thiết kế mạch điều khiển pid cho đối tượng bậc 3

Lời nói đầuNhư 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 v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI : Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3

Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh

Lớp : Tự động hóa 1_k6

sinh viên thực hiện : Nhóm 6

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề : 10/11/2013

Ngày hoàn thành :… 15/12/2013

Thời gian bảo vệ dự kiến : 20/12/2013

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 tiêncho 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 3”.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 Kuln để xác lập tham số cho bộ PID

Chúng 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 chúng em có thể hoàn thiện hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nội dung đồ án

Đề tài:Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3

Mô tả: Cho đối tượng bậc 3 ( mô phỏng bằng các nhóm R,C) Thiết kế bộ điều

chỉnh PID bằng KĐTT Dùng phương pháp thời gian tổng của kuln để xác lập các tham số cho PID

Khuyến khích:Tự xác định thành phần bộ điều khiển để hệ kín ổn định.

Phần thuyết minh

Yêu cầu về bố cục nội dung:

 Chương 1:tìm hiểu chung về mạch KĐTT và mạch PID.

 Chương 2:thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 3 với bộ điều khiển

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



_

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT VÀ MẠCH PID

1.1 Khuếch đại thuật toán lí tưởng………7

1.2.Khuếch đại thuật toán không lí tưởng……… 10

1.3 Mạch tích hợp KĐTT không lí tưởng µA741……… 10

1.4 Mạch cộng 11

1.5 Mạch trừ .13

1.6 Mạch tích phân .14

1.7 Bộ tỉ lệ - tích phân 16

1.8 Mạch vi phân 16

1.9 Mạch tỉ lệ - tích phân – vi phân (mạch PID) 18

1.9.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn .21

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3 2.1 Tìm hiểu về đối tượng bậc 3 22

2.2 thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 22

CHƯƠNG 3:XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 3.1.Mô phỏng 27

3.2:Tín hiệu ra 28

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT

VÀ MẠCH PID

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 thuật toán 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 mạch KĐTT luôn có các thong số thực là hữu hạn.

1.1 Khuếch đại thuật toán lí tưởng

1.1.1.Kí hiệu và định nghĩa

KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất, để thiết kế các mạch điện tử chức năng

Hình1 1 Kí hiệu và các chân ra của KĐTT

Ngõ vào có dấu (+) gọi là vào không đảo , kí hiệu In+, tín hiệu đưa đến kí hiệu là

UI+ Ngõ vào có dấu (-) gọi là ngõ vào đảo, kí hiệu In-, tín hiệu đưa đến kí hiệu là

UI- Các cửa vào được gọi là các của vào kiểu vi sai Out-ngõ ra, tín hiệu cửa ra kí hiệu là UO Ngõ cấp điện áp nguồn dương +UCC và ngõ cấp điện áp nguồn âm -

UCC.KĐTT lí tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (Z1=∞), trở kháng ra bằng 0 (ZO=0), hệ số khuếch đạivòng hở vô cùng lớn (K0=∞) và điện áp cửa ra bằng 0V, khi điện áp vào các ngõ vi sai bằng nhau (UO=0V, khi UI+ = UI-)

1.1.2 Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT

Mạch khuếch đại đảo

Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với KĐTT

Ta thấy, tín hiệu điện áp vào cần khuếch đại UI được đưa đến cửa vào đảo In- Trên

sơ đồ ngoài KĐTT (OP), còn có, RF- điện trở mạch phản hồi âm, R1- điện trở mạchvào, R2- điện trở nối đất với cửa vào không đảo In+

Mặt khác, do dòng điện chảy qua ZI bằng 0, nên điện áp tại nút n bằng 0, hay UI

-=0 Vậy kết quả ta có: 1

0

O I F

U U

Hệ số khuếch đại điện áp của mạch:

O U I

U K U



(1-3)

Cùng với biểu thức (1-2), ta có:

F U

I

R K

Vậy, điện trở vào của mạch khuếch đại đảo nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở cửa vào của KĐTT lí tưởng

Mạch khuếch đại không đảo

Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo của KĐTT lí tưởng

Hình 1.3.Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo với KĐTT

Vì điện trở cửa vào của KĐTT vô cùng lớn, nên dòng điện chảy qua R2 bằng 0 Từ

F U

R R K

R K

R

 

(1-9)Vậy, tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:

= 0 nên điện trở cửa vào mạch khuếch đại không đảo là RI = ∞, nghĩa là tương đương với điện trở cửa vào của KĐTT ta đang sử dụng

Một ứng dụng thường dung của mạch khuếch đại không đảo là để tạo ra bộ lặp điện áp có sơ đồ như trên hình 1.4

Hình 1.4 Mạch lặp lại điện áp với KĐTT

1.2.Khuếch đại thuật toán không lí tưởng

1.2.1 Cấu trúc của bộ KĐTT

Mạch tích hợp KĐTT phải đáp ứng các yêu cầu:có hệ số khuếch đại lớn,có lệch 0 nhỏ,các dòng điện tĩnh nhỏ,có điện trở vào lớn và có điện trở ra nhỏ,khi các điện

áp đến ngõ vào đảo và không đảo bằng nhau

1.3 Mạch tích hợp KĐTT không lí tưởng µA741

1.3.1 Sơ đồ mạch tích hợp KĐTT µA741

1.3.2.Hình dạng và chức năng các chân mạch tích hợp KĐTT µA741

chân 1 – bù tần số;

chân 2 – cửa vào đảo;

chân 3 – cửa vào không đảo; chân 4 – nguồn cung cấp âm; chân5 – bù tần số;

chân 6 – cửa ra;

chân 7 – nguồn cung cấp dương; chân 8 – không sử dụng.

1.4 Mạch cộng

1.4.1 Bộ cộng đảo

khi chỉ có UI1 tác động,tại cửa ra có điện áp U01=-UI1

khi chỉ có UI2 tác động tại cửa ra có điện áp U02=-UI2

khi chỉ có UI3 tác động tại cửa ra có điện áp U03=-UI3

Sơ đồ nguyên lý bộ cộng đảo 3 tín hiệu vào

Điện áp ra tổng tại ngõ ra sẽ là:U0=U01+U02+U03,vậy có:

Tổng điện áp cửa vào không đảo In+ là UP=UP1+UP1 và ta có:UP= UP1=R22 + UP2=R21

khi chỉ có tín hiệu UI1 tác động,ta có U01=-U1

khi chỉ có tín hiệu UI2 tác động,ta có U02=U12

Sơ đồ nguyên lý mạch trừBiểu thức điẹn áp ra sẽ có dạng:

Tại nút N có điện thế 0,vậy có:iF=-iI hay C =

Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân đảo

Có tín hiệu ra tỉ lệ tích phân với tín hiệu vào Tín hiệu vào được đưa vào chân đảo

Điện áp ra được xác định bằng biểu thức:

U0= -R1

1C∫U1dt

Với T=R1C gọi là thời gian tích phân,còn KI=được gọi là hệ số tích phân

1.6.2 Bộ tích phân không đảo

Sơ đồ nguyên lí mạch tích phân không đảo

Tín hiệu ra tỉ lệ tích phân với tín hiệu vào.tin hiệu vào được đưa vào chân không đảo của KĐTT U O= 2

RC∫U I dt

1.7 Bộ tỉ lệ- tích phân

Sơ đồ nguyên lí mạch tỉ lệ - tích phân không đảoMạch tỉ lệ tích phân có tín hiệu vào được đưa vào chân đảo của KĐTT Tín hiệu ra vừa tỉ lệ với tín hiệu vào và tỉ lệ với tín

Dòng điện mạch hồi tiếp:iF=

Nên tại nút của vào đảo,ta có:iF=- iI hay =- C1(Ui)

Tín hiệu vào được đưa qua tụ C1 rồi vào cửa đảo của KĐTT

Tín hiệu ra là đạo hàm của tín hiệu vào

1.9 Mạch tỉ lệ- tích phân- vi phân ( mạch PID)

GIỚI THIỆU BỘ PID:

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều

khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theovòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong có hồi tiếp được sử dụng rộng rãitrong các hệ thống điều khiển tự động

Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra vàngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phùhợp

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điềukhiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lýlàm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớnnhư điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tínhhay có mức độ phi tuyến thấp

PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuynhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

Vậy dòng mạch hồi tiếp: iF=-(+C1) thay vào (*) ta được:

-U0=RF(+C1)+ʃ(+C1)dt

Sơ đồ mạch PID thường dùng

Để được đặc tính theo yêu cầu thường chọn R1>>R2 và R3>>RF ta có các tần số riêng:

f

R C





CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3

2.1) Tìm hiểu về đối tượng bậc 3

- Đối tượng bậc 3 là gì ?

Cách đơn giản nhất để xác định một đối tượng bậc 3 là dựa vào hàm truyền đạt của đối tượng nếu hàm truyển có bậc 3 tức đó là đối tượng bậc 3 Các đối tượng bậc 3 thường được ghép bởi các phần tử R,L,C.

2.2) thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3.

Bước 1: Bước 1 xác định hệ thống điều khiển PID gồm 3 thành phần

- Khâu tỷ lệ : là một mạch khuếch đại đảo có K U=−R F

R1

Với RF là điện trở phụ và R1 là điện trở vào

Do mạch có tín hiệu ra đảo nên ta phải đảo lại tín hiệu để đảm bảo tín hiệu ra

ở cả ba khâu cùng dấu (+) (điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh)

- Khâu tích phân: được lấy là bộ tích phân không đảo

Hình 2.1:Đối tượng bậc 3 được điều khiển

Bước 2: chọn linh kiện

Linh kiện sử dụng trong mạch

1 Khuếch đại thuật toán 741

C4=T D

R10=

0,020875

10 4 =2,0875(μFF)

CHƯƠNG 3:XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

3.1:Mô phỏng

Sau khi tính toán lại giá trị các linh kiện ta được mạch nguyên lý như sau:

Hình 3.1:Sơ đồ nguyên lý