nữa, kiểm soát en-
gineering thường phải xem xét sự kiểm soát của hệ thống chưa được hiểu rõ như
hệ thống quá trình hóa học. thách thức hiện nay để kiểm soát kỹ sư là mô hình
ing và kiểm soát hiện đại, phức tạp, hệ thống liên quan đến nhau như điều khiển giao thông hệ thống
, quá trình hóa học, và các hệ thống robot. đồng thời, những người may mắn
kỹ sư có cơ hội để kiểm soát nhiều au-
hệ thống tomation công nghiệp hữu ích và thú vị. có lẽ là chất lượng đặc trưng nhất của kiểm soát kỹ thuật là
cơ hội để kiểm soát máy móc và quy trình công nghiệp và kinh tế cho
lợi ích của xã hội.
kiểm soát kỹ thuật dựa trên nền tảng của lý thuyết thông tin phản hồi và tuyến tính
phân tích hệ thống,và nó tích hợp các khái niệm về lý thuyết mạng và truyền thông
lý thuyết hóa. Do đó, kiểm soát kỹ thuật không giới hạn bất kỳ kỹ thuật disci-
pline nhưng cũng không kém phần áp dụng đối với hàng không, hóa chất, cơ khí, môi trường,
dân sự, và điện. ví dụ, một hệ thống điều khiển thường bao gồm Elec-
trical, cơ khí, và các thành phần hóa học. hơn nữa,như sự hiểu biết về
sự năng động của doanh nghiệp, xã hội và hệ thống chính trị tăng lên, khả năng kiểm soát các hệ thống
cũng sẽ tăng lên.
một hệ thống điều khiển là một kết nối của các thành phần tạo thành một hệ thống cấu hình-
uration mà sẽ cung cấp một hệ thống mong muốn phản ứng. cơ sở để phân tích của một hệ thống
là nền tảng được cung cấp bởi lý thuyết hệ thống tuyến tính, trong đó giả định một
mối quan hệ nhân quả cho các thành phần của một hệ thống. do đó một phần hay
quá trình được kiểm soát có thể được đại diện bởi một khối, như thể hiện trong hình 1.1. các mối quan hệ
vào-ra đại diện cho mối quan hệ nhân-quả của quá trình
, do đó đại diện cho một chế biến của các tín hiệu đầu vào để cung cấp một biến ra-
đặt tín hiệu, thường là với một khuếch đại quyền lực.một hệ thống điều khiển vòng hở
sử dụng một bộ điều khiển hay kiểm soát thiết bị truyền động để có được những phản ứng mong muốn, như thể hiện trong hình 1.2
. một hệ thống mở vòng lặp là một hệ thống mà không có phản hồi.
một hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một thiết bị dẫn động kiểm soát quá trình
trực tiếp mà không sử dụng thông tin phản hồi.
hình 1.1 quá trình được kiểm soát
.
đầu vào quá trình
con số đầu ra 1.2
mở vòng điều khiển hệ thống
(không
thông tin phản hồi).
đầu ra mong muốn đáp ứng
thiết bị gạt
quá trình đầu ra
mục 1.1
đầu ra mong muốn đáp ứng
giới thiệu so sánh
điều khiển quá trình sản xuất
3
con số 1,3 kín
hệ thống điều khiển phản hồi ( với thông tin phản hồi
)
đo.
trái ngược với một hệ thống điều khiển vòng hở, một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng
một biện pháp bổ sung của sản lượng thực tế để so sánh sản lượng thực tế với
phản ứng đầu ra mong muốn. biện pháp đầu ra được gọi là tín hiệu phản hồi. a
đơn giản hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín được thể hiện trong hình 1.3. một con-trol
hệ thống thông tin phản hồi là một hệ thống điều khiển có xu hướng duy trì một mối quan hệ theo quy định của
một biến hệ thống khác bằng cách so sánh các chức năng của các biến và sử dụng
sự khác biệt như một phương tiện kiểm soát.
một hệ thống kiểm soát thông tin phản hồi thường xuyên sử dụng một chức năng của một mối quan hệ được quy định-
giữa đầu ra và đầu vào tài liệu tham khảo để kiểm soát quá trình này. thường sự khác biệt là-
giữa đầu ra của quá trình này dưới sự kiểm soát và đầu vào tài liệu tham khảo được khuếch đại
và được sử dụng để kiểm soát quá trình để sự khác biệt liên tục giảm. các thông tin phản hồi
khái niệm là nền tảng để phân tích hệ thống điều khiển và thiết kế.
một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng một phép đo của đầu ra và thông tin phản hồi của
tín hiệu này để so sánh nó với các đầu ra mong muốn (tham chiếu hoặc lệnh).
do sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống kiểm soát và quan tâm
đạt được hiệu suất tối ưu, tầm quan trọng của hệ thống điều khiển kỹ thuật đã
trồng trong thập kỷ qua. Hơn nữa, như các hệ thống trở nên phức tạp hơn, terrelationship trong
nhiều biến kiểm soát phải được xem xét trong chương trình kiểm soát.
một sơ đồ khối mô tả một hệ thống điều khiển đa biến được thể hiện trong hình 1.4.
một ví dụ phổ biến của một hệ thống điều khiển vòng hở là một máy nướng bánh mì điện trong nhà bếp
. một ví dụ về một hệ thống điều khiển vòng kín là một người chỉ đạo một tự động
điện thoại di động (giả định đôi mắt của mình được mở) bằng cách nhìn vào vị trí của ô tô trên đường
và làm cho các điều chỉnh thích hợp.
việc giới thiệu các thông tin phản hồi cho phép chúng tôi để kiểm soát một đầu ra mong muốn và có thể im-
chứng minh tính chính xác,nhưng nó đòi hỏi sự chú ý đến vấn đề ổn định của phản ứng.
mong muốn đầu ra
đáp ứng điều khiển
quá trình đầu ra
biến hình 1.4
hệ thống điều khiển đa biến.
đo
4
Chương 1 giới thiệu về hệ thống kiểm soát
1.2 lịch sử của điều khiển tự động
việc sử dụng các thông tin phản hồi để điều khiển một hệ thống có một lịch sử hấp dẫn. các đơn xin-
đầu tiêntions kiểm soát thông tin phản hồi xuất hiện trong sự phát triển của các cơ chế điều chỉnh phao Mecha-
ở Hy Lạp trong giai đoạn 300-1 bc [1, 2, 3]. đồng hồ nước của ktesibios sử dụng
một điều nổi (xem vấn đề 1.11). một ngọn đèn dầu đặt ra của Philon trong xấp xỉ 250 bc
sử dụng một bộ điều chỉnh phao trong một ngọn đèn dầu để duy trì một mức độ liên tục
dầu nhiên liệu. diệc của Alexandria,người sống trong quảng cáo thế kỷ thứ nhất, xuất bản một cuốn sách mang tên
pneumatica, trong đó nêu ra một số hình thức cơ chế mực nước sử dụng
nổi quản lý [1].
hệ thống thông tin phản hồi đầu tiên được phát minh tại châu Âu hiện đại là nhiệt độ
điều ture của Cornelis Drebbel (1572-1633) của Hà Lan [1]. dennis Papin
[1647-1712] đã phát minh ra điều chỉnh áp suất đầu tiên cho nồi hơi vào năm 1681. Papin của
điều chỉnh áp suất là một hình thức điều chỉnh an toàn tương tự như một nồi áp suất
van.
bộ điều khiển phản hồi tự động đầu tiên được sử dụng trong một quá trình công nghiệp chung
ly đồng ý là thống đốc flyball james watt của, được phát triển vào năm 1769 cho việc kiểm soát
tốc độ một động cơ hơi nước [1, 2]. tất cả các thiết bị cơ khí, thể hiện trong hình 1.5, mea-
lường tốc độ của trục đầu ra và sử dụng sự chuyển động của flyball với
tốc độ để điều khiển van và do đó lượng hơi nước vào động cơ.
như tăng tốc độ, trọng lượng tăng lên bóng và di chuyển ra khỏi trục trục, do đó
đóng van. các flyweights đòi hỏi sức mạnh từ động cơ để biến và có-
mũi gây ra các phép đo tốc độ được chính xác.
lần đầu tiên hệ thống thông tin phản hồi lịch sử, tuyên bố chủ quyền nước Nga, là nước cấp nổi
điều cho là đã được phát minh bởi tôi. polzunov năm 1765 [4]. mức điều chỉnh
hệ thống được thể hiện trong hình 1.6. phao phát hiện mực nước và kiểm soát van
bao gồm các nước vào trong nồi hơi.
đo tốc độ
kim loại hình cầu
đốc nồi hơi
hơi van
trục đầu ra
hình động cơ 1,5
flyball
đốc watt của.
mục 1.2
lịch sử của điều khiển tự động
nước
5
phao
hơi
con số 1,6
mực nước nổi
điều.
van
giai đoạn trước năm 1868 được đặc trưng bởi sự phát triển của automat-
ic hệ thống điều khiển thông qua trực giác và sáng chế. những nỗ lực để tăng độ chính xác
của hệ thống điều khiển dẫn đến suy giảm chậm hơn của các dao động thoáng qua và
thậm chí các hệ thống không ổn định. sau đó nó đã trở thành bắt buộc để phát triển một lý thuyết về tự động
kiểm soát matic. j.c. Maxwell xây dựng một lý thuyết toán học liên quan đến kiểm soát
lý thuyết sử dụng mô hình phương trình vi phân của một thống đốc [5]. nghiên cứu Maxwell là
liên quan với hiệu ứng thông số hệ thống khác nhau có trên hệ thống perfor-mance
. trong cùng thời kỳ, i. a.vyshnegradskii xây dựng một lý thuyết toán học
của regu
1 giới thiệu control
systems
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
introduction
2
7
9
17
history điều khiển tự động 4
hai ví dụ về việc sử dụng các thông tin phản hồi
thực hành kỹ thuật kiểm soát
8
ví dụ về các hệ thống hiện đại kiểm soát
lắp ráp tự động và robot 16
18
kỹ thuật thiết kế hệ thống cơ điện tử 19
hệ thống điều khiển thiết kế
26
23
27 thiết kế Ví dụ:kiểm soát tốc độ bàn xoay 24
thiết kế ví dụ: hệ thống điều khiển giao insulin
sự phát triển tương lai của hệ thống điều khiển
tuần tự ví dụ thiết kế: ổ đĩa hệ thống đọc
xem trước trong chương này, chúng tôi mô tả một quá trình chung cho việc thiết kế một hệ thống điều khiển. một-con
hệ thống trol bao gồm các thành phần liên kết với nhau được thiết kế để đạt được một mục đích
de SIRED.để hiểu được mục đích của một hệ thống điều khiển, nó rất hữu ích để kiểm tra
ví dụ về hệ thống điều khiển thông qua quá trình lịch sử. các hệ thống đầu-
corporated nhiều ý tưởng cùng một thông tin phản hồi được sử dụng ngày nay.
thực hành kỹ thuật điều khiển hiện đại bao gồm việc sử dụng các thiết kế điều khiển strate-
lược để cải thiện quy trình sản xuất, hiệu quả sử dụng năng lượng, và quảng cáo
kiểm soát ô tô vanced (bao gồm cả vận chuyển nhanh chóng, trong số những người khác). chúng tôi sẽ kiểm tra các ứng dụng này
rất thú vị của kỹ thuật điều khiển và giới thiệu các chủ đề
khu vực cơ điện tử.
chúng tôi cũng thảo luận về các khái niệm về một khoảng cách thiết kế. khoảng cách tồn tại giữa các hệ thống phức tạp
vật lý điều tra và mô hình được sử dụng trong các hệ thống điều khiển syn-
luận án.. tính chất lặp đi lặp lại của thiết kế cho phép chúng tôi để xử lý các khoảng cách thiết kế hiệu quả
trong khi hoàn thành cần thiết đánh đổi phức tạp, hiệu suất và chi phí trong
để đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế
cuối cùng, chúng tôi giới thiệu các ví dụ thiết kế theo trình tự: ổ đĩa đọc hệ thống .
ví dụ này sẽ được xem xét theo thứ tự trong mỗi chương của cuốn sách này. nó người đại-
1
2 chương sents một hệ thống kiểm soát vấn đề thiết kế rất quan trọng và thiết thực trong khi simulta-
neously phục vụ như một công cụ học tập hữu ích. 1
giới thiệu về hệ thống kiểm soát
1.1 giới thiệu kỹ thuật là có liên quan với sự hiểu biết và kiểm soát các tài liệu và
lực lượng của thiên nhiên vì lợi ích của nhân loại. kỹ sư hệ thống điều khiển là con-
cerned với sự hiểu biết và kiểm soát các phân đoạn của môi trường của họ, thường được gọi là hệ thống
, cung cấp sản phẩm kinh tế hữu ích cho xã hội. hai mục tiêu
hiểu biết và kiểm soát được bổ sung bởi vì hệ thống hiệu quả xây
trol yêu cầu hệ thống được hiểu và mô hình hóa. Hơn nữa, kiểm soát en-
gineering thường phải xem xét sự kiểm soát của hệ thống chưa được hiểu rõ như
hệ thống quá trình hóa học. thách thức hiện nay để kiểm soát kỹ sư là mô hình
ing và kiểm soát hiện đại, phức tạp, hệ thống liên quan đến nhau như điều khiển giao thông hệ thống
, quá trình hóa học, và các hệ thống robot. đồng thời, những người may mắn
kỹ sư có cơ hội để kiểm soát nhiều au-
hệ thống tomation công nghiệp hữu ích và thú vị. có lẽ là chất lượng đặc trưng nhất của kiểm soát kỹ thuật là
cơ hội để kiểm soát máy móc và quy trình công nghiệp và kinh tế cho
lợi ích của xã hội.
kiểm soát kỹ thuật dựa trên nền tảng của lý thuyết thông tin phản hồi và tuyến tính
phân tích hệ thống,và nó tích hợp các khái niệm về lý thuyết mạng và truyền thông
lý thuyết hóa. Do đó, kiểm soát kỹ thuật không giới hạn bất kỳ kỹ thuật disci-
pline nhưng cũng không kém phần áp dụng đối với hàng không, hóa chất, cơ khí, môi trường,
dân sự, và điện. ví dụ, một hệ thống điều khiển thường bao gồm Elec-
trical, cơ khí, và các thành phần hóa học. hơn nữa,như sự hiểu biết về
sự năng động của doanh nghiệp, xã hội và hệ thống chính trị tăng lên, khả năng kiểm soát các hệ thống
cũng sẽ tăng lên.
một hệ thống điều khiển là một kết nối của các thành phần tạo thành một hệ thống cấu hình-
uration mà sẽ cung cấp một hệ thống mong muốn phản ứng. cơ sở để phân tích của một hệ thống
là nền tảng được cung cấp bởi lý thuyết hệ thống tuyến tính, trong đó giả định một
mối quan hệ nhân quả cho các thành phần của một hệ thống. do đó một phần hay
quá trình được kiểm soát có thể được đại diện bởi một khối, như thể hiện trong hình 1.1. các mối quan hệ
vào-ra đại diện cho mối quan hệ nhân-quả của quá trình
, do đó đại diện cho một chế biến của các tín hiệu đầu vào để cung cấp một biến ra-
đặt tín hiệu, thường là với một khuếch đại quyền lực.một hệ thống điều khiển vòng hở
sử dụng một bộ điều khiển hay kiểm soát thiết bị truyền động để có được những phản ứng mong muốn, như thể hiện trong hình 1.2
. một hệ thống mở vòng lặp là một hệ thống mà không có phản hồi.
một hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một thiết bị dẫn động kiểm soát quá trình
trực tiếp mà không sử dụng thông tin phản hồi.
hình 1.1 quá trình được kiểm soát
.
đầu vào quá trình
con số đầu ra 1.2
mở vòng điều khiển hệ thống
(không
thông tin phản hồi).
đầu ra mong muốn đáp ứng
thiết bị gạt
quá trình đầu ra
mục 1.1
đầu ra mong muốn đáp ứng
giới thiệu so sánh
điều khiển quá trình sản xuất
3
con số 1,3 kín
hệ thống điều khiển phản hồi ( với thông tin phản hồi
)
đo.
trái ngược với một hệ thống điều khiển vòng hở, một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng
một biện pháp bổ sung của sản lượng thực tế để so sánh sản lượng thực tế với
phản ứng đầu ra mong muốn. biện pháp đầu ra được gọi là tín hiệu phản hồi. a
đơn giản hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín được thể hiện trong hình 1.3. một con-trol
hệ thống thông tin phản hồi là một hệ thống điều khiển có xu hướng duy trì một mối quan hệ theo quy định của
một biến hệ thống khác bằng cách so sánh các chức năng của các biến và sử dụng
sự khác biệt như một phương tiện kiểm soát.
một hệ thống kiểm soát thông tin phản hồi thường xuyên sử dụng một chức năng của một mối quan hệ được quy định-
giữa đầu ra và đầu vào tài liệu tham khảo để kiểm soát quá trình này. thường sự khác biệt là-
giữa đầu ra của quá trình này dưới sự kiểm soát và đầu vào tài liệu tham khảo được khuếch đại
và được sử dụng để kiểm soát quá trình để sự khác biệt liên tục giảm. các thông tin phản hồi
khái niệm là nền tảng để phân tích hệ thống điều khiển và thiết kế.
một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng một phép đo của đầu ra và thông tin phản hồi của
tín hiệu này để so sánh nó với các đầu ra mong muốn (tham chiếu hoặc lệnh).
do sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống kiểm soát và quan tâm
đạt được hiệu suất tối ưu, tầm quan trọng của hệ thống điều khiển kỹ thuật đã
trồng trong thập kỷ qua. Hơn nữa, như các hệ thống trở nên phức tạp hơn, terrelationship trong
nhiều biến kiểm soát phải được xem xét trong chương trình kiểm soát.
một sơ đồ khối mô tả một hệ thống điều khiển đa biến được thể hiện trong hình 1.4.
một ví dụ phổ biến của một hệ thống điều khiển vòng hở là một máy nướng bánh mì điện trong nhà bếp
. một ví dụ về một hệ thống điều khiển vòng kín là một người chỉ đạo một tự động
điện thoại di động (giả định đôi mắt của mình được mở) bằng cách nhìn vào vị trí của ô tô trên đường
và làm cho các điều chỉnh thích hợp.
việc giới thiệu các thông tin phản hồi cho phép chúng tôi để kiểm soát một đầu ra mong muốn và có thể im-
chứng minh tính chính xác,nhưng nó đòi hỏi sự chú ý đến vấn đề ổn định của phản ứng.
mong muốn đầu ra
đáp ứng điều khiển
quá trình đầu ra
biến hình 1.4
hệ thống điều khiển đa biến.
đo
4
Chương 1 giới thiệu về hệ thống kiểm soát
1.2 lịch sử của điều khiển tự động
việc sử dụng các thông tin phản hồi để điều khiển một hệ thống có một lịch sử hấp dẫn. các đơn xin-
đầu tiêntions kiểm soát thông tin phản hồi xuất hiện trong sự phát triển của các cơ chế điều chỉnh phao Mecha-
ở Hy Lạp trong giai đoạn 300-1 bc [1, 2, 3]. đồng hồ nước của ktesibios sử dụng
một điều nổi (xem vấn đề 1.11). một ngọn đèn dầu đặt ra của Philon trong xấp xỉ 250 bc
sử dụng một bộ điều chỉnh phao trong một ngọn đèn dầu để duy trì một mức độ liên tục
dầu nhiên liệu. diệc của Alexandria,người sống trong quảng cáo thế kỷ thứ nhất, xuất bản một cuốn sách mang tên
pneumatica, trong đó nêu ra một số hình thức cơ chế mực nước sử dụng
nổi quản lý [1].
hệ thống thông tin phản hồi đầu tiên được phát minh tại châu Âu hiện đại là nhiệt độ
điều ture của Cornelis Drebbel (1572-1633) của Hà Lan [1]. dennis Papin
[1647-1712] đã phát minh ra điều chỉnh áp suất đầu tiên cho nồi hơi vào năm 1681. Papin của
điều chỉnh áp suất là một hình thức điều chỉnh an toàn tương tự như một nồi áp suất
van.
bộ điều khiển phản hồi tự động đầu tiên được sử dụng trong một quá trình công nghiệp chung
ly đồng ý là thống đốc flyball james watt của, được phát triển vào năm 1769 cho việc kiểm soát
tốc độ một động cơ hơi nước [1, 2]. tất cả các thiết bị cơ khí, thể hiện trong hình 1.5, mea-
lường tốc độ của trục đầu ra và sử dụng sự chuyển động của flyball với
tốc độ để điều khiển van và do đó lượng hơi nước vào động cơ.
như tăng tốc độ, trọng lượng tăng lên bóng và di chuyển ra khỏi trục trục, do đó
đóng van. các flyweights đòi hỏi sức mạnh từ động cơ để biến và có-
mũi gây ra các phép đo tốc độ được chính xác.
lần đầu tiên hệ thống thông tin phản hồi lịch sử, tuyên bố chủ quyền nước Nga, là nước cấp nổi
điều cho là đã được phát minh bởi tôi. polzunov năm 1765 [4]. mức điều chỉnh
hệ thống được thể hiện trong hình 1.6. phao phát hiện mực nước và kiểm soát van
bao gồm các nước vào trong nồi hơi.
đo tốc độ
kim loại hình cầu
đốc nồi hơi
hơi van
trục đầu ra
hình động cơ 1,5
flyball
đốc watt của.
mục 1.2
lịch sử của điều khiển tự động
nước
5
phao
hơi
con số 1,6
mực nước nổi
điều.
van
giai đoạn trước năm 1868 được đặc trưng bởi sự phát triển của automat-
ic hệ thống điều khiển thông qua trực giác và sáng chế. những nỗ lực để tăng độ chính xác
của hệ thống điều khiển dẫn đến suy giảm chậm hơn của các dao động thoáng qua và
thậm chí các hệ thống không ổn định. sau đó nó đã trở thành bắt buộc để phát triển một lý thuyết về tự động
kiểm soát matic. j.c. Maxwell xây dựng một lý thuyết toán học liên quan đến kiểm soát
lý thuyết sử dụng mô hình phương trình vi phân của một thống đốc [5]. nghiên cứu Maxwell là
liên quan với hiệu ứng thông số hệ thống khác nhau có trên hệ thống perfor-mance
. trong cùng thời kỳ, i. a.vyshnegradskii xây dựng một lý thuyết toán học
của regu
đang được dịch, vui lòng đợi..
Chương
1
giới thiệu về điều khiển
hệ thống
1.1
1.2
1.3
2.2
2.4
2.5
2.8
2.9
3.1
1.10
1.11
1,12
1.13
giới thiệu
2
7
9
17
lịch sử của điều khiển tự động 4
hai ví dụ về việc sử dụng thông tin phản hồi
kiểm soát kỹ thuật thực hành
8
ví dụ hiện đại hệ thống điều khiển
tự động lắp ráp và robot 16
kỹ thuật thiết kế 18
cho hệ thống 19
kiểm soát thiết kế hệ thống
23
26
27
thiết kế ví dụ: Kiểm soát tốc độ Turntable 24
ví dụ thiết kế: Hệ thống kiểm soát phân phối Insulin
The tương lai tiến hóa của Control Systems
tuần tự thiết kế ví dụ: Ổ đĩa đọc hệ thống
P R E V I E W
trong chương này, chúng tôi mô tả một quá trình chung cho việc thiết kế một hệ thống kiểm soát. Một con-
trol hệ thống bao gồm kết nối các thành phần được thiết kế để đạt được một de-
cùng mục đích. Hiểu mục đích của một hệ thống điều khiển, nó là hữu ích để kiểm tra
ví dụ của hệ thống điều khiển thông qua các khóa học của lịch sử. Các hệ thống đầu tại-
corporated nhiều người trong số những ý tưởng cùng một thông tin phản hồi trong sử dụng ngày hôm nay.
điều khiển hiện đại, kỹ thuật thực hành bao gồm việc sử dụng kiểm soát thiết kế strate-
kết để cải thiện quy trình sản xuất, hiệu quả sử dụng năng lượng, và quảng cáo-
vanced ô tô điều khiển (bao gồm cả vận chuyển nhanh, trong số những người khác). Chúng tôi sẽ kiểm tra
các ứng dụng rất thú vị của kiểm soát kỹ thuật và giới thiệu các chủ đề
tích là cơ điện tử.
chúng tôi cũng thảo luận về các khái niệm của một khoảng cách thiết kế. Khoảng cách tồn tại giữa khu phức hợp
hệ thống vật lý điều tra và các mô hình được sử dụng trong kiểm soát hệ thống syn-
luận án. Tính chất lặp đi lặp lại của thiết kế cho phép chúng tôi để xử lý khoảng cách thiết kế có hiệu quả
trong khi hoàn thành cần thiết thương mại-offs phức tạp, hiệu suất, và các chi phí trong
đơn đặt hàng để đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật thiết kế.
cuối cùng, chúng tôi giới thiệu mẫu thiết kế Sequential: đọc ổ đĩa hệ thống.
ví dụ này sẽ được xem xét theo tuần tự trong từng chương của cuốn sách này. Nó repre-
sents một vấn đề rất quan trọng và thực tế kiểm soát thiết kế hệ thống trong khi simulta-
neously phục vụ như là một công cụ học tập hữu ích.
1
2
chương 1
giới thiệu về hệ thống điều khiển
1.1 giới thiệu
kỹ thuật là có liên quan với sự hiểu biết và kiểm soát các tài liệu và
các lực lượng của thiên nhiên vì lợi ích của nhân loại. Kiểm soát hệ thống kỹ sư là con-
cerned với sự hiểu biết và kiểm soát các phân đoạn của môi trường của họ, thường
được gọi là hệ thống, để cung cấp sản phẩm kinh tế hữu ích cho xã hội. Mục tiêu đôi của
sự hiểu biết và kiểm soát được bổ sung bởi vì hiệu quả hệ thống con-
trol yêu cầu rằng các hệ thống được hiểu và mô hình. Hơn nữa, kiểm soát en-
gineering thường phải xem xét sự kiểm soát của hệ thống kém hiểu như
quá trình hóa học hệ thống. Những thách thức hiện nay cho các kỹ sư kiểm soát là mô hình-
ing và kiểm soát của hiện đại, phức tạp, tương quan hệ thống chẳng hạn như lưu lượng truy cập kiểm soát sys-
tems, hóa học quá trình, và hệ thống robot. Đồng thời, người may mắn
kỹ sư có cơ hội để kiểm soát nhiều hữu ích và thú vị công nghiệp au-
tomation hệ thống. Có lẽ là chất đặc trưng nhất của kỹ thuật điều khiển
cơ hội để kiểm soát máy và các quá trình công nghiệp và kinh tế cho các
lợi ích của xã hội.
kiểm soát kỹ thuật là dựa trên cơ sở của lý thuyết thông tin phản hồi và tuyến tính
phân tích hệ thống, và nó tích hợp các khái niệm lý thuyết mạng và communica-
tion lý thuyết. Do đó kỹ thuật điều khiển là không giới hạn bất kỳ disci kỹ thuật-
pline nhưng là như nhau áp dụng cho hàng không, hóa chất, cơ khí, môi trường,
kỹ thuật dân sự, và điện. Ví dụ, một hệ thống kiểm soát thường bao gồm elec-
thành phần trical, cơ khí và hóa học. Hơn nữa, như sự hiểu biết của
các động thái của hệ thống kinh doanh, xã hội và chính trị tăng, khả năng điều khiển
các hệ thống này cũng sẽ tăng.
một hệ thống kiểm soát là một kết nối của thành phần tạo thành một hệ thống config-
uration mà sẽ cung cấp một phản ứng mong muốn hệ thống. Cơ sở để phân tích của một sys-
tem là nền tảng cung cấp bởi lý thuyết hệ thống tuyến tính, với mục tiêu nối một
Cause–Effect mối quan hệ cho các thành phần của một hệ thống. Do đó là một thành phần hoặc
quá trình được điều khiển có thể được thể hiện bằng một khối, như minh hoạ trong hình 1.1. Các
mối quan hệ input–output đại diện cho mối quan hệ nguyên nhân và có hiệu lực của các
quá trình, mà lần lượt đại diện cho xử lý tín hiệu đầu vào để cung cấp một out-
đặt biến tín hiệu, thường với một khuếch đại điện. Một hệ thống kiểm soát hở
sử dụng một bộ điều khiển hoặc kiểm soát thiết bị truyền động để có được các phản ứng mong muốn, như minh hoạ trong
hình 1,2. Một hệ thống hở là một hệ thống mà không cần thông tin phản hồi.
một hệ thống kiểm soát hở sử dụng một thiết bị actuating để kiểm soát quá trình
trực tiếp mà không cần sử dụng thông tin phản hồi.
hình 1.1
quá trình có
kiểm soát.
đầu vào
quá trình
sản lượng
hình 1.2
hở kiểm soát
hệ thống (mà không có
thông tin phản hồi).
mong muốn ra
phản ứng
Actuating
thiết bị
quá trình
sản lượng
phần 1.1
mong muốn ra
phản ứng
giới thiệu
so sánh
điều khiển
quá trình
sản lượng
3
hình 1.3
vòng lặp đóng
kiểm soát thông tin phản hồi
hệ thống (với
thông tin phản hồi).
đo lường
trái ngược với một hệ thống điều khiển hở, một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng
một biện pháp bổ sung lượng thực tế để so sánh sản lượng thực tế với các
mong muốn phản ứng sản lượng. Các biện pháp của đầu ra ở đây được gọi là tín hiệu thông tin phản hồi. A
hệ thống điều khiển đơn giản kín phản hồi sẽ được hiển thị trong hình 1.3. Một thông tin phản hồi con-
trol hệ thống là một hệ thống điều khiển có xu hướng để duy trì một mối quan hệ theo quy định của
một hệ thống biến khác bằng cách so sánh các chức năng của các biến và sử dụng
sự khác biệt như là một phương tiện kiểm soát.
một hệ thống điều khiển phản hồi thường sử dụng một chức năng của một mối quan hệ theo quy định-
tween đầu ra và tài liệu tham khảo đầu vào để kiểm soát quá trình. Thường sự khác biệt-
tween đầu ra của quá trình kiểm soát và tham khảo đầu vào khuếch đại
và được sử dụng để kiểm soát quá trình do đó sự khác biệt là liên tục giảm. Các
phản hồi khái niệm đã là tổ chức để kiểm soát hệ thống phân tích và thiết kế.
một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng đo lường đầu ra và phản hồi của
tín hiệu này để so sánh nó với đầu ra mong muốn (tham khảo hoặc lệnh).
do sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống kiểm soát và sự quan tâm trong
đạt được hiệu suất tối ưu, tầm quan trọng của kiểm soát hệ thống kỹ thuật có
phát triển trong thập kỷ vừa qua. Hơn nữa, như hệ thống trở nên phức tạp hơn, tại-
terrelationship của nhiều kiểm soát biến phải được xem xét trong đề án kiểm soát.
một sơ đồ khối miêu tả một hệ thống kiểm soát multivariable được hiển thị trong hình 1.4.
Một ví dụ phổ biến của một hệ thống kiểm soát hở là một toaster điện trong các
nhà bếp. Một ví dụ về một hệ thống điều khiển vòng kín là một người chỉ đạo một auto-
điện thoại di động (giả sử đôi mắt của mình đang mở) bằng cách xem vị trí của tự động trên các
road và thực hiện các điều chỉnh thích hợp.
giới thiệu thông tin phản hồi cho phép chúng tôi kiểm soát đầu ra mong muốn và có thể im-
chứng minh tính chính xác, nhưng nó đòi hỏi sự chú ý đến vấn đề ổn định của phản ứng.
Desired
sản lượng
phản ứng
điều khiển
quá trình
sản lượng
biến
hình 2.2
Multivariable
kiểm soát hệ thống.
đo lường
4
chương 1
giới thiệu về hệ thống điều khiển
1.2 lịch sử điều khiển tự động
sử dụng thông tin phản hồi để điều khiển một hệ thống có một lịch sử hấp dẫn. Đầu tiên applica-
tions kiểm soát thông tin phản hồi xuất hiện trong sự phát triển của phao điều mecha-
nisms tại Hy Lạp trong giai đoạn 300 để 1 TCN [1, 2, 3]. Đồng hồ nước của Ktesibios sử dụng
điều nổi (đề cập đến vấn đề 1.11). Một đèn dầu nghĩ ra bởi Philon ở approxi-
mately 250 TCN sử dụng một điều nổi trong một đèn dầu cho việc duy trì một mức độ liên tục
dầu đốt. Heron của Alexandria, những người sống ở thế kỷ thứ nhất, xuất bản một cuốn sách
mang tên Pneumatica, vạch ra một số hình thức của cơ chế mực nước bằng cách sử dụng
nổi điều chỉnh [1].
Hệ thống thông tin phản hồi đầu tiên được phát minh ra ở châu Âu hiện đại là tempera-
ture điều của Cornelis Drebbel (1572–1633) của Hà Lan [1]. Dennis Papin
[1647–1712] phát minh ra điều chỉnh áp suất đầu tiên cho nồi hơi kiểu năm 1681. Của Papin
điều chỉnh áp suất là một hình thức an toàn điều tương tự như một nồi áp suất
Van.
bộ điều khiển tự động phản hồi đầu tiên được sử dụng trong một quá trình công nghiệp là chung-
lý đồng ý để là James Watt của thống đốc flyball, phát triển vào năm 1769 cho việc kiểm soát các
tốc độ của một động cơ hơi nước [1, 2]. Thiết bị cơ khí tất cả, Hiển thị trong hình 1.5, mea-
sured tốc độ trục ra và sử dụng chuyển động của flyball với
tốc độ để kiểm soát các van và do đó số lượng hơi kiểu nhập kiếm.
khi tốc độ tăng, trọng lượng quả bóng tăng và di chuyển ra khỏi các trục trục, do đó
đóng van. Flyweights các yêu cầu quyền lực từ các động cơ để biến và đó-
fore gây ra việc đo tốc độ ít chính xác hơn.
Hệ thống thông tin phản hồi lịch sử đầu tiên, tuyên bố chủ quyền Nga, là các phao mực nước
điều nói đến đã được phát minh bởi I. Polzunov năm 1765 [4]. Điều cấp
hệ thống được thể hiện trong hình 1.6. Các phao phát hiện mực nước và kiểm soát các van
mà bao gồm các đầu vào nước trong nồi hơi.
Measured
tốc độ
kim loại
cầu
thống đốc
nồi hơi
hơi kiểu
Van
sản lượng
trục
động cơ
hình 1.5
Watt của flyball
thống đốc.
phần 1.2
lịch sử điều khiển tự động
nước
5
phao
hơi kiểu
hình 2.5
mực nước phao
điều.
Van
giai đoạn ngay trước năm 1868 được đặc trưng bởi sự phát triển của automat-
ic hệ thống điều khiển thông qua trực giác và sáng chế. Những nỗ lực để tăng độ chính xác
của hệ thống điều khiển đã dẫn đến sự suy giảm chậm hơn của dao động thoáng qua và
ngay cả với hệ thống không ổn định. Nó sau đó đã trở thành bắt buộc để phát triển một lý thuyết của tự động-
matic kiểm soát. J.C. Maxwell xây dựng một lý thuyết toán học liên quan đến kiểm soát
lý thuyết bằng cách sử dụng một mô hình phương trình vi phân của một thống đốc [5]. Nghiên cứu của Maxwell là
có liên quan với tác dụng thông số hệ thống khác nhau có trên hệ thống perfor
mance. Trong giai đoạn tương tự, I. A. Vyshnegradskii xây dựng một toán học
các lý thuyết của regu
1
giới thiệu về điều khiển
hệ thống
1.1
1.2
1.3
2.2
2.4
2.5
2.8
2.9
3.1
1.10
1.11
1,12
1.13
giới thiệu
2
7
9
17
lịch sử của điều khiển tự động 4
hai ví dụ về việc sử dụng thông tin phản hồi
kiểm soát kỹ thuật thực hành
8
ví dụ hiện đại hệ thống điều khiển
tự động lắp ráp và robot 16
kỹ thuật thiết kế 18
cho hệ thống 19
kiểm soát thiết kế hệ thống
23
26
27
thiết kế ví dụ: Kiểm soát tốc độ Turntable 24
ví dụ thiết kế: Hệ thống kiểm soát phân phối Insulin
The tương lai tiến hóa của Control Systems
tuần tự thiết kế ví dụ: Ổ đĩa đọc hệ thống
P R E V I E W
trong chương này, chúng tôi mô tả một quá trình chung cho việc thiết kế một hệ thống kiểm soát. Một con-
trol hệ thống bao gồm kết nối các thành phần được thiết kế để đạt được một de-
cùng mục đích. Hiểu mục đích của một hệ thống điều khiển, nó là hữu ích để kiểm tra
ví dụ của hệ thống điều khiển thông qua các khóa học của lịch sử. Các hệ thống đầu tại-
corporated nhiều người trong số những ý tưởng cùng một thông tin phản hồi trong sử dụng ngày hôm nay.
điều khiển hiện đại, kỹ thuật thực hành bao gồm việc sử dụng kiểm soát thiết kế strate-
kết để cải thiện quy trình sản xuất, hiệu quả sử dụng năng lượng, và quảng cáo-
vanced ô tô điều khiển (bao gồm cả vận chuyển nhanh, trong số những người khác). Chúng tôi sẽ kiểm tra
các ứng dụng rất thú vị của kiểm soát kỹ thuật và giới thiệu các chủ đề
tích là cơ điện tử.
chúng tôi cũng thảo luận về các khái niệm của một khoảng cách thiết kế. Khoảng cách tồn tại giữa khu phức hợp
hệ thống vật lý điều tra và các mô hình được sử dụng trong kiểm soát hệ thống syn-
luận án. Tính chất lặp đi lặp lại của thiết kế cho phép chúng tôi để xử lý khoảng cách thiết kế có hiệu quả
trong khi hoàn thành cần thiết thương mại-offs phức tạp, hiệu suất, và các chi phí trong
đơn đặt hàng để đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật thiết kế.
cuối cùng, chúng tôi giới thiệu mẫu thiết kế Sequential: đọc ổ đĩa hệ thống.
ví dụ này sẽ được xem xét theo tuần tự trong từng chương của cuốn sách này. Nó repre-
sents một vấn đề rất quan trọng và thực tế kiểm soát thiết kế hệ thống trong khi simulta-
neously phục vụ như là một công cụ học tập hữu ích.
1
2
chương 1
giới thiệu về hệ thống điều khiển
1.1 giới thiệu
kỹ thuật là có liên quan với sự hiểu biết và kiểm soát các tài liệu và
các lực lượng của thiên nhiên vì lợi ích của nhân loại. Kiểm soát hệ thống kỹ sư là con-
cerned với sự hiểu biết và kiểm soát các phân đoạn của môi trường của họ, thường
được gọi là hệ thống, để cung cấp sản phẩm kinh tế hữu ích cho xã hội. Mục tiêu đôi của
sự hiểu biết và kiểm soát được bổ sung bởi vì hiệu quả hệ thống con-
trol yêu cầu rằng các hệ thống được hiểu và mô hình. Hơn nữa, kiểm soát en-
gineering thường phải xem xét sự kiểm soát của hệ thống kém hiểu như
quá trình hóa học hệ thống. Những thách thức hiện nay cho các kỹ sư kiểm soát là mô hình-
ing và kiểm soát của hiện đại, phức tạp, tương quan hệ thống chẳng hạn như lưu lượng truy cập kiểm soát sys-
tems, hóa học quá trình, và hệ thống robot. Đồng thời, người may mắn
kỹ sư có cơ hội để kiểm soát nhiều hữu ích và thú vị công nghiệp au-
tomation hệ thống. Có lẽ là chất đặc trưng nhất của kỹ thuật điều khiển
cơ hội để kiểm soát máy và các quá trình công nghiệp và kinh tế cho các
lợi ích của xã hội.
kiểm soát kỹ thuật là dựa trên cơ sở của lý thuyết thông tin phản hồi và tuyến tính
phân tích hệ thống, và nó tích hợp các khái niệm lý thuyết mạng và communica-
tion lý thuyết. Do đó kỹ thuật điều khiển là không giới hạn bất kỳ disci kỹ thuật-
pline nhưng là như nhau áp dụng cho hàng không, hóa chất, cơ khí, môi trường,
kỹ thuật dân sự, và điện. Ví dụ, một hệ thống kiểm soát thường bao gồm elec-
thành phần trical, cơ khí và hóa học. Hơn nữa, như sự hiểu biết của
các động thái của hệ thống kinh doanh, xã hội và chính trị tăng, khả năng điều khiển
các hệ thống này cũng sẽ tăng.
một hệ thống kiểm soát là một kết nối của thành phần tạo thành một hệ thống config-
uration mà sẽ cung cấp một phản ứng mong muốn hệ thống. Cơ sở để phân tích của một sys-
tem là nền tảng cung cấp bởi lý thuyết hệ thống tuyến tính, với mục tiêu nối một
Cause–Effect mối quan hệ cho các thành phần của một hệ thống. Do đó là một thành phần hoặc
quá trình được điều khiển có thể được thể hiện bằng một khối, như minh hoạ trong hình 1.1. Các
mối quan hệ input–output đại diện cho mối quan hệ nguyên nhân và có hiệu lực của các
quá trình, mà lần lượt đại diện cho xử lý tín hiệu đầu vào để cung cấp một out-
đặt biến tín hiệu, thường với một khuếch đại điện. Một hệ thống kiểm soát hở
sử dụng một bộ điều khiển hoặc kiểm soát thiết bị truyền động để có được các phản ứng mong muốn, như minh hoạ trong
hình 1,2. Một hệ thống hở là một hệ thống mà không cần thông tin phản hồi.
một hệ thống kiểm soát hở sử dụng một thiết bị actuating để kiểm soát quá trình
trực tiếp mà không cần sử dụng thông tin phản hồi.
hình 1.1
quá trình có
kiểm soát.
đầu vào
quá trình
sản lượng
hình 1.2
hở kiểm soát
hệ thống (mà không có
thông tin phản hồi).
mong muốn ra
phản ứng
Actuating
thiết bị
quá trình
sản lượng
phần 1.1
mong muốn ra
phản ứng
giới thiệu
so sánh
điều khiển
quá trình
sản lượng
3
hình 1.3
vòng lặp đóng
kiểm soát thông tin phản hồi
hệ thống (với
thông tin phản hồi).
đo lường
trái ngược với một hệ thống điều khiển hở, một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng
một biện pháp bổ sung lượng thực tế để so sánh sản lượng thực tế với các
mong muốn phản ứng sản lượng. Các biện pháp của đầu ra ở đây được gọi là tín hiệu thông tin phản hồi. A
hệ thống điều khiển đơn giản kín phản hồi sẽ được hiển thị trong hình 1.3. Một thông tin phản hồi con-
trol hệ thống là một hệ thống điều khiển có xu hướng để duy trì một mối quan hệ theo quy định của
một hệ thống biến khác bằng cách so sánh các chức năng của các biến và sử dụng
sự khác biệt như là một phương tiện kiểm soát.
một hệ thống điều khiển phản hồi thường sử dụng một chức năng của một mối quan hệ theo quy định-
tween đầu ra và tài liệu tham khảo đầu vào để kiểm soát quá trình. Thường sự khác biệt-
tween đầu ra của quá trình kiểm soát và tham khảo đầu vào khuếch đại
và được sử dụng để kiểm soát quá trình do đó sự khác biệt là liên tục giảm. Các
phản hồi khái niệm đã là tổ chức để kiểm soát hệ thống phân tích và thiết kế.
một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng đo lường đầu ra và phản hồi của
tín hiệu này để so sánh nó với đầu ra mong muốn (tham khảo hoặc lệnh).
do sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống kiểm soát và sự quan tâm trong
đạt được hiệu suất tối ưu, tầm quan trọng của kiểm soát hệ thống kỹ thuật có
phát triển trong thập kỷ vừa qua. Hơn nữa, như hệ thống trở nên phức tạp hơn, tại-
terrelationship của nhiều kiểm soát biến phải được xem xét trong đề án kiểm soát.
một sơ đồ khối miêu tả một hệ thống kiểm soát multivariable được hiển thị trong hình 1.4.
Một ví dụ phổ biến của một hệ thống kiểm soát hở là một toaster điện trong các
nhà bếp. Một ví dụ về một hệ thống điều khiển vòng kín là một người chỉ đạo một auto-
điện thoại di động (giả sử đôi mắt của mình đang mở) bằng cách xem vị trí của tự động trên các
road và thực hiện các điều chỉnh thích hợp.
giới thiệu thông tin phản hồi cho phép chúng tôi kiểm soát đầu ra mong muốn và có thể im-
chứng minh tính chính xác, nhưng nó đòi hỏi sự chú ý đến vấn đề ổn định của phản ứng.
Desired
sản lượng
phản ứng
điều khiển
quá trình
sản lượng
biến
hình 2.2
Multivariable
kiểm soát hệ thống.
đo lường
4
chương 1
giới thiệu về hệ thống điều khiển
1.2 lịch sử điều khiển tự động
sử dụng thông tin phản hồi để điều khiển một hệ thống có một lịch sử hấp dẫn. Đầu tiên applica-
tions kiểm soát thông tin phản hồi xuất hiện trong sự phát triển của phao điều mecha-
nisms tại Hy Lạp trong giai đoạn 300 để 1 TCN [1, 2, 3]. Đồng hồ nước của Ktesibios sử dụng
điều nổi (đề cập đến vấn đề 1.11). Một đèn dầu nghĩ ra bởi Philon ở approxi-
mately 250 TCN sử dụng một điều nổi trong một đèn dầu cho việc duy trì một mức độ liên tục
dầu đốt. Heron của Alexandria, những người sống ở thế kỷ thứ nhất, xuất bản một cuốn sách
mang tên Pneumatica, vạch ra một số hình thức của cơ chế mực nước bằng cách sử dụng
nổi điều chỉnh [1].
Hệ thống thông tin phản hồi đầu tiên được phát minh ra ở châu Âu hiện đại là tempera-
ture điều của Cornelis Drebbel (1572–1633) của Hà Lan [1]. Dennis Papin
[1647–1712] phát minh ra điều chỉnh áp suất đầu tiên cho nồi hơi kiểu năm 1681. Của Papin
điều chỉnh áp suất là một hình thức an toàn điều tương tự như một nồi áp suất
Van.
bộ điều khiển tự động phản hồi đầu tiên được sử dụng trong một quá trình công nghiệp là chung-
lý đồng ý để là James Watt của thống đốc flyball, phát triển vào năm 1769 cho việc kiểm soát các
tốc độ của một động cơ hơi nước [1, 2]. Thiết bị cơ khí tất cả, Hiển thị trong hình 1.5, mea-
sured tốc độ trục ra và sử dụng chuyển động của flyball với
tốc độ để kiểm soát các van và do đó số lượng hơi kiểu nhập kiếm.
khi tốc độ tăng, trọng lượng quả bóng tăng và di chuyển ra khỏi các trục trục, do đó
đóng van. Flyweights các yêu cầu quyền lực từ các động cơ để biến và đó-
fore gây ra việc đo tốc độ ít chính xác hơn.
Hệ thống thông tin phản hồi lịch sử đầu tiên, tuyên bố chủ quyền Nga, là các phao mực nước
điều nói đến đã được phát minh bởi I. Polzunov năm 1765 [4]. Điều cấp
hệ thống được thể hiện trong hình 1.6. Các phao phát hiện mực nước và kiểm soát các van
mà bao gồm các đầu vào nước trong nồi hơi.
Measured
tốc độ
kim loại
cầu
thống đốc
nồi hơi
hơi kiểu
Van
sản lượng
trục
động cơ
hình 1.5
Watt của flyball
thống đốc.
phần 1.2
lịch sử điều khiển tự động
nước
5
phao
hơi kiểu
hình 2.5
mực nước phao
điều.
Van
giai đoạn ngay trước năm 1868 được đặc trưng bởi sự phát triển của automat-
ic hệ thống điều khiển thông qua trực giác và sáng chế. Những nỗ lực để tăng độ chính xác
của hệ thống điều khiển đã dẫn đến sự suy giảm chậm hơn của dao động thoáng qua và
ngay cả với hệ thống không ổn định. Nó sau đó đã trở thành bắt buộc để phát triển một lý thuyết của tự động-
matic kiểm soát. J.C. Maxwell xây dựng một lý thuyết toán học liên quan đến kiểm soát
lý thuyết bằng cách sử dụng một mô hình phương trình vi phân của một thống đốc [5]. Nghiên cứu của Maxwell là
có liên quan với tác dụng thông số hệ thống khác nhau có trên hệ thống perfor
mance. Trong giai đoạn tương tự, I. A. Vyshnegradskii xây dựng một toán học
các lý thuyết của regu
đang được dịch, vui lòng đợi..
Các ngôn ngữ khác
Hỗ trợ công cụ dịch thuật: Albania, Amharic, Anh, Armenia, Azerbaijan, Ba Lan, Ba Tư, Bantu, Basque, Belarus, Bengal, Bosnia, Bulgaria, Bồ Đào Nha, Catalan, Cebuano, Chichewa, Corsi, Creole (Haiti), Croatia, Do Thái, Estonia, Filipino, Frisia, Gael Scotland, Galicia, George, Gujarat, Hausa, Hawaii, Hindi, Hmong, Hungary, Hy Lạp, Hà Lan, Hà Lan (Nam Phi), Hàn, Iceland, Igbo, Ireland, Java, Kannada, Kazakh, Khmer, Kinyarwanda, Klingon, Kurd, Kyrgyz, Latinh, Latvia, Litva, Luxembourg, Lào, Macedonia, Malagasy, Malayalam, Malta, Maori, Marathi, Myanmar, Mã Lai, Mông Cổ, Na Uy, Nepal, Nga, Nhật, Odia (Oriya), Pashto, Pháp, Phát hiện ngôn ngữ, Phần Lan, Punjab, Quốc tế ngữ, Rumani, Samoa, Serbia, Sesotho, Shona, Sindhi, Sinhala, Slovak, Slovenia, Somali, Sunda, Swahili, Séc, Tajik, Tamil, Tatar, Telugu, Thái, Thổ Nhĩ Kỳ, Thụy Điển, Tiếng Indonesia, Tiếng Ý, Trung, Trung (Phồn thể), Turkmen, Tây Ban Nha, Ukraina, Urdu, Uyghur, Uzbek, Việt, Xứ Wales, Yiddish, Yoruba, Zulu, Đan Mạch, Đức, Ả Rập, dịch ngôn ngữ.
- 그는 내게 너무 어렵다
- sollicite
- Mahal kita
- en vertu de
- 여보남자는오빠에요
- Du sao
- tôi vừa gọi cho mẹ của tôi
- Tình em trong anh
- Puso
- Du sao di
- Tình em trong toi
- alligator
- Tình em trong tôi
- Tomorrow morningshe still cant believe w
- My girl
- le jugement ordonne la liquidation et le
- Sur les dépens:Madame Thi Kim Thuy DOAN
- Tình em trong anh
- Horror is a film genre seeking to elicit
- Tình em trong tôi
- Horror is a film genre seeking to elicit
- 여보는너무해요
- Horror is a film genre seeking to elicit
- 내마음도몰라주고요
