Nhóm chúng em quyết định chọn đề tài Điều khiển hệ thống quạt – Cánh phẳng với mong muốn tích lũy được nhiều kinh nghiệm nhất có thể.. Mô hình hệ thống Quạt gió – Cánh phẳng là một mô hì
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản suất có công nghệ hiện đại trên tất cả các lĩnh vực đòi hỏi phải có hệ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số của nó để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng đã định Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính đã được phát triển ở mức độ cao, lý thuyết điều khiển thích nghi ra đời đáp ứng được yêu cầu trên Nội dung của điều khiển thích nghi là: tạo ra được hệ điều khiển mà cấu trúc và tham số của nó có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số đối tượng điều khiển sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định Do tính ưu việt của điều khiển thích nghi mà hiện nay các bộ điều khiển đang bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp, các hệ phi tuyến trong thực tế
Mục tiêu
Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió cánh phẳng nhằm duy trì ổn định góc của cánh phẳng
Trong thời gian làm đề tài, những mục tiêu của đề tài được đặt ra như sau:
+ Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thông qua nhận dạng thực nghiệm
+ Xác định mô hình hóa
+ Xây dựng thuật toán điều khiển
+ Đánh giá và nhận xét.
Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng mô hình lý thuyết QG-CP và tính toán các thông số PID
Xây dựng mô hình thực:
+ Phần cơ khí : khung sườn của mô hình
+ Phần điện: ứng dụng các mạch điện tử, cảm biến, động cơ.
Giới hạn đề tài
Trong khuôn khổ của đề tài, mô hình Quạt gió – Cánh phẳng có thể tăng hoặc giảm tốc độ động cơ khi có nhiễu đưa vào để ổn định cánh phẳng
Phương pháp điều khiển: sử dụng phương pháp điều khiển PID với thông số cố định
Tổng quan về đề tài quạt gió cánh phẳng
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
Hình 1.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng
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
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:
- Hệ thống gồm một cánh phẳng kích thước cỡ trang A4 (210mm * 300mm), có thể to hơn hoặc điều chỉnh lại cho vừa với khuôn khổ, nhưng không vượt quá 15 % của A4
- Phần điện gồm một bộ điều khiển để cung cấp tín hiệu điều khiển cho bộ nguồn Bộ nguồn là nguồn AC hoặc DC có thể điều chỉnh được điện áp hoặc dòng điện
- Phần đo lường gồm một cảm biến đo góc Giá trị góc đo được sẽ chuyển đến bộ điều khiển để thay đổi tín hiệu điều khiển
- Phần nguồn đầu vào là năng lượng cung cấp cho toàn hệ thống.
Nguyên lý hoạt động
- Giá trị góc quay được đặt trước bằng một biến trở hoặc bàn phím
- Bộ điều khiển sẽ đưa một tín hiệu điều khiển để cấp cho bộ nguồn và cấp điện áp cho động cơ quạt Khi quạt thổi gió vào tấm phẳng, tấm phẳng sẽ bị nâng lên với một góc nào đó
- Giá trị góc đo được bằng cảm biến sẽ phản hồi về và so sánh với giá trị đặt để hiệu chỉnh lại sai lệch sao cho giá trị góc quay bằng giá trị đặt
- Giá trị đặt có thể là hằng số hoặc thay đổi theo quy luật cho trước như hình thang, tam giác, hình chữ nhật, cung tròn
Sơ đồ khối của mô hình :
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG
Thiết kế cơ khí
- Vật liêu làm cánh phẳng: bìa cứng
- Mỏng nhẹ nên động cơ có thể đẩy cao hơn
- Giá đỡ động cơ: 20cm – 15cm
- Đỡ trục: Bi dọc 8li
Vật liệu: Nhôm kĩ thuật
Trục gắn với cánh phẳng: thép không rỉ ( đường kính 8mm)
− Các thanh nhôm gắn với nhau bằng các khớp 90 độ (13 cái)
− Trục gắn với cánh phẳng bằng keo nến, phần trên trục 10cm phần dưới 19cm
• Lý do chọn chất liệu:
- Độ cứng ,độ bền cơ học cao
- Dễ cắt ghép tạo khung
Thiết kế mạch điện
- Điện áp vào giới hạn: 6 – 20 V
- Digital I/O pin: 14 (6 pin có băm xung)
- Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin: 20 mA
- Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin: 50 mA
- Flash Memory: 32KB (Atmega328P)0.5KB (Bootloader)
- Công dụng : Lấy số liệu góc từ cảm biến
Góc quay: từ 0 đến 333 độ
- Ngõ ra: điện áp tương tự analog
- Giá trị biến trở: 10k ohm
- Nhiệt độ làm việc: từ -40 đến 85 độ C
Công dụng: Biến trở để đo góc
- Kích thước động cơ: 38 × 27 mm
- Công dụng: Tạo lực để cánh quạt quay
- Vật liệu: nhựa ABS, thiết mạ đồng
- Công dụng: Thiết kế mạch điện một cách dễ dàng
- Model: AC-DC Isolated Power Module Hi-Link HLK-PM01 5VDC 3W
- Điện áp vào : 100V ~ 240VAC / 50~60Hz
- Điện áp ngõ ra : 5VDC
- Low ripple and low noise
- Output overload and short circuit protection
- High efficiency, high power density
- The product is designed to meet the requirements of EMC and Safety Test
- Low power consumption, environmental protection, no-load loss ident:
• Bước 3: Chọn Time Domain Data:
• Bước 4: Nhập các giá trị Input, Output, Thời gian lấy mẫu 1s -> chọn Inport:
• Bước 5: Chọn Transfer Function Models:
• Bước 7: Chọn vào tf1 và từ đó có hàm chuyền đạt g(s) :
Vậy tìm được hàm chuyền đạt mới:
Mô phỏng hàm truyền đạt trên simulink
- Bấm run và chọn vào scope , ta sẽ có đồ thị:
- Đồ thị hàm truyền đạt:
Hàm truyền tìm được thông qua matlab và được đồ thị như hình trên ,độ chính xác là 82.63%
MẠCH ĐIỆN TỬ
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG OP-AMP
- Op-amp được viết tắt từ operational amplifier, dịch nghĩa tiếng việt là mạch khuếch đại thuật toán “DC-coupled” Mạch khuếch đại này có hệ số khuếch đại vô cùng cao, đầu vào vi sao và có đầu ra đơn Đầu ra của mạch được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm giúp xác định độ lợi đầu ra, tống trở đầu vào và tổng trở đầu ra
- Các Opamp được ứng dụng vô cùng phổ biến và rộng rãi hiện nay Những lĩnh vực đã đánh dấu sự góp mặt của nó là: điện tử dân dụng, khoa học và công nghệ Loại mạch khuếch đại thuật toán này có giá thành rẻ, độ bền cao nên rất được ưu tiên sử dụng
2 Đặc tính của OP-AMP: a) Độ lợi vòng lặp hở:
26 | P a g e Độ lợi vòng lặp hở là độ lợi của opamp không có phản hồi dương hoặc âm Opamp lý tưởng sẽ có độ lợi vòng lặp hở vô hạn nhưng thông thường nó nằm trong khoảng từ 20.000 đến 200.000 b) Trở kháng đầu vào: Đây là tỷ số giữa điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào Giá trị này phải là vô hạn mà không có bất kỳ sự rò rỉ nào của dòng điện từ nguồn cấp đến các đầu vào Nhưng sẽ có một vài sự cố rò rỉ vài pico ampe trong hầu hết các opamp c) Trở kháng đầu ra:
Opamp lý tưởng phải có trở kháng đầu ra bằng không mà không có bất kỳ nội trở nào Để nó có thể cung cấp đầy đủ dòng điện cho tải kết nối với đầu ra d) Chiều rộng băng tần:
Opamp lý tưởng phải có đáp ứng tần số vô hạn để có thể khuếch đại bất kỳ tần số nào từ tín hiệu
DC đến tần số AC cao nhất Nhưng hầu hết opamp có băng thông hạn chế e) Giá trị bù: Đầu ra của opamp phải bằng không khi chênh lệch điện áp giữa các đầu vào bằng không Nhưng trong hầu hết các opamp, đầu ra sẽ không bằng 0 khi tắt và sẽ có một ít điện áp
3 Cấu tạo của 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
4 Nguyên lý làm việc của OP-AMP:
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:
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass:
– Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): Vout = Av0.(V+-V–
28 | P a g e 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:
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)
Các dạng mạch cơ bản của Op-amps
• Mạch khuyếch đại cộng đảo:
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU
Hệ thống điều khiển tự động với các quy luật điều chỉnh
- Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển phản hồi tự động được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động PID là viết tắt của ba thành phần chính của nó: Proportional (P), Integral (I), và Derivative (D)
Các thành phần này hoạt động cùng nhau để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều khiển
Hình5.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
− Trong hệ thống điều chỉnh tự động trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng các luật điều khiển tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân
❖ Dưới đây là phân tích chi tiết về vai trò của các khâu P, I, và D:
1 Luật điều khiển tỉ lệ (P):
Vai trò và chức năng:
- Thành phần P phản ứng tỷ lệ với độ lệch giữa giá trị đặt (setpoint) và giá trị đo (process variable)
- Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc nhanh chóng đáp ứng và giảm độ lệch giữa setpoint và process variable
- Khi tăng hệ số 𝐾𝑝thì sai số xác lập giảm xuống, thời gian xác lập tăng lên nếu không có vọt lố và thời gian xác lập giảm xuống khi có vọt lố
- P là tín hiệu điều khiển từ thành phần P
- 𝐾𝑝 là hệ số tỉ lệ
- e(t) là độ lệch tại thời điểm t( e(t) = setpoint – processvariable)
Xây dựng bằng sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán:
Hình 5.2: Sơ đồ khối thuật toán tỉ lệ
2 Integral (I) - Thành phần tích phân:
Vai trò và chức năng:
- Thành phần I tích phân trên thời gian độ lệch giữa setpoint và process variable
- Nó giúp loại bỏ hoặc giảm độ lệch tĩnh và đáp ứng nhanh chóng với độ lệch dài hạ
- Khi tăng hệ số 𝐾𝑖 giúp giảm sai số xác lập bằng cách gây ra giao động nhưng nếu tăng cao quá thì làm hệ thống sẽ mất ổn định
- I là tín hiệu điền khiển từ thành phần I
- 𝐾𝑖 là hệ số tích phân
- ∫e(𝜏)d 𝜏 là tích phân của độ lệch trên thời gian
Xây dựng sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán:
3 Derivative (D) - Thành phần đạo hàm:
Vai trò và chức năng:
- Thành phần D phản ứng với tốc độ thay đổi của độ lệch giữa setpoint và process variable
- Nó giúp ổn định hệ thống và giảm bớt độ phản ứng nhanh chóng khi độ lệch thay đổi
- 𝐾𝐷 làm thay đổi tốc độ thay đổi của sai số e
- 𝐾𝐷 lớn thì hệ chậm nhưng ổn định hơn, giảm vọt lố
- D là tín hiệu điều khiển từ thành phần D
- 𝐾𝑑là hệ số đạo hàm
𝑑𝑡 là đạo hàm của độ lệch theo thời gian
Xây dựng bằng sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán:
Tín hiệu điều khiển tông cộng từ bộ điều khiển PID được tính như sau:
TÍn hiệu điều khiển = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡) 0 𝑡 + 𝐾𝑑 𝑑𝑒(𝑡) Ưu điểm: 𝑑𝑡
- Bộ điều khiển PID có thể điều chỉnh độ lệch nhanh chóng và hiệu quả
- Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điều khiển
- Cần cấu hình chính xác các hệ số 𝐾𝑝, 𝐾𝑖 , 𝐾𝑑 để đảm bảo ổn định và phản ứng tốt của hệ thống
Ba thành phần P, I, và D của bộ điều khiển PID hoạt động cùng nhau để cung cấp một tín hiệu điều khiển tối ưu cho hệ thống điều khiển Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và ổn định hệ thống, và việc cấu hình chính xác các hệ số là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất
Phân tích sự ảnh hưởng của PID đến đối tượng:
Hình 5.5: Sơ đồ mô phòng trên simulink
Hình 5.6: Giản đồ đáp ứng hệ thống
Thiết kế bộ điều khiển trên matlab, ta thu được thông số của bộ điều khiển như sau:
Thời gian xác lập: 0.247s Độ quá điều chỉnh: 1.27%
Ghi chú : Màu xanh dương: Hàm khi có điều khiển pid
Màu lá cây: Đầu ra mong muốn
Màu đỏ: Hàm truyền đạt gốc
Màu đen: Hàm khi có phản hồi
Từ đó: khi có bộ điều khiển PID, hàm của chúng ta gần với giá trị đầu ra mong muốn hơn, thời gian xác lập nhanh hơn, độ quá chỉnh có nhưng không đáng kể (1.27%)
Mô phỏng PID bằng proteus
Sơ Đồ Nguyên Lý Hệ Thống
Do yêu cầu đề tài, cũng như yêu cầu bài toán, ta sử dụng IC thuật toán trong việc thiết kệ hệ thống của mô hình thí nghiệm IC thuật toán ở đây được sử dụng làm bộ chức năng
(PID), bộ so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi, bộ khuếch đại tín hiệu chung
Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lý của khâu điện áp đặt
Ta có thể thay đổi điện áp đặt thông qua biến trở RV1
Khâu so sánh và phản hồi tín hiệu:
Hình 6.2: Sơ đồ nguyên lý của khâu so sánh điện áp đặt và khâu phản hồi
Dựa vào mạch trừ trong bộ khuếch đại thuật toán
Bộ PID làm nhiệm vụ điều chỉnh tín hiệu z(t) ra từ bộ so sánh tạo tín hiệu điều khiển chuẩn e(t) đi đến Chân base của Transistor
Theo chương 1 ta tính được các hệ số Ki,Kp,Kd bằng phần mềm MATLAB.Để điều chỉnh được các hệ số Ki,Kp,Kd thì ta thay 3 điện trở RP2, RI, RD thành các biến trở để các hệ số thay đổi theo mong muốn
Hình 6.3: Sơ đồ nguyên lý Bộ điều khiển PID
Ta tính toán các biến trở để lựa chon loại biến trở phù hợp Cách tính toán biến trở như sau:
Mạch khuếch đại và cộng đảo
Hình 6.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cộng đảo
Mạch có tác dụng cộng mạch khuếch đại, mạch vi phân, mạch tích phân và đảo dấu của hệ số Đầu ra của mạch được tính toán như sau:
BJT có thể làm việc ở ba trạng thái:
+ Trạng thái tắt: dòng qua Transistor bằng 0, Transistor khóa
+ Trạng thái bão hòa: dòng Ic lớn nhất và nếu tăng Ib cũng sẽ không thay đổi Ic
+ Trạng thái khuếch đại: điều chỉnh tăng giảm Ib để tăng giảm Ic.
Sơ đồ Nguyên lý toàn hệ thống
Nguyên lý hoạt động toàn mạch: Đầu tiên khi ta điều chỉnh điện áp đặt thì sẽ có sai lêch đối với khâu phản hồi, đưa vào mạch trừ để tính ra sai lệch đó Sau đó thông qua các khâu khuếch đại, tích phân, vi phân và gộp lại ở mạch cộng Đầu ra của mạch cộng cũng chính là đầu ra của PID và tiếp đó đưa đến transistor để khuếch đại dòng điện – tăng giảm điện áp, dòng điện – tăng giảm tốc độ động cơ Sau khi động cơ được điều chỉnh tốc độ thì cảm biến góc sẽ nhận giá trị và quay về so sánh với điện áp đặt Quá trình sẽ diễn ra liên tục như vậy cho đến khi điện áp ra của khâu phản hồi bằng với điện áp đặt.