ĐỒ ÁN MÔN HỌC VMTT_VMS Số: Họ tên HS-SV: Hoàng Xuân Dũng …….Nhóm 6, Lớp:ĐH-TĐH2 Khóa: Khoa: Điện NỘI DUNG Đề tài:Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc Mô tả: Cho đối tượng bậc (mô nhóm R,C).Thiết kế điều chỉnh PID KĐTT.Dùng phương pháp thời gian tổng Kuln để xác lập tham số cho PID Khuyến khích:-Tự xác định thành phần điều khiển để hệ kín ổn định PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1:Tìm hiểu chung mạch KĐTT mạch PID Chương 2:Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc với điều khiển PID Chương 3:Xây dựng chương trình mô NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………… Lời nói đầu Như biết,ngày mà công nghệ sản xuất linh kiện điện tử nâng cao đồ điện tử ngày thu nhỏ kích thước điều đồng nghĩa với vi mạch số ngày dùng nhiều thể tầm quan trọng Môn học Vi mạch số & vi mạch tương tự mang đến kiến thức cho sinh viên chúng em vi mạch số mạch tương tự Đề tài chúng em giao :”Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3”.Qua đề tài chúng em nắm bắt cách thiết kế PID khuếch đại thuật toán sử dụng thành thạo phương pháp tổng thời gian Kuhn để xác lập tham số cho PID Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn thầy Nguyễn Văn Vinh trực tiếp giảng dạy hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án Mặc dù có nhiều cố gắng trình làm đồ án không tránh khỏi sai sót cách trình bày phần thể đồ án mình.Mong thầy,cô bạn góp ý bổ sung thêm để đồ án nhóm em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm Tđh2K5 Mục Lục Chương I:Tìm hiểu chung mạch khuếch đại thuật toán mạch PID 1.1 Mạch khuếch đại thuật toán 1.1.khuếch đại thuật toán lí tưởng 1.2.khuếch đại thuật toán không lí tưởng II Mạch tỉ lệ- tích phân- vi phân (mạch pid) 1.3.mạch pid bản 1.4.mạch pid thường dùng Chương II:Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc với điều khiển PID……………………………………… 2.1.khái quát điều khiển PID 2.2.Sơ đồ khối hệ thống………………………………… 2.2.Các thành phần hệ thống………………………….… 2.3.Tính toán các tham số cho điều khiển PID dùng phương pháp thời gian tổng Kuln…………………………………… Chương III: Xây dựng chương trình mô Kết luận Phần thuyết minh Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tìm hiểu mạch KĐTT mạch PID Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc với điều khiển PID Chương 3: Xây dựng chương trình mô Chương I.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH PID 1.1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.1.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG 1.2.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN KHÔNG LÍ TƯỞNG II MẠCH TỈ LỆ- TÍCH PHÂN- VI PHÂN (MẠCH PID) 1.3.MẠCH PID CƠ BẢN 1.4.MẠCH PID THƯỜNG DÙNG 1.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN +Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện công suất +Tính ưu việt KĐTT là: tác dụng mạch điện có KĐTT thay đổi dễ dàng việc thay đổi các phần tử mạch (coi KĐTT hộp đen) +Để thực điều đó, KĐTT phải có các đặc tính sau đây: -Hệ số khuếch đại lớn; -Trở kháng cửa vào lớn; -Trở kháng cửa nhỏ +Trước đây, KĐTT thường sử dụng việc thực các phép toán giải tích các máy tính tương tự, nên gọi KĐTT (theo tiếng Anh Operational Amplìfier, viết tắt OP-AMP) Ngày nay, KĐTT sử dụng rộng rãi hơn, đặc biệt kĩ thuật đo lường điều khiển +Ta xét trường hợp: KĐTT lí tưởng KĐTT không lí tưởng 1.1.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG 1.1.1.Kí hiệu định nghĩa +Kí hiệu mạch sơ đồ xem hình 1.1 + UI - UI + In +Ucc Out UO In-Ucc Hình 1.1 Kí hiệu các chân KĐTT +Các chân bản: In + In − - ngõ vào không đảo, kí hiệu (+), tín hiệu - ngõ vào đảo, kí hiệu (-), tín hiệu UI− ; UI+ ; Out- ngõ ra, tín hiệu cửa kí hiệu + Ucc - ngõ cấp nguồn dương; − Ucc UO ; - ngõ cấp nguồn âm; Các cửa vào gọi các cửa vào kiểu vi sai +Các tính chất mạch KĐTT lí tưởng: -Trở kháng vào -Trở kháng ZI = ∞ ZO = ; ; -Hệ số khuếch đại vòng hở -Điện áp cửa UO = 0[ V ] K0 = ∞ , UI+ ; = UI− +Trong thực tế kĩ thuật KĐTT lí tưởng Để đánh giá các KĐTT thực so với KĐTT lí tưởng người ta vào các thông số IC KĐTT thực với các thông số lí tưởng Nhưng thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta coi các IC KĐTT thực sử dụng IC KĐTT lí tưởng + Mạch điện tương đương KĐTT lí tưởng: -Sơ đồ (xem hình 1.2.) - UI ZI ZO UD + UI e = K 0U UO D Hình 1.2 Sơ đồ tương đương KĐTT lí tưởng 1.1.2.Các mạch khuếch đại dùng KĐTT a Mạch khuếch đại đảo +Sơ đồ (xem hình 1.3.) RF iF R1 UI iI N OP UO R2 Hình 1.3 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với KĐTT +Tín hiệu vào cần khuếch đại +Tên gọi các kí hiệu: trở mạch vào; R2 RF UI đưa đến cửa vào đảo - điện trở mạch phản hồi âm; - điện trở nối đất với cửa vào không đảo In + ; R1 In − - điện +Các biểu thức sau: -Vì ZI = ∞ iI 0: tại nút N có: UI − UI− UO − UI− + =0 R1 RF 0, hay =0 UO = − =0; Vây: (1-1) -Dòng điện chảy qua UI− + iF , vậy dòng điện chảy qua ZI 0, nên điện áp tại nút N U UI =− O R1 RF Vậy kết quả ta có: RF U R1 I (1-2) (1-3) KU = -Hệ số khuếch đại mạch: KU = − RF R1 UO UI (1-4) (1-5) +Nhận xét: -Tín hiệu UO UI ngược dấu nhau; -Hệ số khuếch đại mạch KU giảm so với K0 ; -Nhưng hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vao giá trị các phần tử mạch Hình 2.1.a Sơ đồ nguyên lí mạch tỉ lệ-tích phân-vi phân bản +Biểu thức: -Vì tổng trở vào KĐTT vô cùng lớn, vậy dòng điện cửa vào coi 0, nên tại các ngõ vào có điện thế -Từ sơ đồ ta có điện áp mạch: Uo = CF ∫ iF dt + R F iF (2-1) -Trong đó, tổng các dòng điện tại nút N : UI dU + C I + iF = R1 dt iF iF -Từ tìm : (2-2) =-( UI dU + C1 I R1 dt ) -Thay (2-2) vào (2-1), ta được: UI −UO = R F R1 + C1 dUI dt + CF ∫ UI dUI + C dt dt R R −UO = F R1 + C1 U CF I + R CF Thành phần ∫ UI dt + R F C1 dUI dt Thành phần tỉ lệ (2-3) Thành phần tích phân vi phân + Đặc tính tần số: K U (p) -Hàm truyền đạt điện áp: K U (p) -Kí hiệu: R1C1 = T1 = 1/ = = UO (p) UI (p) R F CF + R1C1 + + R1C F R1CF R1C F p ω1 ; R F C F = T2 = 1/ ω2 ; Trong đó: ω1 ω2 > K U (p) Ω #Khi : < < 1, vậy còn: K U (p) phân = ω2 = T1T2p + (T1 + T2 )p + R 1C F p (2-4) , các thành phần tử số (2-4) R1CF p … Mạch tác động khâu tích #Khi : ω2 Ω < < ω1 , các thành phần tử số (2-4) bỏ qua, vậy còn: động khâu tỉ lệ #Khi : Ω > ω1 K U (p) = (T1 + T2 ) R1C F … Mạch tác , các thành phần tử số (2-4) K U (p) bỏ qua, vậy còn: khâu vi phân = T1T2p R 1C F … Mạch tác độ Vậy ta có hình dáng đặc tính tần số logảit gần hình 2.1.b + Nhận xét: Từ đặc tính tần số ta they, với nhiễu coa tần số cao thấp dẫn đến không ổn định mạch Nên mạch PID bản sử dụng 2.2.Mạch PID thường dùng +Sơ đồ mạch (xem hình 2.2.a) +Đặc tính tần số: -Để có đặc tinh theo yêu cầu, thường chọn: R1 >> R2 R3 >> RF -Cùng với lựa chọn các linh kiện khác, ta có các tần số riêng: -Và bảo đảm: f0 > f3 = Ω R 3CF f2 = π R F CF f1 = π R 1C1 f0 = π R C1 f1 > f2 > f3 -Thì đặc tính tần số có dạng (xem hình 2.2.b.) -Bổ sung các điện trở R2 R3 R2 R3 , , đó: - hạn chế hệ số khuếch đại tần số cao; - hạn chế hệ số khuếch đại tần số thầp; R1 RF R3 CF R C1 OP UI (a UO L( f ) P I P D (b P Vïng Vïng tÝch Vïng tØ lÖ ph©n tØ lÖ f3 f2 Vïng Vïng vi ph©n tØ lÖ f1 lgf f0 Hình 2.2.Mạch tỉ lệ-tích phân-vi phân thường dùng a)Sơ đồ nguyên lí; b)Đặc tính tần số logarit CHƯƠNG II :THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG BẬC VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1 KHÁI QUÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Tên gọi PID chữ viết tắt ba thành phần bản có điều khiển gồm :Khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) khâu vi phân (D) PID điềukhiển hoàn hảo gồm ba tính chất khácnhau: - Phục tùng thực xác nhiệm vụ giao (tỉ lệ).-Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm để thực tốt nhiệm vụ (tích phân) Luôn có sáng kiến phản ứng nhanh nhậy với thay đổi tình quátrình thực nhiệm vụ (vi phân) 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Hình vẽ : Sơ đồ khối hệ kín có PID Bộ điều khiển PID sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theonguyên lí hồi tiếp Lí điều khiển PID sử dụng rộng rãi làtính đơn giản cả cấu trúc lẫn nguyên lí làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu bản chất lượng: - Nếu sai lệch e(t) lớn thông qua thành phần up(t) , tín hiệu điều chỉnh u(t)càng lớn ( vai trò khuếch đại k p) - Nếu sai lệch e(t) chưa thông qua thành phần ui(t) , PID tạo tínhiệu điều chỉnh (vai trò tích phân TI) - Nếu thay đổi sai lệch e(t) lớn thông qua thành phần uD(t) , phản ứng thích hợp u(t) nhanh (vai trò vi phân TD) Bộ điều khiển PID mô tả phương trình vào ra: u(t)=kp[e(t) ] Trong e(t) tín hiệu đầu vào , u(t) tín hiệu đầu , kp hệ số khuếch đại , T I số tích phân , TD số vi phân Từ mô hình – tacó hàm truyền đạt điều khiển PID R(p)= kp (1++TDp) Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số kp,Ti,TD Muốn hệ thống có chất lượng mong muốn phải phân tích đối tượng sở chọn các tham số cho phù hợp.hiện có nhiều phương pháp xác định các tham số kp,Ti,TD cho điều khiển PID 2.2.Các thành phần hệ thống Sơ đồ khối PID điều khiển đối tượng bậc P U(t) Kpe(t) e(t) I + T + + Ki ĐT bậc + D Mạch tỉ lệ Kd Y(t) Mạch tích phân không đảo Mạch vi phân b.Đối tượng bậc Đối tượng bậc không dao động 2.3 Tính toán tham số cho điều khiển PID dùng phương pháp tổng T Kuhn Trước nghiên cứu phương pháp tổng T Kuhn ta xét định lý điềukiện tồn tại độ quá điều chỉnh: Định lý 2.1:Xét hệ pha ổn định SISO có hàm truyền đạt (2.1) k>0.Nếu tất cả các điểm qk (k= 1,…,m) điểm cực pi(i=1, ,n) số thực âm không tính tổng quát,ta có giả thiết: 0>q1≥…≥qm 0>p1≥pn Khi ta có: a) Nếu đồng thời tất cả m bất đẳng thức sau thỏa mãn: Q1 KD = Từ hệ số ta thay đổi giá trị RC mạch PID Kết luận Từ sơ đồ mạch nguyên lí ta hiểu nguyên tắc hoạt động hệ thống linh kiện Sơ đồ mô phần mềm mô proteus Tính thực tế phương hướng phát triển tập: Với thiết kế PID điều khiển đối tượng bậc giúp cho chúng em hiểu nguyên lí hoạt động số linh kiện nguyên lí mạch tương tự Đây lần đầu làm đồ án môn học nên thiếu sót kiến thức cách trình bày ko thể tránh khỏi.Chính chúng em muốn có thêm đóng góp ý kiến thầy ,cô giáo bạn để hoàn thiện tốt có kinh nghiệm cho đồ án môn học sau Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm TĐH-2K5