DSpace at VNU: Thiết kế tạo bộ điều khiển PID điều khiển mạch điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đoàn Hữu Chức THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN MẠCH ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Đồn Hữu Chức THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN MẠCH ĐIỆN Ngành: Mã số: Công nghệ Điện tử – Viễn thông 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Quang Vinh Hà Nội - 2007 Lời nói đầu Ngày nay, hầu hết lĩnh vực sử dụng công nghệ cao gắn liền với điều khiển Điều khiển hệ thống tìm cách can thiệp vào hệ thống để hiệu chỉnh, để biến đổi cho hệ thống có đặc điểm, tính chất mà mong muốn Tuỳ đối tượng cần điều khiển mà có phương pháp thực điều khiển khác Những phương pháp điều khiển thường gặp điều khiển tối ưu, PID hay điều khiển mờ Phương pháp điều khiển theo luật PID, luật điều khiển tỷ lệ, tích phân vi phân sử dụng rộng rãi để khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Đây phương pháp đơn giản lại có hiệu hệ thống mà hàm truyền đạt hệ thống không tường minh phức tạp Cho dù trường hợp máy vi tính ngày có ảnh hưởng mạnh mẽ trình đo lường điều khiển tự động công nghiệp phòng thí nghiệm nghiên cứu Luận văn tốt nghiệp em trình bày thiết kế chế tạo điều khiển PID để điều khiển mạch điện Trong bao gồm điều khiển PID tương tự số Đối với PID số việc điều khiển thay đổi thực thông qua ghép nối máy tính Luận văn chia làm chương Trong đó: - Chương Các hệ thống điều khiển tự động - Chương Bộ điều khiển PID - Chương Thực nghiệm thiết kế điều khiển PID Luận văn hoàn thành nhờ hướng dẫn tận tình thầy PGS.TS Trần Quang Vinh Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ q báu Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô khoa Điện tử – Viễn thông Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đồng nghiệp gia đình ln động viên em suốt trình làm luận văn Do thời gian trình độ hạn chế luận văn khơng tránh khỏi sai sót mong thầy bạn góp ý Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 19 tháng 11 năm 2007 Học viên thực Đoàn Hữu Chức Bảng chữ viết tắt ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số - tương tự MIMO Multi Input - Multi Output Nhiều lối vào - Nhiều lối MISO Multi Input – Single Output Nhiều lối vào - Một lối PID Proportional - Integral - Derivative Tỷ lệ - tích phân - vi phân PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SIMO Single Input – Multi Output Một lối vào - Nhiều lối SISO Single Input – Single Output Một lối vào - Một lối ZOH Zero Order Hold Lưu giữ cấp không MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC BẢNG CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU Chương Phân t ích thiết kế hệ thống điều khiển tự dộng 1.1 Phép biến đổi Laplace 1.1.1 Phép biến đổi Laplace thuận 1.1.2 Phép biến đổi Laplace ngược 11 1.1.2.1 Biến đổi ngược hàm hữu tỷ 11 1.1.2 Phương pháp thặng dư 12 1.2 Phép biến đổi Z 14 1.2.1 Tín hiệu xung 14 1.2.2 Tốn tử Z thuận 15 1.2.3 Toán tử Z ngược 18 1.3 Các thành phần hệ thống điều khiển 22 1.3.1 Đặc tính tần số biên pha 22 1.3.2 Khâu khuếch đại 24 1.3.3 Khâu tích phân 25 1.3.4 Khâu vi phân 25 1.4 Tính ổn định hệ thống điều khiển tự động 26 1.4.1 Tiêu chuẩn ổn định đại số Routh – Hurwitz 27 1.4.2 Tiêu chuẩn ổn định tần số 31 1.5 Hệ thống điều khiển xung số 33 Chương Bộ điều khiển PID 2.1 Bộ điều khiển PID liên tục 38 39 2.1.1 Sử dụng mơ hình bậc có trễ đối tượng 40 2.1.2 Xác định tham số thực nghiệm 43 2.1.3 Phương pháp Chien - Hrones - Reswick 45 2.1.4 Phương pháp tổng T Kuhn 47 2.2 Bộ điều khiển PID số 52 2.2.1 Nguyên lý điều khiển PID số 52 2.2.2 Xác định tham số cho PID số thực nghiệm 54 Chương Thực nghiệm thiết kế điều khiển PID 57 3.1 Bộ điều khiển tương tự kiểu PID 57 3.1.1 Thiết kế điều khiển 57 3.1.2 Đo đặc thực nghiệm 66 3.2 Bộ điều khiển tốc độ mô - tơ theo luật PID ghép nối máy vi 72 3.2.1 Thiết kế hệ thống ghép nối máy tính điều khiển mơ - tơ 72 3.2.2 Thực nghiệm 76 tính DC Kết luận 86 Tài liệu tham khảo 87 Phụ lục 88 CHƢƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hệ thống điều khiển tự động hệ thống xây dựng từ ba phận chủ yếu: - Thiết bị điều khiển C (Controller) - Đối tượng điều khiển O (Object) - Thiết bị đo lường M (Measuring device) Đây hệ thống có phản hồi, gọi hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop contrrol) Sơ đồ khối hệ thống hình 1.1 đây: x u e C y(t) O z M Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động Đây sơ đồ khối đơn giản tổng quát Các tín hiệu tác động hệ thống bao gồm: - x: tín hiệu vào (tạo điểm đặt) y: tín hiệu u: tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O - z: tín hiệu phản hồi e: độ lệch cần điều chỉnh Phân tích hay thiết kế hệ thống điều khiển tự động cần phải xác định đặc tính khâu Cơng cụ tốn học thường dùng cho q trình phân tích thiết kế phép biến đổi, cho phép thay phép tính thực khó khăn theo biến thời gian phép tính miền khơng gian khác tính tốn thuận lợi Khi tín hiệu liên tục, biến đổi Laplace sử dụng; tín hiệu rời rạc sử dụng phép biến đổi Z Trên sở cơng cụ tốn học đó, việc phân tích đặc tính động học khâu điều khiển tiến hành, cho phép phân tích khả điều khiển tính ổn định hệ thống, sở cho phép có kết thiết kế tối ưu Dưới tổng quan vấn đề vừa nêu [5] 1.1 Phép biến đổi Laplace Phép biến đổi Laplace quan trọng phân tích hay thiết kế hệ thống điều khiển mà tín hiệu x(t) thường gặp tín hiệu nhân (nghĩa x(t) = t < 0) Dưới đặc điểm quan trọng phép biến đổi 1.1.1 Phép biến đổi Laplace thuận Nếu tín hiệu x(t) thoả mãn điều kiện: - x(t) = với t < 0,  -  x(t )e t dt <  với  dương đủ lớn, - x(t) khoảng hữu hạn liên tục khúc, - Tại điểm không liên tục t0 thoả mãn x(t0) = [ x(t0 - 0) + x(t0 + 0)]/2, - x(t) khoảng hữu hạn có hữu hạn điểm cực trị , tồn cặp biến đổi sau:  X(s) = L{x(t)}=  x(t )e  st dt (1.1) c  j x(t) L {X(s)} = X ( s)e st ds  2j c  j -1 (1.2) s = c+j c> Giá trị  gọi bán kính hội tụ tích phân Hàm phức X(s) tính gọi ảnh Laplace tín hiệu gốc x(t) Phép biến đổi Laplace có tính chất quan trọng sau: Tính chất đơn ánh: Phép biến đổi Laplace ánh xạ - một, tức x(t)  y(t) ta có X(s)  Y(s) Tính chất tuyến tính: Phép biến đổi Laplace tốn tử tuyến tính Nếu x(t) có ảnh X(s) y(t) có ảnh Y(s) tổng tuyến tính z(t) = x(t) + y(t) có ảnh là: Z(s) = X(s) + Y(s) (1.3) Phép dịch trục: Nếu có X(s) ảnh Laplace x(t) ảnh y(t) = x(t - T) là: Y(s) = X(s) e-sT (1.4) Phép nén: Nếu X(s) ảnh Laplace x(t) ảnh y(t) = x(t) e-t là: Y(s) = X(s + ) (1.5) Ảnh tích chập: Nếu X(s) Y(s) ảnh x(t), y(t) tích chập:  z = x(t)*y(t) =  x( ) y (t   )d  (1.6) có ảnh Laplace là: Z(s) = X(s)Y(s) (1.7) Ảnh tích phân: Nếu X(s) ảnh x(t) t tích phân y(t) =  x( )d có ảnh Laplace là: (1.8) Ảnh vi phân: Nếu X(s) ảnh x(t) Y(s) = X(s)/s TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, tập I, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội (1998) Phạm Minh Hà Kỹ thuật mạch điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội (1997), Quách Tuấn Ngọc (1995), Xử lý tín hiệu số, NXB Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội (2002) Ngô Diên Tập, Lập trình C kỹ thuật điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội (2000) Nguyễn Quốc Tuấn Chử Đức Trình, Report on the electronical PID Controller, Parma university, Italy (2003) Trần Quang Vinh, Nguyên lý phần cứng kỹ thuật ghép nối máy tinh, NXB Giáo dục, Hà Nội (2003)  ... 2.2 Bộ điều khiển PID số 52 2.2.1 Nguyên lý điều khiển PID số 52 2.2.2 Xác định tham số cho PID số thực nghiệm 54 Chương Thực nghiệm thiết kế điều khiển PID 57 3.1 Bộ điều khiển tương tự kiểu PID. .. đo lường điều khiển tự động cơng nghiệp phòng thí nghiệm nghiên cứu Luận văn tốt nghiệp em trình bày thiết kế chế tạo điều khiển PID để điều khiển mạch điện Trong bao gồm điều khiển PID tương... mà có phương pháp thực điều khiển khác Những phương pháp điều khiển thường gặp điều khiển tối ưu, PID hay điều khiển mờ Phương pháp điều khiển theo luật PID, luật điều khiển tỷ lệ, tích phân