báo cáo pbl1 thiết kế hệ thống điều khiển tuyến tính đề tài điều khiển hệ thống quạt cánh phẳng

PBL1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNHGVHD: TS Trần Thị Minh DungLỜI NÓI ĐẦU Ngành tự động hóa tại Việt Nam vẫn còn các hạn chế như là nhiềudây chuyền vẫn chưa thể tự làm chủ hoặc

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Đóng góp của đề tài

- Điều khiển ổn định góc mở của các hệ thống thông gió.

- Điều chỉnh góc mở của các van được điều khiển bằng khí nén.

Nội dung của đề tài

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 là 1 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.

PBL1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH

GVHD: TS Trần Thị Minh Dung

Hình 1.1 Mô tả quy trình hoạt động của hệ thống

Trong đó: Gọi Ψ: Góc giữa cánh nhôm và trục thẳng đứng.

Mg: Trọng lượng của cánh (kể cả đối trọng).

J: Quán tính quay của bản lề.

M: Khối lượng của cánh phẳng.

A: diện tích hữu ích trên của cánh.

P: Áp suất tác động lên cánh phẳng.

Phân tích hệ thống

* Đáp ứng của hệ thống là đáp ứng bước (tương ứng với từng giá trị đặt xác định).

*Tiêu chí đánh giá chỉ tiêu chất lượng hệ thống:

- Điều chỉnh tốc độ của quạt gió giữ được cánh phẳng ổn định ở góc đã đặt.

- Nhiễu d(t) chỉ nên có sự ảnh hưởng tối thiểu đến góc lệch của cánh phẳng

- Góc lệch của cánh phẳng phải được bám sát với góc đặt một cách nhanh chóng và chính xác nhất có thể.

- Hệ thống kín được thiết kế sao cho không quá nhạy với các thay đổi về thông số của quạt - cánh phẳng

Khi cấp 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 thường là cố định) Nhiệm vụ bộ điều khiển PID là điều khiển nguồn điện áp đặt lên động cơ để quạt thay đổi lưu lượng gió từ đó cánh phẳng có thể đạt và giữ được ở giá trị đặt mong muốn

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Hình 2.1 Hình chiếu bằng của hệ thống

Hình 2.2 Hình chiếu đứng của hệ thống

- Vật liệu: Giấy bìa cứng b/ Giá đỡ cánh phẳng:

- Chiều cao giá đỡ: 300 mm.

- Khoảng cách giữa hai giá đỡ: 260 mm.

- Vật liệu giá đỡ: Gỗ. c/ Giá đỡ động cơ quạt gió:

- Chiều cao giá đỡ động cơ: 80 mm.

- Vật liệu làm giá đỡ động cơ: Gỗ. d/ Phần đế:

Hình 2.3 Thiết kế đối tượng điều khiển

- Góc quay: từ 0 đến 333 độ

- Ngõ ra: điện áp tương tự analog

- Giá trị biến trở: 10k ohm

- Nhiệt độ làm việc: -40 đến 85℃

- Điện áp đầu vào: 100V-240VAC 50 / 60Hz

- Đầu cắm nguồn AC: chuẩn Hoa Kỳ

- Sai số điện áp: ± 5% (không tải)

- Jack DC: 5.5 * 2.5mm ( tương thích 5.5 * 2.1mm)

Một IC thuật toán LM358, thực hiện nhiệm vụ tạo bộ so sánh tín hiệu.

7 Biến trở volume 3 chân (1 cái)

- Độ dài núm chỉnh: 15mm

- Đường kính núm chỉnh: 7mm

- Góc quay toàn bộ: 330 (độ)

8 Biến trở tam giác RM065 (2 cái)

- Góc quay toàn bộ: 210±20 (độ)

- Điện áp hoạt động tối đa: 50V/DC

- Đường kính lỗ vặn ốc:

- Dải nhiệt độ -55 đến 150 độ C

14 Transistor L7912+L7812 dùng để ổn áp nguồn

15 Cầu Đi-ốt RS507 Điện áp ngược cực đại: 1000V Dòng thuận cực đại: 5A Điện áp rơi thuận: 1V

Dải nhiệt độ hoạt động: -55 o C ~ 150 o C

Thông số kỹ thuật Điện áp vào: 0V, 110V, 220V Điện áp ra xoay chiều: 0V, 6V, 9V, 12V, 15V,18V, 24V

CHƯƠNG 3: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

Kiểm tra chất lượng bộ điều khiển qua các trang thái nhiễu

Khởi tạo hệ thống (Động cơ làm quay quạt đẩy cánh phẳng lên 1 góc xác định ) Điều chỉnh giá trị các linh kiện trong mạch điều khiển (biến trở)

Kiểm tra chất lượng làm việc của hệ thống qua giá trị đọc được Đọc giá trị góc lệch của cánh phẳng bằng MCU và hiển thị lên LCD

Hệ thống không đạt yêu cầu

Hệ thống chưa đạt chuẩn cần điều chỉnh

Kết thúc Đưa HT về trạng thái dừng

Hệ thống đạt yêu cầu

CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN

I Đo đạt số liệu từ mô hình:

Volt kế, mô hình, máy tính.

2/ Phương pháp đo: a Xác định các tín hiệu:

- Tín hiệu vào: Điện áp của động cơ

- Tín hiệu ra: góc của cánh phẳng. b Tiến trình thực hiện:

- Lập trình arduino để điều chỉnh điện áp của động cơ, chọn thời gian lấy mẫu (góc của cánh phẳng) ngắn (0,01s) Chạy chương trình, với U = 12.4 V ta lấy 421 giá trị góc của cánh phẳng như bảng số liệu sau:

3 Nhận dạng hàm truyền đạt: a) Công cụ nhận dạng System Identification app (Matlab):

- Mở mục APP trong Matlab, chọn System Identification.

- Load dữ liệu vào Matlab workspace

+ Chuẩn bị file Excel lưu kết quả đo đạt có tên “nhandang” : để ở dạng 2 cột, 1 cột là input, 1 cột là output

+ Vào Matlab, chọn folder có chứa file excel.

+ Sử dụng lệnh: u = xlsread('nhandang.xlsx','sheet1', 'A1:A420'); y = xlsread('nhandang.xlsx', 'sheet1', 'B1:B420');

 Tạo vector đầu vào u, vector đầu ra y trong workspace

- Trong hộp thoại System Identification, chọn Import data, chọn time domain data.

- Trong hộp thoại Import Data, ta điền các nội dung:

+ Input: Nhập u làm tên biến đầu vào.

+ Output: Nhập y làm tên biến đầu ra.

+ Data name: đổi tên mặc định thành data.

+ Starting time: Nhập 0 làm thời gian bắt đầu Giá trị này chỉ định giá trị bắt đầu của trục thời gian trên biểu đồ thời gian.

+ Sample time: Nhập 0,01 làm thời gian giữa các mẫu liên tiếp tính bằng giây Giá trị này là thời gian lấy mẫu thực tế trong thực nghiệm.

- Nhấn Import để đưa dữ liêu vào hệ thống:

- Nhấn vào time plot, ta có đồ thị của u và y theo thời gian như sau:

- - Vào estimate, chọn Transfer Function Models, Lần lượt chọn điểm cực và điểm không bằng 1-0; 1-1; 2-0; 2-1; 2-2 trong cửa sổ Transfer Function:

- Từ hàm truyền đạt tf3 trở đi, đồ thị đều có độ chính xác 93,83%, nhưng ta chọn hàm truyền đạt của hệ thống tương ứng với trường hợp 2 nghiệm cực 0 nghiệm zeros để dễ tính toán:

B.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Khi tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nói chung, công việc đầu tiên ta phải xây dựng mô hình toán học cho đối tượng Công việc này cung cấp cho ta những hiểu biết về đối tượng, giúp ta thành công trong việc tổng hợp bộ điều khiển Một công việc quan trọng không kém giúp ta giải quyết tốt bài toán là chọn luật điều khiển cho hệ thống Từ mô hình và yêu cầu kỹ thuật, ta phải chọn luật điều khiển thích hợp cho hệ thống Đưa kết quả của việc thiết kế hệ thống đạt theo mong muốn Hiện nay trong thực tế có rất nhiều phương pháp thiết kế hệ thống, mỗi phương pháp cho ta một kết quả có ưu điểm riêng Tùy thuộc vào điều kiện làm việc, yêu cầu kỹ thuật và mô hình đối tượng mà ta chọn luật điều khiển phù hợp.

I Lựa chọn luật điều khiển

Vì ta không đo được nhiễu, nên không thể dùng phương pháp điều khiển bù nhiễu Từ đó ta chọn phương pháp điều khiển hệ thống theo sai lệch.

Theo phần trước, hàm truyền đạt của hệ thống có dạng:

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống

( s) (1−Wk ) (1) Để chọn được luật điều khiển cho Wk cần quan tâm đến tính ổn định và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống nghĩa là E(s) dần về 0, ta chọn mẫu: Wm= s +1 1 thay vào (1)

=Kd.s+Kp+Ki 1 s (với Kd= A 2

- Khâu tỉ lệ (P):là phương pháp khuếch đại sai lệch Kp, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệch với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu Khâu tỉ lệ sẽ là mạch khếch đại đảo.

- Khâu tích phân (I) là mạch lấy tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ với hệ số Ki Điều này làm loại bỏ sai lệch xác lập còn xót lại, tăng tốc độ di chuyển đến giá trị setpoint Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ Nhược điểm là có thể gây ra độ quá điều chỉnh Khâu tích phân chính là mạch tích phân đảo.

- Khâu vi phân (D) là vi phân của sai lệch, khuếch đại độ dốc của sai lệch xác lập

Kd Tác dụng làm chậm thời gian đáp ứng và thời gian xác lập Giảm độ quá điều chỉnh, nhạy với nhiễu Khâu vi phân là mạch vi phân đảo. Áp dụng cho điều khiển biến sai lệch (e) trong hệ thống với đầu ra ở dạng điện áp (u), ta có:

U= Kd de dt +Kp e+Ki ∫e dt

=-[- Kd de dt +(-Kp e)+(-Ki ∫e dt)]

Vậy nên cần thiết kế mạch sử dụng đến bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện được yêu cầu trên.

II Thiết kế mạch điều khiển

Trong hệ thống điều khiển tự động của dự án, ta cần sử dụng đến các khâu điều chỉnh chuẩn là khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) như trong biểu thức đã trình bày

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID

III Tính toán thông số chi tiết

*Đáp ứng thời gian của hệ thống:

+ Thời gian đáp ứng ts = 1,5 (sec).

+ Sai số xác lập E : 2%. Độ quá điều chỉnh:

Thời gian đáp ứng: t s = 1 ζ ⍵ n ln( E √ 1−ζ 2 ) −1 =1, 5 → ⍵ n =¿ 4,5 (Hz)

Bộ điều khiển cần thiết: G c ( s )=K P + K I

Phương trình đặc trưng của hệ sau khi điều chỉnh:

Phương trình đặc trưng mong muốn:

= 0 Đồng nhất hệ số phương trình đặc trưng: p+2 ζ ⍵ n = 6,08+171, 7 K D

Vậy bộ điều khiển PID: G c ( s )=1+ 3,979

C MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

Sử dụng Simulink trong Matlab để quan sát sự khác biệt khi có bộ diều khiển thông qua đồ thị.

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng Simulink

Hình 4.4 Mô phỏng sơ đồ hệ thống

Hình 4.5 Các đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ thống qua các bộ điều khiển khác nhau

- Trước khi có bộ điều khiển, đồ thị của hệ thống (đường màu đỏ) tuy đạt đến trạng thái ổn định nhưng không đạt đến giá trị mong muốn Bên cạnh đó, hệ thống còn có độ quá điều chỉnh lớn (PO > 40%), dẫn đến hệ thống dễ mất ổn định Thời gian xác lập khoảng 1,5s.

- Khi sử dụng bộ điều khiển PD (đồ thị màu tím): độ quá điều chỉnh của hệ thống giảm đi đáng kể, thời gian đáp ứng nhanh (khoảng 0,4s) Tuy nhiên, hệ thống không tiến đến giá trị xác lập.

- Khi sử dụng bộ điều khiển PI (đồ thị màu xanh lá): hệ thống tuy tiến đến giá trị xác lập nhưng độ quá điều chỉnh rất lớn (PO = 50%), dẫn đến hệ thống dễ mất ổn định Thời gian xác lập chậm lơn so với trước khi có bộ điều khiển (2,5s).

- Khi sử dụng bộ điều khiển PID (đồ thị màu vàng), đồ thị của hệ thống mang ưu điểm của hai bộ điều khiển PI và PD: độ quá điều chỉnh thấp (PO = 6%), thời gian đáp ứng nhanh (khoảng 0.85s), hệ thống tiến đến giá trị mong muốn.

- Từ những dẫn chứng trên, việc ta lựa chọn bộ điều khiển PID để điều khiển cho hệ thống là chính xác.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

I/ LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỆN TỬ, TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ:

Mạch khuếch đại thuật toán (Opamp) là bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, đóng vai trò quan trọng trong kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, bộ ổn áp và bộ lọc tích cực Với hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung, Opamp được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng thực hiện các phép tính như cộng, trừ, tích hợp, đáp ứng nhu cầu xử lý tín hiệu trong các hệ thống điện tử hiệu quả.

Hình 5.1 Kí hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ điện

Khuếch đại thuật toán (Hình 1.1), với đầu vào Uvk hay (Uv+) gọi là đầu vào không đảo và đầu thứ hai Uvđ (hay Uv-) gọi là đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu không đảo thì số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu được đưa vào đầu đảo thì gia số tín hiệu ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường được dùng để thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài cho khuếch đại thuật toán.

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Hình 2.1 Hình chiếu bằng của hệ thống

Hình 2.2 Hình chiếu đứng của hệ thống

- Vật liệu: Giấy bìa cứng b/ Giá đỡ cánh phẳng:

- Chiều cao giá đỡ: 300 mm.

- Khoảng cách giữa hai giá đỡ: 260 mm.

- Vật liệu giá đỡ: Gỗ. c/ Giá đỡ động cơ quạt gió:

- Chiều cao giá đỡ động cơ: 80 mm.

- Vật liệu làm giá đỡ động cơ: Gỗ. d/ Phần đế:

Hình 2.3 Thiết kế đối tượng điều khiển

- Góc quay: từ 0 đến 333 độ

- Ngõ ra: điện áp tương tự analog

- Giá trị biến trở: 10k ohm

- Nhiệt độ làm việc: -40 đến 85℃

- Điện áp đầu vào: 100V-240VAC 50 / 60Hz

- Đầu cắm nguồn AC: chuẩn Hoa Kỳ

- Sai số điện áp: ± 5% (không tải)

- Jack DC: 5.5 * 2.5mm ( tương thích 5.5 * 2.1mm)

Một IC thuật toán LM358, thực hiện nhiệm vụ tạo bộ so sánh tín hiệu.

7 Biến trở volume 3 chân (1 cái)

- Độ dài núm chỉnh: 15mm

- Đường kính núm chỉnh: 7mm

- Góc quay toàn bộ: 330 (độ)

8 Biến trở tam giác RM065 (2 cái)

- Góc quay toàn bộ: 210±20 (độ)

- Điện áp hoạt động tối đa: 50V/DC

- Đường kính lỗ vặn ốc:

- Dải nhiệt độ -55 đến 150 độ C

14 Transistor L7912+L7812 dùng để ổn áp nguồn

15 Cầu Đi-ốt RS507 Điện áp ngược cực đại: 1000V Dòng thuận cực đại: 5A Điện áp rơi thuận: 1V

Dải nhiệt độ hoạt động: -55 o C ~ 150 o C

Thông số kỹ thuật Điện áp vào: 0V, 110V, 220V Điện áp ra xoay chiều: 0V, 6V, 9V, 12V, 15V,18V, 24V

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

Kiểm tra chất lượng bộ điều khiển qua các trang thái nhiễu

Khởi tạo hệ thống (Động cơ làm quay quạt đẩy cánh phẳng lên 1 góc xác định ) Điều chỉnh giá trị các linh kiện trong mạch điều khiển (biến trở)

Kiểm tra chất lượng làm việc của hệ thống qua giá trị đọc được Đọc giá trị góc lệch của cánh phẳng bằng MCU và hiển thị lên LCD

Hệ thống không đạt yêu cầu

Hệ thống chưa đạt chuẩn cần điều chỉnh

Kết thúc Đưa HT về trạng thái dừng

Hệ thống đạt yêu cầu

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN

I Đo đạt số liệu từ mô hình:

Volt kế, mô hình, máy tính.

2/ Phương pháp đo: a Xác định các tín hiệu:

- Tín hiệu vào: Điện áp của động cơ

- Tín hiệu ra: góc của cánh phẳng. b Tiến trình thực hiện:

- Lập trình arduino để điều chỉnh điện áp của động cơ, chọn thời gian lấy mẫu (góc của cánh phẳng) ngắn (0,01s) Chạy chương trình, với U = 12.4 V ta lấy 421 giá trị góc của cánh phẳng như bảng số liệu sau:

3 Nhận dạng hàm truyền đạt: a) Công cụ nhận dạng System Identification app (Matlab):

- Mở mục APP trong Matlab, chọn System Identification.

- Load dữ liệu vào Matlab workspace

+ Chuẩn bị file Excel lưu kết quả đo đạt có tên “nhandang” : để ở dạng 2 cột, 1 cột là input, 1 cột là output

+ Vào Matlab, chọn folder có chứa file excel.

+ Sử dụng lệnh: u = xlsread('nhandang.xlsx','sheet1', 'A1:A420'); y = xlsread('nhandang.xlsx', 'sheet1', 'B1:B420');

 Tạo vector đầu vào u, vector đầu ra y trong workspace

- Trong hộp thoại System Identification, chọn Import data, chọn time domain data.

- Trong hộp thoại Import Data, ta điền các nội dung:

+ Input: Nhập u làm tên biến đầu vào.

+ Output: Nhập y làm tên biến đầu ra.

+ Data name: đổi tên mặc định thành data.

+ Starting time: Nhập 0 làm thời gian bắt đầu Giá trị này chỉ định giá trị bắt đầu của trục thời gian trên biểu đồ thời gian.

+ Sample time: Nhập 0,01 làm thời gian giữa các mẫu liên tiếp tính bằng giây Giá trị này là thời gian lấy mẫu thực tế trong thực nghiệm.

- Nhấn Import để đưa dữ liêu vào hệ thống:

- Nhấn vào time plot, ta có đồ thị của u và y theo thời gian như sau:

- - Vào estimate, chọn Transfer Function Models, Lần lượt chọn điểm cực và điểm không bằng 1-0; 1-1; 2-0; 2-1; 2-2 trong cửa sổ Transfer Function:

- Từ hàm truyền đạt tf3 trở đi, đồ thị đều có độ chính xác 93,83%, nhưng ta chọn hàm truyền đạt của hệ thống tương ứng với trường hợp 2 nghiệm cực 0 nghiệm zeros để dễ tính toán:

B.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Việc xây dựng mô hình toán học cho đối tượng là nền tảng của quá trình thiết kế hệ thống điều khiển tự động vì nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về đặc tính hệ thống Dựa trên mô hình này và các yêu cầu kỹ thuật, việc lựa chọn luật điều khiển phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất mong muốn của hệ thống Trong thực tế, có nhiều phương pháp thiết kế khác nhau, mỗi phương pháp có ưu điểm riêng Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, các kỹ sư có thể lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống và luật điều khiển phù hợp với mô hình đối tượng và yêu cầu hiệu suất đề ra.

I Lựa chọn luật điều khiển

Vì ta không đo được nhiễu, nên không thể dùng phương pháp điều khiển bù nhiễu Từ đó ta chọn phương pháp điều khiển hệ thống theo sai lệch.

Theo phần trước, hàm truyền đạt của hệ thống có dạng:

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống

( s) (1−Wk ) (1) Để chọn được luật điều khiển cho Wk cần quan tâm đến tính ổn định và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống nghĩa là E(s) dần về 0, ta chọn mẫu: Wm= s +1 1 thay vào (1)

=Kd.s+Kp+Ki 1 s (với Kd= A 2

- Khâu tỉ lệ (P):là phương pháp khuếch đại sai lệch Kp, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệch với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu Khâu tỉ lệ sẽ là mạch khếch đại đảo.

- Khâu tích phân (I) là mạch lấy tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ với hệ số Ki Điều này làm loại bỏ sai lệch xác lập còn xót lại, tăng tốc độ di chuyển đến giá trị setpoint Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ Nhược điểm là có thể gây ra độ quá điều chỉnh Khâu tích phân chính là mạch tích phân đảo.

- Khâu vi phân (D) là vi phân của sai lệch, khuếch đại độ dốc của sai lệch xác lập

Tích phân giúp làm chậm thời gian đáp ứng và thời gian xác lập, giảm độ quá điều chỉnh và độ nhạy với nhiễu Trong trường hợp áp dụng cho điều khiển biến sai lệch (e) trong hệ thống với đầu ra ở dạng điện áp (u), mạch tích phân được cấu hình là mạch vi phân đảo.

U= Kd de dt +Kp e+Ki ∫e dt

=-[- Kd de dt +(-Kp e)+(-Ki ∫e dt)]

Vậy nên cần thiết kế mạch sử dụng đến bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện được yêu cầu trên.

II Thiết kế mạch điều khiển

Trong hệ thống điều khiển tự động của dự án, ta cần sử dụng đến các khâu điều chỉnh chuẩn là khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) như trong biểu thức đã trình bày

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID

III Tính toán thông số chi tiết

*Đáp ứng thời gian của hệ thống:

+ Thời gian đáp ứng ts = 1,5 (sec).

+ Sai số xác lập E : 2%. Độ quá điều chỉnh:

Thời gian đáp ứng: t s = 1 ζ ⍵ n ln( E √ 1−ζ 2 ) −1 =1, 5 → ⍵ n =¿ 4,5 (Hz)

Bộ điều khiển cần thiết: G c ( s )=K P + K I

Phương trình đặc trưng của hệ sau khi điều chỉnh:

Phương trình đặc trưng mong muốn:

= 0 Đồng nhất hệ số phương trình đặc trưng: p+2 ζ ⍵ n = 6,08+171, 7 K D

Vậy bộ điều khiển PID: G c ( s )=1+ 3,979

C MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

Sử dụng Simulink trong Matlab để quan sát sự khác biệt khi có bộ diều khiển thông qua đồ thị.

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng Simulink

Hình 4.4 Mô phỏng sơ đồ hệ thống

Hình 4.5 Các đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ thống qua các bộ điều khiển khác nhau

- Trước khi có bộ điều khiển, đồ thị của hệ thống (đường màu đỏ) tuy đạt đến trạng thái ổn định nhưng không đạt đến giá trị mong muốn Bên cạnh đó, hệ thống còn có độ quá điều chỉnh lớn (PO > 40%), dẫn đến hệ thống dễ mất ổn định Thời gian xác lập khoảng 1,5s.

- Khi sử dụng bộ điều khiển PD (đồ thị màu tím): độ quá điều chỉnh của hệ thống giảm đi đáng kể, thời gian đáp ứng nhanh (khoảng 0,4s) Tuy nhiên, hệ thống không tiến đến giá trị xác lập.

Khi áp dụng bộ điều khiển PI (đường màu xanh lá), hệ thống phản ứng chậm hơn so với trước khi có bộ điều khiển (2,5 giây) Tuy nhiên, hệ thống vẫn tiến đến giá trị mục tiêu với độ quá điều chỉnh lớn (PO = 50%), làm tăng khả năng mất ổn định của hệ thống.

Khi áp dụng bộ điều khiển PID (đường màu vàng), hệ thống thể hiện sự kết hợp ưu điểm của bộ điều khiển PI và PD Cụ thể, hệ thống có độ quá điều chỉnh thấp (PO = 6%), thời gian đáp ứng nhanh chóng (khoảng 0,85 giây) và có thể tiến gần đến giá trị mong muốn.

- Từ những dẫn chứng trên, việc ta lựa chọn bộ điều khiển PID để điều khiển cho hệ thống là chính xác.

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

I/ LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỆN TỬ, TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ:

Mạch khuếch đại thuật toán, còn gọi là Opamp (Operational Amplifier) thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v.v…

Hình 5.1 Kí hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ điện

Khuếch đại thuật toán (Hình 1.1), với đầu vào Uvk hay (Uv+) gọi là đầu vào không đảo và đầu thứ hai Uvđ (hay Uv-) gọi là đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu không đảo thì số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu được đưa vào đầu đảo thì gia số tín hiệu ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường được dùng để thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài cho khuếch đại thuật toán.

Các đặc tính kĩ thuật của khuếch đại thuật toán Độ lợi điện áp lớn (lý tưởng Av = ∞)Tổng trở vào lớn (lý tưởng Zin = ∞)Tổng trở ra bé (lý tưởng Zout = 0)

Nguồn cung cấp: Khuếch đại thuật toán thường dùng nguồn đôi (nguồn đối xứng), ngoài việc sử dụng nguồn đôi làm tăng việc sử dụng khai thác hết hiệu suất của vi mạch, nguồn đôi thường dùng trong khoảng Vcc = (±3 ÷ ±18)𝑉.

2 Khâu tỉ lệ (P) – Sử dụng mạch khuếch đại đảo

Hình 5.2 Sơ đồ khối thuật toán khuếch đại đảo

R ¿ =1 Nên ta chọn Rin = Rf = 10k Ω

3 Khâu tích phân (I) – Sử dụng mạch tích phân đảo

Hình 5.3 Sơ đồ khối thuật toán khâu tích phân đảo

Ur = - Ki ∫e dt = - RC 1 ∫e dt => K i = 1

RC =3,979 Nên ta có R = 5347 Ω ( chọn C= 47μF)F).

4 Khâu vi phân (D) – Sử dụng mạch vi phân đảo

Hình 5.4 Sơ đồ khối thuật toán khâu vi phân dảo

Ur = - Kd de dt = -RC de dt => Kd = RC = 0,1925 Nên ta có R = 4096 Ω (chọn C = 47μF)F)

Vậy với đầu vào là tín hiệu điện áp sai lệch (e), tổng các đầu ra được hợp lại bằng mạch cộng đâo sẽ thỏa mãn phương trình đặc tính của bộ điều khiển PID.

5 Mạch trừ: Sử dụng để tính sai lệch giữa đầu ra và đầu vào.

Hình 5.5 Sơ đồ khối của mạch trừ

- Ta chọn các giá trị của điện trở là 10kΩ, lúc đó Ura = U2 – U1.

6 Mạch cộng đảo: Tính tổng các khâu P,I,D để tạo thành bộ điều khiển PID mong muốn.

Hình 5.6 Sơ đồ khối của mạch cộng đảo

- Khi ta chọn giá trị của các điện trở bằng nhau và bằng 10kΩ, thì Ura = - (U1 +

Hình 5.7 Mạch điều khiển PID hoàn thiện

II/ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CỦA HỆ THỐNG TRÊN

1/ Nguyên lý hoạt động của toàn mạch:

Ngoài bộ điều khiển PID đã biết, trên mạch điện tử của hệ thống còn một số chi tiết cần trình bày như sau: a/ Mạch khuếch đại không đảo:

- Điện áp đầu ra của biến trở đặt có giá trị từ 0 đến 5V ứng với góc đặt từ 0 đến 61 ◦

- MCU quay từ 0 đến 333 ◦ , ứng với điện áp phản hồi của MCU là từ 0 đến 5V Nhưng thực tế hệ thống chỉ quay được từ 0 đến 61 ◦ , ứng điện áp phản hồi của MCU từ 0 đến 0,916V, nên ta cần khuếch đại điện áp lên 5,46 lần để đồng bộ với điện áp đặt.

- Mạch này có tác dụng khuếch đại điện áp vào lên

1 + R Ru 14 6 lần, không đảo pha.

- Chọn R14=1kΩ => Ru6 = 4.46kΩ b/ Mạch ổn áp:

- Vì MCU hoạt động ở điện áp từ 0 đến 5V, ta cần mạch ổn áp để hạ áp từ nguồn nuôi 12V xuống 5V để cung cấp cho MCU cũng như biến trở đặt hoạt động

- Tụ C3 để lọc điện áp đầu vào, cũng như cung cấp điện áp tạm thời cho IC-7805 khi bị sụt áp, tụ C4 lọc điện áp đầu ra Hình 5.9 Mạch ổn áp

- Đèn led D2 để báo có điện áp đầu ra

- Hai cổng 1,3 của domino KF128-5 đấu vào nguồn ± 12V Cổng 2 nối GND.

GVHD: TS Trần Thị Minh Dung c/ Mạch khuếch đại công suất:

Do tín hiệu đầu ra sau bộ điều khiển PID nhỏ (15-20mA), công suất nhỏ nên không đủ để động cơ hoạt động Do đó, cần mạch khuếch đại công suất để khuếch đại tín hiệu đầu ra này lên đủ công suất cho động cơ hoạt động.

- Đèn led D1 để báo điện áp từ adapter J6.

- Biến trở tam giác RM065 có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu vào khâu khuếch đại (được sử dụng để thay đổi điện áp vào động cơ khi lấy số liệu nhận dạng hệ thống và được sẽ được giữ ở một giá trị xác định trong bộ điều khiển)

-R12 và R13 tạo dòng phân cực cho BJT 2SD718 khuếch đại điện áp đầu ra cung cấp cho tải.

- Điện áp ở domino KF128-5 sẽ đưa vào Motor

Hình 5.10 Mạch khuếch đại công suất d/ Mạch nguồn:

- Ta dùng máy biến áp đổi từ 220V xoay chiều thành 0V, 12V, 24V xoay chiều.

- Lấy 3 chân điện áp 0V, 12V, 24V từ máy biến áp Vì hiệu điện thế giữa chân 0V với 12V là –12V, giữa 24V với 12V là +12 V Nếu ta chọn chân 12V làm GND thì chân 24V sẽ làm nguồn +12V và chân 0V sẽ làm nguồn – 12V.

- Vì điện áp đầu ra của máy biến áp có dạng sóng sin có cả chu kì âm và dương nên ta cần phải chỉnh lưu toàn sóng trở thành chu kì dương.

- Cầu diode BR1 dùng để chỉnh lưu toàn sóng.

- BJT L7812 có nhiệm vụ ổn áp nguồn dương, còn BJT L7912 làm nhiệm vụ ổn áp nguồn âm.

- Điện áp sau bộ chỉnh lưu có độ đập mạch lớn Nếu trực tiếp cung cấp cho các mạch điện tử thì sẽ không hoạt động được, do vậy cần phải có bộ lọc Tụ C1, C2 có nhiệm vụ làm bộ lọc Bộ lọc thường có điện dung lớn nên chọn tụ C1, C2 có giá trị 1000 μF)F

- Ngoài ra tụ C1, C2 còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn tạm thời khi bị sụt áp.Tụ C3, C4 làm nhiệm vụ lọc điện áp nguồn ra.

- Đèn led D1, D2 làm nhiệm vụ báo hiệu có điện áp tại đầu ra.

2/ Sơ đồ mạch điện tử của hệ thống:

Hình 5.11 Mạch điều khiển hoàn chỉnh trên Proteus

Hình 5.12 Mạch nguồn hoàn chỉnh trên Proteus

III/ THIẾT KẾ MẠCH PCB LAYOUT:

Hình 5.13 Mạch PCB Layout của mạch điều khiển

Hình 5.14 Mô hình 3D của mạch điều khiển

Hình 5.15 Mạch PCB Layout của mạch nguồn

Hình 5.16 Mô hình 3D của mạch nguồn

TỔNG KẾT, ĐÁNH GIÁ HỆ THÔNG

- Bộ điều khiển hoạt động tương đối tốt, hệ thống đáp ứng nhanh, độ quá điểu chỉnh thấp

- Về mặt thẩm mỹ, mô hình có độ hoàn thiện cao.

- Trong quá trình mô phỏng, khi lấy số liệu từ PIDtuner, hệ thống không hoạt động ổn định như mong muốn, dẫn đến ta phải tính toán cụ thể từng giá trị Kp,

- Sau quá trình thực hiện đồ án, các thành viên trong nhóm đã rèn luyện được nhiều kỹ năng tốt: kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề, kỹ năng tự học, kỹ năng thiết kế mạch và lắp đặt linh kiện,…Đây là nền tẳng vững chắc giúp nhóm thực hiện được những đồ án tiếp theo

CHI PHÍ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

Tiêu đề	Điều khiển hệ thống quạt cánh phẳng
Tác giả	Nguyễn Anh Tuấn, Huỳnh Đại, Nguyễn Văn Vĩ, Nguyễn Thanh Hòa, Nguyễn Quang Huy, Nguyễn Tăng Phi Lâm
Người hướng dẫn	TS. Trần Thị Minh Dung
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Tự động hóa
Thể loại	Báo cáo PBL1
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	41
Dung lượng	3,33 MB