ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI : Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Văn Vinh Lớp : Tự động hóa 1_k6 sinh viên thực hiện : Nhóm 6 Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề : 10/11/2013 Ngày hoàn thành :…. 15/12/2013 Thời gian bảo vệ dự kiến : 20/12/2013 Page 1 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Lời nói đầu Như chúng ta đã biết.Ngày nay, khi mà công nghệ sản xuất linh kiện điện tử được nâng cao thì những đồ điện tử càng ngày càng thu nhỏ về kích thước điều đó đồng nghĩa với các vi mạch số càng ngày càng được dùng nhiều và thể hiện tầm quan trọng của nó . Môn học Vi mạch số & vi mạch tương tự đã mang đến những kiến thức cơ bản đầu tiên cho sinh viên chúng em về vi mạch số và những mạch tương tự. đề tài của chúng em được giao là :”Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3”.Qua đề tài này chúng em đã nắm bắt được cách thiết kế cơ bản 1 bộ PID bằng khuếch đại thuật toán và sử dụng thành thạo phương pháp tổng thời gian của Kuln để xác lập tham số cho bộ PID. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và thầy Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đồ án không tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình.Mong các thầy,cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm để đồ án của chúng em có thể hoàn thiện hơn nữa. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Page 2 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Nội dung đồ án Đề tài:Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 Mô tả: Cho đối tượng bậc 3 ( mô phỏng bằng các nhóm R,C). Thiết kế bộ điều chỉnh PID bằng KĐTT. Dùng phương pháp thời gian tổng của kuln để xác lập các tham số cho PID Khuyến khích:Tự xác định thành phần bộ điều khiển để hệ kín ổn định. Phần thuyết minh Yêu cầu về bố cục nội dung: • Chương 1:tìm hiểu chung về mạch KĐTT và mạch PID. • Chương 2:thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 3 với bộ điều khiển PID. • Chương 3:xây dựng chương trình mô phỏng. Các thành viên trong nhóm gồm: - Hoàng trọng nghĩa - Mai đình nhâm - Phạm thanh phong - Nguyễn hồng quân - Nguyễn văn quân - Vũ đức sơn - Vũ khắc sơn. Page 3 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN  _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ MỤC LỤC Page 4 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT VÀ MẠCH PID 1 Khuếch đại thuật toán lí tưởng………………………………………7 1.2.Khuếch đại thuật toán không lí tưởng……………………………… 10 1.3. Mạch tích hợp KĐTT không lí tưởng µA741……………………… 10 1.4. Mạch cộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.5. Mạch trừ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 1.6. Mạch tích phân. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1.7. Bộ tỉ lệ - tích phân. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.8. Mạch vi phân. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 1.9. Mạch tỉ lệ - tích phân – vi phân (mạch PID). . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.9.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3 2.1. Tìm hiểu về đối tượng bậc 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3. . . . . . . . . . . . . . . 22 CHƯƠNG 3:XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 3.1.Mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2:Tín hiệu ra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH KĐTT VÀ MẠCH PID Page 5 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán(KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tính toán , điều khiển, tạo hàm,tạo tín hiệu hình sine và xung, sử dụng ổn áp và các bộ lọc tích cực…Trong kỹ thuật mạch tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ khuếch đại thuật toán. Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) và các bộ khuếch đại thông thường khác nhau có đặc tính tương tự. Cả hai loại đều dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ khuếch đại thuật toán là , tác dụng của mạch điện có bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài. Để thực hiện được điều đó , bộ KĐTT phải có đặc tính cơ bản là, hệ số khuếch đại rất lớn , trở kháng cửa vào rất lớn và trở kháng cửa ra rất nhỏ. Trước đây , bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán giải tích ở các máy tính tương tự, nên được gọi là KĐTT (theo tiếng anh là Operational Amplifier viết tắt là OP-AMP). Ngày nay, KĐTT được sử dụng rộng rãi hơn,đặc biệt là trong kĩ thuật đo lường và điều khiển . Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển , nên đã chế tạo được các mạch tích hợp(các vi mạch) của KĐTT gần lí tưởng . Và các vi mạch KĐTT sử dụng trong các mahcj điện tử đơn giản cũng được coi là lí tưởng . Tuy nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thong số thực là hữu hạn. 1.1. Khuếch đại thuật toán lí tưởng 1.1.1.Kí hiệu và định nghĩa KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất, để thiết kế các mạch điện tử chức năng. Hình1 .1. Kí hiệu và các chân ra của KĐTT Page 6 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Ngõ vào có dấu (+) gọi là vào không đảo , kí hiệu In + , tín hiệu đưa đến kí hiệu là U I + . Ngõ vào có dấu (-) gọi là ngõ vào đảo, kí hiệu In - , tín hiệu đưa đến kí hiệu là U I - . Các cửa vào được gọi là các của vào kiểu vi sai. Out-ngõ ra, tín hiệu cửa ra kí hiệu là U O . Ngõ cấp điện áp nguồn dương +U CC và ngõ cấp điện áp nguồn âm -U CC .KĐTT lí tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (Z 1 =∞), trở kháng ra bằng 0 (Z O =0), hệ số khuếch đạivòng hở vô cùng lớn (K 0 =∞) và điện áp cửa ra bằng 0V, khi điện áp vào các ngõ vi sai bằng nhau (U O =0V, khi U I + = U I - ). 1.1.2. Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT Mạch khuếch đại đảo Hình 1.2. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với KĐTT Ta thấy, tín hiệu điện áp vào cần khuếch đại U I được đưa đến cửa vào đảo In - . Trên sơ đồ ngoài KĐTT (OP), còn có, R F - điện trở mạch phản hồi âm, R 1 - điện trở mạch vào, R 2 - điện trở nối đất với cửa vào không đảo In + . Tại nút N có: i I + i F =0 Vậy: 1 0 O I I I F U U U U R R − − − − + = (1-1) Mặt khác, do dòng điện chảy qua Z I bằng 0, nên điện áp tại nút n bằng 0, hay U I - =0. Vậy kết quả ta có: 1 0 O I F U U R R + = (1-2) Page 7 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Hệ số khuếch đại điện áp của mạch: O U I U K U = (1-3) Cùng với biểu thức (1-2), ta có: F U I R K R = − (1-4) Vậy biểu thức của tín hiệu ra: F O I I R U U R = − (1-5) Hệ số khuếch đại điện áp của mạch(k U ) giảm so với hệ số khuếch đại mạch hở(k O )và hệ số khuếch đại này chỉ phụ thuộc vào giá trị phần tử mạch ngoài. Điện trở vào (R I ) của mạch khuếch đại đảo bằng chính điện trở mạch vào (R 1 ), nghĩa là: R I = R 1 (1-6) Vậy, điện trở vào của mạch khuếch đại đảo nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở cửa vào của KĐTT lí tưởng. Mạch khuếch đại không đảo Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo của KĐTT lí tưởng . Hình 1.3.Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo với KĐTT Vì điện trở cửa vào của KĐTT vô cùng lớn, nên dòng điện chảy qua R 2 bằng 0. Từ đó ta có: I I I U U U + − = = Page 8 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Trong khi đó lại có: 1 1 O I I F U U R U R R − = = + (1-7) Vậy hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại không đảo K U = U O /U I với biểu thức (1-7) sẽ là: 1 1 F U R R K R + = (1-8) Hay có thể viết: 1 1 F U R K R = + (1-9) Vậy, tín hiệu ra xác định bằng biểu thức: (1 ) F O I I R U U R = + (1-10) Điện trở cửa vào mạch khuếch đại không đảo là điện trở tương đương lối vào của mạch R I = U I /i I . Từ sơ đồ mạch ta có dòng điện chảy qua các ngõ vào của KĐTT i 1 = 0 nên điện trở cửa vào mạch khuếch đại không đảo là R I = ∞, nghĩa là tương đương với điện trở cửa vào của KĐTT ta đang sử dụng. Một ứng dụng thường dung của mạch khuếch đại không đảo là để tạo ra bộ lặp điện áp có sơ đồ như trên hình 1.4. Hình 1.4. Mạch lặp lại điện áp với KĐTT 1.2.Khuếch đại thuật toán không lí tưởng 1.2.1. Cấu trúc của bộ KĐTT Page 9 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Mạch tích hợp KĐTT phải đáp ứng các yêu cầu:có hệ số khuếch đại lớn,có lệch 0 nhỏ,các dòng điện tĩnh nhỏ,có điện trở vào lớn và có điện trở ra nhỏ,khi các điện áp đến ngõ vào đảo và không đảo bằng nhau. 1.3. Mạch tích hợp KĐTT không lí tưởng µA741 1.3.1. Sơ đồ mạch tích hợp KĐTT µA741 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí bộ KĐTT µA741 1.3.2.Hình dạng và chức năng các chân mạch tích hợp KĐTT µA741 chân 1 – bù tần số; chân 2 – cửa vào đảo; chân 3 – cửa vào không đảo; chân 4 – nguồn cung cấp âm; chân5 – bù tần số; chân 6 – cửa ra; chân 7 – nguồn cung cấp dương; chân 8 – không sử dụng. Page 10 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 [...]... dụng cho các đối tượng hàm truyền đạt: Hằng số thời gian tổng: Với bộ điều chỉnh PID ta chọn ; CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3 2.1) Tìm hiểu về đối tượng bậc 3 - Đối tượng bậc 3 là gì ? Page 19 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Cách đơn giản nhất để xác định một đối tượng bậc 3 là dựa vào hàm truyền đạt của đối tượng nếu hàm truyển có bậc 3 tức... kiện cho đối tượng R1=10k R2=5k L=50mh C1=50uF Tổng thời gian ==50.10-6.50.10 -3 +5.50.10-12.50.10.106 (ms) -Sử dụng bộ điều khiển PID với KO=10 Ta có =0,1  Chọn R3=10k => R5=1k =0,0 833 3(s) Chọn R9=10k ta có: (F)=16,67(µF) 0,020875 (s) Chọn R10=10k ta có: Page 23 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 C2=50uF ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Page 24 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc. .. Khuếch đại thuật toán 741 2 Tụ điện 3 Điện trở 4 Cuộn cảm 5 -Giả sử giá trị các linh kiện như sau: Page 21 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Hình 2.2 :Mạch nguyên lý Bước 3: Tính toán mạch: - Hàm truyền : Mặt khác: Thế (1)vào (2) ta được: Trong đó: Điện áp ra của bộ PID Page 22 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 :Điện... những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID: Page 16 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 1.9.1 Mạch PID cơ bản Mạch PID cơ bản mạch vào gồm R1, C1 đấu song song, mạch hồi tiếp tạo bởi mạch nối tiếp của RF, CF Sơ đồ nguyên lý mạch tỉ lệ- tích phân-vi phân cơ bản U0=... là đối tượng bậc 3 Các đối tượng bậc 3 thường được ghép bởi các phần tử R,L,C 2.2) thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 Bước 1: Bước 1 xác định hệ thống điều khiển PID gồm 3 thành phần - - - Khâu tỷ lệ : là một mạch khuếch đại đảo có Với RF là điện trở phụ và R1 là điện trở vào Do mạch có tín hiệu ra đảo nên ta phải đảo lại tín hiệu để đảm bảo tín hiệu ra ở cả ba khâu cùng dấu (+) (điều. .. vào mạch Khâu vi phân : được chọn là mạch vi phân cơ bản Có điện áp ra : TD=RFC Có điện áp ra ngược dấu với điện áp vào Do vậy ta cũng phải đảo lại tín hiệu như đối với khâu tỷ lệ Đối tượng bậc 3 được sử dụng có sơ đồ như sau: Page 20 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Hình 2.1 :Đối tượng bậc 3 được điều khiển Bước 2: chọn linh kiện Linh kiện sử dụng trong mạch. .. dùng Sơ đồ mạch PID thường dùng Để được đặc tính theo yêu cầu thường chọn R1>>R2 và R3>>RF ta có các tần số riêng: f3 = 1 2π R3CF f2 = 1 2π RF CF f1 = 1 2π R1C1 Page 18 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 f0 = Sao cho : 1 2π R2C1 f 0 > f1 > f 2 > f 3 từ đặc tính tần số thấy rõ đã giảm bớt được ảnh hưởng của nhiễu tần số thấp và tần số cao 1.9 .3 Phương pháp... tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID là... tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 3. 1:Mô phỏng Sau khi tính toán lại giá trị các linh kiện ta được mạch nguyên lý như sau: Hình 3. 1:Sơ đồ nguyên lý Page 25 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 3. 2:Tín hiệu ra Tín hiệu ra: Hình 3. 2:Tín hiệu ra Chú thích:-Channel A:Tín hiệu vào -Channel B:Tín hiệu ra Tống kết:Tín... Bộ tỉ lệ- tích phân Sơ đồ nguyên lí mạch tỉ lệ - tích phân không đảo Mạch tỉ lệ tích phân có tín hiệu vào được đưa vào chân đảo của KĐTT Tín hiệu ra vừa tỉ lệ với tín hiệu vào và tỉ lệ với tín -Uo 1.8 Mạch vi phân 1.8.1 mạch vi phân cơ bản Page 14 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Dòng điện mạch vào:iI =C1(Ui) Dòng điện mạch hồi tiếp:iF= Nên tại nút của vào . ơn. Page 2 Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 ĐỒ ÁN VMTT-VMS NHÓM 6_TDH1_K6 Nội dung đồ án Đề tài :Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3 Mô tả: Cho đối tượng bậc 3 ( mô phỏng. có bậc 3 tức đó là đối tượng bậc 3. Các đối tượng bậc 3 thường được ghép bởi các phần tử R,L,C. 2.2) thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3. Bước 1: Bước 1 xác định hệ thống điều khiển. 2:THIẾT KẾ BỘ PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC 3 2.1. Tìm hiểu về đối tượng bậc 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc