Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3

Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3

ĐỒ ÁN MÔN HỌC VMTT_VMS

Số:6 Khoa:Điện

Lớp : Tự đông hóa 2 Khóa: 5

Sinh viên thực hiện: Đào Văn Sự

Mã SV:0541240171

NỘI DUNG

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 PID

Chương 3:Xây dựng chương trình mô phỏng

Lời nói đầu

Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo

đó là những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực dời sống, công

nghiệp Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dưòng như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng kha rộng rãi, một giả pháp đa năng chocác ứng dụng cả

Analog cũng như Digital Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID Rõ ràng nếu có thiết kế và chọn lựa các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… sao cho phù hợp đối với các đối tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại.Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi,bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định.

Lời cảm ơn

Đầu tiên , em xin gửi lời cảm ơn tới nhà trường , khoa điện, bộ môn

đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em học tập cũng như nghiên cứu

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Văn Vinh- người đã hết sức tận tình chỉ bảo , định hướng , góp ý, định hướng ý tưởng thực hiện cũng như chỉ dẫn tài liệu để thực hiện đề tài này

Với một sinh viên năm thứ 3 , khi mà lý thuyết cũng như kiến thức

thực tế còn chưa có nhiều thì đề tài này thực sự khó nhưng khá bổ ích

với chúng em Tuy nhiên trong quá trình thực hiện , với kiến thức còn ít

ỏi của mình thì em khó có thể tránh khỏi những sai sót cũng như nhầm

lẫn , nên em mong quý thầy cô góp ý để em có thể hiểu rõ hơn vấn đề

Chúng em xin chân thành cảm ơn.

Nhóm 6 Tđh2K5



NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Mục Lục

Chương I:Tìm hiểu chung về mạch khuếch đại thuật toán và mạch PID

1.1 Mạch khuếch đại thuật toán

1.1.khuếch đại thuật toán lí tưởng

1.2.khuếch đại thuật toán không lí tưởng

II Mạch tỉ lệ- tích phân- vi phân (mạch pid)

1.3.mạch pid cơ bản

1.4.mạch pid thường dùng

Chương II:Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 2 với bộ điều khiển PID……….

2.1.khái quát bộ điều khiển PID

Chương 1: Tìm hiểu về mạch KĐTT và mạch PID.

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 3 với bộ điều khiển PID

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng.

Chương I.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

VÀ MẠCH PID 1.1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

1.1.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG

1.2.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN KHÔNG LÍ TƯỞNG

II MẠCH TỈ LỆ- TÍCH PHÂN- VI PHÂN (MẠCH PID)

1.3.MẠCH PID CƠ BẢN

1.4.MẠCH PID THƯỜNG DÙNG

1.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

+Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất.

+Tính ưu việt của bộ KĐTT 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 (coi bộ KĐTT như hộp đen).

+Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có các đặc tính sau đây:

-Hệ số khuếch đại rất lớn;

-Trở kháng cửa vào rất lớn;

-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 Amplìfier, 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.

+Ta xét 2 trường hợp: KĐTT lí tưởng và KĐTT không lí tưởng

1.1.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG

Hình 1.1 Kí hiệu và các chân ra của KĐTT

+Các chân ra cơ bản:

+Trong thực tế kĩ thuật không có bộ KĐTT lí tưởng Để đánhgiá được các bộ KĐTT thực so với KĐTT lí tưởng người ta căn

cứ vào các thông số của IC KĐTT thực với các thông số lí tưởngtrên Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta vẫn cóthể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như là IC KĐTT lítưởng

+ Mạch điện tương đương KĐTT lí tưởng:

Hình 1.2 Sơ đồ tương đương của KĐTT

lí tưởng

1.1.2.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT

a Mạch khuếch đại đảo +Sơ đồ (xem hình 1.3.)

R - điện trở nối đất với cửa vào không đảo In ;

+Các biểu thức sau: -Vì ZI  , vậy dòng điện chảy qua nó bằng0: tại nút N có: i I + i F = 0 ; Vây:

0 R

U U

-Dòng điện chảy qua Z I bằng 0, nên điện áp tại nút N bằng

I

R

U R

-Tín hiệu U O và U I luôn ngược dấu nhau;

-Hệ số khuếch đại của mạch K U giảm so với K 0 ;

-Nhưng hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vao giá trị các phần

tử mạch ngoài

+Điện trở cửa vào mạch khuếch đại đảo

-Điện trở tương đương lối vào

0, nghĩa là điện áp tại cửa vào bằng 0, nên ta có:

b.Mạch khuếch đại không đảo

+Sơ đồ (xem hình 1.4.): R 1, R F - các điện trở tạo mạch phảnhồi âm;

+Điện trở cửa vào mạch khuếch đại không đảo

-Ta cần tìm điện trở tương đương lối vào của mạch

I

I

I U / i

R 

-Từ sơ đồ mạch ta có iI  0, nên: -Điện trở cửa vào mạchkhuếch đại không đáo là: RI  ,

+Một ứng dụng thường dùng của mạch khuếch đại không đảo:

I

U

O

U OP

Hình 1.5 Mạch lặp lại điện áp với KĐTT1.2.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN KHÔNG LÍ TƯỞNG

1.2.1.Cấu trúc của bộ KĐTT

+Cấu trúc đa dạng tùy thuộc vào mục đích sử dụng

+Cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:

-Có hệ số khuếch đại lớn; -Lệch 0 nhỏ; -Các dòng điệntĩnh nhỏ;

-Điện trở vào lớn; -Điện trở ranhỏ;

-Điện áp ra UO  0, khi các điện áp đến các ngõ vào đảo vàkhông đảo bằng nhau (UI  UI )

+Sơ đồ cấu trúc dạng tổng quát (xem hình 1.6.)

-Tầng 2 cũng là khuếch đại vi sai;

-Các tầng trung gian: tầng 3 và tầng 4, có nhiệm vụ khuếchđại tín hiệu đủ lớn cung cấp cho cuối Trong đó:

Có mạch bảo vệ ngắn mạch

+Các IC KĐTT thông dụng hiện nay thường có:

-Độ trôi dòng điện và điện áp nhỏ;

-Trong mạch có thể có mạch khuếch đại điều chế;-Mỗi IC có thể có đến 20 tranzito lưỡng cực vàtranzito trường;-Nguồn cấp đối xứng  Ucc

+Các ứng dụng: Chỉ dùng để khuếch đại tín hiệu cócông suất nhỏ, tần số

1.2.2.Các thông số đặc trưng cuả vi mạch KĐTT

a.Hệ số khuếch đại điện áp vòng hở (mạch không có hồi tiếp)

+Kí hiệu là K O  





I I

b Tổng trở ngõ vào là Z I( hoặc r I ) , là tổng trở của mạch nhìn

từ một ngõ vào, ngõ còn lại được nối đất Có giá trị rất lớn, từ

Ω )

10

(103  6

c Tổng trở ngõ ra là Z O( hoặc r O) , là tổng trở của mạch nhìn

từ ngõ ra Có giá trị rất nhỏ, từ vài chục đếm vài trăm Ω

d Dòng điện phân cực cửa vào là i B , là dòng điện trung bìnhđến 2 cửa vào đủ để các transito cửa vào làm việc bình thường

Độ lớn của dòng điện này cỡ 1μ A

e.Nguồn điện cung cấp: một chiều đối xứng/ từ  3V   15V

f Mức điện áp tín hiệu vào ( U Imax): thấp hơn nguồn

i.Điện áp chuyển dịch cửa ra

+ Là giá trị điện áp cửa ra vẫn tồn tại khi điện áp giữa các cửavào vi sai bằng 0

k Dải tần số cho phép: Thông thấp/ +Dải tần cho phép của

f

f

Hình 1.7 Đồ thị mô tả dải tần số cho phép của KĐTTkhông lí tưởng

l Tốc độ quét (S)+Là biến thiên cho phép của U O theo sự thayđổi của U I.

# T 1, T 2,T 3,T 4 lắp đặt theo kiểu Kascode để tăng khảnăng KĐ dòng điện;

#T 8, T 9 tạo lập bộ ổn định dòng điện cho tầng vào;

# có hệ số KĐ cỡ (102  103) lần;

#T 5, T 6,T 7 - mạch KĐ vi sai đối xứng ở cửa vào, khôngđối xứng ở cửa ra

-Tầng thứ 2: #T 16, T 17-mạch Dalington:điện trở vào lớn, KĐlớn (cỡ 50 dB)

-Tầng ra gồm:

#T 14, T 20 tạo thành mạch công suất, mắc theo kiểu bù;

#T 15, T 19,R 10,R 11 lập bộ hạn chế dòng điện, bảo vệ ngắnmạch cửa ra:

#T 18,R 6,R 7 lập bộ định mức để dòng điện tĩnh mạch ra ổnđịnh

#R 5 quy định dòng điện tĩnh toàn mạch

#C 1 là tụ bù tần số (để có suy giảm -20dB trong khoảngtần số từ (5  10 ) Hz

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

5 6

7 8

Hình 1.9 sơ đồ chức năng các chân bộ KĐTT .A741

+Tên gọi và chức năng các chân

Chân 1- Bù tần số; Chân 2- Cửa vào đảo;

Chân 3- Cửa vào không đảo; Chân 4- Nguồn cung cấp âm;Chân 5- Bù tần số; Chân 6- Cửa ra;

Chân 7- Nguồn cung cấp dương; Chân 8- Không sử dụng

1.3.3.Các phương pháp cân bằng điểm 0

a Điều chỉnh điện áp bù ở một ngõ vào

Hình 1.10 Sơ đồ điều chỉnh điện áp bù ở mộtngõ vào

+Nguyên lí: -Điện áp U AB có điện áp nhỏ (cỡ 0,5V);

-Xê dịch con trượt biến trở VR sẽ đạt được UO  0V, khi

In

-+

In

1 3 2

Hình 1.11 Sơ đồ điều chỉnh điện áp bù với hồitiếp âm dòng điện

+Nguyên lí: -Các chân 1 và 5 liên quan đến cửa vào tầng khuếchđại vi sai thứ 2 của μ A741;

-Xê dịch con trượt biến trở VR sẽ đạt được UO  0V, khi

UI

O

U OP

Vïng

tØ lÖ Vïng

2

Hình 2.1.a Sơ đồ nguyên lí mạch tỉ lệ-tích phân-viphân cơ bản

+Biểu thức:

-Vì tổng trở vào của KĐTT vô cùng lớn, vậy dòng điện cửavào của nó coi như bằng 0, nên tại các ngõ vào đều có điệnthế bằng 0

-Từ sơ đồ ta có điện áp ra của mạch:

F

C

1 o

U   iFdt + R F i F (2-1)

-Trong khi đó, tổng các dòng điện tại nút N :

0 i dt

dU C R

U

F

I 1 1

U R

1

I F

1 1

F

C

C R

R U

1

 UI dt + R C dUdtI

1 F

(2-3)

F 1 F

1

1 1 F

p C R

1 C

R

C R C R







-Kí hiệu: R 1 C 1  T 1 = 1/ ω 1 ; R F C F  T 2= 1/ ω 2 ;Trong đó: ω 1>ω 2

(p)

KU = T T p R(TC pT )p 1

F 1

2 1

2 2

2 1

C R

) T (T 

… Mạch tác động như khâu tỉ lệ

#Khi : ω> ω 1, các thành phần 2 và 3 ở tử số của

(2-4) sẽ bỏ qua, vậy còn: KU(p) =

F 1

2 1

C R

p T T

… Mạch

Vậy ta có hình dáng đặc tính tần số logảit gần đúng nhưtrên hình 2.1.b

+ Nhận xét: Từ đặc tính tần số ta they, với nhiễu coa tần số cao

và thấp đều có thể dẫn đến sự không ổn định của mạch Nênmạch PID cơ bản ít được sử dụng

R >> R F

-Cùng với lựa chọn các linh kiện khác, ta có các tần sốriêng:

F 3

3 2 π R C

1

f 

F F

2 2 R C

1 f

π



1 1

1 2 R C

1 f

π



1

tØ lÖ

Vïng

tØ lÖ Vïng

0

Hình 2.2.Mạch tỉ lệ-tích phân-vi phân thường dùnga)Sơ đồ nguyên lí; b)Đặc tính tần số logarit

CHƯƠNG II :THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG BẬC 3 VỚI BỘ ĐIỀU

KHIỂN PID 2.1 KHÁI QUÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.

Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong

bộ điều khiển gồm :Khâu khuếch đại (P), khâu tích phân

(I) và khâu vi phân (D)

PID là một bộ điềukhiển hoàn hảo gồm ba tính chất

khácnhau:

- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỉ -Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân)

lệ).-Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi tình huống trong quátrình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Hình vẽ : Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theonguyên lí hồi tiếp

Lí do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi làtính đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lí làm việc

Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t) , tín hiệu điều chỉnh u(t)càng lớn ( vai trò của khuếch đại k p)

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần ui(t) , PID vẫn còn tạo tínhiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân TI)

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thànhphần uD(t) , phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai tròcủa vi phân TD)

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình vào ra:

u(t)=kp[e(t) ]

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào ,

u(t) là tín hiệu đầu ra ,

kp,Ti,TD cho bộ điều khiển PID

2.2.Các thành phần của hệ thống

Y(t)

T

U(t)

++

+

+-

Mạch tích phân không đảo

Mạch vi phân

b.Đối tượng bậc 3

Đối tượng bậc 3 không dao động

2.3.Tính toán các tham số cho bộ điều khiển PID dùng phương pháp thời gian tổng cuả 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:

K p = 1/K 0

T i = 2T ∑ /3

Kết quả mô phỏng

Hiển thị trên analogue

Hiển thị trên osilo

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 bộ PID điều khiển đối tượng bậc 3 đã giúp cho chúng

em hiểu được nguyên lí hoạt động của 1 số linh kiện và nguyên lí của mạch tương tự.

Đây là lần đầu làm đồ án môn học nên sự thiếu sót về kiến thức cũng như cách trình bày là ko thể tránh khỏi.Chính vì vậy 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 đồ án môn học sau này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm 6 TĐH-2K5