Đồ án thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2

đề tài của chúng em được giao là :”Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2”.Qua đề tài này chúng em đã nắm bắt được cách thiết kế cơ bản 1 bộ PID bằng khuếch đại thuật toán và s

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Lời nói đầu

Như chúng ta đã biết.Ngày nay, khi mà công nghệ sản xuất linh kiện điện

tử được nâng cao thì những đồ điện tử càng ngày càng thu nhỏ về kích thước điều đó đồng nghĩa với các vi mạch số càng ngày càng được dùng nhiều và thể hiện tầm quan trọng của nó

Môn học Vi mạch số & vi mạch tương tự đã mang đến những kiến thức cơ bản đầu tiên cho sinh viên chúng em về vi mạch số và những mạch tương

tự đề tài của chúng em được giao là :”Thiết kế mạch điều khiển PID cho

đối tượng bậc 2”.Qua đề tài này chúng em đã nắm bắt được cách thiết kế

cơ bản 1 bộ PID bằng khuếch đại thuật toán và sử dụng thành thạo

phương pháp tổng thời gian của Kuhn để xác lập tham số cho bộ PID.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và thầy Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đồ án không tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình.Mong các thầy,cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm để đồ án của

em có thể hoàn thiện hơn nữa.

Em xin chân thành cảm ơn.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

_

Phần I: Tìm hiểu chung

A, Mạch khuếch đại thuật toán(KĐTT)

Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán(KĐTT)

đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tính toán , điều khiển, tạo hàm,tạo tín hiệu hình sine và xung, sử dụng ổn áp và các bộ lọc tích cực…Trong kỹ thuật mạch tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) và các bộ

khuếch đại thông thường khác nhau có đặc tính tương

tự Cả hai loại đều dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ khuếch đại thuậttoán là , tác dụng của mạch điện có bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài Để thực hiện được điều đó , bộ KĐTT phải có đặc tính cơ bản là, hệ số khuếch đại rất lớn , trở kháng cửa vào rất lớn và trở kháng cửa ra rất nhỏ

Trước đây , bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán giải tích ở các máy tính tương tự, nên được gọi là KĐTT (theo tiếng anh là Operational Amplifier viết tắt là OP-AMP) Ngày nay, KĐTT được sử dụng rộng rãi hơn,đặc biệt là trong kĩ thuật đo lường và điều khiển

Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển , nên đã chế tạo được các mạch tích hợp(các vi mạch) của KĐTT gần lí tưởng Và các vi

mạch KĐTT sử dụng trong các mahcj điện tử đơn giản cũng được coi là lí tưởng Tuy nhiên, các vi mạchKĐTT luôn có các thong số thực là hữu hạn.

I Các mạch tính toán và điều khiển

Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn.Viết phương trình dòng điện cho nút N:

vậy có thể tăng thêm số đầu vào để thực hiện các mạch cộng hoặc mạch trừ có trở kháng vào lớn.

3 Mạch trừ

4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn

Hệ số của V in2 luôn lớn hơn hệ số của V in1 => mạch không tạo được điện áp ra có dạng: K(V in2 - V in1 ).Trở kháng vào của cửa P lớn(Z v =r d ), nên không yêu cầu nguồn V in2 có công suất lớn.

Hình 1.4.b sơ đồ mạch trừ có 2 ngõ vào trở kháng đều lớn

Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng r d

của KĐTT Có thể thay đổi được hệ số khuếch đại

5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi

Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R2, ta có hệ số của

Vout lúc dương lúc âm

7 Mạch tích phân tổng

Dùng phương pháp xếp chồng và viết phương trình dòng điện nút với N ta tìm được :

8 Mạch tích phân hiệu

Viết phương trình đới với nút N :

Biến đổi và cho vN=vP, R1CN = R2CP =RC

9 Mạch vi phân

K’ tăng theo tần số và đồ thị bode có độ dốc 20dB/ decade.

Vậy : Mạch được gọi là mạch vi phân trong một phạm

vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyếnbiên-tần của nó tăng với độ dốc 20dB / decade

10 Mạch PI

Hình 10a Sơ đồ mạch PI

Mạch thường sử dụng trong các mạch điều khiển

Mạch có điện áp ra được biểu diễn theo dạng:

Áp dụng phương trình cân bằng dòng tại N:

Mạch mang

tính chất khuếch đại nhiều hơn Khu vực trung gian là khu vực chuyển tiếp

B Mạch PID

I.GIỚI THIỆU BỘ PID:

Bộ điều khiển PID (A proportional integral

derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuâtđiều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theovòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong cóhồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều

Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệchgiữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một mộttín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phùhợp.

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sửdụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vìtính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làmviệc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệthống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điềukhiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay

có mức độ phi tuyến thấp

PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũnhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụngrộng rãi cho đến ngày nay

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

2,M ạch PID cơ bản:

PID cũng là mạch hay được sử dụng trong kĩ thuật điềukhiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển của mạch

và trong nhiều trường hợp tăng tính ổn định của hệ thống điều khiển trong 1 dải tần số rộng

Điện áp ra có dạng:

Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra:

Thay (1) vào (2):

Suy ra

3.Đặc tính bộ điều khiển P,I,D:

-Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độđáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai

số xác lập của hệ (steady-state error)-Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai sốxác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

Đáp ứng

vòng kín

Thời gian lên Vọt lố

Thời gian

xác lập

Sai số xác lập

K P Giảm Tăng Thay đổi

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đốitượng

-Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xáctuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau Trênthực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởngđến hai thành phần còn lại Vì vậy bảng trên chỉ có tácdụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd

Phần 2 Cấu trúc hệ thống

Hình 2.5 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID

1 Các thành phần của hệ thống

a)bộ PID

sơ đồ khối của mạch PID

Mạch PID gồm có 3 mạch nhỏ :mạch khuếch đại,Mạch

tỉ lệ tích phân, Mạch vi phân

Mạch tỉ lệ

Mạch tích phân không đảo

Mạch Vi phân

b)Đối tượng bậc 2

các dạng đối tượng bậc 2 thường gặp:

+)đối tượng bậc 2 không dao động

+)Đối tượng bậc 2 dao động

2 Tính toán các hệ số sử dụng phương pháp thời gian tổng của Kuln

Thiết kế bộ điều khiển (PID) bằng phương pháp hằng

số thời gian tổng của kuhn

Phương pháp thời gian tổng của Kuhn được ứng dụng

để thiết kế luật điều khiển cho lớp đối tượng co điểm không và điểm cực nằm trên trục thực về bên trái trục ảo

Đối tượng có mô hình toán học như sau:

Phần 3 xây dựng chương trình mô phỏng

2) Sơ đồ mạch.

Phần 4 Kết Luận

Từ sơ đồ mạch nguyên lí ta có thể hiểu được

nguyên tắc hoạt động của hệ thống cũng như các linh kiện

Sơ đồ này được mô phỏng trên phần mềm mô phỏng proteus

Tính thực tế và phương hướng phát triển bài tập:

Với bài thiết kế hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ đã giúp cho chúng em hiểu được nguyên lí hoạt động của 1 số loại cảm biến hiện nay đặc biệt là encoder

Tuy nhiên vì đây là lần đầu làm bài tập lớn nên chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình trình

bày.Cho nên chúng em rất muốn có thêm sự đóng góp

ý kiến của thầy ,cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện tốt hơn và có kinh nghiệm cho những bài tập sau này

Chúng em xin trân thành cảm ơn!