Đồ án thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2

Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa 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 Giáo Viên Bộ Mơn : Nguyễn Văn Vinh Nhóm –Lớp TĐH2 K5 Sinh viên thực hành: Nguyễn Thanh Hiếu(NT) Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Lời nói đầu Như biết.Ngày nay, mà công nghệ sản xuất linh kiện điện tử nâng cao đồ điện tử ngày thu nhỏ kích thước điều đồng nghĩa với vi mạch số ngày dùng nhiều thể tầm quan trọng Môn học Vi mạch số & vi mạch tương tự mang đến kiến thức cho sinh viên chúng em vi mạch số mạch tương tự đề tài chúng em giao :”Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2”.Qua đề tài chúng em nắm bắt cách thiết kế PID khuếch đại thuật toán sử dụng thành thạo phương pháp tổng thời gian Kuhn để xác lập tham số cho PID Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn thầy Nguyễn Văn Vinh trực tiếp giảng dạy hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án Mặc dù có nhiều cố gắng q trình làm đồ án khơng tránh khỏi sai sót cách trình bày phần thể đồ án mình.Mong thầy,cơ bạn góp ý bổ sung thêm để đồ án em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN 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 mơ Phần : Kết luận Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN _ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Phần I: Tìm hiểu chung A, Mạch khuếch đại thuật toán(KĐTT) Hiện khuếch đại thuật tốn(KĐTT) đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tính tốn , điều khiển, tạo hàm,tạo tín hiệu hình sine xung, sử dụng ổn áp lọc tích cực…Trong kỹ thuật mạch tương tự, mạch tính tốn điều khiển xây dựng chủ yếu dựa khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) khuếch đại thơng thường khác có đặc tính tương tự Cả hai loại dùng để khuếch đại điện áp, dịng điện cơng suất.Tính ưu việt khuếch đại thuật toán , tác dụng mạch điện có KĐTT thay đổi dễ dàng việc thay đổi phần tử mạch ngồi Để thực điều , KĐTT phải có đặc tính là, hệ số khuếch đại lớn , trở kháng cửa vào lớn trở kháng cửa nhỏ Trước , KĐTT thường sử dụng việc thực phép tốn giải tích máy tính tương tự, nên gọi KĐTT (theo tiếng anh Operational Amplifier viết tắt OP-AMP) Ngày nay, KĐTT sử dụng rộng rãi hơn,đặc biệt kĩ thuật đo lường điều khiển Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày phát triển , nên chế tạo mạch tích hợp(các vi mạch) KĐTT gần lí tưởng Và vi Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN mạch KĐTT sử dụng mahcj điện tử đơn giản coi lí tưởng Tuy nhiên, vi mạch KĐTT ln có thong số thực hữu hạn I Các mạch tính tốn điều khiển Mạch cộng đảo: Áp dụng quy tắc dòng điện cho nút N ta có : + +…+ + =0 vout = - Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Viết phương trình dịng điện cho nút N: Mà :  Hệ số khuếch đại mạch Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn phải chọn R1 nhỏ Lúc trở kháng vào mạch Zv=R1 nhỏ Có thể khắc phục nhược điểm cách chọn R1=Rn lớn Do K’ cịn phụ thuộc vào Có thể tăng số tùy ý mà không ảnh hưởng tới trở kháng vào Zv=R1=Rn mạch Với cấu tạo Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN tăng thêm số đầu vào để thực mạch cộng mạch trừ có trở kháng vào lớn Mạch trừ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Mạch trừ với trở kháng vào lớn Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 10 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN K’ tăng theo tần số đồ thị bode có độ dốc 20dB/ decade Vậy : Mạch gọi mạch vi phân phạm vi tần số phạm vi tần số đặc tuyến biên-tần tăng với độ dốc 20dB / decade 10 Mạch PI Hình 10a Sơ đồ mạch PI Mạch thường sử dụng mạch điều khiển Mạch có điện áp biểu diễn theo dạng: Áp dụng phương trình cân dịng N: Mặt khác: Đồ án mơn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 17 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Thay (1) vào (2):  Đặc tuyến biên tần: Suy đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc 20dB/decade Sơ đồ làm việc mạch tích phân Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 18 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Mạch mang tính chất khuếch đại nhiều Khu vực trung gian khu vực chuyển tiếp B Mạch PID I.GIỚI THIỆU BỘ PID: Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ tht điều khiển theo vịng lặp có hồi tiếp sử dụng rộng rãi có hồi tiếp sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 19 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Một điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch tín hiệu ngõ ngõ vào sau đưa một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh trình cho phù hợp Bộ điều khiển kinh điển PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh làm việc tốt hệ thống có qn tính lớn điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID lý thuyết cổ điển cũ dùng cho điều khiển nhiên ứng dụng rộng rãi ngày Sơ đồ khối điều khiển PID: Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 20 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN 2,M ạch PID bản: PID mạch hay sử dụng kĩ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển mạch nhiều trường hợp tăng tính ổn định hệ thống điều khiển dải tần số rộng Điện áp có dạng: Từ phương trình dịng điện nút N: Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 21 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Và phương trình điện áp nhánh ra: Thay (1) vào (2): Suy 3.Đặc tính điều khiển P,I,D: -Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng hệ, làm giảm, không triệt tiêu sai số xác lập hệ (steady-state error) -Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập làm giảm tốc độ đáp ứng hệ -Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố cải thiện tốc độ đáp ứng hệ Ảnh hưởng thành phần Kp, Ki, Kd hệ kín tóm tắt bảng sau: Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 22 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Đáp ứng Thời gian vịng kín lên KP Giảm Tăng KI Giảm Tăng Thay đổi KD nhỏ Vọt lố Giảm Thời gian Sai số xác xác lập lập Thay đổi nhỏ Tăng Giảm Giảm Thay đổi nhỏ Thay đổi nhỏ Bảng 3.1 Ảnh hưởng thông số PID lên đối tượng -Lưu ý quan hệ khơng phải xác tuyệt đối Kp, Ki Kd phụ thuộc vào Trên thực tế, thay đổi thành phần ảnh hưởng đến hai thành phần cịn lại Vì bảng có tác dụng tham khảo chọn Kp, Ki, Kd Phần Cấu trúc hệ thống A, Sơ đồ khối hệ thống Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 23 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ kín có PID Các thành phần hệ thống a)bộ PID sơ đồ khối mạch PID Mạch PID gồm có mạch nhỏ :mạch khuếch đại,Mạch tỉ lệ tích phân, Mạch vi phân Mạch tỉ lệ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 24 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Mạch tích phân khơng đảo Mạch Vi phân Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 25 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN b)Đối tượng bậc dạng đối tượng bậc thường gặp: +)đối tượng bậc không dao động +)Đối tượng bậc dao động Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 26 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Tính tốn hệ số sử dụng phương pháp thời gian tổng Kuln Thiết kế điều khiển (PID) phương pháp số thời gian tổng kuhn Phương pháp thời gian tổng Kuhn ứng dụng để thiết kế luật điều khiển cho lớp đối tượng co điểm không điểm cực nằm trục thực bên trái trục ảo Đối tượng có mơ hình tốn học sau: Ham truyền : Với điều kiện số thời gian tử số Tdm phải nhỏ số thời gian tương ứng mẫu số Tn Để định nghĩa số thời gian tổng TΣ là: Với hệ số xác định sau Kp = 1/K0 Ti = 2T∑/3 Td = 0.167T∑ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 27 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Phần xây dựng chương trình mơ 1) Tính tốn mạch Với đối tượng bậc không dao động mạch mô phỏng: Chọn R1=R2=5kΩ C1=C2=0.001F Chọn K0 = 4.2V  T∑=10 =>Kp = 5/21 => TI = 20/3 => TD = 1.67 Từ hệ số ta thay đổi giá trị RC mạch PID Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 28 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN 2) Sơ đồ mạch Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 29 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN Phần Kết Luận Từ sơ đồ mạch ngun lí ta hiểu nguyên tắc hoạt động hệ thống linh kiện Sơ đồ mô phần mềm mơ proteus Tính thực tế phương hướng phát triển tập: Với thiết kế hệ thống đo điều khiển tốc độ động giúp cho chúng em hiểu nguyên lí hoạt động số loại cảm biến đặc biệt encoder Tuy nhiên lần đầu làm tập lớn nên chúng em nhiều thiếu sót q trình trình Đồ án mơn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 30 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm lớp Tự Động Hóa K5 ĐHCNHN bày.Cho nên chúng em muốn có thêm đóng góp ý kiến thầy ,cô giáo bạn để hồn thiện tốt có kinh nghiệm cho tập sau Chúng em xin trân thành cảm ơn! Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 31 ... chúng em vi mạch số mạch tương tự đề tài chúng em giao :? ?Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2? ??.Qua đề tài chúng em nắm bắt cách thiết kế PID khuếch đại thuật toán sử dụng thành thạo... lớn điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID lý thuyết cổ điển cũ dùng cho điều khiển nhiên ứng dụng rộng rãi ngày Sơ đồ khối điều khiển PID: ... thống a)bộ PID sơ đồ khối mạch PID Mạch PID gồm có mạch nhỏ :mạch khuếch đại ,Mạch tỉ lệ tích phân, Mạch vi phân Mạch tỉ lệ Đồ án môn:Vi Mạch Số & Vi Mạch Tương Tự Page 24 Svth: Nguyễn Thanh Hiếu-Nhóm