Thiết kế mạch điều khiển PID bậc 3

Phần thuyết minhYêu cầu về bố cục nội dung: Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT và mạch PID Chương 2 : Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 3 với bộ điều khiển PID Chương 3: xây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI : Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3

Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh

Lớp : Tự động hóa 1_k5

sinh viên thực hiện :

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề : 10/11/2012

Ngày hoàn thành :… 20/12/2012

Thời gian bảo vệ dự kiến : 30/12/2012

Phần thuyết minh

Yêu cầu về bố cục nội dung:

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT và mạch PID

Chương 2 : Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 3 với bộ điều khiển PID

Chương 3: xây dựng chương trình mô phỏng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



_

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT VÀ MẠCH PID

1 Khuếch đại thuật toán lí tưởng………6

1.1.1.Kí hiệu và định nghĩa……… 6

1.1.2 Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT………6

1.2.Khuếch đại thuật toán không lí tưởng……… 8

1.2.1 Cấu trúc của bộ KĐTT……… 8

1.2.2.Các thông số đặc trưng của mạch tích hợp KĐTT……….… 8

1.3 Mạch tích hợp KĐTT không lí tưởng µA741……… 9

1.3.1 Sơ đồ mạch tích hợp KĐTT µA741……… 9

1.3.2.Hình dạng và chức năng các chân mạch tích hợp KĐTT .9

1.4 Mạch cộng 10

1.4.1 bộ cộng đảo 10

1.4.2 Bộ cộng không đảo 11

1.5 Mạch trừ 11

1.6 Mạch tích phân .11

1.6.1.Bộ tích phân đảo 11

1.6.2 Bộ tích phân không đảo 12

1.7 Bộ tỉ lệ - tích phân 13

1.8 Mạch vi phân 13

1.8.1 Mạch vi phân cơ bản 13

1.8.2 Mạch vi phân thường dùng .14

1.9 Mạch tỉ lệ - tích phân – vi phân (mạch PID) 14

1.9.1 mạch PID cơ bản 14 1.9.2 Mạch PID thường dùng 15 1.9.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn 15 CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3

2.1 Tìm hiểu về đối tượng bậc 3 .17 2.2 thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 17

3.1.Mô phỏng 22

3.2:Tín hiệu ra 23

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT VÀ MẠCH

Hình1 1 Kí hiệu và các chân ra của KĐTT

Ngõ vào có dấu (+) gọi là vào không đảo , kí hiệu In+, tín hiệu đưa đến kí hiệu là UI+ Ngõvào có dấu (-) gọi là ngõ vào đảo, kí hiệu In-, tín hiệu đưa đến kí hiệu là UI- Các cửa vào được gọi là các của vào kiểu vi sai Out-ngõ ra, tín hiệu cửa ra kí

hiệu là UO Ngõ cấp điện áp nguồn dương +UCC và ngõ cấp điện áp nguồn âm -UCC

KĐTT lí tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (Z1=∞), trở kháng ra bằng 0 (ZO=0), hệ số khuếch đạivòng hở vô cùng lớn (K0=∞) và điện áp cửa ra bằng 0V, khi điện áp vào các ngõ vi sai bằng nhau (UO=0V, khi UI+ = UI-)

1.1.2 Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT

Mạch khuếch đại đảo

Sơ đồ khuếch đại đảo của KĐTT lí tưởng như trên hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với KĐTT

Ta thấy, tín hiệu điện áp vào cần khuếch đại UI được đưa đến cửa vào đảo In- Trên sơ đồ ngoài KĐTT (OP), còn có, RF- điện trở mạch phản hồi âm, R1- điện trở mạch vào, R2- điện trở nối đất với cửa vào không đảo In+

kết quả ta có: 1

0

O I F

U U

R + R =

(1-2)

Hệ số khuếch đại điện áp của mạch:

O U I

U K U

=

(1-3)

Cùng với biểu thức (1-2), ta có:

F U

I

R K

R

= −

(1-4)

Vậy biểu thức của tín hiệu ra:

RI = R1 (1-6)Vậy, điện trở vào của mạch khuếch đại đảo nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở cửa vào của KĐTT lí tưởng

Mạch khuếch đại không đảo

Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo của KĐTT lí tưởng

Hình 1.3.Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo với KĐTT

Vì điện trở cửa vào của KĐTT vô cùng lớn, nên dòng điện chảy qua R2 bằng 0 Từ đó ta có: I I I

U+ =U−=U

Trong khi đó lại có:

1 1

(1-7) sẽ là:

1 1

F U

R K

R

= +

(1-9)Vậy, tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:

RI = UI/iI Từ sơ đồ mạch ta có dòng điện chảy qua các ngõ vào của KĐTT i1 = 0 nên điện trở cửa vào mạch khuếch đại không đảo là RI = ∞, nghĩa là tương đương với điện trởcửa vào của KĐTT ta đang sử dụng

Một ứng dụng thường dung của mạch khuếch đại không đảo là để tạo ra bộ lặp điện áp có

sơ đồ như trên hình 1.4

Hình 1.4 Mạch lặp lại điện áp với KĐTT

1.2.Khuếch đại thuật toán không lí tưởng

1.2.1 Cấu trúc của bộ KĐTT

1.3 Mạch tích hợp KĐTT không lí tưởng µA741

1.3.1 Sơ đồ mạch tích hợp KĐTT µA741

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí bộ KĐTT µA741

1.3.2.Hình dạng và chức năng các chân mạch tích hợp KĐTT µA741

chân 1 – bù tần số;

chân 2 – cửa vào đảo;

chân 3 – cửa vào không đảo; chân 4 – nguồn cung cấp âm; chân5 – bù tần số;

chân 6 – cửa ra;

chân 7 – nguồn cung cấp dương; chân 8 – không sử dụng.

Vậy điện áp ra của mạch là tổng các điẹn áp vào.

1.6 Mạch tích phân

1.6.1 Bộ tích phân đảo

Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân đảo

Có tín hiệu ra tỉ lệ tích phân với tín hiệu vào Tín hiệu vào được đưa vào chân đảo KĐTT.Điện áp ra được xác định bằng biểu thức:

=

-1.6.2 Bộ tích phân không đảo

Sơ đồ nguyên lí mạch tích phân không đảoTín hiệu ra tỉ lệ tích phân với tín hiệu vào.tin hiệu vào được đưa vào chân không đảo của KĐTT

Tín hiệu vào được đưa qua tụ C1 rồi vào cửa đảo của KĐTT

Tín hiệu ra là đạo hàm của tín hiệu vào

1.9.2 Mạch PID thường dùng

Sơ đồ mạch PID thường dùng

Để được đặc tính theo yêu cầu thường chọn R1>>R2 và R3>>RF ta có các tần số riêng:

+ áp dụng cho các đối tượng hàm truyền đạt:

Hằng số thời gian tổng:

Với bộ điều chỉnh PID ta chọn ;

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3

2.1) Tìm hiểu về đối tượng bậc 3

- Đối tượng bậc 3 là gì ?

Cách đơn giản nhất để xác định một đối tượng bậc 3 là dựa vào hàm truyền đạt của đối tượng nếu hàm truyển có bậc 3 tức đó là đối tượng bậc 3 Các đối tượng bậc 3 thường được ghép bởi các phần tử R,L,C

2.2) thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3.

Bước 1: Bước 1 xác định hệ thống điều khiển PID gồm 3 thành phần

- Khâu tỷ lệ : là một mạch khuếch đại đảo có

Với RF là điện trở phụ và R1 là điện trở vào

Do mạch có tín hiệu ra đảo nên ta phải đảo lại tín hiệu để đảm bảo tín hiệu ra ở cả

ba khâu cùng dấu (+) (điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh)

- Khâu tích phân: được lấy là bộ tích phân không đảo

Đối tượng bậc 3 được sử dụng có sơ đồ như sau:

Hình 2.1:Đối tượng bậc 3 được điều khiển

Bước 2: chọn linh kiện

Linh kiện sử dụng trong mạch

1. Khuếch đại thuật toán 741

2. Tụ điện

3. Điện trở

4. Cuộn cảm

Trong đó: Điện áp ra của bộ PID

1,04.(s)

Chọn R6=10k ta có:

CHƯƠNG 3:XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

3.1:Mô phỏng

Sau khi tính toán lại giá trị các linh kiện ta được mạch nguyên lý như sau:

Hình 3.1:Sơ đồ nguyên lý