Trong đồ án này sẽ trình bày các cách nhận dạng đối tượng của hệ thống điều khiển,cách xác định hàm truyền đạt của đối tượng từ đáp ứng đầu ra cho trước từ đó xác định đối tượng có ổn đị
TỔNG QUAN VÀ MÔ HÌNH
Đặt vấn đề
Tên dự án: Thiết kế hệ thống Quạt gió – Cánh phẳng được các thầy cô đặt ra nhằm giúp cho sinh viên bắt đầu làm quen, nắm bắt với khái niệm như thế nào là một
Dự án Liên môn, bước đầu hình dung được việc xây dựng đề tài bằng cách áp dụng các kiến thức của nhiều môn học khác nhau.
Hệ thống quạt gió cánh phẳng (QGCP) là một hệ thống khí động học, hệ có tính phi tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu, vì vậy hệ quạt gió cánh phẳng là đối tượng rất tốt để nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp.
Mô tả hệ thống
Hình 1.1 : 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 Động học tấm phẳng
- Mục tiêu điều khiển của hệ thống QG-CP là ổn định góc đặt của cánh phẳng bằng luồng không khí thổi từ quạt gió.
- Cấu trúc chính của hệ thống Quạt gió – cánh phẳng bao gồm:
+ Cảm biến đo góc quay.
+ Mạch điều khiển PID bằng op-amp.
Mô hình tuyến tính
*Mô hình tuyến tính của hệ thống quanh điểm làm việc bất kỳ: Về mặt vật lý, động học của hệ thống có thể được chia thành 3 thành phần theo sơ đồ: Điện áp Tốc độ gió Lực đẩy Góc φ
*Mô hình được chia làm 3 phần:
Khối quạt gió được biểu diễn dưới dạng phương trình động lực học cơ điện:
K1: Hệ số khuếch đại ở trạng thái xác lập
*Khối động học dòng khí: quan hệ giữa vận tốc dòng khí Ω và áp suất dòng khí tác dụng lên cánh phẳng.
Khi Ω thay đổi => sự trễ chuyển động của cánh phẳng và dòng khí xoáy bên dưới và xung quay cánh phẳng thay đổi.
Ta coi khâu này gồm trễ dịch chuyển, một dạng phi tuyến căn bậc hai và động lực học phụ thuộc hướng. Động học motor Động học dòng khí
Khối biểu thị quan hệ giữa φ và p.
*Mô hình độc lực học cánh phẳng:
J d 2 φ d 2 t =−Mg l M sinφφ− b dφ dt + P Al p cosφ
*Mô hình tuyến tính hóa: Để thuận lợi khi thiết kế điều khiển, ta tiến hành tuyến tính hóa xung quanh đoạn đặc tính làm việc với những góc quay nhỏ.
- Gọi Vss, Ωss, φss lần lượt là điện áp đặt vào, vận tốc dòng khí và góc quay./
=> Ta có hàm truyền của toàn bộ thiết bị:
G(s)= φ( s) p (s ) = K 1(1+ T 1 s) [ J s 2 +bs+( Mgcosφss+ e −sτ A l p cosφss PssA l p sinφφss) ]
Mô hình hệ thống
Hình 1.2 : Mô hình hệ thống
Nguyên lý hoạt động
Khi bật nguồn, quạt sẽ chạy và thổi một luồng không khí vào cánh phẳng đang ở phương thẳng đứng, khiến cánh phẳng nâng lên một góc xác định Trục cánh phẳng được nối đồng trục với một cảm biến đo góc quay Người điều khiển dã thiết kế sẵn giá trị góc cánh phẳng cần đạt đến Gía trị này có thể cố định hoặc thay đổi theo quỹ đạo định trước Nhiệm vụ bộ điều khiển PID là điều khiển nguồn điện áp đặt lên động cơ để quạt thay đổi lưu lượng gió.
THIẾT KẾ HỆ QUẠT GIÓ – CÁNH PHẲNG
Lựa chọn linh kiện cơ khí
‐ Vật liệu làm cánh phẳng: xốp kỹ thuật.
Hình 2.1: Cánh phẳng b Giá đỡ cánh phẳng:
‐ Chiều cao giá đỡ: 330 mm.
‐ Khoảng cách giữa 2 giá đỡ: 280 mm.
‐ Vật liệu giá đỡ: Nhôm định hình.
Hình 2.2 : Giá đỡ cánh phẳng c Giá đỡ động cơ quạt gió:
Hình 2.3: Giá đỡ động cơ quạt gió
‐ Chiều cao giá đỡ động cơ: 130 mm.
‐ Vật liệu làm giá đỡ động cơ: Nhôm định hình. d Phần đế để đặt các bộ phần của đồ án:
Hình 2.4: Đế gỗ của hệ thống
‐ Chiều dài của đế: 540 mm.
‐ Chiều rộng của đế: 300 mm.
*Lí do chọn vật liệu làm bằng gỗ:
- Gỗ là vật liệu được sử dụng rất phổ biến có giá thành rẻ và có thể kiếm được từ các cửa hàng hoặc các xưởng gỗ, có thể kiếm được những mảnh gỗ thừa ở các xưởng gỗ và tận dụng để gia công giá đỡ cánh phẳng mà không mất bất kỳ chi phí nào cho phần bộ phần nào làm từ gỗ. e Cánh quạt
- Đường kính: 150mm f Động cơ DC 12V
Hình 2.6: Động cơ DC 12V -Chiều dài: 57.5mm (không có trục)
Mô hình cơ khí
Hình 2.7: Mô hình cơ khí
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Lấy số liệu thực nhiệm và nhận dạng hàm truyền
*Với đầu vào u (điện áp) tương ứng với y (số góc) của cánh phẳng.
*Qua việc sử dụng đo thủ công, đây là bảng kết quả số liệu thu được của nhóm :
Output y( Góc) Input x( Điện áp)
Ta nhận dạng hàm truyền bằng phần mềm Identification Tool trong Matlab.
B1: Nhập số liệu đầu vào, đầu ra đã đo được vào Command Window
Hình 3.2a : Nạp thông số vào matlab
Hình 3.2b : Nạp thông số vào matlab
B2: Nhập lệnh ‘ident’ để mở hộp thoại System identification
- Nhập đầu vào x và đầu ra y rồi chọn khoảng giá trị bấm Import.
Hình 3.3 : Nạp thông số vào System Identification
Chọn các dạng hàm truyền với số pole và số zero, sau cùng thấy với trường hợp
2 pole và 0 zero có độ tương thích 99.23 (chọn)
Hình 3.4 : Chọn hàm truyền phù hợp với hệ thống
=>Ta có hàm truyền đạt:
1.2 Mô phỏng bằng Matlab Simulink
Mô phỏng hệ thống điều khiển :
Hình 3.5 : Mô phỏng hệ thống trong Matlab Simulink
Hình 3.6 : Tìm thông số PID
Hình 3.7: Mô hình khi có PID
*Một mô hình toán học của hệ thống Quạt gió- Cánh phẳng được phát triển bằng các định luật vật lý và điện Các giá trị tham số của bộ điều khiển(Kd, Ki và Kp) có được bằng các sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công từ mô phỏng và mô hình thực tế để hệ thống phản hồi tốt nhất Từ kết quả thực nghiệm, ta thấy rằng các tham số bộ điều khiển mạng lại phản hồi tốt nhất của hệ thống:
*Lặp các bước tương tự như vậy cho hệ thống PI, PD ta có được lần lượt các mô hình sau :
Hình 3.8: Mô hình khi có PI
PHÂN TÍCH S NH HỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU ƯỞNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAUNG C A CÁC B ĐI U KHI N KHÁC NHAUỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU Ộ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU ỀU KHIỂN KHÁC NHAU ỂN KHÁC NHAU Đ N S N Đ NH C A H TH NGẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG Ự ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ỊNH CỦA HỆ THỐNG ỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU Ệ THỐNG ỐNG
Qua những điều ở trên ta có thể rút ra được nhận xét chung, là mô hình PID đang hoạt động ổn định nhất vì overshoot nó thỏa mãn từ 3-5% như lí thuyết đã đặt ra, đồng thời khoảng thời gian xác lập của mô hình cũng đạt tầm dưới 3s Đường màu tím của biểu đồ tổng hợp đã thể hiện rõ rệt nhất điều ấy
Vậy sai lệch xác lập là 0.189.
Mô phỏng bằng Matlab Simulink
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị
"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.
Một dạng của mạch sớm-chậm pha được sử dụng rất phổ biến, nhất là trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, là bộ điều khiển tỷ lệ-vi tích phân (proportional-integral-derivative controller hay PID controller), hay còn gọi là
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Giới thiệu về PID
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị
"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.
Bộ điều khiển PID
Một dạng của mạch sớm-chậm pha được sử dụng rất phổ biến, nhất là trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, là bộ điều khiển tỷ lệ-vi tích phân (proportional-integral-derivative controller hay PID controller), hay còn gọi là bộ điều khiển ba phương thức (three-mode controller), được biểu diễn bằng phương trình vi phân có dạng như sau:
Hàm truyền của bộ điều khiển PID nói trên sẽ là:
PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân
Hình 4.1: Mô hình thuật toán PID
Đặc tính PID
-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:
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG OP-AMP
OP-AMP là gì?
Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.
Hình 5.1 : OP-AMP Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amps được tích hợp một số ưu điểm sau:
– Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học … thường là nguồn có tính đối xứng)
– Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra Cũng vì lý do này Op-Amps có khả năng khuếch đại tín Đáp ứng vòng kín
Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập
KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Thay đổi nhỏ
Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
– Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt.
– Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao.
– Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá).
– Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé.
– Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải.
– Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau.
Cấu tạo và nguyên lí làm việc của OP-AMP
Hình 5.2: Cấu tạo OP-AMP
– 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 tầng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.
– Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tầng 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 vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tính trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau.
Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vo theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = Av0.V–
– Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass):
Vout = Av0.(V+-V–) = Av0.(ΔVVin) Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia) Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau.
Hình 5.3: Đặc tính truyền đạt của OP-AMP Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:
– Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra Vo tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé.
– Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +Vcc.
– Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc.
Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp Av0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào mà Op- Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt) Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±Vcc Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở
Av0 xuống một mức thích hợp Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close Loop).
SƠ ĐỒ PID THIẾT KỀ BẰNG OP-AMP a Luật điều khiển tỷ lệ P
Tín hiệu điều khiển U(t) tỷ lệ với tín hiệu vào e(t) Phương trình vi phân mô tả động học: U(t) = KP.e(t)
Trong đó: U(t): Tín hiệu ra của bộ điều khiển e(t): Tín hiệu vào
KP: Độ lợi tỉ lệ
Hình 5.4: Sơ đồ khuếch đại thuật toán biểu diễn luật điều khiển tỷ lệ
- Ưu điểm: Bộ điều khiển có tính tác động nhanh khi đầu vào có tín hiệu sai lệch thì tác động ngay tín hiệu đầu ra
- Nhược điểm: Hệ thống luôn tồn tại sai lệch dư, khi tín hiệu sai lệch đầu vào của bộ điều khiển bé thì không gây tín hiệu tác động điều khiển, muốn khắc phục nhược điểm này thì ta phải tăng hệ số khuếch đại Km Như vậy hệ thống sẽ kém ổn định b Luật điều khiển tích phân I
- Tín hiệu điều khiển U(t) tỷ lệ với tích phân của tín hiệu đầu vào e(t).
- Phương trình vi phân mô tả động học: U(t)=KI ∫
Trong đó: U(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển
KI:Độ lợi tích phân
- Xây dựng sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán
- Ưu điểm: Bộ điều khiển tích phân loại bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác động của nhiễu cao tần.
- Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm đến tính ổn định của hệ thống. c Luật điều khiển vi phân D
- Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ với vi phân tín hiệu vào.
- Phương trình vi phân mô tả toán học:
Trong đó: e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển
Kd : Độ lợi vi phân -Ưu điểm: Tăng độ ổn định của hệ thống , giảm độ vọt lố
-Nhược điểm: Phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn.
- Xây dựng bộ điều khiển PID bằng khuếch đại thuật toán:
Hình 5.6: Sơ đồ khuếch đại thuật toán của bộ PID
MỘT SỐ SƠ ĐỒ MẠCH QUAN TRỌNG:
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PID
Xác định Kp Ki Kd dựa trên hàm truyền đạt đã có
- Sử dụng các thao tác trên matlab ta có thể tính toán được các thông số Kp,Ki,Kd như sau:
Hình 6.1: Hệ số Kp , Ki, Kd
Tính chọn linh kiện và thiết kế hệ thống
Dùng mạch KHUẾCH ĐẠI ĐẢO
KP=8.463 => Chọn R f =6.8(kΩ) thì R 1 = 803(Ω) nên chọn R= 820(Ω)
Dùng mạch TÍCH PHÂN ĐẢO
K I =1.023 Chọn C"(àF) thỡ R= 44.432(kΩ) nờn chọn R= 45(kΩ) Dùng mạch Vi Phân
K d =7.158Chọn C"0 (àF) thỡ R= 32.536 (kΩ) nờn chọn R= 33 (kΩ)
6.2.1 Thiết kế hệ thống trên Altium.
Hình 6.2: Thiết kế bộ PID trong Altium lần 1
Hình 6.3: Thiết kế bộ PID trong Altium lần 2
Thiết kế mạch 3D và mạch in
Nhóm chúng em có hai lần làm mạch, cả hai lần đều thất bại, nhưng lần hai có tiến triển hơn nhiều so với lần một
Các linh kiện được chọn
Hình 6.4: Mô phỏng sóng xung Digital Oscilloscope
6.5 Các linh kiện được chọn
Số chân Tên chân Mô tả chân
1 Offset Null Chân này được sử dụng để loại bỏ điện áp bù (offset) và cân bằng điện áp đầu vào
2 Inverting Input Là đầu vào đảo ngược của
3 Non Inverting Input Là đầu vào không đảo ngược của IC
4 V- Chân cấp nguồn/ nối với âm nguồn
5 Offset Null Chân này được sử dụng để loại bỏ điện áp bù (offset) và cân bằng điện áp đầu vào
6 Output Chân đầu ra của IC u ra c a IC ủa IC.
7 V+ Chân d ương của IC/ nối ng c a IC/ n i ủa IC ố v i d ới dương nguồn ương của IC/ nối ng ngu n ồn.
8 NC NC có ngh a l chân không ĩa là chân không à c n i m ch c t o được nối mà chỉ được tạo ố à ỉ được tạo được nối mà chỉ được tạo ạ ra để lấp đủ số chân cho ấp đủ số chân cho đủa IC ố l p s chân cho
IC này chứa mạch bảo vệ quá tải ở đầu vào và đầu ra.
IC cũng chứa mạch bảo vệ ngắn mạch.
Mạch bên trong được thiết kế để luôn ổn định ở các nhiệt độ khác nhau.
Có thể hoạt động trong phạm vi cấp nguồn rộng.
Có thể được vận hành với cả nguồn đơn và kép.
Tiêu thụ điện năng thấp.
Thay thế trực tiếp cho LM201, MC1439,LM 748.
Mạch bên trong cũng được bảo vệ chốt (latch up).
Thông số kỹ thuật LM741
Điện áp cung cấp: +/-18V (Vcc).
Công suất cực đại: 500mW.
Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC.
Dòng hoạt động từ 1,7 đến 2,8mA. Ứng dụng LM741
Nó có thể được sử dụng trong bộ so sánh
Bộ khuếch đại DC có thể được chế tạo bằng cách sử dụng IC này
Có thể được sử dụng trong nhiều mạch rung
Bộ lọc hoạt động có thể được xây dựng bằng cách sử dụng IC này
Transitor C1815 có thể được sử dụng trong các giai đoạn khuếch đại âm thanh, khuếch đại âm thanh nhỏ (nếu được sử dụng cho loa nhỏ), tiền khuếch đại và trong các giai đoạn tiền khuếch đại Nó cũng có thể được sử dụng chuyển đổi trong các mạch điện tử để điều khiển tải dưới 150mA.
Thông số kỹ thuật Transistor C1815:
Khối lượng: 0.21g. Ưu và nhược điểm của Transistor C1815:
Ưu điểm: o Không có cấu tạo bộ phận làm nóng nên có thể giảm điện năng tiêu thụ, đèn khởi động nhanh và không chứa chất độc ở bộ phận làm nóng o Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ giảm kích cỡ và khối lượng sản phẩm cấu thành o Có thể thu nhỏ cỡ nano mét và có thể tích hợp trong các vi mạch hay các IC. o Hiệu suất cao. o Linh kiện bán dẫn được thiết kế cực kỳ linh động và nhỏ gọn. o Bền bỉ, ít bị vỡ, sốc o Tuổi thọ cao, lên đến 50 năm.
Nhược điểm: o Mặc dù tuổi thọ có thể lên đến 50 năm, nhưng transistor C1815 có thể bị giảm hiệu suất theo thời gian. o Không hoạt động tốt nhất ở công suất lớn. o Rất dễ chết do shock điện hoặc shock nhiệt. o Bị ảnh hưởng bởi các tia bức xạ mặt trời.
Số chân Tên chân Mô tả chân
1 Emitter Chân Emitter có vai trò là c c phát c a transistor ự ủa IC .
2 Collector Chân Collector có vai trò l c c góp c a transistor à ự ủa IC .
3 Base Chân Base có ch c n ng ức năng ăng phân c c ự đ ều khiển i u khi n ể lấp đủ số chân cho transistor.
Transitor A1015 có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại âm thanh nhỏ ở đầu ra của hầu hết các thiết bị âm thanh như chuông cửa, máy nghe nhạc mp3, radio, … để điều khiển loa Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng trong các tầng của mạch khuếch đại âm thanh.
Thông số kỹ thuật Transistor A1015
Số chân Tên chân Mô tả chân
1 Ground Chân dùng để cấp nguồn cho IC ấp nguồn cho IC c p ngu n cho IC ồn cho IC
2 Trigger Chân so áp với áp chuẩn là 1/3 Vcc
3 Output Chân xu t tín hi u ra theo m c 0 v 1 ấp nguồn cho IC ệu ra theo mức 0 và 1 ức 0 và 1 à 1
4 Reset Khi chân này ở mức thấp thì chân số 3 ở mức thấp, khi chân này ở mức cao thì ngõ ra theo mức áp trên chân 2 hoặc 6
5 Control Voltage Chân này được sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng ở các điện trở ngoài nối với chân số 1 GND
6 Threshold Chân so áp với áp chuẩn là 2/3 áp nguồn nuôi
7 Discharge Là một khóa điện tử đóng/ngắt theo mức áp trên chân số 3
8 Vcc Chân dùng để cấp nguồn cho IC ấp nguồn cho IC c p ngu n cho IC ồn cho IC
IC NE555 là 1 bộ mạch kết hợp giữa 2 con Opamp , 3 điện trở , 1 con transistor, và 1 bộ Fipflop
trong quá trình hoạt động bình thường của NE555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3.
IC 555 có thể hoạt động trong cả hai chế động không ổn định và chế độ đơn ổn.
Ngõ ra có thể cung cấp cho tải một dòng điện 200mA theo kiểu sink hoặc source.
Có chứa 24 transistor, 2 diode và 17 điện trở IC 555 có sẵn dưới dạng IC 8 chân (DIP)
Thời gian định thời có thể từ micro giây đến hàng giờ.
Thông số kỹ thuật IC NE555
Điện áp cung cấp: +/-18V (Vcc).
Công suất cực đại: 600mW.
Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC.
Dòng hoạt động: từ 6-15mA. Ứng dụng IC 555 Ứng dụng của 555 là rất lớn, ngoài ứng dụng hay dùng là mạch phát xung nó còn dùng để đo điện dung Điện dung hoặc cảm biến dạng điện dung được nối vào mạch, khi thay đổi sẽ làm tần số đầu ra thay đổi.
Số chân Tên chân Mô tả chân
1 Gnd Chân dùng để lấp đủ số chân cho ấp đủ số chân cho c p ngu n cho MCU ồn.
2 Out Chân dùng để lấp đủ số chân cho nh n giá tr ra c a MCU ận giá trị ra của MCU ị ra của MCU ủa IC.
Cảm biến góc xoay MCU103 được sử dụng để nhận biết góc xoay tối đa 333 độ, cảm biến thực tế là một biến trở được thiết kế dạng cầu phân áp nên giá trị trả ra là điện áp Analog tuyến tính với góc xoay của biến trở.
Thông số kỹ thuật: o Góc quay: từ 0 đến 333 độ o Ngõ ra: điện áp tương tự analog o Độ tuyến tính: +- 2 % o Giá trị biến trở: 10k ohm o Dung kháng: +- 30 % o Nhiệt độ làm việc: từ -40 đến 85 độ C o Kích thước: 28 mm x 13 mm o Trọng lượng: 2 g
