Đồ án liên môn 1 chuyên ngành tự đông hoá: thiết kế và điều khiển quạt gió cánh phẳng bằng mạch PID
TỔNG QUAN HỆ QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG
Đặt vấn đề
Ngày nay, nhu cầu sản xuất hiện đại yêu cầu hệ thống điều khiển có khả năng thay đổi cấu trúc và tham số để đảm bảo chất lượng Với sự phát triển của kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính, lý thuyết điều khiển thích nghi đã ra đời để đáp ứng yêu cầu này Điều khiển thích nghi cho phép tạo ra hệ thống điều khiển mà cấu trúc và tham số có thể điều chỉnh theo biến đổi của đối tượng, đảm bảo chất lượng hệ thống theo các tiêu chí đã định.
Hệ thống quạt gió cánh phẳng là một hệ thống khí động học phi tuyến mạnh, nhạy cảm với tác động của nhiễu Do đó, nó trở thành đối tượng lý tưởng để nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự động, từ những phương pháp đơn giản đến phức tạp.
Hình 1.1 Mô hình quạt gió cánh phẳng
Khi giá trị góc được thiết lập trên máy tính, tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ quạt gió, nhằm đạt được góc cánh phẳng mong muốn Góc cánh phẳng được đo bởi cảm biến và giá trị này sẽ được gửi lại mạch điều khiển để so sánh với giá trị góc đặt Nếu có sai lệch, hệ thống sẽ điều chỉnh tốc độ quạt gió để đưa sai lệch về 0, đảm bảo góc cánh phẳng luôn duy trì ở giá trị đã đặt Quá trình này diễn ra liên tục, giúp điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo yêu cầu.
Mô hình động lực học và sơ đồ khối
Ta có mô hình động lực học quạt gió cánh phẳng và sơ đồ khối của mô hình như sau:
Hình 1.2 Mô hình động lực học
- Góc Ψ: góc giữa cánh phẳng và trục thẳng đứng
- Mg : trọng lượng của cánh phẳng (kể cả đối trọng)
- P: Áp suất tác động lên cánh phẳng
- Các khoảng cách IM, IP, L1, L2 xác định như hình vẽ
MÔ TẢ MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG QUẠT-CÁNH PHẲNG
Giới thiệu phần cơ
Bộ nguồn tổ ong 12V 5A, hay còn gọi là nguồn một chiều 12V, được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn một chiều 12VDC, phục vụ cho việc cung cấp điện cho các thiết bị hoạt động hiệu quả.
Nguồn tổ ong loại tốt sử dụng nhiều linh kiện hơn so với các loại phổ thông trên thị trường, do đó mang lại chất lượng và hiệu suất chuyển đổi điện vượt trội Ứng dụng của nguồn tổ ong này rất đa dạng và hiệu quả.
Dùng để cấp nguồn cho bộ điều khiển tốc độ động cơ b) Bộ điều khiển PID
Hình 2.1 Mạch PID tự thiếu kế c) Động cơ-Cánh quạt Được điều khiển bằng động cơ điện 1 chiều 12V, 1.43A d) Cảm biến góc quay MCU-103
Cảm biến góc xoay MCU-103 SV01A103AEA01R00 được thiết kế để xác định góc xoay trong khoảng từ 0 đến 333 độ và đo vị trí tuyến tính Với cấu trúc biến trở dạng cầu phân áp, cảm biến này cung cấp giá trị điện áp analog tuyến tính tương ứng với góc xoay của biến trở.
Đầu ra: điện áp tương tự Analog.
Giá trị biến trở: 10k Ohm.
Nhiệt độ làm việc: -40 ~ 85 độ C.
Trọng lượng: 2g. e) Mô hình tổng quát
NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Số liệu thực nghiệm
Hình 3.1 Số liệu thực nghiệm.
Nhận dạng hệ thống bằng phần mềm chuyên dụng identification toolbox
3.2.1 Nhập dữ liệu đầu vào/ra
+ Sử dụng câu lệnh : u1 =xlsread('C:\Users\lenovo\Matlab\data_new.xlsx',1,'J2:J43') y1 =xlsread('C:\Users\lenovo\Matlab\data_new.xlsx',1,'L2:L43')
Các câu lệnh này dùng để đọc file excel.
+ Sau khi nhập các câu lệnh trên : sử dụng ident save u1 y1 để lưu giá trị đọc được vào file ident.
Hình 3.2 Cửa số làm việc của công cụ nhận dạng.
3.2.3 Nhập giá trị trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng
Hình 3.3 Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng.
+ Ta chọn Estimate Transfer Function Models
+Sau đó chọn Model output để xem độ phù hợp của mô hình.
Hình 3.6 Độ phù hợp của mô hì3.2.5 Kết quả hàm truyền
+ Như vậy hàm truyền của hệ thống như sau :
MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK
Chọn thông số PID
Hình 4.1 pp chọn thông số PID
Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng simulink
Hình 4.3 Đặc tính đầu ra
THIẾT KẾ MẠCH PID
Op-amps mạch khuếch đại thuật toán cơ bản
Mạch khuếch đại thuật toán (op-amp) là một thiết bị khuếch đại DC-coupled với hệ số khuếch đại cao, đầu vào vi sai và thường có đầu ra đơn Trong các ứng dụng phổ biến, đầu ra của op-amp được điều khiển thông qua mạch hồi tiếp âm, cho phép xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.
5.1.1.Cấu tạo của Op-amps
Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v– Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn …
Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps
Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.
Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.
Op-Amps thực tế có sự khác biệt so với Op-Amps lý tưởng, nhưng để đơn giản hóa quá trình tính toán, người ta thường sử dụng Op-Amps lý tưởng Sau đó, các biện pháp bổ chính được áp dụng để giúp Op-Amps thực tế gần gũi hơn với Op-Amps lý tưởng Do đó, trong chương này, chúng ta sẽ coi Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng và thực hiện các điều chỉnh sau.
Dựa vào ký hiệu của Op-Amps, tín hiệu ngõ ra Vo có thể được xác định theo cách đưa tín hiệu vào như sau: Khi tín hiệu được đưa vào ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo nối mass, công thức là Vout = Av0.V+; khi tín hiệu vào ngõ vào không đảo và ngõ vào đảo nối mass, công thức là Vout = Av0.V–; và khi tín hiệu được đưa vào đồng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass), ta có Vout = Av0.(V+-V–) = Av0.(ΔVin) Để khảo sát tổng quan, ta xem xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass, trong đó chỉ cần một trong hai ngõ vào nối mass để có thể áp dụng hai trường hợp còn lại Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình ảnh minh họa.
Op-Amps không nhất thiết phải sử dụng nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC; chúng có thể hoạt động với nguồn không đối xứng thấp hơn như +12VDC và -3VDC hoặc thậm chí chỉ với nguồn đơn +12VDC Tuy nhiên, việc thay đổi cấu trúc nguồn cung cấp sẽ ảnh hưởng đến một số tính chất của Op-Amps, đặc biệt là tính đối xứng, khi Op-Amps sẽ không lấy điện áp tham chiếu từ mass mà chọn một giá trị khác.
Các mạch logic được sử dụng
5.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier)
Khi Zf và Zi là điện trở thuần, điện áp v0 và vi sẽ lệch pha 180 độ, do đó mạch này được gọi là mạch khuếch đại đảo với ngõ vào (-) được gọi là ngõ vào đảo Zf đóng vai trò là mạch hồi tiếp âm trong hệ thống này.
Khi trở kháng phản hồi Zf tăng lên, độ khuếch đại của mạch op-amp cũng tăng, trong khi hồi tiếp âm giảm Nếu Zf và Zi là điện trở thuần, op-amp sẽ có khả năng khuếch đại điện thế một chiều hiệu quả.
5.2.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier)
- Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi
Mạch khuếch đại tín hiệu một chiều với Zf và Zi là điện trở thuần vẫn giữ tính chất không đảo và có công thức tương tự như tín hiệu xoay chiều Khi Zf=0 hoặc Zi=∞, ta có AV=1, dẫn đến v0=vi, tạo ra mạch “voltage follower” Mạch này thường được sử dụng làm mạch đệm (buffer) nhờ vào tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ, giống như mạch cực thu chung ở B.
Các linh kiện để thiết kế mạch
Hình 5.3 Danh sách linh kiện
Mô phỏng sơ đồ nguyên lí mạch PID
Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lí mạch PID trên Altium
Thiết kế mạch và làm mạch PID
Hình 5.5 Mạch sau khi thiết kế trên Altium5.6 Đóng góp của các thành viên
Phan Văn Hoài Nam
Nghiên cứu, tìm hiểu về lí thuyết Mạch điện tử.
Xây dựng, mô phỏng và thiết kế Mạch điện tử.
Góp ý về chỉnh sửa mô hình hệ thống phù hợp với mạch điện tử.
Nghiên cứu, thực nghiệm, mô phỏng tìm hiểu Hàm truyền đạt.
Nguyễn Quang Linh
Tìm hiểu, mô phỏng về phần cơ khí.
Lắp ráp, chỉnh sửa mô hình hệ thống.
Thực nghiệm thông số hàm truyền.
Xây dựng mạch điện tử.
Nguyễn Tuấn Minh
Tìm hiểu, xây dựng mô hình hệ thống.
Lắp ráp, chỉnh sửa mô hình hệ thống.
Thực nghiệm thông số hàm truyền.
Lê Minh Hoàng
Tìm hiểu lí thuyết, thiết kế xây dựng mô hình hệ thống.
Nghiên cứu, thực nghiệm, mô phỏng tìm hiểu Hàm truyền đạt
Nguyễn Tuấn Phong
Tìm hiểu lí thuyết, phát triển ý tưởng về Mạch điện tử.
Tìm hiểu, mô phỏng và chọn lọc Mạch điện tử.
Thực nghiệm thông số hàm truyền.
Lập trình cho cho các thiết bị: Arduino, LCD, Encorder,…
