Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2"
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN Đề Tài: Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc Giáo Viên Bộ Môn : Nguyễn Văn Vinh Nhóm –Lớp TĐH2 K5 Sinh viên thực hành: Nguyễn Thanh Hiếu(NT) 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 Mơn học Vi mạch số & vi mạch tương tự mang đến kiến thức cho sinh viên chúng em vi mạch số mạch tương tự đề tài chúng em giao :”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 q trình làm đồ án khơng tránh khỏi sai sót cách trình bày phần thể đồ án mình.Mong thầy,cơ bạn góp ý bổ sung thêm để đồ án em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn 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 mơ Phần : Kết luận NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN _ Phần I: Tìm hiểu chung A, Mạch khuếch đại thuật toán(KĐTT) Hiện khuếch đại thuật toán(KĐTT) đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tính tốn , 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 tốn điều khiển xây dựng chủ yếu dựa khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) khuếch đại thơng thường khác có đặc tính tương tự Cả hai loại dùng để khuếch đại điện áp, dịng điện cơng suất.Tính ưu việt khuếch đại thuật toán , tác dụng mạch điện có KĐTT thay đổi dễ dàng việc thay đổi phần tử mạch ngồi Để thực điều , KĐTT phải có đặc tính là, hệ số khuếch đại lớn , trở kháng cửa vào lớn trở kháng cửa nhỏ Trước , KĐTT thường sử dụng việc thực phép tốn 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 mahcj điện tử đơn giản coi lí tưởng Tuy nhiên, vi mạch KĐTT ln có thong số thực hữu hạn I Các mạch tính tốn điều khiển Mạch cộng đảo: Áp dụng quy tắc dịng điện cho nút N ta có : Vin1 Vin Vinn Vout + R +…+ R + R =0 R1 n N RN vout = - R vin1 + RN R vin + + N vinn ÷ R1 R1 Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Viết phương trình dịng điện cho nút N: Vin V3 + =0 R1 Rn Mà : V3 = Vout R3 R2 + R3 Hệ số khuếch đại mạch Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn phải chọn R1 nhỏ Lúc trở kháng vào mạch Zv=R1 nhỏ Có thể khắc phục nhược điểm cách chọn R2 R1=Rn lớn Do K’ cịn phụ thuộc vào R3 Có thể tăng số tùy ý mà không ảnh hưởng tới trở kháng vào Zv=R1=Rn mạch Với cấu tạo tăng thêm số đầu vào để thực mạch cộng mạch trừ có trở kháng vào lớn Mạch trừ Mạch trừ với trở kháng vào lớn Hệ số Vin2 lớn hệ số Vin1 => mạch không tạo điện áp có dạng: K(Vin2 - Vin1).Trở kháng vào cửa P lớn(Zv=rd), nên không yêu cầu nguồn Vin2 có cơng suất lớn Hình 1.4.b sơ đồ mạch trừ có ngõ vào trở kháng lớn K’ tăng theo tần số đồ thị bode có độ dốc 20dB/ decade Vậy : Mạch gọi mạch vi phân phạm vi tần số phạm vi tần số đặc tuyến biên-tần tăng với độ dốc 20dB / decade 10 Mạch PI Hình 10a Sơ đồ mạch PI Mạch thường sử dụng mạch điều khiển Mạch có điện áp biểu diễn theo dạng: Áp dụng phương trình cân dịng N: Mặt khác: Thay (1) vào (2): Đặc tuyến biên tần: Suy đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc 20dB/decade Sơ đồ làm việc mạch tích phân Mạch mang tính chất khuếch đại nhiều Khu vực trung gian khu vực chuyển tiếp B Mạch PID I.GIỚI THIỆU BỘ 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 vịng lặp có hồi tiếp sử dụng rộng rãi có hồi tiếp sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động 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 qn 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 PID: 2, Mạch PID bản: 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: Từ phương trình dịng điện nút N: Và phương trình điện áp nhánh ra: Thay (1) vào (2): Suy 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 (steady-state error) -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 vịng kín lên KP Giảm Tăng KI Giảm Tăng Tăng Giảm Giảm KD Thay đổi nhỏ Vọt lố Thời gian Sai số xác xác lập lập Thay đổi nhỏ Giảm Thay đổi nhỏ Thay đổi nhỏ Bảng 3.1 Ảnh hưởng thông số PID lên đối tượng -Lưu ý quan hệ xác tuyệt đối Kp, Ki Kd cịn phụ thuộc vào Trên thực tế, thay đổi thành phần ảnh hưởng đến hai thành phần cịn lại Vì bảng có tác dụng tham khảo chọn Kp, Ki, Kd 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 Mạch PID gồm có mạch nhỏ :mạch khuếch đại,Mạch tỉ lệ tích phân, Mạch vi phân Mạch tỉ lệ Mạch tích phân khơng đảo Mạch Vi phân b)Đối tượng bậc dạng đối tượng bậc thường gặp: +)đối tượng bậc không dao động +)Đối tượng bậc dao động Tính tốn 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 co điểm không điểm cực nằm trục thực bên trái trục ảo Đối tượng có mơ hình toán học sau: Ham truyền : 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 xác định sau Kp = 1/K0 Ti = 2T∑/3 Td = 0.167T∑ Phần xây dựng chương trình mơ 1) Tính tốn mạch Với đối tượng bậc khơng dao động mạch mô phỏng: Chọn R1=R2=5kΩ C1=C2=0.001F Chọn K0 = 4.2V T∑=10 =>Kp = 5/21 => TI = 20/3 => TD = 1.67 Từ hệ số ta thay đổi giá trị RC mạch PID 2) Sơ đồ mạch Phần Kết Luận Từ sơ đồ mạch ngun lí ta hiểu nguyên tắc hoạt động hệ thống linh kiện Sơ đồ mô phần mềm mơ proteus Tính thực tế phương hướng phát triển tập: Với thiết kế hệ thống đo điều khiển tốc độ động giúp cho chúng em hiểu nguyên lí hoạt động số loại cảm biến đặc biệt encoder Tuy nhiên lần đầu làm tập lớn nên chúng em nhiều thiếu sót q trình trình bày.Cho nên chúng em muốn có thêm đóng góp ý kiến thầy ,cơ giáo bạn để hồn thiện tốt có kinh nghiệm cho tập sau Chúng em xin trân thành cảm ơn! ... đảo Mạch Vi phân b )Đối tượng bậc dạng đối tượng bậc thường gặp: + )đối tượng bậc không dao động + )Đối tượng bậc dao động Tính tốn hệ số sử dụng phương pháp thời gian tổng Kuln Thiết kế điều khiển. .. :? ?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. .. ngày Sơ đồ khối điều khiển PID: 2, Mạch PID bản: 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
