41 - Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so sánh như Hình vẽ 3.3. Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo. Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234 42 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang - Một IC74HC04 là IC gồm 4 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu vào vi xử lí. Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng để đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báo hiệu có tín hiệu hay không. 43 Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trong mô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảm biến để đo tốc độ của quạt, do đó cần ba đầu ra cảm biến. + Nguyên lý hoạt động Để sử dụng để đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần dán các tấm phản xạ có độ ph ản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta chỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mm và các cặp thu phát được đặt song song với nhau. Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp vào hai đầu vào đảo (U - ) và không đảo (U + ) của mạch so sánh. Nếu U + >U - Thì đầu ra U ra sẽ có mức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp. Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại khi quạt quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đối diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phần thu. Lúc này do tính chất cấ u tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh sẽ gần như được nối đất U - ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt vào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo của mạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U + ≈ 2V. Lúc này U + > U - nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp U ra ≈ 5V. Ngược lại, khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi của nó U - ≈ 5V. Lúc này thì U + < U - nên ở đầu ra sẽ có mức thấp U ra ≈ 0V. 44 Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt được tính theo công thức: f = p.N (3.5) Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 2800 xung/phút. Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến theo quan hệ như công thức (3.5) Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của các con so sánh đều được cho qua một cổng NOT. 3.3 Cơ cấu điều chỉnh tốc độ Cơ cấu điều chỉnh tốc độ trong mạch ổn định tốc độ là bộ biến tần trong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện áp và dòng điện thoả mãn với các thông số củ a động cơ và đặc biệt là có tần số thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụ trợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một 45 luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Mô hình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điều khiển. Để xây dựng được mô hình toán học hệ thống ta có hai phương pháp: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết phải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở đã có mô hình của hệ thống ta tiến hành xây dựng của bộ điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm. Thông tin hệ thống Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy Hoạt động của hệ thống: Không khí được đưa vào buồng sấy qua ống dẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sau đó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốc độ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió. 3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiển a) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển 46 Để tổng hợp được bộ điều khiển, trước tiên chúng ta cần phải biết về đối tượng điều khiển, tức là cần phải có một mô hình toán học mô tả đối tượng. Việc xây dựng mô hình cho đối tượng được gọi là mô hình hoá. Trong thực tế, các phương pháp mô hình hoá được chia làm hai loại: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình d ựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của đối tượng. Các quan hệ này được mô tả dưới dạng những phương trình toán học. Trong trường hợp sự hiểu biết về đối tượng không được đầy đủ để có thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh, nhưng ta biết các thông tin ban đầu về dạng mô hình thì chúng ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệ m để hoàn thiện nốt việc xây dựng mô hình đối tượng trên cơ sở quan sát tín hiệu vào ra của đối tượng sao cho mô hình thu được bằng phương pháp thực nghiệm thoả mãn các yêu cầu của phương pháp lý thuyết đề ra. Phương pháp thực nghiệm đó được gọi là nhận dạng hệ thống điều khiển. Yêu cầu của mô hình tổng hợp được là: - Mô hình phải thuộc lớp mô hình tuyến tính thích hợp. - Mô hình phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất. Loại mô hình được lựa chọn: Với những ưu điểm như: mô hình đơn giản, ít chi phí, các tham số xác định dễ dàng, không tốn nhiều thời gian, mô hình cho phép dễ dàng theo dõi được kết quả điều khiển đối tượng và chỉnh định lại mô hình cho phù hợp, … Mô hình tuyến tính là loại mô hình được chúng tôi lựa chọn cho đối tượng. Với lớp mô hình thích hợp là mô hình liên tục có tham số. Mô hình liên tục có tham số có dạng hàm truyền là: 47 m 01 m n 0 1 n b b s b s G(s) a a s a s +++ = +++ với m ≤ n (3.6) Trong đó: n, m có thể cho trước hoặc không cho trước; b 0 , b 1 , …, b m ; a 0 , a 1 , …, a n là các tham số cần xác định. Phương pháp nhận dạng: Phương pháp nhận dạng được sử dụng khi tiến hành thí nghiệm là phương pháp nhận dạng chủ động, tức là ta chủ động kích đối tượng bằng hàm Heaviside 1(t) ở đầu vào và thu được tín hiệu dưới dạng hàm quá độ h(t) ở đầu ra. Trên cơ sở hàm quá độ thu được h(t), chúng ta xác định các tham số b 0 , b 1 , … , b m , a 0 , a 1 , … , a n cho mô hình trên. Để thực hiện được điều đó, trước hết chúng ta cần xem qua những kết luận có tính chất đặt cơ sở cho sự suy luận về dạng mô hình: Kết luận 1:- Nếu h(+0) = 0 thì n > m. Ngược lại nếu h(+0) ≠ 0 thì n = m. - Nếu d h(+0) = 0 dt thì n – m > 1. Ngược lại nếu d h(+0)¹ 0 dt ≠ thì n = m + 1. - Nếu h(+∞) = ∞ thì a 0 = 0. - Nếu h(+∞) = 0 thì b 0 = 0. - Nếu h(+∞) là một hằng số khác 0 thì trong G(s) có một khâu P nối tiếp với hệ số khuếch đại 0 0 b k= a . Không mất tính tổng quát, G(s) có thể được biểu diễn lại như sau: 48 G(s) = k. s)Ts) (1Ts)(1T1( s)T's) (1T's)(1T'(1 n21 m21 +++ + + + (3.7) Ở đây T i và T i ’ là các hằng số thời gian. Không mất tính tổng quát ta giả thiết: T 1 ≤ T 2 ≤ … ≤ T n và T 1 ’ ≤ T 2 ’ ≤ … ≤ T m ’. Kết luận 2: Nếu h(t) không lượn sóng và không giảm, tức là h(t) không chứa thành phần quá điều chỉnh, thì các tham số T i , T i ’ của mô hình (3.7) tương ứng phải là những số thực và phải thoả mãn: T n > T m ’, T n-1 > T m-1 ’, … , T n-m-1 > T 1 ’ (3.8) Kết luận 3: Nếu h(t) không lượn sóng, có độ quá điều chỉnh nhưng sau đó giảm dần về h(∞) = k và không nhỏ hơn k thì tham số T i , T i ’ của mô hình (3.7) tương ứng phải là những số thực và tồn tại duy nhất một chỉ số l ∈ {1, 2, … , m} để một trong m bất đẳng thức (3.8) không được thoả mãn. Kết luận 4: Nếu h(t) có p điểm cực trị, trong đó điểm cực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(t) = k thì những tham số T i , T i ’ của mô hình (3.7) tương ứng là những số thực và phải tồn tại p chỉ số trong khoảng {1, 2, … , m} để có p bất đẳng thức trong (3.8) không được thoả mãn. Kết luận 5: Nếu h(t) có vô số điểm cực trị cách đều nhau, trong đó điểm cực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(∞) = k thì mô hình (3.6) của nó phải có các điểm cự c là những giá trị phức. Sau khi đã có hàm h(t) từ thực nghiệm, dựa vào những kết luận trên ta có thể xác định được các tham số cho mô hình của đối tượng điều khiển. Trong thực tế, người ta thường cố gắng đưa dạng mô hình của đối tượng điều khiển về các khâu cơ bản như: khâu quán tính bậc nhất (PT 1 ), khâu quán tính - tích phân bậc nhất (IT 1 ), khâu quán tính – tích phân bậc n (IT n ), khâu quán tính bậc hai (PT 2 ), khâu quán tính bậc n (PT n ), khâu Lead/Lag, khâu dao động 49 bậc hai, hay kết hợp các khâu cơ bản. Sau đó, trên cơ sở các phương pháp kinh điển đã được nghiên cứu, ta có thể xác định được các tham số cho các mô hình này. b) Xây dựng mô hình cho đối tượng điều khiển Xây dựng hàm truyền W(s) với đầu vào đối tượng là tốc độ đặt và đầu ra là tốc độ mong muốn. Để tìm được hàm truyền trên ta kích thích hệ thống bằng hàm Heaviside 1(t) tại đầu vào tốc độ. Hàm 1(t) ở đây là tốc độ hay ta chuyển đổi thành hàm 1(t) của tần số kích xung mở các transitor. Đo ở đầu ra ta được đáp ứng quá độ h tt (t). Người ta chia đối tượng khảo sát ra làm hai loại cơ bản: Đối tượng có tính tự cân bằng là đối tượng có khả năng tự hiệu chỉnh lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu tác động phá vỡ cân bằng (đối tượng tĩnh). Đối tượng không tự cân bằng là đối tượng không có khả năng trạng thái cân bằng khi có nhiễu phá vỡ sự cân bằng của nó. Đối tượng ở đây là tố c độ của dòng khí. Khi ta cấp nguồn điện cho bộ biến tần, tốc độ tăng lên và tăng đến một tốc độ nào đó thì không tăng nữa và nó ổn định ở tốc độ này. Như vậy đối tượng của ta ở đây là đối tượng có tính tự cân bằng. Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng có tính tự cân bằng được mô tả như sau: W dt (s) = K dt W 0 (s) e - τ s Trong đó K dt là hệ số truyền của đối tượng; τ là thời gian trễ . W 0 (s) = + ++ + + ++ + mm-1 01 m-1 nn-1 01 n-1 bs bs b s 1 a s a s a s 1 50 Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau: - Khâu quán tính bậc nhất: PT 1 : W(s) = + 1 Kdt 1Ts Đặc tính đường quá độ của hàm truyền như hình 3.6a - Khâu quán tính bậc nhất có trễ: dt o τs K.e W(s) 1Ts − = + - Khâu quán tính bậc hai: PT 2 : W(s) = ++ 12 K dt (1 T s)(1 T s) Đặc tính đường quá độ của hàm truyền PT 2 như hình 3.6b. - Khâu quán tính bậc hai có trễ: dt o 12 τs K.e W(s) (1 T s)(1 T s) − = ++ - Khâu quán tính bậc n: PT n : W(s) = n Ts)(1 dt K + h(t) t t h(t . có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện áp và dòng điện thoả mãn với các thông số củ a động cơ. đối diện với phần phát lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ bằng điện áp nguồn. thuộc vào cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh sẽ gần như được nối đất U - ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt vào đầu không đảo của bộ so