Báo cáo Đồ Án liên môn 1 thiết kế hệ thống Điều khiển cánh quạt phẳng 2

Điều khiển PID sử dụng phản hồi về sai số giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị đầu ra mong muốn để điều chỉnh các thông số của hệ thống và đưa đầu ra về giá trị mong muốn.. - Việc điều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

🙟🙟🙟

KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 1:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH QUẠT PHẲNG

Giảng viên hướng dẫn : TS Trần Thị Minh Dung

TS Nguyễn Khánh Quang

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Chí Nguyên (C)

Võ Nguyện Khâm Mai Văn Hiếu Trần Huy Hoàng

Lê Trung Kiệt

Đà Nẵng, 2023

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án, mặc dù gặp phải nhiều

khó khăn nhưng được sự giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ quý Thầy

Cô và các bạn nên Đồ án đã hoàn thành đúng tiến độ Em xin

chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Khánh Quang, cô Trần Thị

Minh Dung đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kinh nghiệm quý

báu

Em cũng xin cảm ơn các thành viên trong lớp 21TDHCLC2 đã

có những ý kiến đóng góp, bổ sung, cũng như động viên khích

lệ giúp em hoàn thành tốt đề tài

Mặc dù nhóm thực hiện đã cố gắng hoàn thiện được đồ án,

nhưng trong quá trình soạn thảo cũng như kiến thức còn hạn

chế nên có thể còn nhiều thiếu sót Nhóm thực hiện mong nhận

được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh

viên

Sau cùng nhóm thực hiện xin chúc Thầy cô sức khoẻ, thành

công và tiếp tục đào tạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất

nước Chúc các bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ

công lao các Thầy Cô đã giảng dạy Nhóm thực hiện xin chân

thành cảm ơn

Trân trọng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ

MỞ ĐẦU

I Tính thiết yếu của đề tài

II Mục tiêu đề tài

III Hướng giải quyết của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HOÁ VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG

2.1 Phân tích hệ thống

2.2 Mô hình hoá hệ thống

2.2.1 Khối động cơ

2.2.2 Khối dòng đi từ cánh quạt đến tấm phẳng

2.2.3 Khối liên hệ của lực tác động lên tấm phẳng

2.2.4 Hàm truyền của toàn bộ hệ thống

2.3 Nhận dạng hàm truyền bằng phương pháp thực nghiệm

2.3.1 Số liệu thực nghiệm

2.3.2 Nhận dạng hàm truyền và kết luận

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Khái quát về bộ điều khiển PID

3.2 Thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp Zeigler-Nichols

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC TẾ

4.1 Thiết kế phần cơ khí

4.2.3 Khối mạch khuếch đại

4.2.4 Khối nguồn cung cấp

4.2.5 Sản phẩm khi hoàn thiện

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

MỞ ĐẦU

I Tính thiết yếu của đề tài

- Trong lĩnh vực tự động hóa, việc điều khiển các thiết bị hoạt động chính xác vẫn là một thách thức lớn đối với các kĩ sư Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương pháp và thuật toán đã được phát triển, trong đó điều khiển PID là một trong những thuật toán phổ biến nhất và được ứng dụng rộng rãi Điều khiển PID sử dụng phản hồi về sai số giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị đầu ra mong muốn để điều chỉnh các thông số của hệ thống và đưa đầu ra về giá trị mong muốn

- Việc điều khiển giảm thiểu sai số đầu ra của hệ thống quạt gió cánh phẳng là một yếu tố vô cùng quan trọng trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong các

hệ thống làm mát và thông gió Việc giảm thiểu sai số đầu ra này có thể giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu suất của hệ thống, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật điều khiển phản hồi, bao gồm điều khiển PID, được sử dụng để tự động điều chỉnh các thông số của hệ thống Điềunày giúp đầu ra đạt được giá trị mong muốn với độ chính xác cao nhất, từ đó nâng cao hiệu suất hệ thống và giảm tiêu thụ năng lượng trong các ứng dụng thực tế

II Mục tiêu đề tài

- Đề tài Hệ thống quạt gió cánh phẳng gồm các mục tiêu sau:

+ Hoạt động nhóm hiệu quả

+ Mô hình thực nghiệm đạt yêu cầu

+ Xây dựng mô hình và nhận dạng hệ thống điều khiển

+ Tính chọn bộ điều khiển và mô phỏng bộ điều khiển

+ Đánh giá, nhận xét ảnh hưởng của các tham số bộ điều khiển, đối tượng

III Hướng giải quyết của đề tài

- Lập nhóm, phân công nhiệm vụ, vai trò của các thành viên trong nhóm

- Xây dựng mô hình hệ thống (trừ bộ điều khiển) và đưa ra sơ đồ khối của hệ thống

- Tìm hiểu thuật toán PID, mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink

- Thiết kế mô hình thực tế, tiến hành đo thu thập số liệu vào/ra các khâu của hệ thống

- Nhận dạng hệ thống, tìm hàm truyền của hệ thống bằng công cụ System Identification.

- Thiết kế và hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển

- Thiết kế mạch điện

- Mô phỏng PID

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

- Để giúp sinh viên làm quen và nắm bắt khái niệm về Dự án Liên môn, các

giáo viên đã đưa ra dự án Thiết kế hệ thống Quạt gió - Cánh phẳng Dự án này yêu cầu áp dụng các kiến thức của nhiều môn học khác nhau để xây dựng hệ thống quạt gió cánh phẳng, một hệ thống khí động học có tính phi tuyến mạnh

và nhạy cảm với nhiễu Nghiên cứu hệ thống quạt gió này cũng là cơ hội để tìm hiểu và áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

- Khi set một setpoint (góc), có nghĩa là truyền vào một điện áp bất kì, bộ điều khiển PID sẽ điều khiển động cơ DC vận hành, tạo ra một luồng khí tác động tớicánh phẳng, làm thay đổi góc ban đầu của cánh phẳng Vì rotary encoder đã tíchhợp với vị trí ban đầu của cánh phẳng, cho nên khi cánh phẳng thay đổi góc, thì rotary encoder sẽ phát xung về bộ điều khiển PID, cho biết là góc ban đầu đã thay đổi Từ đó bộ PID loại bỏ tín hiệu nhiễu, giảm thiểu sai số giữa đầu vào và đầu ra

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 1 Sơ đồ khối của hệ thống

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HOÁ VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG

P là áp suất gió tác động lên cánh phẳng.

l M là khoảng cách giữa tâm quay và trọng tâm của cánh phẳng

2.2 Mô hình hóa hệ thống

- Về mặt vật lí, động học của hệ thống có thể được chia thành 3 thành phần:

Hình 3 các thành phần động học của hệ thống

* Trong đó: T1 là thời hằng motor.

2.2.2 Khối dòng khí đi từ cánh quạt đến tấm phẳng

- Phương trình liên hệ giữa tốc độ quạt và lực đẩy tác động lên tấm phẳng:

F =k Ω2

- Hàm truyền mô tả thời gian để dòng khí từ cánh quạt đến tấm phẳng:

G2( s)=e −τs

* Trong đó: τ là thời gian trễ giữa của luồng khí từ cánh quạt đến tấm phẳng

2.2.3 Khối liên hệ của lực tác động lên tấm phẳng

- Hàm truyền mô tả tác động của dòng khí và góc nghiêng của tấm phẳng

l P là khoảng cách giữa tâm quay và tâm của lực tác động

l M là khoảng cách giữa tâm quay và trọng tâm của cánh phẳng

b là hệ số damping

2.2.4 Hàm truyền của toàn bộ hệ thống

- Từ các phương trình trên ta có được hàm truyền của đối tượng quạt gió cánh phẳng:

G ( s)=G1( s)G2( s)G3( s)= K1

T1s+1·

(e −τs ) A l P cos Ψ0

J s2+bs+MG l M cos Ψ0+F0A l P sin Ψ0

- Tuy hàm truyền G(s) của đối tượng điều khiển quạt gió cánh phẳng là hàm bậc

3, trong đó bỏ qua sự xoáy của dòng khí gây ra dao động của cánh nên có sai lệch giữa hàm truyền G(s) với mô hình thật Ngoài ra các tham số thay đổi theo chế độ làm việc và luôn chịu tác động của nhiễu, và để xác định tham số M, G,

A, l, J , của đối tượng rất khó khăn Nên ta sẽ nhận dạng mô hình toán học của đối tượng bằng thực nghiệm

2.3 Nhận dạng hàm truyền bằng phương pháp thực nghiệm:

2.3.1 Số liệu thực nghiệm:

- Đo tín hiệu I/O lấy mẫu làm nhận dạng, lấy một tín hiệu Input, đo thời gian nhiều lần đến khi vẽ được đồ thị đáp ứng quá độ, rồi lại chuyển sang u2, lặp lại tương tự

-Trong đó, Input là điện áp cấp vào động cơ, Output là góc đo được

Hình 4 Các số liệu nhận dạng của hệ thống

2.3.2 Nhận dạng hàm truyền:

- Sau khi thu thập dữ liệu vào/ra hệ thống và xử lý tín hiệu tiến hành đưa tập dữ

liệu này vào công cụ nhận dạng: System Identification Toolbox của phần mềm

Matlab

* Các bước thực hiện:

● Tạo vector đầu vào/ra u, y trong Workspace

● Mở System Identification trong matlab bằng Apps hoặc Command Line (>>Ident hoặc >>systemIdentification)

● Import data vào trong app

● Plotting data: Chỉnh sửa lại dữ liệu nếu cần thiết (Remove means), Chia

dữ liệu thành hai phần: Một phần dùng để ước lượng mô hình, một phần

để kiểm tra mô hình

● Ước lượng thông số mô hình

● Đưa mô hình ra Workspace Matlab

Thực hiện, ta được các trường hợp sau:

a Trường hợp tf1: 1 Poles, 0 Zeros

Hình 5 Trường hợp 1 Poles, 0 Zeros

b Trường hợp tf2: 1 Poles, 1 Zeros

Hình 6 Trường hợp 1 Poles, 1 Zeros

c Trường hợp tf3: 2 Poles, 0 Zeros

Hình 7 Trường hợp 2 Poles, 0 Zeros

d Trường hợp tf4: 2 Poles, 1 Zeros

Hình 8 Trường hợp 2 Poles, 1 Zeros

e Trường hợp tf5: 3 Poles, 0 Zeros

Hình 9 Trường hợp 3 Poles, 0 Zeros

f Trường hợp tf6: 3 Poles, 1 Zeros

Hình 10 Trường hợp 3 Poles, 1 Zeros

❖ Kết luận:

- Dưới đây là “Model Output” của hàm truyền nhận dạng được:

Hình 11 Các Model Output của hệ thống

- Nhìn vào Mức độ nhận dạng (Best Fits), có thể thấy được trường hợp tf4: 2 Poles, 1 Zeros có độ nhận dạng chính xác nhất lên đến 93.18%

- Vậy hàm truyền của hệ thống trong miền liên tục có dạng:

Hình 12 Hiệu chỉnh PID bằng Matlab

- Click đúp chuột vào PID Controller ta được bảng Block Parameters sau đó chọn Tune Điều chỉnh thanh Response time (second) và Trasient behavior sao cho đồ thị có độ mịn và độ lọt vố thấp hơn 10%

Hình 13 Hiệu chỉnh tham số PID bằng PID Tuner

- Sử dụng các thông số KP = 17.46, KI = 16.84, KD = 3.424 ở cuối góc dưới phíabên phải màn hình của bảng PID Tuner Sau đó ta Update các thông số này cho PID

- Sau khi Update các thông số KP, KI, KD cho PID, nhấn vào nút Scope > Nhấn run ta được đồ thị của hệ thống:

Hình 14 Kết quả mô phỏng của hệ thống

- Ta thu được mô phỏng đáp ứng của hệ thống:

o Sai số xác lập ≈ 0

o Độ lọt vố: POT = 1.08−11 100% = 8%

o Số lần dao động: N= 1

o Thời gian đáp ứng

● Thời gian lên đỉnh (Peak Time): tp ≈ 0.1s

● Thời gian nâng (Rise Time): tr ≈ 0.99s

● Thời gian quá độ (Settling Time): ts ≈ 1.86s

Suy ra: Hệ thống ổn định

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Khái quát về bộ điều khiển PID:

- Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần:

+ Khâu khuếch đại (P)

+ Khâu Tích phân (I)

+ Khâu vi phân (D)

- Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay

D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID

Hình 15 Cấu trúc bộ điều khiển PID

- Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ sửa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trìnhquá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

+ Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uP(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn

+ Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh

+ Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phảnứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Hình 16 Sơ đồ khối của hệ thống

- Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:

u (t )=K P¿

*Trong đó:

- e(t): Tín hiệu đầu vào

- u(t): Tín hiệu đầu ra

- Kp: Hệ số khuếch đại

- TI: Hằng số tích phân

- TD: Hằng số vi phân

3.2 Thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp Zeigler-Nichols:

- Phương pháp Zeigler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Bộ điều khiển PID cần thiết kế có hàm truyền là:

- Zeigler và Nichols đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tuỳ theo đặc điểm của đối tượng

a Cách 1:

- Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như hình dưới đây:

mà tăng đến vô cùng Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng quá độ của hện kính như dưới dưới đây Tăng dần hệ số khuếch đại của hệ kín đến giới trị giới hạn Kgh, khi đó đáp ứng ra của

hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định với chu kỳ Tgh.

Hình 18 Đáp ứng nấc của hệ bậc 2

- Thông số bộ điều khiển P, PI, PID được chọn như sau:

❖ Kết luận:

- Vì đáp ứng của hệ hở là hàm nấc có dạng:

Hình 19 Đáp ứng nấc của hệ thốngnên ta sử dụng phương pháp 1 của Zeigler-Nichols:

- Với KP = 17.46, KI = 16.84, KD = 3.424 bộ điều khiển PID cần thiết kế có hàm truyền là:

G(s) = 17.46 +16.84

s + 3.424s = 17.46 (1+ 1

1.04 s +0.2 s)

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC TẾ

4.1 Thiết kế phần cơ khí

4.1.1 Phần đế

- Làm bằng ván ép, kích thước 35x26x7cm, có bề mặt phẳng, đảm bảo yêu cầu

và tính thẩm mỹ, dễ gia công và tìm kiếm, giá thành rẻ

Hình 20 Tấm gỗ

4.1.2 Trục ngang gắn cánh phẳng

- Được làm từ inox, có đường kính 8mm

Hình 21 Trục xoay

4.1.5 Động cơ

Hình 24 Động cơ

4.2 Thiết kế phần điện

4.2.1 Bộ điều khiển PID sử dụng OP AMP

- Một Operational Amplifier (op-amp) là một mạch điện tử vô cùng quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử, bao gồm cả điều khiển PID (Proportional-

Integral-Derivative) Trong các hệ thống điều khiển PID, op-amp được sử dụng như một bộ so sánh (comparator) để so sánh tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu ra

- Cụ thể, trong hệ thống điều khiển PID, op-amp được sử dụng để so sánh giá trịđầu vào (thường là giá trị đặt trước hay setpoint) với giá trị đầu ra (thường là giátrị đo được hay feedback)

- Kết quả của phép so sánh này được sử dụng để tính toán giá trị lỗi (error) của

hệ thống điều khiển, tức là hiệu số giữa giá trị đầu vào và giá trị đầu ra

- Giá trị lỗi này được sử dụng để tính toán các thông số của hệ thống điều khiển PID, bao gồm hệ số tỷ lệ (proportional), hệ số tích phân (integral) và hệ số vi

phân (derivative) Các thông số này được tính toán bằng cách sử dụng các thànhphần điện tử như tụ, điện trở, cuộn cảm,

- Các loại mạch Op amp phổ biến:

+ Mạch khuếch đại đảo: Tín hiệu ngõ ra đảo pha so với tín hiệu ngõ vào.

+ Mạch khuếch đại không đảo: Tín hiệu ngõ ra cùng pha so với tín hiệu ngõ

vào

+ Mạch cộng đảo: Tín hiệu ngõ ra là tổng giữa các thành phần ngõ vào nhưng

trái dấu

+ Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ): Mạch chỉ khuếch đại khi giữa hai tín

hiệu ngõ vào có sự sai lệch về điện áp

+ Mạch tích phân: Tín hiệu ngõ ra là tích phân tín hiệu ngõ vào.

+ Mạch vi phân : Tín hiệu ngõ ra là vi phân tín hiệu ngõ vào.

-Bọn em quyết định sử dụng loại Op Amp IC LM741 để thiết kế mạch PID

Hình 25 IC Op Amp LM741

Thông số kĩ thuật của Op Amp LM741

● Độ lợi điện áp: 200.000 cho tần số thấp (200 V / mV)

- Kết hợp các linh kiện điện tử gồm Op Amp, điện trở, tụ điện, biến trở nhóm

em vẽ được sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển PID điện tử sử dụng Op Amp trên phần mềm Protues như sau:

Hình 26 Sơ đồ nguyên lí mạch PID vẽ trên phần mềm Proteus

Hình 27 Mô phỏng 3D mạch in PID sử dụng Op Amp

4.2.2 Khối cảm biến

- Nhóm em sử dụng cảm biến đo góc MCU-103, để lấy tín hiệu phản hồi

Hình 28 Cảm biến đo góc MCU-103

- Tín hiệu mà cảm biến góc xoáy MUC-103 đưa về là tín hiệu điện áp ở dạng tương tự có biên độ từ 0-5 Tín hiệu cao nhất (5V) khi góc đạt 333’ Tuy nhiên,

do hệ thống của nhóm em chỉ đạt góc cao nhất là ~55’ nên ta cần khếch đại tín hiệu để điện áp có thể đạt 5V khi cảm biến đo được góc ~55’ Vì vậy, nhóm em làm thêm một mạch khếch đại không đảo để thực hiện chức năng này

4.2.3 Khối mạch khếch đại

Khối này khếch đại đầu ra của mạch PID Op Amp bằng BJT

Hình 29 Sơ đồ nguyên lí mạch khếch đại BJT

Hình 30 Mô phỏng 3D của mạch khếch đại BJT

4.2.4 Khối nguồn cung cấp

- Mạch nguồn này gồm 4 khối: Khối biến áp, khối chỉnh lưu, Bộ lộc và Khối ổn áp

+ Khối biến áp:

Hình 31 Khối biến áp

+ Sơ đồ mạch cung cấp nguồn cho mạch PID Op Amp: