Thiết kế và điều khiển quạt gió cánh phẳng

Đồ án liên môn 1 chuyên ngành tự đông hoá: thiết kế và điều khiển quạt gió cánh phẳng bằng mạch PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN LIÊN MÔN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG Sinh viên thực :Phan Văn Hoài Nam Nguyễn Quang Linh Lê Minh Hoàng Nguyễn Tuấn Minh Nguyễn Tuấn Phong Lớp : 20TDHCLC3 Giảngviên hướng dẫn: TS.Nguyễn Khánh Quang TS.Trương Thị Bích Thanh Đà Nẵng, tháng 06/2022 LỜI NĨI ĐẦU Trong suốt khoảng thời gian năm học tập Trường Đại học Bách Khoa nói chung thời gian từ Thầy Cơ hướng dẫn đồ án nói riêng nhóm em học đượcc nhiều điều q báu khơng liên quan đến ngành học mà cịn nhiều kiến thức bổ ích bên ngồi sống Em cảm ơn Thầy Nguyễn Khánh Quang, , Trương Thị Bích Thanh tạo điều kiện thuận lợi nhất, tận tình giúp đỡ giải đáp tất thắc mắc trình thực đồ án để nhóm em hồn thành đồ án liên mơn riêng Có lẽ kiên thức vô hạn mà tiếp nhận kiến thức thân người tồn hạn chế định Do q trình hồn thành dự án chắn khơng tránh khỏi lỗi khiến mơ hình khơng thể chạy cách hồn hảo thân nhóm em mong nhận góp ý đến từ thầy để đồ án nhóm em hồn thiện phát triển sau Sau nhóm thực xin chúc Thầy cô sức khoẻ, thành công tiếp tục đào tạo sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao Thầy Cô giảng dạy Nhóm thực xin chân thành cảm ơn Trân trọng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỞNG QUAN HỆ QUẠT GIĨ CÁNH PHẲNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mơ hình động lực học sơ đồ khối CHƯƠNG 2: MƠ TẢ MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG QUẠT-CÁNH PHẲNG 2.1 Giới thiệu phần a) Nguồn tổ ong b) Bộ điều khiển PID c) Động cơ-Cánh quạt .9 d) Cảm biến góc quay MCU-103 10 e) Mơ hình tổng qt .11 CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .13 3.1 Số liệu thực nghiệm 13 3.2 Nhận dạng hệ thống phần mềm chuyên dụng identification toolbox matlab 14 3.2.1 Nhập liệu đầu vào/ra 14 3.2.2 Mở system identification toolbox 15 3.2.3 Nhập giá trị miền thời gian vào công cụ nhận dạng 15 3.2.4 Chọn số cực : 16 3.2.5 Kết hàm truyền 17 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 18 4.1 Chọn thông số PID .18 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH PID 20 5.1 Op-amps mạch khuếch đại thuật toán 20 5.1.1.Cấu tạo Op-amps .21 5.1.2.Nguyên lý hoạt động .22 5.2 Các mạch logic sử dụng 23 5.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) .23 5.2.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) 24 5.2.3 Mạch cộng 25 5.2.4 Mạch trừ 25 5.3 Các linh kiện để thiết kế mạch 26 5.4 Mô sơ đồ nguyên lí mạch PID 27 5.5 Thiết kế mạch làm mạch PID 28 Phan Văn Hoài Nam 28 Nguyễn Quang Linh 29 Nguyễn Tuấn Minh 29 Lê Minh Hoàng 29 Nguyễn Tuấn Phong 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG 1.1 Đặt vấn đề Ngày yêu cầu thực tế sản suất có cơng nghệ đại tất lĩnh vực địi hỏi phải có hệ điều khiển thay đổi cấu trúc tham số để đảm bảo tiêu chất lượng định Dựa sở kỹ thuật điện, điện tử, tin học máy tính phát triển mức độ cao, lý thuyết điều khiển thích nghi đời đáp ứng yêu cầu Nội dung điều khiển thích nghi là: tạo hệ điều khiển mà cấu trúc tham số thay đổi theo biến thiên thông số đối tượng điều khiển cho chất lượng hệ đảm bảo theo tiêu định Hệ thống quạt gió cánh phẳng hệ thống khí động học, hệ có tính phi tuyến mạnh nhạy tác động nhiễu, hệ quạt gió cánh phẳng đối tượng tốt để nghiên cứu phương pháp điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp Hình 1.1 Mơ hình quạt gió cánh phẳng Khi ta đặt giá trị góc đặt máy tính, từ điều khiển tín hiệu điều khiển đưa tới đối tượng quạt gió cánh phẳng: mạch điều khiển điều chỉnh điện áp đặt vào động quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước Đáp ứng đầu góc cánh phẳng đo Sensor đo góc, giá trị góc lại đưa trở lại mạch điều khiển phản hồi chương trình điều khiển máy tính, sai lệch giá trị góc đặt góc phản hồi đưa tới điều khiển,hệ thống điều chỉnh cho sai lệnh cách điều chỉnh tốc độ quạt gió để đảm bảo góc cánh phẳng ln đạt giá trị đặt Quá trình lặp lặp lại liên tục để điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo giá trị đặt trước 1.2 Mơ hình động lực học sơ đồ khối Ta có mơ hình động lực học quạt gió cánh phẳng sơ đồ khối mơ sau: Hình 1.2 Mơ hình động lực học Trong đó: - Góc Ψ: góc cánh phẳng trục thẳng đứng - Mg : trọng lượng cánh phẳng (kể đối trọng) - C : trọng tâm hệ - P: Áp suất tác động lên cánh phẳng - Các khoảng cách IM, IP, L1, L2 xác định hình vẽ Hình 1.3 Sơ đồ khối CHƯƠNG 2: MƠ TẢ MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG QUẠT-CÁNH PHẲNG 2.1 Giới thiệu phần a) Nguồn tổ ong - Nguồn tổ ong 12V 5A hay gọi nguồn chiều 12V thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn chiều 12VDC để cung cấp cho thiết bị hoạt động - Nguồn tổ ong loại tốt dùng nhiều linh kiện loại phổ thông thị trường, chất lượng hiệu suất chuyển đổi điện tốt Ứng dụng : Dùng để cấp nguồn cho điều khiển tốc độ động b) Bộ điều khiển PID Hình 2.1 Mạch PID tự thiếu kế c) Động cơ-Cánh quạt Được điều khiển động điện chiều 12V, 1.43A d) Cảm biến góc quay MCU-103 Cảm biến góc xoay MCU-103 SV01A103AEA01R00 sử dụng để xác định góc xoay từ đến 333 độ, đo vị trí tuyến tính Cảm biến góc xoay cấu tạo từ biến trở thiết kế theo dạng cầu phân áp nên giá trị trả điện áp Analog tuyến tính với góc xoay biến trở Thơng số kỹ thuật:  Góc quay: ~ 333 độ  Đầu ra: điện áp tương tự Analog  Độ tuyến tính: +- 2%  Giá trị biến trở: 10k Ohm  Dung kháng: +- 30% Hình 3.3 Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng 3.2.4 Chọn số cực : + Ta chọn Estimate Transfer Function Models Hình 3.4 Chọn số cực +Sau chọn Model output để xem độ phù hợp mơ hình Hình 3.6 Độ phù hợp mơ hì 3.2.5 Kết hàm truyền Hình 3.8 Hàm truyền + Như hàm truyền hệ thống sau : CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 4.1 Chọn thơng số PID Hình 4.1 pp chọn thơng số PID Hình 4.2 Sơ đồ mơ simulink Hình 4.3 Đặc tính đầu CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH PID 5.1 Op-amps mạch khuếch đại thuật toán " Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường gọi tắt op-amp mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thơng thường, đầu điều khiển mạch hồi tiếp âm cho xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào tổng trở đầu ra." 5.1.1.Cấu tạo Op-amps Khối 1: Đây tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu hai ngõ vào v+ v– Nó hội đủ ưu điểm mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại 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 tạo nên mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps Trong tẩng cịn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ngõ Khối 3: Đây tầng khuếch đại đệm, tần nhằm tăng dòng cung cấp tải, giảm tổng trở ngõ giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác Op-Amps thực tế có số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng Nhưng để dễ dàng việc tính tốn Op-Amps người ta thường tính Op-Amps lý tưởng, sau dùng biện pháp bổ (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng Do để thuận tiện cho việc trình bày nội dung chương hiểu Op-Amps nói chung Op-Amps lý tưởng sau thực việc bổ sau 5.1.2.Nguyên lý hoạt động Dựa vào ký hiệu Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ Vo theo cách đưa tín hiệu ngõ vào sau: Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+ Đưa tín hiệu vào ngõ vào khơng đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = Av0.V– Đưa tín hiệu vào thời hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): Vout = Av0.(V+-V–) = Av0.(ΔVin) Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc cần cho hai ngõ vào nối mass ta có hai trường hợp kia) Op-Amps có đặc tính truyền đạt hình sau 5.1.3.Nguồn cung cấp Op-Amps khơng phải lúc địi hỏi phải cung cấp nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, làm việc với nguồn khơng đối xứng có giá trị thấp (ví dụ +12VDC -3VDC) hay chí với nguồn đơn +12VDC Tuy nhiên việc thay đổi cấu trúc nguồn cung cấp làm thay đổi số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng nguồn Opamps khơng lấy điện áp tham chiếu (reference) mass mà chọn hình sau: 5.2 Các mạch logic sử dụng 5.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Nhận xét: - Khi Zf Zi điện trở v0 vi ệch pha 1800 (nên ñược gọi mạch khuếch đại đảo ngõ vào ( - ) gọi ngõ vào đảo) - Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm Zf lớn (hồi tiếp âm nhỏ) độ khuếch đại mạch lớn - Khi Zf Zi điện trở op-amp có tính khuếch đại điện chiều 5.2.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) - Zf đóng vai trị hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta tăng Zf giảm Zi - Mạch khuếch đại tín hiệu chiều Zf Zi điện trở Mạch giữ ngun tính chất khơng đảo có cơng thức với trường hợp tín hiệu xoay chiều - Khi Zf=0, ta có: AV=1 ⇒ v0=vi Zi=∞ ta có AV=1 v0=vi (hình 7.10) Lúc mạch ñược gọi mạch “voltage follower” thường dùng làm mạch đệm (buffer) có tổng trở vào lớn tổng trở nhỏ mạch cực thu chung B 5.2.3 Mạch cộng 5.2.4 Mạch trừ 5.3 Các linh kiện để thiết kế mạch Hình 5.3 Danh sách linh kiện 5.4 Mơ sơ đồ ngun lí mạch PID Hình 5.4 Sơ đồ ngun lí mạch PID Altium 5.5 Thiết kế mạch làm mạch PID Hình 5.5 Mạch sau thiết kế Altium 5.6 Đóng góp thành viên Phan Văn Hồi Nam  Nghiên cứu, tìm hiểu lí thuyết Mạch điện tử  Xây dựng, mô thiết kế Mạch điện tử  Góp ý chỉnh sửa mơ hình hệ thống phù hợp với mạch điện tử  Nghiên cứu, thực nghiệm, mơ tìm hiểu Hàm truyền đạt Nguyễn Quang Linh  Tìm hiểu, mơ phần khí  Lắp ráp, chỉnh sửa mơ hình hệ thống  Thực nghiệm thơng số hàm truyền  Xây dựng mạch điện tử Nguyễn Tuấn Minh  Tìm hiểu, xây dựng mơ hình hệ thống  Lắp ráp, chỉnh sửa mơ hình hệ thống  Thực nghiệm thơng số hàm truyền Lê Minh Hồng  Tìm hiểu lí thuyết, thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống  Nghiên cứu, thực nghiệm, mơ tìm hiểu Hàm truyền đạt  Thiết kế mạch PID Nguyễn Tuấn Phong  Tìm hiểu lí thuyết, phát triển ý tưởng Mạch điện tử  Tìm hiểu, mơ chọn lọc Mạch điện tử  Thực nghiệm thơng số hàm truyền  Lập trình cho cho thiết bị: Arduino, LCD, Encorder,…  Thiết kế mạch PID TÀI LIỆU THAM KHẢO -https://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/228084/FAIRCHILD/LM741.html -Slide Thầy Cô cung cấp - Giáo trình Mạch điện tử tương tự số TS NGUYỄN HOÀNG MAI biên soạn HẾT