Đề tài do thầy giáo Nguyễn Văn Vinh trường ĐH Công nghiệp Hà Nội giao được sự thực hiện của sinh viên lớp điện 4 k 9 HAui Bài làm hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của thầy, không cần phải chỉnh sửa thêm . FIle mô phỏng đã được đính kèm hoặc liên hệ Gmail: Longphamvan1996gmail.com để mình gửi Bài làm chất lượng lên mình lấy giá 50k nhé
Lời nói đầu Như biết Ngày nay, 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 tương tự & vi mạch số mang đến kiến thức cho sinh viên chúng em vi mạch số mạch tương tự Đề tài chúng em giao là: “Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2” 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 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 tập lớn không tránh khỏi sai sót cách trình bày phần thể tập lớn Mong thầy, cô bạn góp ý bổ sung thêm để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM Mục Lục Phần 1: Tìm hiểu chung A- Mạch khuếch đại thuật toán B-Mạch PID Phần 2: Cấu trúc hệ thống I-Sơ đồ khối hệ thống II-Các linh kiện cần dùng Phần 3: Xây dựng chương trình mô Phần 4: Kết luận BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM Phần I: Tìm hiểu chung A-Mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) Hiện khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sine xung, sử dụng ổn áp lọc tích cực…Trong kỹ thuật mạch tương tự, mạch tính toán điều khiển xây dựng chủ yếu dựa khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) khuếch đại thông thường khác có đặc tính tương tự Cả hai loại dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện công suất Tính ưu việt khuếch đại thuật toán là: tác dụng mạch điện có KĐTT thay đổi dễ dàng việc thay đổi phần tử mạch Để thực điều đó, KĐTT phải có đặc tính là: hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào lớn trở kháng cửa nhỏ Trước đây, KĐTT thường sử dụng việc thực phép toán giải tích máy tính tương tự, nên gọi KĐTT (theo tiếng anh Operational Amplifier viết tắt OP-AMP) Ngày nay, KĐTT sử dụng rộng rãi hơn, đặc biệt kĩ thuật đo lường điều khiển Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày phát triển, nên chế tạo mạch tích hợp (các vi mạch) KĐTT gần lí tưởng Và vi mạch KĐTT sử dụng mạch điện tử đơn giản coi lí tưởng Tuy nhiên, vi mạch KĐTT có thông số thực hữu hạn BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM I Khuếch đại thuật toán lý tưởng 1, Kí hiệu định nghĩa Khuếch đại thuật toán lý tưởng có trở kháng vào vô lớn ( ZI = ∞ ), trở kháng ( ZO = ), hệ số khuếch đại vòng hở vô lớn ( KO = ∞ ) điện áp cửa 0V điện áp vào ngõ vi sai ( UO = 0V, UI+ = -UI- ) Trong thực tế kỹ thuật KĐTT lý tưởng, để đánh giá KĐTT thực so với KĐTT lý tưởng người ta cắn vào thông số mạch tích hợp KĐTT thực với thông số lý tưởng Nhưng thiết kế mạch điện tử đơn gian ta coi IC KĐTT thực sử dụng KĐTT lý tưởng 2, Các mạch khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán Mạch khuếch đại đảo Hệ số khuếch đại: KU = -Rf /Rin Biểu thức tín hiệu ra: VOut = -( Rf /Rin )*VIn BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM Từ biểu thức thấy tín hiệu điện áp cửa ( VOut ) tín hiệu điện áp cửa vào ( UIn ) ngược dấu ( ngược pha ) Hệ số khuếch đại điện áp mạch ( KU ) giảm so với hệ số khuếch đại mạch hở ( K0 ) hệ số khuếch đại phụ thuộc vào giá trị phần tử mạch Mạch khuếch đại không đảo Hệ số khuếch đại mạch: KU = + R2/R1 Biểu thức điện áp ra: VOut = (1 + R2/R1)VIn Từ biểu thức ta thấy tín hiệu ( VOut ) tín hiệu vào ( VIn ) mạch khuếch đại không đảo dấu với nhau, hệ số khuếch đại điện áp mạch ( KU ) giảm so với hệ số khuếch đại mạch hở (K0 ) KĐTT hệ số khuếch đại phụ thuộc vào giá trị phần tử mạch Một ứng dụng thường dùng mạch khuếch đại không đảo lặp điện áp Mạch lặp điện áp có điện áp điện áp vào ( V Out = Vin ), kết hợp với điện trở cửa vào vô lớn ( R I = ∞ ), nên thuận lợi BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM cần phối hợp trở kháng tầng mạch khuếch đại nhiều tầng 3, Mạch tích hợp khuếch đại thuật toán µA741 Sơ đồ mạch tích hợp KĐTT µA741 Sơ đồ chân KĐTT µA741 Chân 1: Chân chỉnh không Chân 5: Không dùng Chân 2: Ngõ vào đảo Chân 6: Tín hiệu Chân 3: Ngõ vào không đảo Chân 7: Nguồn dương Chân 4: VEE chân nối đến đầu âm nguồn kép Chân 8: Không dùng BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 7 Bảng so sánh thông số KĐTT µA 741 với thông số KĐTT lý tưởng Các thông số Hệ số khuếch đại mạch hở (K0) Tổng trở cửa vào (ZI) Tổng trở cửa (ZO) Dòng điện phân cực ngõ vào Điện áp lệch ngõ vi sai Dải tần số cho phép Tốc độ quét TT KĐTT lý tưởng ∞ ∞ 0 ∞ ∞ KĐTT µA741 105 1MΩ 150Ω 0.2µA 2mV 1MHz 0.5/µs Bên cạch đó, ngõ vào vi sai KĐTT không lý tưởng lệch Nên cần có mạch để điều chỉnh bù trừ, gọi phương pháp cân điểm Có phương pháp thường sử dụng: - Điều chỉnh điện áp bù ngõ vào - Điều chỉnh bù hồi tiếp âm dòng điện Ngoài mạch tích hợp KĐTT µA741 số mạch KĐTT khác có chức tương đương µA709, LM324 … II Mạch sử lý thuật toán tương tự 1, Mạch cộng a, Bộ cộng đảo BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM Với αi=Rht/Ri b, Bộ cộng không đảo Hay: Suy ra: 2, Mạch trừ BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM Nếu chọn: Ta thu công thức: 3, Mạch tích phân Mạch tích phân mạch mà điện áp đầu tỷ lệ với tích phân điện áp đầu vào Trong k hệ số a, Bộ tích phân đảo Trong τ = R.C số thời gian mạch tích phân BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 10 Bên cạnh KĐTT sửa dụng rộng dãi nhiều loại mạch điện khác như: Mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch lọc tích cực, mạch khuếch đại đo lường … B- Mạch PID 1, Giới thiệu điều khiển PID Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 12 Một điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch tín hiệu ngõ ngõ vào sau đưa một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh trình cho phù hợp Bộ điều khiển kinh điển PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh làm việc tốt hệ thống có quán tính lớn điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID lý thuyết cổ điển cũ dùng cho điều khiển nhiên ứng dụng rộng rãi ngày Sơ đồ khối điều khiển 2, Mạch PID bản: BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 13 PID mạch hay sử dụng kĩ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển mạch nhiều trường hợp tăng tính ổn định hệ thống điều khiển dải tần số rộng Điện áp có dạng: Vì tổng trở ngõ vào KDTT vô lớn, dòng điện cửa vào coi 0, nên ngõ vào có điện Từ ta có phương trình dòng điện nút N: Và phương trình điện áp nhánh ra: Thay (1) vào (2): BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 14 Thành phần tỉ lệ Thành phần Thành phần tích phân vi phân 3, Đặc tính điều khiển P, I, D: - Thành phần tỉ lệ (KP) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng hệ, làm giảm, không triệt tiêu sai số xác lập hệ - Thành phần tích phân (KI) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập làm giảm tốc độ đáp ứng hệ - Thành phần vi phân (KD) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố cải thiện tốc độ đáp ứng hệ Ảnh hưởng thành phần KP, KI, KD hệ kín tóm tắt bảng sau: Đáp ứng Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm KI Giảm Tăng Tăng Thay đổi nhỏ KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ vòng kín BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 15 Bảng 3.1 Ảnh hưởng thông số PID lên đối tượng - Lưu ý quan hệ xác tuyệt đối Kp, Ki Kd phụ thuộc vào Trên thực tế, thay đổi thành phần ảnh hưởng đến hai thành phần lại Vì bảng có tác dụng tham khảo chọn KP, KI, KD Để chọn tham số hệ thống PID người ta kết hợp mạch: tỷ lệ, tích phân, vi phân lại với Khi tham số KP, KI, KD độc lập với dễ dàng điều chỉnh Phần Cấu trúc hệ thống A, Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ kín có PID Các thành phần hệ thống a) Bộ PID Sơ đồ khối mạch PID BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 16 Mạch PID gồm có mạch nhỏ: Mạch tỉ lệ, Mạch tích phân, Mạch vi phân Mạch Tỉ lệ (mạch khuếch đại đảo) Mạch Tích phân không đảo BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 17 Mạch Vi phân đảo b, Đối tượng bậc Tìm hiểu đối tượng bậc - Đối tượng bậc gì? Cách đơn giản để xác định đối tượng bậc dựa vào hàm truyền đạt đối tượng Nếu hàm truyền đạt có bậc đối tượng bậc Các đối tượng bậc thường ghép phần tử R, L, C - Một số đối tượng bậc thường gặp: +) Đối tượng bậc dao động RC BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 18 +) Đối tượng bậc dao động RLC B, Tính toán hệ số sử dụng phương pháp thời gian tổng Kuln Thiết kế điều khiển (PID) phương pháp số thời gian tổng Kuhn Phương pháp thời gian tổng Kuhn ứng dụng để thiết kế luật điều khiển cho lớp đối tượng có điểm điểm cực nằm trục thực bên trái trục ảo Đối tượng có mô hình toán học sau: Hàm truyền: BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 19 Với điều kiện số thời gian tử số Tdm phải nhỏ số thời gian tương ứng mẫu số Tn Để định nghĩa số thời gian tổng TΣ là: Với hệ số PID xác định sau: Kp = 1/Kdt TI = 2T∑/3 TD = 0.167T∑ Phần Xây dựng chương trình mô 1) Tính toán mạch Với đối tượng bậc dao động RC mạch mô bên trên: Chọn RDT1 = 100 kΩ RDT2 = 50 kΩ CDT1 = CDT2 = µF Chọn Kdt = Hàm truyền đạt đối tượng lúc là: Từ tính được: T∑ = 0.3s Kp = TI = 0.2s TD = 0.05s BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 20 Từ hệ số ta thay đổi giá trị R, C mạch PID +) Ở khâu tỉ lệ: Có Kp = = RF1/R1 Chọn R1 = RF1 = 10kΩ, RD1 =470kΩ +) Ở khâu tích phân: Có TI = 0.2s =(R2.C1)/2 Chọn C1 = 2µF => R2 = R3 = 200kΩ, RF2 = RF3 =10kΩ +) Ở khâu vi phân: Có TD = 0.05s = RF4.C2 Chọn C2 = 1µF => RF4 = 50kΩ 2) Mô mạch - Mô hình hệ thống điều khiển - Sơ đồ mạch BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 21 - Đồ dạng song có tác động cửa vào 5VDC BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 22 BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 23 - Khi cửa vào không tác động 5VDC BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 24 3) Nhận xét Với mô hình vừa mô ta thấy sau khoảng thời gian chưa tới 2s kể từ có tác động vào tín hiệu cửa ổn định Thời gian độ ngắn, độ vọt lố thấp tốt cho việc điều khiển Khi điểu kiển đối tượng động chống sụt áp Phần Kết Luận - Từ sơ đồ mạch nguyên lí ta hiểu nguyên tắc hoạt động hệ thống PID linh kiện điện - Mạch mô phần mềm mô Proteus Professional - Tính thực tế phương hướng phát triển tập: BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 25 Từ thiết kế hệ thống PID cho đối tượng bậc chúng em áp dụng hệ thống PID để điểu khiển động Từ đảm bảo yêu cầu hệ thống như: Tốc độ, Dòng điện, Momen… Và áp dụng thêm số thiết bị đo lường cảm biến cho hệ thống encorder…… Tuy nhiên lần đầu làm tập lớn phần mềm máy tính nên chúng em nhiều thiếu sót trình trình bày Vậy nên chúng em muốn có thêm nhiều đóng góp, ý kiến thầy, cô giáo bạn để hoàn thiện tốt có kinh nghiệm cho tập sau Chúng em xin trân thành cảm ơn! BAI TAP LON: VMTT&VMS-NHOM 26