Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… Luận văn Xây dựng điều chỉnh PID PI dùng cho điều khiển truyền động điện cơng suất đến 3kw LỜI NĨI ĐẦU Trong ngành công nghiệp sản xuất đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu thiết bị nhằm tăng khả sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất Điều khiển hệ truyền động điện lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng thiết bị, khí cụ, sơ đồ điều khiển để phục vụ nhu cầu thay đổi đại lượng truyền động mô men, tốc độ, nhiệt độ, áp suất…tùy theo yêu cầu đối tượng sản xuất Việc điều khiển thay đổi cho phù hợp yêu cầu trình, cần đỏi hỏi điều chỉnh đời phục vụ cho nhu cầu thay đổi nhanh xác Từ điều khiển áp dụng lý thuyết điều khiển kinh điển đại đời đáp ứng trình đối tượng khác Sau năm học tập nghiên cứu, sinh viên giao đề tài tốt nghiệp “Xây dựng điều chỉnh PID PI dùng cho điều khiển truyền động điện công suất đến 3kw” Nội dung đồ án chia làm chương: - Chương 1: Khuếch đại thuật toán - Chương 2: Bộ điều khiển luật điều khiển - Chương 3: Thiết kế lắp ráp điều chỉnh PID PI dùng cho động điện chiều Trong suốt trình thực đề tài sinh viên xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn người trực tiếp hưỡng dẫn tạo điều kiện cho sinh viên thực hoàn thành đồ án Sinh viên xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Điện tự động công nghiệp giúp đỡ cho sinh viên hồn thành đề tài Hải phòng, ngày 12 tháng năm 2010 Sinh viên CHƢƠNG 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mạch khuếch đại thuật tốn, gọi Opamp (Operational Amplifier) thuộc khuếch đại dòng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung Tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép tính cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện khuếch đại thuật tốn đóng vai trò quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, ổn áp lọc tích cực v.v… Uvd Ur Uvk + Hình 1.1: Kí hiệu khuếch đại thuật tốn sơ đồ điện Khuếch đại thuật tốn (Hình 1.1), với đầu vào Uvk hay (Uv+) gọi đầu vào không đảo đầu thứ hai Uvđ (hay Uv-) gọi đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo số tín hiệu dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu đưa vào đầu đảo gia số tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường dùng để thực hồi tiếp âm bên ngồi cho khuếch đại thuật tốn R1 R4 R2 T5 Uvk -Ec1 R8 T1 T6 R9 T1 T2 T9 R5 Uvd Ur R6 T3 R3 R11 T8 R10 T4 R12 R1 +Ec2 Hình 1.2: Sơ đồ ngun lí mạch khuếch đại thuật toán ba tầng Cấu tạo sở khuếch đại thuật toán tầng vi sai dùng làm tầng vào tầng khuếch đại Tầng khuếch đại thuật toán thường tầng lặp emito (CC) đảm bảo khả tải yêu cầu sơ đồ Vì hệ số khuếch đại tầng emito gần 1, nên hệ số khuếch đại đạt nhờ tầng vào tầng khuếch đại bổ sung mắc tầng vi sai tầng emito Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại khuếch đại thuật toán mà định số lượng tầng Trong khuếch đại thuật toán hai tầng (thế hệ mới) gồm tầng vi sai vào tầng bổ sung, khuếch đại thuật tốn ba tầng (thế hệ cũ) gồm tầng vi sai vào hai tầng bổ sung Ngoài khuếch đại thuật tốn có tầng phụ, tầng dịch mức điện áp chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp Sơ đồ nguyên lí khuếch đại thuật tốn ba tầng (Hình1.2), cung cấp từ hai nguồn Ec1 Ec2 khơng nhau có điểm chung Tần khuếch đại vào dùng T1 T2 tầng hai dùng T5 T6 mắc theo sơ đồ vi sai Tầng thứ ba gồm T7 T8 Đầu ghép với đầu vào T9 mắc theo tầng CC Điều khiển T7 theo mạch bazo tín hiệu tầng hai, điều khiển T8 theo mạch emito điện áp điện trở R12 dòng emito T9 chạy qua T8 tham gia vào vòng hồi tiếp dương làm tăng, làm giảm (tùy thuộc vào tín hiệu T6) điện áp vào tầng CC Tăng điện áp bazo T9 giảm điện trở chiều T7 giảm điện trở T8 ngược lại Tranzito T3 đóng vai trò nguồn ổn dòng, tranzito T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3 Khi điện áp vào OA Uk = Uvđ = điện áp đầu OA Ur = Dưới tác dụng tín hiệu vào có dạng nửa sóng (+), điện áp colecto T6 tăng, làm dòng IB IE T7 tăng Điều dẫn đến làm tăng dòng IB IE T9 Điện áp R12 tăng làm giảm dòng I B IC T8 Kết đầu OA có điện áp cực dương Ur > Nếu tín hiệu vào ứng với nửa sóng (-) đầu OA có điện áp cực tính âm Ur < Ur +Ec đầu vào đảo đầu vào không đảo Ur max -Ec Hình 1.3: Đặc tuyến truyền đạt khuếch đại thuật toán Đặc tuyến quan trọng OA đặc tuyến truyền đặt điện áp (Hình1.3), gồm hai đường cong tương ứng với đầu vào đảo không đảo Mỗi đường cong gồm đoạn nằm ngang đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng (tầng CC) khơng bão hòa cắt dòng Trên đoạn thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp khuếch đại không đổi xác định giá U +rmax, U-rmax gọi giá trị điện áp cực đại, (điện áp bão hòa) gần Ec nguồn cung cấp (trong IC thuật tốn mức điện áp bão hòa thường thấp giá trị nguồn EC từ đến 3V gía trị) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ điện áp với điện áp vào, với góc nghiệm xác định hệ số khuếch đại OA (khi khơng có hồi tiếp ngồi) K = ∆Un/∆Uv Trị số K, tùy thuộc vào loại OA, từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lớn Giá trị K lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất quan trọng OA Đường cong lí tưởng (Hình1.4) qua gốc tọa độ Trạng thái Ur = Uv = gọi trạng thái cân OA Tuy nhiên, OA thực tế thường khó đạt cân hoàn toàn, nghĩa Uv = Ur lớn nhỏ khơng Nguyên nhân cân tản mạn tham số linh kiện khuếch đại vi sai (đặc biệt tranzito) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào điện áp đầu theo nhiệt độ Vì để cân ban đầu cho OA người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp mạch vào Ku Ku Ku/2 -20 dB/decac a, Jo fo fc f f* 180 f 300 b, 360 420 500 Hình 1.4: Đặc tuyến biên độ đặc tuyến pha KTO Điện trở tham số quan trọng OA OA phải có điện trở nhỏ (hàng chục hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp lớn điện trở tải nhỏ, điều đạt mạch lặp emito đầu OA Tham số tần số OA xác định theo đặc tuyến biên độ tần số (Hình1.4.a) bị giảm miền tần số cao, tần số cắt fc với độ dốc (-20dB) khoảng mười (1 đề các) trục tần số Nguyên nhân phụ thuộc tham số tranzito điện dung kí sinh sơ đồ OA vào tần số Tần số f ứng với hệ số khuếch đại OA gọi tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fc ứng với hệ số khuếch đại OA bị giảm lần , gọi dải thông khơng có mạch hồi tiếp âm, fc thường thấp cỡ vài chục Hz Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng hồi tiếp âm đầu vào đảo Vì có dịch pha tín hiệu vào tần cao nên đặc tuyến pha tần số OA theo đầu vào đảo có thêm góc lệch pha phụ trở nên lớn 180 o (Hình1.4b).Ở tần số cao f đó, tổng góc dịch pha 360 o xuất hồi tiếp dương theo đầu vào đảo tần số làm mạch bị ổn định tần số Để khắc phục tượng trên, người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC để chuyển tần số f khỏi dải thông khuếch đại Tham số mạch RC vị trí mắc chúng sơ đồ IC để khử tự kích người sản xuất dẫn 1.2 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN - Độ lợi điện áp lớn ( lý tưởng Av = ∞ ) - Tổng trở vào lớn ( lý tưởng Zin = ∞ ) - Tổng trở bé ( lý tưởng Zout = ) - Nguồng cung cấp: khuếch đại thuật toán thường dùng nguồn đôi (nguồn đối xứng), việc sử dụng nguồn đôi làm tăng việc sử dụng khai thác hết hiệu suất vi mạch, nguồn đôi thường dùng khoảng Vcc = (± ÷ ± 18) V 1.3 CÁC DẠNG MẠCH CƠ BẢN CỦA OP – AMP 1.3.1 Mạch so sánh Hình 1.5: Mạch so sánh - Nếu Vin+ > Vin- : Thì Vout ≈ + Vcc, gọi vùng bão hòa dương - Nếu Vin+ < Vin- : Thì Vout ≈ - Vcc, gọi vùng bão hòa âm Hình 1.6: Đặc tuyến truyền đạt Opamp 1.3.2 Mạch khuếch đại đảo I Uv Uv R ht ht Io - R1 Ur Uo + Hình 1.7: Sơ đồ khuếch đại đảo Bộ khuếch đại đảo cho hình (Hình 1.7), có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lí tưởng điện trở vào vơ lớn R v → ∞, dòng vào OA vơ bé Io = 0, nút N có phương trình nút dòng điện: Iv ≈ Iht Từ ta có: - - (1-1) Khi K → ∞, điện áp đầu vào Uo = Ur/K → 0, (1-1) có dạng : Uv/R1 = -Ur/Rht Do hệ số khuếch đại điện áp Kd khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song xác định tham số phần tử thụ động sơ đồ Kđ = Ur/Uv = -Rht/R1 Nếu chọn Rht = R1, Kđ = -1, sơ đồ (Hình 1.7) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu) Nếu R1 = từ phương trình Iv ≈ Iht ta có Iv = -Ura/Rht hay Ura = -Iv.Rht tức điện áp tỉ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dòng thành áp) Vì Uo → nên Rv = R1, K → ∞ Rr = 1.3.3 Mạch khuếch đại không đảo Rht Uo - Uv Ur R1 + Hình 1.8a: Sơ đồ khuếch đại không đảo điện trở PI, dẫn đến việc ta thay đổi hệ số Kp Ti phù hợp cho đối tượng cần điều chỉnh mong muốn đạt Max đến đối tượng cần điều khiển 3kw Với việc xây dựng PI cho điều khiển dòng, ta thay PI PID tối ưu việc điều khiển đối tượng Bộ PID xây dựng (Hình 3.2) Đặt Kp = ; Ti = RV1C1 + RV2C2; Td = Qua ta nhận thấy việc lựa chọn giác trị biến trở RV2 = 50kΩ , RV1 = 30kΩ, RV4 = 100kΩ Từ với việc chỉnh định giá trị biến trở ta thay đổi thông số Kp, Ti, Td điều khiển PID phù hợp với đối tượng cần điều khiển Hình 3.2: Bộ điều chỉnh PID xây dựng từ IC thuật toán cho đối tượng đến 3kw 45 3.3 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KHỐI x(t) z(t) n e(t) PID CL KPX y(t) CL FT Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống - Hệ thống bao gồm chức (PID) thiết kế từ IC thuật toán - Khâu phát xung (KPX) tạo xung điều khiển theo phương thức điều chế xung PWM - Bộ chỉnh lưu Tiristo (CL) tạo điện áp chiều mạch lực cung cấp nguồn cho động - Cảm biến tốc độ (FT) phát tốc đo tốc độ động đưa tín hiệu so sánh với tín hiệu đặt 3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG Sơ đồ nguyên lý: hình Hình 3.4 Thuyết minh sơ đồ: Do yêu cầu đề tài, yêu cầu toán, em sử dụng IC thuật toán việc thiết kệ hệ thống mơ hình thí nghiệm IC thuật tốn sử dụng làm chức (PID), so sánh tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi, khuếch đại tín hiệu chung, tạo tín hiệu xung vuông xung tam giác - Khâu U1:A, U2:B tạo sóng điện áp vng sóng điện áp tam giác 46 Hình 3.5: Khối tạo sóng điện áp vuông tam giắc KĐTT - Khâu U2:A khâu so sánh tín hiệu điều khiển e(t) với sóng điện áp tam giác khâu U2:B điều chế độ rộng xung điện áp PWM, điều khiển mở tranzito Q1 Việc tạo điện áp mở tranzito Q1, điện áp cấp +12 dẫn xuống GND hạn chế điện áp mở cho Mosfest Q2 Thay đổi điện áp mở cho Mosfest Q2 thay đổi điện áp cấp cho động DC làm thay đổi tốc độ động - U3:A khối so sánh tín hiệu điện áp đặt từ biến trở RV1 tín hiệu điện áp phản hồi từ phát tốc Theo nguyên lí mạch khuếch đại thuật toán z=- x + ( + 1) Ở R21 = R12 = R11 = R10 = 10k nên hệ số so sánh 1, z=y–x 47 Hình 3.6: Khối so sánh tín hiệu - Khối chức U2:B PID làm nhiệm vụ điều chỉnh tín hiệu z(t) từ so sánh tạo tín hiệu điều khiển chuẩn e(t) đưa tới khâu so sánh với xung tam giác Hình 3.7: Khối điều chỉnh PID 48 Mạch cấp nguồn - Mạch cấp nguồn thết kế tử chỉnh lưu cầu diode ổn áp Lm7812, để tạo điện áp chiều ±12v, cấp nguồn ni IC thuật tốn, cấp nguồn cho động DC chiều Hình 3.8: Sơ đồ mạch tạo nguồn ±12v 49 Hình3.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 50 3.5 LỰA CHỌN THIẾT BỊ Dựa vào yêu cầu trên, đồng thời dựa mục đích chế tạo thử nghiệm hệ thống đạt yêu cầu, việc lựa chọn thiết bị cho phù hợp với thực tế mạch phải đảm bảo chất lượng quan trọng - Hai IC ổn áp Lm7812 cung cấp nguồn ổn định +12v, -12v đầu Hình 3.9: Sơ đồ chân IC Lm7812 - Một IC thuật toán HITACHI HA17324A, thực thành khối so sánh, khối chức năng, khối tạo xung điện áp Hình 3.10: Sơ đồ chân IC thuật toán HA17324A 51 - Một IC thuật toán Lm741, thực nhiệm vụ tạo so sánh tín hiệu Hình 3.11: Sơ đồ chân IC thuật toán Lm741 - Một Mosfet IRF510 điều khiển nguồn cấp cho DC để thay đổi tốc độ Hình 3.12: Sơ đồ chân IRF510 - Một tranzito C828 điều chỉnh thay đổi áp cấp mở Mosfet Hình 3.13: Sơ đồ chân C828 52 - Một vài tụ hóa, điện trở vài tụ nhỏ để ổn áp thực số chức khăc - Một vài diode số linh kiện khác để thực chức phụ mạch - Một động điện chiều kích từ độc lập có giảm tốc, vơi thơng số động cơ: cơng suất 17w, số vòng 140v/p, điện áp 12v - Một động điện chiều làm phát tốc loại (100 – 2000)v/p 3.5 LẮP RÁP HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Chế tạo mạch in Trong thực tế có nhiều phần mềm làm mạch in, thông dụng phần mềm Orcad Dưới phần mềm vẽ Orcad 9.2 Toàn mạch thiết kế phủ max nhằm giảm thời gian ăn mòn đồng FeCl3 Hình 3.14: Mạch cấp nguồn hệ thống 53 Hình 3.15: Mạch PID thiết kế từ IC thuật toán Lắp ráp linh kiện hoàn thiện hệ thống Sau mạch in hoàn thiện ráp linh kiện phù hợp Các linh kiện hạn phải thận trọng không dẫn tới làm chết hư hỏng linh kiện, điển hình loại IC Hình 3.16: mạch nguồn hồn thiện 54 Hình 3.17: Mạch điều chỉnh PID Kết nhận xét Sau hoàn thiện khâu, tiến hành lắp ráp hồn thiện hệ thống Hình 3.18: Hệ thống sau hoàn chỉnh lắp ráp 55 - Sau hồn thiện tồn hệ thống mơ hình, tiến hành chạy thử, sinh viên nhận thấy đặt tốc độ 100 v/p, quan sát thấy tốc độ đạt 90-105 v/p Nhận thấy sai số điều khiển khoảng 10% so với tín hiệu đặt ban đầu 56 KẾT LUẬN Đồ án hoàn thành kịp tiến độ, đề tài mang tính khoa học thực tiễn nghiên cứu luật điều khiển kinh điển Đồ án xây dựng thành cơng mơ hình thực nghiệm PID điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Sản phẩm mơ hình thành việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết vào thực tế thiết kế thực nghiệm.Kết đạt sau hoàn thành đồ án - Sinh viên nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID, PI loại điều khiển kinh điển để tạo lên điều khiển ứng dụng - Vận dụng chức IC thuật toán việc tạo điều khiển PID ứng dụng điều khiển đối tượng thực tế - Xây dựng thành cơng mơ hình dùng luật điều khiển PID điều khiển đối tượng động điện chiều, làm tiền đề cho việc xây dựng PID ứng dụng thực tế điều khiển đối tượng phục vụ sản xuất Tuy nhiên, vấn đề xây dựng, phức tạp, khó đánh giá xắc đòi hỏi người nghiên cứu phải có kiến thức sâu rộng sử dụng nhiều phương pháp khác phân tích Mặc dù với cố gắng nỗ lực thân hiểu biết nằm khn khổ sách vở, kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu có hạn nên nội dung đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Hạn chế đồ án mơ hình tạo xoay quan đối tượng nhỏ, phù hợp với thí nghiệm phòng thực hành, sản phẩm mơ hình tạo chưa bắt mắt Chưa chế tạo PID PI dùng cho đối tượng đến 3kw theo yêu cầu thực tế đồ án giao Việc phân tích sở lý thuyết chưa đầy đủ, sâu sắc, dễ hiểu để đạt tới chất lượng cao đồ án kỹ thuật mang tính khoa học thực tiễn 57 Một lần lữa em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, tồn thể thầy mơn điện tự động công nghiệp, thầy cô công tác Đại Hoc Hàng Hải Việt Nam bảo hướng dẫn tận tình suốt năm học ĐẠI HỌC DL HẢI PHỊNG để em có kiến thức hồn thành đố án Em xin cảm ơn! Sinh viên Trần Văn Thái 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Nguyễn Văn Hòa (2001), Cở sở lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2].GS TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS Nguyễn Tiến Ban (2007), Điều khiển tự động hệ thống truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3].PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất xây dựng [4].Đỗ Xuân Phú (2000), Kĩ thuật điện tử, Nhà xuất giáo dục [5].Phạm Minh Hà (2001), Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6].Bài Giảng Tổng Hợp Hệ Điện Cơ, Bộ mơn tự động hóa Đại Học Thái Ngun [7].Nguyễn Bính (200), Điện tử cơng suất, Nhà xuất khoa học ký thuật Các Website [8].http://www.dientuvietnam.com [9].http://www.hiendaihoa.com [10].http://www.webdien.com [11].http://www.hocdelam.org/vn/ 59 ... nghiệp Xây dựng điều chỉnh PID PI dùng cho điều khiển truyền động điện công suất đến 3kw Nội dung đồ án chia làm chương: - Chương 1: Khuếch đại thuật toán - Chương 2: Bộ điều khiển luật điều khiển. .. Thiết kế lắp ráp điều chỉnh PID PI dùng cho động điện chiều Trong suốt trình thực đề tài sinh viên xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn người trực tiếp hưỡng dẫn tạo điều kiện cho sinh viên... 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN Khi tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động nói chung, cơng việc ta phải xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng Công việc cung cấp cho ta hiểu biết