BÀI GIẢNG THIẾT kế hệ điều KHIỂN số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÀI GIẢNG THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ (Dùng cho sinh viên trường kỹ thuật) NĂM 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Khái niệm .1 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển số .4 1.3 Tín hiệu xử lý tín hiệu số 1.3.1 Phân loại tín hiệu 1.3.2 Xử lý tín hiệu 1.4 Biến đổi Z 12 1.4.1 Định nghĩa 12 1.4.2 Biến đổi Z thuận 12 1.4.3 Biến đổi Z ngược 13 1.4.4 Một số tính chất biến đổi Z 14 CHƯƠNG MƠ TẢ TỐN HỌC HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ .16 2.1 Mô tả hệ điều khiển số hàm truyền 16 2.1.1 Khái niệm 16 2.1.2 Xác định hàm truyền hệ điều khiển số 16 2.2 Mô tả hệ điều khiển số phương trình trạng thái .20 2.2.1 Thành lập phương trình trạng thái từ phương trình sai phân 20 2.2.2 Thành lập phương trình trạng thái từ hàm truyền số 22 2.2.3 Tìm hàm truyền số từ phương trình trạng thái 25 CHƯƠNG KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 27 3.1 Khái niệm thông số ảnh hưởng 27 3.2 Phương pháp đổi biến (Tiêu chuẩn Routh-Hurwitz mở rộng) 28 3.3 Đánh giá chất lượng hệ điều khiển số 29 3.3.1 Các tiêu chất lượng 29 3.3.2 Đánh giá chất lượng xác lập 30 3.3.3 Đánh giá chất lượng độ 32 CHƯƠNG TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 34 4.1 Cơ sở thiết kế hệ điều khiển số 34 4.2 Phương pháp thiết kế gián tiếp 37 4.2.1 Thiết kế điều chỉnh từ thiết bị tương tự 37 4.2.2 Sử dụng điều chỉnh tổng quát PID 37 4.3 Phương pháp thiết kế dựa vào quỹ đạo nghiệm số .40 Quỹ đạo nghiệm số (Root Locus) hệ điều khiển số 40 2.3.1 Thiết kế điều khiển sớm pha 45 2.3.2 Thiết kế điều khiển trễ pha .48 4.4 Phương pháp thiết kế dựa vào đáp ứng tần số .49 4.5 Phương pháp thiết kế thực nghiệm .57 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO HỆ THỰC 59 5.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ SỬ DỤNG VI XỬ LÝ/VI ĐIỀU KHIỂN 59 5.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI THỰC HIỆN HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ VỚI VI XỬ LÝ/VI ĐIỀU KHIỂN 59 5.3 QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 59 5.4 HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 60 5.4.1 Các thiết bị hệ điều khiển số truyền động điện .60 3.4.2 Tổng hợp điều khiển hệ truyền động điện 74 5.5 Hệ điều khiển trình .79 5.5.1 Các thiết bị hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt 79 5.5.2 Tổng hợp điều khiển cho hệ điều khiển thiết bị gia nhiệt 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Khái niệm Hệ điều khiển số hệ điều khiển mà hệ cần có tín hiệu tín hiệu xung, số cần thiết bị làm việc theo nguyên tắc số Sơ đồ khối hệ điều khiển số hình vẽ sau: x(t) ADC Bộ điều chỉnh DAC u(t) Đối tượng điều khiển y(t) Phản hồi Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển số Trong thực tế không tồn hệ điều khiển số mà bao gồm tồn tín hiệu tín hiệu số bao gồm tồn thiết bị số Nguyên nhân đối tượng điều khiển thực tế thiết bị với đại lượng điều khiển đại lượng vật lý biến đổi liên tục theo thời gian, để điều khiển đại lượng tín hiệu điều khiển phải tín hiệu tương tự, mang lượng Hạn chế điều khiển tương tự ưu điểm điều khiển số: - Nhược điểm quan trọng kỹ thuật tương tự liên quan đến trôi thông số nguyên nhân có nguồn gốc khác (do nhiệt, hóa-lý, học,…) Hiện tượng làm thay đổi thông số linh kiện điện tử, điện dung tụ điện, điện trở chiết áp Để khử trôi thông số thường sử dụng mạch bù làm tăng độ phức tạp mạch giá thành Các linh kiện số có hai mức lượng cao thấp (0 1) nên không bị ảnh hưởng trôi thông số - Thiết bị tương tự thường nhạy với nhiễu Nhiễu phát sinh thân linh kiện (nhiệt, già hóa,…) nhiễu từ yếu tố bên ảnh hưởng mơi trường Các cấu trúc số bảo vệ kỹ thuật áp dụng cho kỹ thuật tương tự (màn chắn, bọc kim,…), dùng kỹ thuật lọc số - Việc truyền dẫn tín hiệu tương tự gặp khó khăn suy giảm tín hiệu Việc truyền dẫn tín hiệu số bị ảnh hưởng suy giảm - Các linh kiện tương tự có tính chất khác thông số sản xuất hàng loạt làm cho linh kiện tương tự ổn định - Việc thực số chức nhớ trễ kỹ thuật tương tự gặp nhiều trở ngại Việc thực chức kỹ thuật số đơn giản - Do hệ điều khiển số sử dụng thiết bị tính tốn có khả tính tốn mạnh vi xử lý máy tính, cho phép gia công quy luật điều khiển phức tạp, thực điều khiển bám sát đối tượng thực Trong trường hợp đối tượng thực biến động, ta chủ động thay đổi quy luật điều khiển, điều khiển số có độ xác cao Nói cách khác điều khiển số với thiết bị tính tốn có khả tính tốn mạnh, ta áp dụng nhiều thuật tốn điều khiển đại mà trước khơng thể thực - Việc thực mạch hiệu chỉnh mạch tương tự gặp nhiều khó khăn, phức tạp nên tốn nhiều thời gian công sức Ưu điểm thiết bị tương tự nhược điểm thiết bị số: - Tác động nhanh: Các thiết bị tương tự tác động gần tức thời thiết bị số tác động chậm cần thời gian biến đổi xử lý Thiết bị số phải thực theo bước:  Lấy mẫu, ghi liệu  Tính tốn, xử lý theo chương trình liệu ghi Muốn kết hệ điều khiển số phải trải qua hai công đoạn trên, hệ điều khiển số có độ nhạy hệ điều khiển tương tự (thời gian độ dài hơn) Để khắc phục nhược điểm ta phải tìm cách rút ngắn thời gian ghi liệu cách sử dụng truyền thông song song mà không sử dụng truyền thông nối tiếp đồng thời loại bỏ liệu không cần thiết, xử lý liệu cần thiết Ngoài cần phải rút ngắn thời gian tính tốn cách sử dụng vi xử lý có tốc độ tính tốn cao đồng thời phải tối ưu hóa chương trình điều khiển - Tác động liên tục: cho phép sử dụng để khống chế thơng số (đại lượng) (như dịng điện, điên áp) có biến thiên nhanh - Đơn giản thiết kế điều khiển tương tự: Điều khiển tương tự trở nên nặng nề điều khiển phức tạp, nhiên mức độ cấu hợp lý điều khiển tương tự lại đơn giản phương diện cấu trúc Các ưu điểm có tính chất định điều khiển số: Điều khiển số cho phép tăng tỷ số tính giá thành Các ưu điểm kỹ thuật số thể hai mặt: - Điều khiển thơng minh: chương trình phần mềm cho phép tối ưu hóa điều khiển thay đổi tính mong muốn - Đơn giản hóa thiết bị, tiêu chuẩn hóa tích hợp hóa: Vì chức điều khiển chủ yếu thực phần mềm nên với thiết bị phần cứng (một vi xử lý giao diện) sử dụng cho ứng dụng Điều dẫn đến giảm chi tiết dự phịng, làm giảm giá thành Một số lưu ý hệ điều khiển số: - Thiết bị số chế tạo chuẩn hóa mà đại lượng vật lý thực tế đo lại biến đổi dải rộng Do vậy, bắt buộc phải sử dụng thiết bị khuếch đại chuẩn hóa A/A Đây thiết bị tương tự nên nhiễu 5/220 0÷220V dễ xâm nhập ADC 0÷24 V 5/24 0÷0,065V 5/220 K 220 5K 220K - Trong hệ điều khiển số, tín hiệu đưa vào vi xử lý phải tín hiệu số mà đại lượng vật lý thực tế cần điều khiển tín hiệu tương tự Vì vậy, bắt buộc phải sử dụng chuyển đổi ADC, DAC gây sai số quy luật tín hiệu giá trị thơng tin VD: giả thiết mức mã hóa = V Tín hiệu sau khơi phục chuyển đổi DAC Rời rạc hóa theo thời gian T t 4,2 8,6 t Các mức 4,2; 8,6 chuyển số với bít: 0100 x = V 1000 x = V Như xuất sai số so sánh với 4,2 8,6 Muốn giảm sai số quy luật tín hiệu phải giảm chu kỳ lấy mẫu T Muốn giảm sai số giá trị thông tin cần phải giảm mức độ mã hóa thơng tin Điều dẫn đến số lượng mã hóa lớn nên phải tăng số bit Để khắc phục, phải dùng chuyển đổi ADC, DAC có số bit mã hóa cao Khi phải sử dụng vi xử lý có tốc độ tính tốn cao Hệ điều khiển số có đặc điểm phần cứng khơng quy định quy luật điều khiển mà quy định phần mềm Do để sử dụng người vận hành sửa chữa cần phải nắm vững phần cứng phần mềm Do quy luật điều khiển quy định phần mềm nên dễ dàng thay đổi, gây khó khăn cho người quản lý Do vậy, thực tế chương trình phần mềm điều khiển khơng để máy tính mà ghi nhớ cứng như: ROM, EPROM, EEPROM Xu hướng sử dụng hệ điều khiển kết hợp hệ điều khiển tương tự hệ điều khiển số: đặc điểm nêu trên, lĩnh vực điều khiển truyền động điện người ta thường sử dụng kết hợp điều khiển số điều khiển tương tự Các chức đòi hỏi điều khiển tác động nhanh thực điều khiển tương tự - Các chức mức cao, điều khiển thông minh thực chậm thực kỹ thuật số Phân loại hệ điều khiển số: hệ điều khiển số thường phân loại theo khả xử lý tín hiệu + Hệ điều khiển số đơn kênh: hệ điều khiển đại lượng vật lý Hệ có ưu điểm đơn giản dễ tính tốn nhược điểm việc thực dây chuyền tự động khó khăn, cần sử dụng nhiều người vận hành + Hệ điều khiển số đa kênh: hệ sử dụng hệ điều khiển số để điều khiển nhiều đại lượng vật lý khác nhau, đại lượng vật lý hoàn toàn độc lập với Hệ điều khiển số đa kênh phải sử dụng mạch dồn kênh Mux phân kênh Demux hệ có đặc điểm q trình điều khiển bị sai số thời gian điều khiển lặp lại dài số đại lượng vật lý nhiều + Hệ điều khiển số nhiều chiều: hệ điều khiển nhiều đại lượng vật lý khác đại lượng vật lý có mơi liên hệ với Do phải thực điều khiển đồng thời thông tin, liệu đại lượng vật lý phải trao đổi với Vì vậy, hệ điều khiển số nhiều chiều, cần phải sử dụng thuật toán ma trận Đây hệ điều khiển đại có độ xác cao sử dụng rộng rãi thực tế 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển số - y1 SS Mux CT điều khiển công nghệ ĐT A/A yn A/D P CT bảo vệ A/D CCĐC Dây chuyền công nghệ DeMux Card ghép nối Hiển thị Lệnh Cảnh báo bảo vệ Máy tính, VXL Hình 1.2: Cấu trúc hệ điều khiển số Trong đó: + ĐT: đối tượng cần điều khiển, có nhiệm vụ tạo đại lượng vật lý mà công nghệ yêu cầu, chẳng hạn muốn có nhiệt độ ta phải có lị gia nhiệt, muốn có tốc độ ta phải sử dụng động cơ,… Đây thiết bị tương tự + SS: khối thiết bị đo, có nhiệm vụ đo đại lượng vật lý tương tự thực tế (không điện) biến đổi đại lượng điện (thường điện áp dòng điện) Đây thiết bị tương tự + A/A: khối khuếch đại chuẩn hóa, có nhiệm vụ biến tín hiệu tương tự chưa chuẩn đầu vào thành tín hiệu tương tự chuẩn hóa đầu Đây thiết bị tương tự Hiện thường dùng chuẩn: Chuẩn áp: ÷ V (0 ÷ 5 V) ÷ 10 V (0 ÷ 10 V) ÷ 15 V (0 ÷ 15 V) Chuẩn dịng: ÷ 20 mA (0 ÷  20 mA) ÷ 20 mA (4 ÷  20 mA) + Mux, Demux: thiết bị dồn kênh, tách kênh Đây thiết bị số, có nhiệm vụ chuyển thơng tin song song thành nối tiếp ngược lại Quá trình chuyển đổi quét đồng điều khiển vi xử lý thông qua phần mềm điều khiển cơng nghệ + A/D, D/A: khối chuyển đổi tín hiệu tương tự - số, số - tương tự Đây thiết bị số + P: khối vi xử lý tín hiệu, có nhiệm vụ ghi chương trình điều khiển, chương trình bảo vệ, đọc chương trình điều khiển, đọc giá trị tín hiệu số đại lượng vật lý tương ứng chương trình; so sánh, định tín hiệu điều khiển Muốn vậy, vi xử lý phải điều khiển trạng thái tổng trở cửa Mux Demux Ngồi vi xử lý đọc chương trình bảo vệ, đọc giá trị đại lượng vật lý cần bảo vệ, so sánh với ngưỡng bảo vệ chương trình Khi giá trị đại lượng vật lý vượt ngưỡng, P phát lệnh bảo vệ dừng hệ thống đồng thời phát tín hiệu thơng báo cho người vận hành, sửa chữa Mặt khác, vi xử lý kiểm soát hệ thống thông báo chế độ làm việc hệ thống thông qua mã lệnh, mã lỗi + CCĐC: cấu điều chỉnh có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển chấp hành quy luật để điều tiết đối tượng cho đại lượng vật lý đầu biến đổi theo chương trình cơng nghệ Đây thiết bị tương tự, ví dụ: van điện tử, van tiết lưu, động servo, biến đổi, biến trở,… Ví dụ: Để điều chỉnh lưu lượng lưu chất, ta sử dụng van tiết lưu sử dụng động servo để thay đổi góc mở van Đ Lưu ý: - Trong thực tế khối chế tạo hợp (trọn bộ), chẳng hạn khối CCĐC chế tạo hợp với đối tượng ĐT, khối SS chế tạo hợp với khối chuẩn hóa tín hiệu - Nếu hệ điều khiển số điều khiển đại lượng vật lý (điều khiển số đơn kênh) khơng có khối Mux Demux 1.3 Tín hiệu xử lý tín hiệu số 1.3.1 Phân loại tín hiệu 1.3.1.1 Tín hiệu tương tự (tín hiệu liên tục) Tín hiệu tương tự tín hiệu mà thơng tin có thời điểm nào, giá trị thông tin mang theo qua thông số đặc trưng đại lượng vật lý mang tin như: biên độ, tần số, góc pha đầu (thực tế thường sử dụng biên độ) Để tính tốn, thường sử dụng hàm toán học liên tục Giá trị thơng tin theo hệ thập phân 1.3.1.2 Tín hiệu lấy mẫu (tín hiệu rời rạc) Tín hiệu lấy mẫu tín hiệu mà thơng tin có thời điểm cố định, ngồi điểm lấy mẫu khơng có thơng tin Giá trị thơng tin mang theo biên độ Giá trị thông tin theo hệ thập phân x(t) t Hình 1.3:Tín hiệu tương tự x’(t) T 2T 3T kT t Hình 1.4:Tín hiệu lấy mẫu 1.3.1.3 Tín hiệu số Tín hiệu số x*(t) tín hiệu mà thơng tin có thời điểm cố định, ngồi thời điểm khơng có thông tin Giá trị thông tin mang theo mã số, tính tốn theo hệ nhị phân Ví dụ: rời rạc hóa tín hiệu theo mức sau chuyển số x*(t): t=0  00101101 t=1T  01011100 1.3.1.4 Tín hiệu logic Tín hiệu logic tín hiệu mà thơng tin có thời điểm nào, giá trị thông tin biểu diễn qua biên độ có hai giá trị “0” “1” Giá trị trung gian hai giá trị bị cấm (khơng phép có) 3.4.2.3 Tính tốn lập trình cho điều chỉnh tốc độ Sau tính tốn lập trình cho điều chỉnh dịng điện ta hàm Wtư sau: Wt­  2T s  2T­ s  2 ­ Từ ta có cấu trúc mạch vịng điều chỉnh tốc độ sau: Biến đổi sơ đồ cấu trúc ta được: Với: Won ( s)  375K m  (2T­2 s  2T­ s  1)GD s Hàm truyền kín mạch vịng tốc độ là: Wkn ( s)  Rn (s)Won ( s) Wkn ( s)  Rn ( s)   Rn (s)Won ( s) [1  Wkn ( s)]Won ( s) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul với hàm truyền chuẩn có dạng: 2 s  2 s  Do đó: Wc  2 Wc ( s)  GD (2T­2 s  2T­ s  1) s R n ( s)    [1-Wc (s)]Won ( s) 2 s(1   s)Won ( s)  375K m 2 s(1   s) + Trường hợp: 2Tư2 < 0,001 ta bỏ qua, đó:  GD (2T­ s  1) s  R n ( s)   375K m 2 s(1   s) + Nếu 2Tư< tp/6 ta đặt  = 2Tư:  R n ( s)  R n ( z )  Z  R n ( s)   Z  K P   U dk ( z ) U v ( z) 77  GD  375K m 4T­  Kp Uđk(z)= Kp Uv(z) Uđk[k]= KpUv[k] Đây phương trình sai phân biểu diễn quy luật điều chỉnh tốc độ + Nếu 2Tư > tp/6 ta đặt  = a, từ ta có: Rn ( s )   GD (2T­ p  1)  375K m 2a(1  as) Làm tương tự trường hợp ta tìm Rn(z) tìm phương trình sai phân thuật tốn lập trình cho điều chỉnh tốc độ Luật điều khiển PID số công thức lựa chọn để cài đặt cho điều khiển chế tạo chip vi điều khiển 3.4.2.4.Tính tốn lập trình cho điều chỉnh vị trí Sau tổng hợp cho mạch vịng tốc độ ta hàm tối ưu sau: Wt ­  8T s  4T­ s  2 ­ Từ ta có cấu trúc mạch vịng vị trí sau: Biến đổi sơ đồ cấu trúc ta được: Ta có hàm truyền hở mạch vịng điều chỉnh vị trí: Wo ( s)  2 60 (8T s  4T­ s  1) s 2 ­ Hàm truyền kín mạch vịng điều chỉnh vị trí là: Wk ( s)  R (s)Wo ( s) Wk ( s)  R ( s)   R (s)Wo ( s) [1  Wk ( s)]Wo ( s) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul với hàm truyền chuẩn có dạng: Wc  2 s  2 s  R ( s)  2 Wc ( s) 60 (8T­2 s  4T­ s  1) s   [1-Wc (s)]Wo ( s) 2 s(1   s)Wo ( s) 4 (1   s) s 78 Giả sử 8Tư2 tp/6 nên chọn  = tp/6 = a:  R ( s)  15 (4T­ s  1)  a(1  as) Làm tương tự trường hợp ta tìm R(z) tìm phương trình sai phân thuật tốn lập trình cho điều chỉnh vị trí 5.5 Hệ điều khiển q trình 5.5.1 Các thiết bị hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt Sơ đồ khối chức hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt sau: t0đặt Bộ ĐK số Bộ biến đổi D/A Thiết bị gia nhiệt t0 C Cảm biến nhiệt độ A/D Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt nhận nhiệt độ từ đối tượng cảm biến nhiệt độ Bộ cảm biến chuyển nhiệt độ thành mức điện áp tương ứng mức điện áp dạng tín hiệu tương tự Sau tín hiệu tương tự chuyển dạng số chuyển đổi tương tự sang số (A/D) trước đưa vào điều khiển Bộ điều khiển nhận nhiệt độ đo, kiểm tra nhiệt độ xem đạt hay chưa, nhiệt độ chưa đủ điều khiển tăng ngược lại, nhiệt độ cao điều khiển giảm Quá trình điều khiển điện áp xuất ra, qua chuyển đổi D/A điện áp tương tự, đưa đến mạch điều khiển thyristor Mạch điều khiển thyristor tạo xung để mở thyristor phù hợp với yêu cầu tăng giảm nhiệt độ *Cơ sở nguyên lý để thực điều khiển thiết bị gia nhiệt: -Thực điều khiển thiết bị gia nhiệt điều khiển PID số thiết kế cài đặt vi điều khiển - Sử dụng cảm biến nhiệt độ để phản hồi nhiệt độ - Giao tiếp thông qua modul mạch điều khiển để hiển thị đặc tính 79 - Trên mạch có khối hiển thị để hiển thị chế độ hoạt động hệ thống thông số nhiệt độ, điện áp… Do vậy, để xây dựng mô hình hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt ta cần thiết kế phần mạch sau: 3.5.1.1 Thiết bị gia nhiệt Trong đời sống sản xuất, yêu cầu sử dụng nhiệt lớn Trong ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy Nguồn nhiệt chuyển từ điện qua lò điện phổ biến thuận tiện, dễ tự động hố điều chỉnh nhiệt độ lị Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt chủ yếu để đun, nấu, nướng, sưởi Nguồn nhiệt chuyển từ điện qua thiết bị điện bàn điện, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh Đây nguồn lượng sạch, khơng gây nên khói, bụi, không ảnh hưởng tới môi trường, sử dụng thuận tiện, dễ dàng Việc biến đổi điện thành nhiệt có nhiều cách: nhờ hiệu ứng Juole (lị điện trở, bếp điện), nhờ phóng điện hồ quang (lị hồ quang, hàn điện), nhờ tác dụng nhiệt dịng điện xốy Foucault thông qua tượng cảm ứng điện từ (bếp từ) Các thiết bị gia nhiệt dùng sinh hoạt trừ lị vi sóng bếp từ, cịn hầu hết dùng dây điện trở bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, siêu điện, bình nóng lạnh Những dây điện trở sử dụng thường hợp kim Nikel-Crôm có điện trở suất ρ = 1,1 Ωmm2/m, nhiệt độ làm việc đến 11000C Các dây điện trở dùng để chế tạo dụng cụ sinh hoạt thường đặt ống kín, ống chèn chặt chất chịu nhiệt, dẫn nhiệt cách điện với vỏ ống Việc đặt dây điện trở ống kín tránh ẩm ơxy lọt vào, giảm ơxy hố, tăng độ bền tuổi thọ cho thiết bị gia nhiệt Trong phần thiết kế này, tập trung nghiên cứu, thiết kế thiết bị gia nhiệt lò điện trở a Lò điện trở Lò điện trở thiết bị biến đổi điện thành nhiệt năng, dùng cơng nghệ nung nóng, nấu chảy vật liệu Lị điện trở dùng phổ biến nhiều ngành công nghiệp b Nguyên lý làm việc Phương pháp gia nhiệt điện trở dựa định luật Joule –Lence Khi cho dịng điện chạy qua dây dẫn, dây dẫn toả nhiệt lượng Nhiệt lượng tính theo biểu thức: Q=I2Rt Trong đó: Q: Nhiệt lượng (J) I: Cường độ dòng điện (A) 80 R: Điện trở (Ω) t: Thời gian (s) Theo phương pháp tỏa nhiệt, lò điện trở chia thành loại: Lò điện trở đốt nóng trực tiếp lị điện trở đốt nóng gián tiếp Sơ đồ nguyên lý làm việc lị điện trở thể hình 3.4.a,b Hìn 3.4a - Đốt nóng trực tiếp Hìn 3.4a - Đốt nóng gián tiếp 3.5.1.2 Bộ biến đổi Nhiệt độ thiết bị gia nhiệt điều chỉnh cách thay đổi điện áp cấp cho dây đốt qua biến đổi xoay chiều – xoay chiều Trong phần thiết kế này, sử dụng biến đổi xoay chiều- xoay chiều pha pha dùng tiristor 3.5.1.3 Cảm biến nhiệt độ a Cặp nhiệt điện: Là cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện dựa tượng nhiệt điện Khi có chênh lệch nhiệt điện hai đầu nối hai dây dẫn kim loại khác làm xuất sức điện động Nhiệt độ tăng làm sức điện động (điện áp) cặp kim loại cấu tạo nên Để thuận tiện cho người sử dụng, cặp nhiệt chế tạo sẵn dạng can nhiệt điện Miền đo can nhiệt điện phụ thuộc vào vật chế tạo Đối với can nhiệt đồng/vàng-cooban đo từ -2700C đến 27000C Can nhiệt điện có sơ đồ cấu trúc mơ tả hình 3.5 Đầu vào làm việc hai dây điện cực nhiệt hàn chặt vào Các dây điện cực lồng vào ống cách điện Hai đầu tự hai dây điện cực nhiệt gắn cốt nối thuận tiện cho việc ghép nối 81 Hình 3.5: Can nhiệt điện với bên Vỏ bảo vệ ngăn cản xâm thực môi trường đo lên dây điện cực nhiệt Vỏ bảo vệ gắn chặt lên đầu nối can nhiệt điện Hệ thống hai dây điện cực, ống cách điện cốt nối gắn chặt lên đầu nối qua lót cách điện Tấm lót cách điện cịn đóng vai trị ngăn cản nước xâm nhập vào long can nhiệt điện Bộ phận nắp đậy Can nhiệt điện chế tạo với nhiều loại khác Chiều dài can nhiệt điện đa dạng đáp ứng nhu cầu sử dụng Can nhiệt điện có chiều dài lớn 2m Đường kính dây điện cực nhiệt lớn 3mm Để đo nhiệt độ đầu tự cặp nhiệt điện phải có nhiệt độ ổn định, cách xa bề mặt đốt nóng Thơng thường, đầu tự cặp nhiệt điện phải đưa phòng điều khiển trung tâm để ghép nối với thiết bị đo qua dây bù Sơ đồ hệ thống nối cặp nhiệt điện với thiết bị đo công nghiệp sau: A A1 eAB( TBĐ t0 Dây dẫn bù eA1B1(t CNĐ t)t B ) B1 b Nhiệt điện trở: Là loại cảm biến nhiệt độ mà nhiệt độ tăng điện trở lại giảm Nhiệt điện trở có độ phân giải cao độ phân giải điện trở kim loại khoảng 10 lần Các nhiệt điện trở thông thường chế tạo từ ôxit bán dẫn đa tinh thể Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, từ -2730C đến 3000C 3.5.1.4 Phần cứng a Khối vi xử lý Khối vi xử lý thiết kế thành Module riêng nhằm tạo khả linh hoạt việc thay đổi cấu hình điều khiển (chẳng hạn cần thay loại vi xử lý mới) Khối thiết kế dựa vi điều khiển chuyên dụng Vi điều khiển máy tính tích hợp chip, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ dùng giá thành thấp (khác với vi xử lý đa dùng máy tính) kết hợp với khối ngoại vi nhớ, module vào/ra, module biến đổi số sang tương tự tương tự sang số Ở máy tính module thường xây dựng chip mạch ngồi Vi điều khiển có nhiều bit khác giống vi xử lý (hiện có loại vi điều khiển 4bit, 8bit, 16bit, 32bit, 64bit 128 bit) Bên vi điều khiển chứa đầy đủ tất tính cần thiết cho hệ thống máy tính chức máy tính mà không cần thêm phận kỹ thuật số bên Hầu hết chân chip vi điều khiển lập trình người dùng 82 Vi điều khiển có khả xử lý hàm logic Tốc độ hiệu suất cao Cấu trúc on-chip ROM vi điều khiển giúp bảo mật firmware tốt Dễ thiết kế với chi phí thấp kích thước nhỏ Để lập trình cho chip vi điều khiển, người sử dụng cung cấp phần mềm lập trình riêng cho chíp vi điều khiển Ngồi ra, để cài đặt chương trình điều khiển vào chip sử dụng trình gỡ rối Phần mềm phát triển xây dựng sở hướng đối tượng với cấu trúc module hóa khối chức Việc lập trình cho chip tuỳ thuộc vào người sử dụng thơng qua số thư viện chuẩn Người sử dụng thiết lập cấu hình chip đơn giản cách muốn chip có chức chọn chức đặt vào khối tài nguyên số tương tự, hai tuỳ theo chức Việc thiết lập ngắt, thiết lập chế độ hoạt động chân vào tuỳ thuộc vào người sử dụng thiết kế lập trình cho chip Các loại vi điều khiển sử dụng thị trường nước ta nay: Vi điều khiển 8051, Vi điều khiển AVR, Vi điều khiển PIC, Vi điều khiển ARM… Trong phần thiết kế này, tập trung nghiên cứu Arduino Arduino bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, thiết bị gia nhiệt, đèn thiết bị khác chủ yếu dựa vi điều khiển AVR Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm b.Mạch điều khiển trung tâm Khối mạch trung tâm có nhiệm vụ quản lý, giám sát, điều khiển hoạt động tồn modul sử dụng mạch có nghĩa hoạt động hệ thống sở vi điều khiển Khối mạch điều khiển trung tâm kết nối khối vi xử lý với thành phần khác hệ thống (mạch đồng hóa, đầu vào điều khiển phản hồi… Mạch điều khiển trung tâm bao gồm khối sau: - Khối vi xử lý - Khối đồng hóa - Khối đầu vào tương tự dùng để đo đại lượng: nhiệt độ, điện áp… - Khối đầu tương tự bao gồm nguồn áp nguồn dòng - Khối đầu vào số dùng kết hợp với mạch khống chế - Khối đầu số bao gồm mạch điều khiển rơ le - Khối thời gian thực - Khối nhớ 83 - Khối giao tiếp bàn phím hiển thị LED - Khối nguồn … c Mạch công suất xung Mạch công suất xung thiết kế theo kênh điều khiển riêng biệt 5.5.2 Tổng hợp điều khiển cho hệ điều khiển thiết bị gia nhiệt Hàm truyền thiết bị gia nhiệt: W ( s)  Hàm truyền biến đổi: Wb ( s)  T (s) K  U ( s)  Ts Kb U (s)  U ® k (s)   b s Hàm truyền hệ hở gồm hai khâu mắc nối tiếp (Đối tượng điều khiển): G ( s )  W ( s )Wb ( s ) *Tổng hợp điều khiển cho thiết bị gia nhiệt phịng thí nghiệm: Mơ hình tốn học thiết bị gia nhiệt phịng thí nghiệm biểu diễn mơ hình hàm truyền: W ( s)  T (s) K 4,69   U ( s)  Ts  272,51s Nhiệt độ thiết bị gia nhiệt điều chỉnh cách thay đổi điện áp cấp cho dây đốt qua biến đổi xoay chiều -xoay chiều pha từ nguồn xoay chiều 36V, điện áp điều khiển biến đổi có điện áp từ 0÷10V Từ ta xác định hàm truyền biến đổi: Wb ( s)  Kb U (s)  U ® k (s)   b s Kb: Hệ số khuếch đại biến đổi; Kb  b:Hằng số thời gian  b  36  3,6 10 1   0,005 (s) 2mf 2.2.50 m: số lần đập mạch chu kì điện áp nguồn, m=2 f: tần số điện áp nguồn, f=50 Thay số ta có: Wb ( s)  U ( s) 3,6  U ® k ( s)  0,005s Hàm truyền hệ hở gồm hai khâu mắc nối tiếp: G ( s)  W ( s )Wb ( s)  4,69 3,6 16,88   272,51s  0,005s (1  272,51s)(1  0,005s) 84 Như đối tượng điều khiển (bao gồm biến đổi thiết bị gia nhiệt) lớp đối tượng 02 khâu quán tính bậc mắc nối tiếp Một số phương pháp tổng hợp điều khiển PID cho thiết bị gia nhiệt trình bày 3.5.2.1 Phương pháp thực nghiệm dựa hàm h(t) a Phương pháp số thời gian tổng nhỏ Kuhn Phương pháp thiết kế Kuhn phương pháp thực nghiệm dễ dàng thực mà khơng cần biết xác mơ hình đối tượng Thay vào đó, ta phải xác định tham số đặc trưng đối tượng điều khiển phương pháp thực nghiệm Các tham số cần xác định từ thực nghiệm là: Hệ số khuếch đại đối tượng K, số thời gian tổng nhỏ Ts Nếu có mơ hình hàm truyền đối tượng, ta xác định tham số từ mơ hình với: m Ts  T Dj j 1 n T   i 1 i Trong đó: TDj: Hằng số thời gian vi phân Ti: Hằng số thời gian quán tính : Hằng số thời gian trễ Ta có số thời gian nhỏ hệ thống gia nhiệt là: Ts = 272.51 + 0.005=272.515 Hệ số khuếch đại đối tượng: K=16,88 Sau có tham số đối tượng từ thực nghiệm ta tra bảng thiết kế phương pháp để xác định tham số điều khiển cần tìm Bảng1: Tổng hợp điều khiển theo Kuhn Luật điều khiển Hệ số tỉ lệ Hằng số thời gian Hằng số thời gian Wđk(s) (KP) tích phân (TI) vi phân (TD) PI: Kp (1+1/ TI.s) 0,5/K 0,5Ts PID: Kp (1+1/TI.s+TD.s) 1/K 0,8Ts 0,194Ts Tra bảng ta có điều khiển PID tương tự cho thiết bị gia nhiệt: Kp  1   0,59 K 16,88 K I  0,8Ts  0,8.272,52  218,01 K D  0,19Ts  0,19.272,52  52,87 WPID ( s)  K p  KI 218,01  K D s  0,59   52,87 s s s 85 Bộ điều khiển PID số: Hàm truyền liên tục điều khiển PID viết dạng sau: KI  KDs s Để chuyển từ PID liên tục sang PID số ta sử dụng phương pháp chuyển gần thành phần PID từ liên tục sang dạng rời rạc sau: - Thành phần tỉ lệ giữ nguyên WPID ( s)  K p  - Thành phần tích phân lấy gần theo Tustin: - Thành phần vi phân lấy gần đúng: K d  K I K I T ( z  1)  s 2( z  1) K D ( z  1) Tz Như vậy, hàm truyền rời rạc PID số là: K T ( z  1) K D ( z  1) WPID ( z )  K p  I  2( z  1) Tz 2TK p z ( z  1)  K I T z ( z  1)  K D ( z  1)  2Tz ( z  1) K K K K p  0,5 K I T  D z  K p  0,5 K I T  D z  D T T T  z ( z  1) 52,87 52,87 52,87 0,59  0,5.218,01T  z  0,59  0,5.218,01T  z T T T  z ( z  1)         Với T chu kì trích mẫu b Phương pháp Ziegler- Nichols Ziegler Nichols đưa hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số điều khiển động Mơ hình thiết bị gia nhiệt thích hợp với phương pháp ZieglerNichols Từ bảng tra theo Ziegler -Nichols ta xác định tham số điều khiển Bảng thiết kế theo phương pháp Ziegler-Nichols biểu diễn bảng sau: Bảng2: Tổng hợp điều khiển theo Ziegler- Nichols Luật điều khiển Hệ số tỉ lệ Hằng số thời gian Hằng số thời gian Wđk(s) (KP) tích phân (TI) vi phân (TD) P: Kp T/K. PI: Kp (1+1/TI.s) 0,9T/K. 0,33 - PID: Kp (1+1/TI.s+TD.s) 1,2T/K. 2,5 0,5 Theo bảng xác định hàm truyền liên tục điều khiển PID cho hệ thống thiết bị gia nhiệt sau: WPID ( s)  3936,98  314958,05  9,84s s 86 Hàm truyền rời rạc PID số là: K I T ( z  1) K D ( z  1)  2( z  1) Tz 2TK p z ( z  1)  K I T z ( z  1)  K D ( z  1) WPID ( z )  K p   2Tz ( z  1) K K K K p  0,5 K I T  D z  K p  0,5 K I T  D z  D T T T  z ( z  1) 9,84 9,84 9,84 3936,98  157479,02T  z  3936,98  157479,02T  z T T T  z ( z  1)         Với T chu kì trích mẫu 3.5.2.2 Phương pháp thiết kế điều khiển miền tần số: a Nguyên tắc thiết kế: Một hệ thống điều khiển mơ tả: Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống điều khiển Bài toán đặt thiết kế điều khiển cho tín hiệu y(t) phải bám tín hiệu vào u(t) khoảng thời gian ngắn Một cách lý tưởng hàm truyền hệ kín: Wk ( s)  W®k ( s)W®t ( s)  W®k ( s)W®t ( s) Hay Wk ( j )  Vậy ta cần phải xác định cấu trúc tham số điều khiển với ω Ωmax để có =1 với ω lớn tốt Thiết kế điều khiển miền tần số sử dụng phương pháp tối ưu modul phương pháp tối ưu đối xứng Tuy nhiên, phương pháp tối ưu đối xứng phù hợp với lớp đối tượng có khâu tích phân Với đối tượng khâu quán tính bậc thiết bị gia nhiệt, ta sử dụng phương pháp modul tối ưu để thiết kế điều khiển cho đối tượng b Phương pháp modul tối ưu: Phương pháp tối ưu modul thực theo ý tưởng: Chọn cấu trúc tham số điều khiển cho module vector đặc tính tần số hệ kín =1 với 87 ω gọi thiết kế điều khiển cho vector đặc tính tần số hệ kín tối ưu Giả sử hệ thống có hàm truyền hệ hở WH(s) (Hình 3.9) Ta phải tìm khâu hiệu chỉnh WHC (s) cho hàm truyền hệ thống kínvới phản hồi đơn vị (-1) Thoả mãn điều kiện chuẩn Modul tối ưu sau: Wk ( s)  2 s  2 s  2 Trong đó: Wk ( s)  Wo ( s)  Wo ( s) Wo ( s )  WHC ( s)WH ( s) Thay vào ta tìm được: WHC ( s)  2 s( s  1)WH ( s) u(t) y(t) WHC(s) WHC(s) u(t) y(t) Wo(s) Wk(s) Hình 3.9: Tổng hợp điều khiển phương pháp modul tối ưu Để thiết bị hiệu chỉnh đơn giản ta chọn  thỏa mãn điều kiện thời gian độ trùng với số thời gian nhỏ WH (bù khâu có số thời gian lớn) Áp dụng cho hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt ta có: WPI ( s )   2 s (2 s  1)G ( s) 2 s (2 s  1) 16,88 (1  272,51s)(1  0,005s) Ta chọn τ = 0,005 (s), điều khiển là: WPI ( s)   272,51s 5,92  1614,36   1614,36  2.16,88.0,005s 0,17 s s Bộ điều khiển PI số: Hàm truyền liên tục điều khiển PI viết dạng sau: WPI ( s)  K p  KI s 88 Để chuyển từ PI liên tục sang PI số ta sử dụng phương pháp chuyển gần thành phần PI từ liên tục sang dạng rời rạc sau: - Thành phần tỉ lệ giữ nguyên - Thành phần tích phân lấy gần theo Tustin: Như vậy, hàm truyền rời rạc PI số là: K T ( z  1) (2 K p  ) z  ( K I T  K p ) WPID ( z )  K p  I  2( z  1) 2( z  1)  3228,72  5,92T  z   5,92T  3228,72   2( z  1) Với T: chu kỳ trích mẫu 89 K I K I T ( z  1)  s 2( z  1) TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Thiết kế hệ điều khiển số mơn Tự động hóa – Khoa Điện Giáo trình Lý thuyết điều khiển tự động mơn Tự động hố - Khoa Điện Nguyễn Thương Ngô; Lý thuyết tự động thông thường đại - Quyển hệ xung-số; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2003 Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng; Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2002 Lê Văn Doanh - Nguyễn Thế Công - Nguyễn Trung Sơn – Cao Văn Thành; Điều khiển số máy điện; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1999 Nguyễn Như Hiển - Lại Khắc Lãi; Điều khiển số; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 M Sami Fadali, Antonio Visioli; Digital Control Engineering Analysis and Design, Elsevier, 2013 90 f(t) δ (t) 1(t) t t2 e  at te  at t 2e  at  e  at at   e at a (1  at )e  at sin at cos at e  at sin ct e  at cos ct F(p) F(z) 1 z z 1 s Tz ( z  1) s T z ( z  1) s3 2( z  1)3 z ; B  e  aT zB sa TBz ( z  B)2 ( s  a) T B z ( z  B) ( s  a )3 2( z  B)3 (1  B) z a ( z  1)( z  B) s(s  a) Tz a (1  B) z  2 ( z  1) a( z  1)( z  B) s ( s  a) s z  zB(1  aT ) ( s  a)2 ( z  B) z sin aT a z  z cos aT  s2  a2 s z  z sin aT s2  a2 z  z cos aT  a zB sin cT 2 ( s  a)  c z  zB cos cT  B sa z ( z  B cos cT ) 2 z  zB cos cT  B ( s  a)  c 91 ... hướng sử dụng hệ điều khiển kết hợp hệ điều khiển tương tự hệ điều khiển số: đặc điểm nêu trên, lĩnh vực điều khiển truyền động điện người ta thường sử dụng kết hợp điều khiển số điều khiển tương... tử hệ thống theo tốn tử Z với điều kiện đầu không 2.1.2 Xác định hàm truyền hệ điều khiển số Trong hệ điều khiển số tồn thiết bị số thiết bị tương tự, để xác định hàm truyền số hệ điều khiển số. .. 5.5.2 Tổng hợp điều khiển cho hệ điều khiển thiết bị gia nhiệt 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Khái niệm Hệ điều khiển số hệ điều khiển mà hệ cần có tín