ACE2203 Kỹ thuật điều khiển tự động 1

Học phần Kỹ thuật điều khiển tự động 1 là nền tảng quan trọng giúp sinh viên hiểu và thiết kế các hệ thống có khả năng tự vận hành mà không cần sự can thiệp liên tục của con người. Nội dung khóa học tập trung vào ba trụ cột chính:

1. Các khái niệm cơ bản

Hệ thống điều khiển được cấu thành từ các thành phần chính: Thiết bị điều khiển, Đối tượng điều khiển và Thiết bị đo lường. Khái niệm quan trọng nhất là Phản hồi (Feedback).

  • Hệ thống vòng hở: Tín hiệu điều khiển không phụ thuộc vào giá trị đầu ra.

  • Hệ thống vòng kín (Phản hồi): Sai lệch giữa giá trị đặt (Setpoint) và giá trị thực tế được phản hồi về bộ điều khiển để điều chỉnh hệ thống, giúp đảm bảo độ chính xác bất chấp tác động của nhiễu.

2. Mô tả hệ thống tuyến tính liên tục

Để phân tích một hệ thống vật lý (cơ, điện, nhiệt...), ta cần chuyển đổi chúng sang mô hình toán học. Đối với hệ tuyến tính liên tục:

  • Phương trình vi phân: Công cụ cơ bản mô tả quan hệ vào-ra theo thời gian.

  • Hàm truyền (Transfer Function): Kết quả của phép biến đổi Laplace cho phương trình vi phân với điều kiện biên bằng 0. Hàm truyền giúp ta phân tích hệ thống trên miền tần số phức một cách đại số hóa, thay vì giải các phương trình vi phân phức tạp.

  • Sơ đồ khối và Sơ đồ dòng tín hiệu: Công cụ đồ họa giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa các thành phần và rút gọn hệ thống phức tạp về một hàm truyền tương đương duy nhất.

3. Khảo sát tính ổn định của hệ thống

Ổn định là điều kiện tiên quyết và quan trọng nhất của mọi hệ thống điều khiển. Một hệ thống được coi là ổn định nếu với một tín hiệu vào bị chặn, tín hiệu ra cũng bị chặn (BIBO Stability). Khóa học cung cấp các công cụ kiểm tra tính ổn định mà không cần giải phương trình đặc tính:

  • Tiêu chuẩn Routh-Hurwitz: Phương pháp đại số dựa trên các hệ số của phương trình đặc tính, cực kỳ hiệu quả cho hệ thống bậc cao.

  • Phương pháp Quỹ đạo nghiệm số: Đồ thị hóa sự dịch chuyển các cực của hệ thống khi tham số thay đổi.

  • Tiêu chuẩn Nyquist và Biểu đồ Bode: Đánh giá tính ổn định và độ dự trữ ổn định dựa trên đáp ứng tần số của hệ thống.

Kết luận: Thông qua việc làm chủ các mô hình toán học và công cụ khảo sát độ ổn định, sinh viên sẽ có đủ khả năng thiết kế các bộ điều khiển (như PID) để hệ thống đạt được trạng thái xác lập mong muốn với sai số nhỏ nhất và thời gian đáp ứng nhanh nhất. Đây là bước chuẩn bị không thể thiếu cho các kỹ sư tự động hóa tương lai.