Hệ điều khiển gián đoạn

---------- Luận văn Hệ điều khiển gián đoạn ThuyÕt minh ®å ¸n tèt nghiÖp Lª Anh Ngäc Tr−êng §HKT C«ng NghiÖp ^ ] 2 phÇn I hÖ ®iÒu khiÓn gi¸n ®o¹n Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 3 I. giới thiệu hệ điều khiển gián đoạn Trong thời đại công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc hiện nay, các hệ thống thu thập, xử lý và truyền số liệu,các hệ thống lớn sử dụng máy vi tính đã trở nên khá phổ biến. Việc ứng dụng hệ điều khiển số ngày càng đợc sử dụng rộng rãi và phổ biến trong mọi lĩnh vực, nó phát triển mạnh mẽ với độ tin cậy và chính xác cao cùng với các thiết bị máy tính số, mạch vi xử lý nhỏ gọn. Các hệ điều khiển có máy tính số,bộ điều khiển số,thiết bị biến đổi xung .đều thuộc lớp hệ thống xung-số gọi là hệ thống rời rạc hay còn gọi là hệ gián đoạn. Hệ điều khiển số này thực chất là một hệ vi xử lý. Ta có thể mô tả bằng sơ đồ khối nh hình I-1: U(t) Y(t) H ình I-1 Trong đó: A/D là bộ biến đổi tơng tự số. D/A là bộ biến đổi số tơng tự. Đối tợng điều khiển thờng là một hệ liên tục ,tín hiệu vào và ra của đối tợng điều khiển là tín hiệu liên tục còn tín hiệu vào và ra của máy tính số (bộ điều khiển số) là tín hiệu rời rạc (tín hiệu số). Hệ thống điều khiển có mạch phản hồi muốn đa vào vi xử lý phải qua bộ chuyển đổi tơng tự số A/D. Còn tín hiệu ra của máy tính (vi xử lý) dùng để điều khiển đối tợng qua bộ biến đổi số tơng tự A/D. Quá trình thực hiện mô tả nh hình 1-2 : U(i) Y(i) Hình 1-2. A/D Vỉ Xử Lý D/A đối tợng đIều khiển Khối đo phản hồi Hệ rời rạc d/a Hệ liên tục A/d Hệ rời rạc Hệ rời rạc tơng đơng Yt ) Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 4 A. Bộ Biến đổi a/d: 1. quá trình biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn: Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi là quá trình cắt mẫu, thờng khoảng thời gian cắt mẫu là không đổi. Quá trình cắt mẫu đợc mô tả nh sau: y(t) y(nt) y(t) y * (t) y(nt) Trong đó: y(t) là tín hiệu liên tục. y(nt) hay y(i) là tín hiệu rời rạc. Thông thờng giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp nhau,bộ cắt mẫu không nhận một thông tin nào cả. Phần tử lu giữ sẽ chuyển đổi tín hiệu đã đợc lấy mẫu thành tín hiệu gần liên tục,tiệm cận với tín hiệu trớc , khi nó đợc lấy mẫu.Phần tử lu giữ ở đây đơn giản nhất là phần tử chuyển đổi tín hiệu mẫu thành tín hiệu có dạng bậc thang và không đổi giữa hai thời điểm lấy mẫu gọi là phần tử lu giữ bậc không. Bộ cắt mẫu Bộ giữ mẫu A/D y(i) 0 T 2T 3T 4I 5T t y(t),y * 1, y (i ) Y (t ) t Giá trị của tín hiệu ở mỗi thời điểm lấy mẫu V(i) Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 5 A/D Phần tử lu giữ có đặc tính của lọc thông thấp trơn tín hiệu lấy mẫu y * (t)là một dãy xung thành tín hiệu y(nt) có biên độ không đổi tính từ thời điểm lấy mẫu đang xét tới thời điểm lấy mẫu với : X n ( kt +t ) = x( kt ). Với : 0 < t < T Ngoài ra phần tử lu giữ có chức năng tích phân tín hiệu xung y * (t) giữa hai thời điểm lấy mẫu kế tiếp nhau, mỗi lần tích phân đợc một hằng số Y * (t) = (t). y (t) Trong đó: (t) Là một chuỗi xung đơn vị 2. Nguyên lý làm việc: Một điện áp liên tục ( tơng tự ) bất kỳ đa vào đầu vào bộ biến đổi A/D sẽ đa ra đầu ra tín hiệu số tơng ứng. D C B A VàO NHịP VàO ĐIệN áP Ra nhị phân. LIÊN TụC ( 0 ữ 3V ) Sơ đồ nguyên lý A/D 4 bit Sơ đồ trên là sơ đồ chức năng của A/D. Điện áp liên tục biến đổi từ 0ữ3v, đầu ra nhị phân sẽ hiện số nhị phân giữa 0000 và 1111. Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 6 Bảng chân lý của A/D nh sau: Ra nhị phân Dòng Vào tơng tự Vin 2 3 2 2 2 1 2 0 D C B A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 Ví dụ : Ta có sơ đồ lôgíc của bộ (A/D) và bộ so sánh điện áp răng ca nh sau A Điện áp đầu ra. A > B 1 A < B 0 Hình 1-3. B C C A C Bộ ĐếM Q D C Q C Q B NOD16 Q A A/D Bộ SO SáNH ĐIệN áP DCBA Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 7 Mỗi một gia số điện áp vào 0.2 V bộ đếm nhị phân đếm tăng thêm một đơn vị nh sơ đồ của bộ ( A/D) và bộ so sánh điện áp răng ca ở hình (1l. Sơ đồ gồm một D/A, một bộ đếm MOD-16 , một cổng V và một bộ so sánh điện áp ở cửa vào A và điện áp ở cửa vào B. Khi A>B đầu ra của bộ so sánh ở H (tức 1), ngợc lại thì đầu ra của nó ở B ( =0 ). Giả thiết đặt đầu vào tín hiệu tơng tự một điện áp = 0.75V. Theo bảng chân lý đầu ra nhị phân sẽ là 0100 ( 4 thập phân ). Quá trình thực hiện nh sau: Bộ so sánh so sánh các điều kiện đầu vào hiện tại A = 0.75V với B = 0 và tín hiệu ra là H = 1; H này làm hoạt động cổng V. Ban đầu bộ đếm tăng lên 1 đến 0001. Trong thời kỳ này A/D nhận đợc một tín hiệu vào 0001 nó phát ra một điện áp là 0.2V. Thế ra của A/Dđợc đa về cửa B của mạch so sánh nhờ có mạch hồi tiếp trung gian điện áp răng ca và chu kỳ thứ hai bắt đầu ngay lập tức. Quá trình cứ tiếp tục thành một dãy cho đến khi đầu ra D/A đạt 0.8V. Thế này đợc so sánh điện áp đặt 0.75V thấy A<B nên bộ so sánh chuyển từ H(=1) xuống B(= 0). B(=0) đầu ra này làm ngừng hoạt động cổng V, nó chặn không cho xung nhịp đến đợc bộ đếm. Bộ đếm dừng ở 0100 nh bảng chân lý. Nhận xét: Sự phân tích cho thấy quá trình hoạt động của D/A là quá dài nhng may mắn, quá trình này hoạt động dựa trên tần số của xung nhịp rất nhanh nên yêu cầu tần số càng cao càng tốt ( khoảng lớn hơn 1MHz). B. Bộ biến đổi số sang tơng tự (D/A): 1. Quá trình biến đổi D/A: u(i) u(t) Tín hiệu số đợc xử lý từ máy tính nhiều trờng hợp phải chuyển sang tín hiệu tơng tự để điều khiển khâu chấp hành. Vì vậy cần có bộ biến đổi số tơng tự gọi tắt là D/A. Bộ biến đổi D/A biến tín hiệu rời rạc u(i) thành tín hiệu liên tục u(t) nó lu giữ giá trị cấp không. Giá trị đợc lu giữ D/A Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 8 U(t) = u * i với t 1 t t 2 , i = 0,1,2 . Nhận thấy tín hiệu số đa vào bộ D/A rất ngắn và điều đó sẽ tạo ra một xung ngắn ở đầu ra tơng tự. Tuy nhiên năng lợng qua bộ tơng tự rất nhỏ, mạch lu giữ đầu vào ổn định cho đến khi xuất hiện tiếp một xung mới làm tăng đáng kể năng lợng. Đợc mô tả nh sau: Hình - a: Cha qua D/A. Hình - b: Đã qua D/A ở hình-a chuỗi xung số cha qua bộ A/D (đầu vào cửa bộ A/D).Ta thấy thành phần cao tần của xung rất lớn điều này không có lợi. Còn ở hình-b chuỗi xung sau khi qua bộ điều chỉnh D/A các thành phần cao tần đã giảm đi. + Nguyên lý làm việc: Một tín hiệu vào gián đoạn thành một tín hiệu ra tơng tự. Sơ đồ tín hiệu ra nh sau: Điện áp đầu ra. Một số nhị phân vào bên trái ở đầu ra của bộ D/A ta nhận đợc một điện áp ra tơng ứng. V O V 0 t t D/A V A B C D 2 3 2 2 2 1 2 0 Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 9 Quá trình biến đổi của bộ D/A tuân theo bảng chân lý sau: Vào nhị phân Dòng D 2 3 C 2 2 B 2 1 A 2 o Ra tơng tự 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ở dòng 1 tất cả các cửa vào đều là o, cửa ra là 0V. ở dòng 2 ứng với cửa vào A hoạt động bởi một H(3,75 V), ta có tổ hợp vào là 0001 và đầu ra D/A cho ta 1V. Dòng 3 ứng với sự hoạt động cửa vào B ở H(3,75V) đầu ra là 2V. Dòng 3 tơng ứng với đầu vào C hoạt động với 1H(3,75V) đầu ra là 4V . Dòng tơng ứng với cửa vào D hoạt động với 1H(3,75V) cho ta một điện áp ra là 8V. Nh vậy cần có một sự cân bằng nào đó giữa các đầu vào A,B,C,D để cho một trạng thái H(= 3,75V) ở D cho một điện áp ra 8V. Trong khi một H ở cửa vào A chỉ cho ra một điện áp 1V. Sự cân bằng này là 8 cho D, 4 cho C, 2 cho B và 1 cho A. Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Trờng ĐHKT Công Nghiệp ^ ] 10 Một bộ chuyển đổi D/A đợc cấu tạo từ 2 phần chức năng: gồm một lới điện trở có chức năng cân bằng thích hợp với các đầu vào 8,4,2,1 còn bộ khuyếch đại tổng đa ra từng đoạn điện áp ra theo bảng chân lý ở hình (2). Ra tơng tự. Hình (3) : Cấu tạo của bộ chuyển đổi (D/A) C. Khôi phục lại tín hiệu: Xung lấy mẫu trớc khi đa vào bộ lấy mẫu để đa ra tín hiệu mẫu phù hợp về biên độ, chu kỳ và tần số yêu cầu thì phải qua bộ lọc thông thấp để bỏ đi các thành phần cao tần .Hình vẽ mô tả : f C > f max f max < T2 1 Xung lấy mẫu tại T Theo Định lí Kachenhicôp phát biểu về khôi phục tín hiệu: Nếu cho tín hiệu đợc lấy mẫu qua bộ lọc thông thấp có tần số cắt fc = fmax thì ở đầu ra ta sẽ nhận lại hoàn toàn tín hiệu cũ. Hình vẽ mô tả : 8 4 2 1 Lới đIện trở Khuyếch đạI tổng V A B C D Tín hiệu với f max Tín hiệu mẫu Bộlọc thông thấp Cắt tần số f c Bộ giữ mẫu Xwh(t) t Lọc thông thấp o .fmax X(t) t [...]... hợp hệ thống điều khiển tơng tự, mỗi vòng điều khiển riêng rẽ phải có phần cứng riêng của nó và đợc điều chỉnh riêng,các vòng này không thuận lợi trong việc vận hành Trờng ĐHKT Công Nghiệp 13 Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc Để khắc phục điều này, hệ thống số cho phép thực hiện những khoảng thời gian xác định trớc do đó một số lớn các vòng có thể đợc điều khiển bởi một điều khiển duy nhất, điều. .. thay đổi của vòng điều khiển số một cách dễ dàng Ví dụ: Một điều khiển vị trí chỉ cần một dãy đơn giản các lệnh để đạt đợc các đầu ra mong muốn, nhng có thể tiến gần tới vị trí đầu ra, với tốc độ cũng vậy thậm chí ta có thể thay đổi điều khiển ở toàn bộ thời gian Đối với hệ thông tải với dung lợng và quán tính thay đổi nó có thể gây ảnh hởng đến hệ thống động lực và gây mất ổn định, thì hệ thống thông... tốt nghiệp Lê Anh Ngọc phần II hệ điều khiển servo số ds153 Trờng ĐHKT Công Nghiệp 20 Thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lê Anh Ngọc i giới thiệu sơ đồ: Để phục vụ cho công tác giảng dạy và thí nghiệm của thầy giáo và học sinh,sinh viên trong lĩnh vực điều khiển kỹ thuật xung-số Một công cụ hữu hiệu và tiện lợi cho công việc học tập và nghiên cứu là hệ điều khiển số Servo DS153 Hệ thống là sự kết nối của các... tín hiệu giữa chuỗi xung của bộ mã hoá và xung đặt của máy dò đã nói ở trên d Bộ điều khiển số DSC153C: Chứa đựng một vi xử lý và bộ nhớ cho phép nó mang lại toàn bộ sự điều khiển cần thiết tới những phần trong hệ thống nh nó có khả năng nhận vị trí, tốc độ bằng tín hiệu và chuyển đổi phù hợp với yêu cầu điều khiển Bộ điều khiển DSC153 gồm: Bàn phím: Có chức năng thông báo về bàn phím và màn hình ở đây... số: Hệ điều khiển tự động đợc ứng dụng rất rộng rãi trong các nhà máy, các thiết bị xử lý có hàng trăm vòng điều khiển, mà chúng có thể vận hành kết hợp các vòng điều khiển với nhau Thông qua máy tính số các vòng điều khiển đợc tổng hợp dới dạng số một cách dễ dàng, nếu điều này đợc thực hiện bằng hệ thống tơng tự sẽ rất khó khăn Mặt khác các nhà máy và thiết bị phát ra khối lợng lớn thông tin cần thiết... nhau, thông qua thiết bị vi xử lý, màn hình máy tính Hệ thống có thể tiến hành những bài thí nghiệm cụ thể về đo vị trí, đo tốc độ của động cơ, tiến hành lấy mẫu của xung hoặc điều chỉnh thay đổi chu kỳ, biên độ, độ rộng xung Ngoài ra hệ thống còn có thể tiến hành những bài lập trình về điều khiển xung-số thông qua một máy tính đợc kết nối với hệ điều khiển Trục tốc độ cao KĐ C/S 30:1 động cơ trục tốc... phần động lực và ổn định cho hệ thống Tuy nhiên hệ thống có một vài nhợc điểm sau: Vì hệ thống xung số phải xử lý qua nhiều khâu nên nó chỉ tối u đối với hệ thống có nhiều vòng lặp khi đó hệ thống tơng tự với chức năng xử lý tức thời lại có u việt hơn Hệ thống xung số sử dụng phép số hoá nên trong chế độ xác lập có thể xuất hiện: + Sai lệch điều chỉnh kéo dài + Sai lệch điều chỉnh ngẫu nhiên với độ... t iV- các bộ điều chỉnh số Các bộ điều khiển số cung cấp cả điều khiển tích phân và tỷ lệ nó cũng gây bởi một khoảng thời gian trễ bằng thời gian lấy mẫu T Mặc dù dữ liệu yêu cầu và phản hồi cần xử lý lặp lại tại bất kỳ điểm lấy mẫu nào, kết quả không áp dụng cho đầu ra điểm lấy mẫu tiếp theo Do đó biến đổi Z bộ điều khiển phải luôn chứa 1/z nó thể hiện độ trễ của khoảng lấy mẫu 1- Bộ điều chỉnh tỷ... chế độ bão hoà thì khi đó năng lợng đợc cung cấp cho động cơ, năng lợng này có thể đợc điều khiển bởi những khoảng thời gian thay đổi Do có thể năng lợng truyền đến không đủ hoặc ít làm cho động cơ không quay vì thế ta cần điều chế độ rộng xung trớc khi đợc khuyếch đại đa vào điều khiển động cơ Trong thực tế hệ thống điều chế độ rộng xung là các mạch số dùng để biến đổi chất lợng số mô tả bởi một chuỗi... điều chỉnh tỷ lệ: Phần tỷ lệ là biến đổi thuận, sai số e nhân với hằng số K và hệ số tỷ lệ 1 4 đợc nhân kết hợp với nhau Do vậy ta có biến đổi Z của bộ điều chỉnh tỷ lệ là: K G(z) = 4Z 2- Bộ điều chỉnh tích phân: Trong hệ thống sử dụng điều khiển tích phân quá trình đợc thực hiện bằng bộ vi xử lý Ta cần tìm biến đổi Z của bộ điều chỉnh Để lấy tích phân ta dùng phơng pháp hình thang f(tn) Hình vẽ mô tả . Các hệ điều khiển có máy tính số,bộ điều khiển số,thiết bị biến đổi xung .đều thuộc lớp hệ thống xung-số gọi là hệ thống rời rạc hay còn gọi là hệ gián đoạn. . thiệu hệ điều khiển gián đoạn Trong thời đại công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc hiện nay, các hệ thống thu thập, xử lý và truyền số liệu,các hệ thống