THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 2 RC

Đề tài do thầy giáo Nguyễn Văn Vinh trường ĐH Công nghiệp Hà Nội giao được sự thực hiện của sinh viên lớp điện 4 k 9 HAui Bài làm hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của thầy, không cần phải chỉnh sửa thêm . FIle mô phỏng đã được đính kèm hoặc liên hệ Gmail: Longphamvan1996gmail.com để mình gửi Bài làm chất lượng lên mình lấy giá 50k nhé

Trang 1

BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 7

1

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 tương tự & vi mạch số 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 bài tập lớn không tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện bài tập lớn 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!

Trang 2

2

Mục Lục

Phần 1: Tìm hiểu chung

A- Mạch khuếch đại thuật toán

B-Mạch PID

Phần 2: Cấu trúc hệ thống

I-Sơ đồ khối hệ thống

II-Các linh kiện cần dùng

Phần 3: Xây dựng chương trình mô phỏng

Phần 4: Kết luận

Trang 3

3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 4

4

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 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 mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lí tưởng Tuy nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn

Trang 5

5

I Khuếch đại thuật toán lý tưởng

1, Kí hiệu và định nghĩa

Khuếch đại thuật toán lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn ( ZI

= ∞ ), trở kháng ra bằng 0 ( ZO = 0 ), hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn ( KO = ∞ ) và điện áp cửa ra bằng 0V khi điện áp vào các ngõ

vi sai bằng nhau ( UO = 0V, khi UI+ = -UI- )

Trong thực tế kỹ thuật không có bộ KĐTT lý tưởng, để đánh giá được các bộ KĐTT thực so với KĐTT lý tưởng người ta cắn cứ vào các thông số của mạch tích hợp KĐTT thực với các thông số lý tưởng

trên Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn gian ta vẫn có thể coi

các IC KĐTT thực được sử dụng như 1 KĐTT lý tưởng

2, Các mạch khuếch đại cơ bản dùng khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại đảo

Hệ số khuếch đại: KU = -Rf /Rin

Biểu thức của tín hiệu ra: VOut = -( Rf /Rin )*VIn

Trang 6

6

Từ các biểu thức trên thấy rằng tín hiệu điện áp tại cửa ra ( VOut )

và tín hiệu điện áp tại cửa vào ( UIn ) luôn ngược dấu ( ngược pha ) nhau Hệ số khuếch đại điện áp của mạch ( KU ) giảm so với hệ số khuếch đại mạch hở ( K0 ) và hệ số khuếch đại này chỉ phụ thuộc vào giá trị các phần tử mạch ngoài

Mạch khuếch đại không đảo

Hệ số khuếch đại của mạch: KU = 1 + R2/R1

Biểu thức điện áp ra: VOut = (1 + R2/R1)VIn

Từ các biểu thức trên ta thấy tín hiệu ra ( VOut ) và tín hiệu vào ( VIn ) của mạch khuếch đại không đảo luôn cùng dấu với nhau, hệ số khuếch đại điện áp của mạch ( KU ) giảm so với hệ số khuếch đại mạch hở (K0 ) của KĐTT và hệ số khuếch đại này chỉ phụ thuộc vào giá trị các phần tử mạch ngoài

Một ứng dụng thường dùng của mạch khuếch đại không đảo là

bộ lặp điện áp

Mạch lặp điện áp có điện áp ra bằng điện áp vào ( VOut = Vin ), kết hợp với điện trở cửa vào vô cùng lớn ( RI = ∞ ), nên rất thuận lợi

Trang 7

Sơ đồ các chân bộ KĐTT µA741

Chân 3: Ngõ vào không đảo Chân 7: Nguồn dương

Chân 4: V EE chân nối đến đầu âm nguồn kép Chân 8: Không dùng

Trang 8

8

Bảng so sánh thông số bộ KĐTT µA 741 với thông số bộ KĐTT lý tưởng

TT Các thông số KĐTT lý tưởng KĐTT µA741

sử dụng:

- Điều chỉnh điện áp bù ở một ngõ vào

- Điều chỉnh bù hồi tiếp âm dòng điện

Ngoài mạch tích hợp KĐTT µA741 còn 1 số mạch KĐTT khác có chức năng tương đương như µA709, LM324 …

II Mạch sử lý thuật toán tương tự

1, Mạch cộng

a, Bộ cộng đảo

Trang 9

Trang 10

Trang 11

11

b, Bộ tích phân không đảo

Đặt τ = RC/2 là hằng số thời gian của mạch tích phân

c, Bộ tỉ lệ - tích phân ( PI )

Thành phần Thành phần

4, Mạch vi phân

Trang 12

12

Bên cạnh đó KĐTT còn được sửa dụng rộng dãi trong nhiều loại mạch điện khác như: Mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, các mạch lọc tích cực, mạch khuếch đại đo lường …

B- Mạch PID

1, Giới thiệu bộ điều khiển 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 theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động

Trang 13

13

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

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi

để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển 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 cũ nhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Sơ đồ khối của bộ điều khiển

2, Mạch PID cơ bản:

Trang 14

14

PID cũng là mạch hay được sử dụng trong kĩ thuật điều khiển 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:

Vì tổng trở ngõ vào của KDTT vô cùng lớn, vậy dòng điện cửa vào của

nó coi như bằng 0, nên tại các ngõ vào đều có điện thế bằng 0

Từ đó ta có phương trình dòng điện nút tại N:

Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra:

Thay (1) vào (2):

Trang 15

hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ

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

- Thành phần vi phân (KD) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm

độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ

Ảnh hưởng của các thành phần KP, KI, KD đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:

Đáp ứng

vòng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

Trang 16

16

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng

- Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp,

Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau Trên thực tế, thay đổi một thành

phần có thể ảnh hưởng đến hai thành phần còn lại Vì vậy bảng trên

chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn KP, KI, KD Để chọn các tham số

của hệ thống PID người ta sẽ kết hợp 3 mạch: tỷ lệ, tích phân, vi phân lại với nhau Khi đó các tham số K P , K I , K D sẽ độc lập với nhau và dễ dàng điều chỉnh

Trang 17

17

Mạch PID gồm có 3 mạch nhỏ: Mạch tỉ lệ, Mạch tích phân, Mạch vi phân

Mạch Tỉ lệ (mạch khuếch đại đảo)

Mạch Tích phân không đảo

Trang 18

L, C

- Một số đối tượng bậc 2 thường gặp:

+) Đối tượng bậc 2 dao động RC

Trang 19

19

+) Đối tượng bậc 2 dao động RLC

B, 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 có điểm 0 và điểm cực nằm trên trục thực về bên trái trục ảo

Đối tượng có mô hình toán học như sau:

Hàm truyền:

Trang 20

20

Với điều kiện các hằng số thời gian ở tử số Tdm phải nhỏ hơn các hằng số thời gian tương ứng ở mẫu số Tn.

Để định nghĩa hằng số thời gian tổng TΣ là:

Với các hệ số PID được xác định như sau:

Trang 21

Trang 22

22

- Đồ thì dạng song khi có tác động cửa vào là 5VDC

Trang 23

23

Trang 24

24

- Khi cửa vào không còn tác động 5VDC

Trang 25

25

3) Nhận xét

Với mô hình vừa mô phỏng ta có thể thấy sau 1 khoảng thời gian chưa tới 2s kể từ khi có tác động ở của vào thì tín hiệu ở cửa ra sẽ ổn định Thời gian quá độ ngắn, độ vọt lố thấp rất tốt cho việc điều khiển Khi điểu kiển đối tượng là động cơ sẽ chống được sụt áp

Trang 26

26

Từ bài thiết kế hệ thống PID cho đối tượng bậc 2 chúng em có thể áp dụng hệ thống PID để điểu khiển các động cơ Từ đó đảm bảo các yêu cầu của hệ thống như: Tốc độ, Dòng điện, Momen… Và có thể áp dụng thêm 1 số thiết bị đo lường và cảm biến cho hệ thống như encorder……

Tuy nhiên vì đây là lần đầu làm bài tập lớn bằng phần mềm máy tính nên chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình trình bày Vậy nên chúng em muốn có thêm nhiều 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!

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	1,26 MB
File đính kèm	FileMoPhong.rar (16 KB)