Nội dung

Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN  Đề Tài: Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2 Giáo Viên Bộ Môn : Nguyễn Văn Vinh Nhóm 3 –Lớp TĐH2 K5 Sinh viên thực hành: Nguyễn Thanh Hiếu(NT) Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 1 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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. Mục Lục Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 2 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 3 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ____________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________ _________ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 4 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 mahcj điện tử đơn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 5 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN giản cũng được coi là lí tưởng . Tuy nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thong số thực là hữu hạn. I Các mạch tính toán và điều khiển 1 Mạch cộng đảo: Áp dụng quy tắc dòng điện cho nút N ta có : Vin1 Vin 2 Vinn Vout + R +…+ R + R =0 R1 2 n N  RN  R R vin1  N vin 2  ...  N vinn  R1 R1  R1  vout = -  2 Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 6 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Hình 1.2. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn. Viết phương trình dòng điện cho nút N: Vin V3  0 R1 Rn Mà : V3 Vout R3 R2  R3  Hệ số khuếch đại của mạch Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn thì phải chọn R1 nhỏ. Lúc đó trở kháng vào của mạch Zv=R1 nhỏ. Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách chọn R2 R1=Rn lớn. Do đó K’ chỉ còn phụ thuộc vào R3 Có thể tăng chỉ số này tùy ý mà không ảnh hưởng tới trở kháng vào Zv=R1=Rn của mạch. Với cấu tạo như Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 7 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 8 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 9 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Hệ số của Vin2 luôn lớn hơn hệ số của Vin1 => mạch không tạo được điện áp ra có dạng: K(Vin2 - Vin1).Trở kháng vào của cửa P lớn(Zv=rd), nên không yêu cầu nguồn Vin2 có công suất lớn. Hình 1.4.b sơ đồ mạch trừ có 2 ngõ vào trở kháng đều lớn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 10 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng rd của KĐTT. Có thể thay đổi được hệ số khuếch đại 5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 11 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R2, ta có hệ số của Vout lúc dương lúc âm. Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 12 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 13 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Viết phương trình đới với nút N : Biến đổi và cho vN=vP, R1CN = R2CP =RC Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 14 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 9 Mạch vi phân Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 15 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 tuyến biên-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: Mặt khác: Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 16 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Thay (1) vào (2):  Đặc tuyến biên tần: Suy ra đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc 20dB/decade  Sơ đồ làm việc như 1 mạch tích phân Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 17 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. 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 Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 18 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 PID: 2, Mạch PID cơ bản: Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 19 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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: Từ phương trình dòng điện nút tại N: Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra: Thay (1) vào (2): Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 20 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Suy ra 3.Đặc tính bộ điều khiển P,I,D: -Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp 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 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 Thời gian vòng kín lên KP Giảm Tăng KI Giảm Tăng Tăng Giảm Giảm KD Thay đổi nhỏ Vọt lố Thời gian Sai số xác xác lập lập Thay đổi nhỏ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Giảm Thay đổi nhỏ Thay đổi nhỏ Page 21 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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. Phần 2 Cấu trúc hệ thống A, Sơ đồ khối 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 Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 22 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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 Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 23 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Mạch Vi phân b)Đối tượng bậc 2 các dạng đối tượng bậc 2 thường gặp: +)đối tượng bậc 2 không dao động Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 24 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN +)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. Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 25 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Đối tượng có mô hình toán học như sau: Ham truyền : 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 được xác định như sau Kp = 1/K0 Ti = 2T∑/3 Td = 0.167T∑ Phần 3 xây dựng chương trình mô phỏng 1) Tính toán mạch. Với đối tượng bậc 2 không dao động như mạch mô phỏng: Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 26 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN Chọn R1=R2=5kΩ C1=C2=0.001F Chọn K0 = 4.2V  T∑=10 =>Kp = 5/21 => TI = 20/3 => TD = 1.67 Từ các hệ số này ta có thể thay đổi các giá trị RC của mạch PID. Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 27 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 2) Sơ đồ mạch. Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 28 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm 2 lớp Tự Động Hóa 2 K5 ĐHCNHN 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! Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 29