Đang tải... (xem toàn văn)
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 ngày càng được dùng nhiều và thể hiện tầm quan trọng của nó .Môn học Vi mạch tương tự vi mạch số 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 2”.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 Kuhn để xác lập tham số cho bộ PID.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG & TỰ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG BẬC II Giáo Viên Hướng Dẫn: NGUYỄN VĂN VINH LỜI NÓI ĐẦU 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 ngày càng được dùng nhiều và thể hiện tầm quan trọng của nó . Môn học Vi mạch tương tự& vi mạch số 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 2”.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 Kuhn để xác lập tham số cho bộ PID. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt là thầyNguyễn 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 hoàn thành 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 em có thể hoàn thiện hơn nữa. Chúng em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ Chương 1. Tìm hiểu chung I. Các mạch tính toán và điều khiển 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 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 . Ngày nay công nghệ chế tạo linh kiện điện tử ngày càng phát triển, đã chế tạo được các mạch tích hợp KĐTT gần như lí tưởng đồng thời giảm tối đa kích thước, giúp tạo ra những vi mạch điện tử có kích thức nhỏ và có nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn. 1.1 Mạch cộng đảo Ở bộ cộng đảo các tín hiệu cần cộng được đưa đến cửa vào đảo của KĐTT.Sơ đồ mạch cộng đảo n tín hiệu vào được thể hiện trên hình 1.1. Các tín hiệu vào dạng điện áp là V in1 , V in2 … V inn . R 1 , R 2 ,…R n là các điện trở mạch vào, R N là điện trở mạch hồi tiếp. Hình 1.1: Sơ đồ mạch cộng đảo. Áp dụng quy tắc dòng điện cho nút N ta có : 1 1 in V R + 2 2 in V R +…+ inn n V R + out N V R =0 v out = - 1 2 1 1 1 N N N in in inn R R R v v v R R R + + + ÷ 1.2.Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Hình 1.2.Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn. 3 3 2 3 out R V V R R = + Viết phương trình dòng điện cho nút N: 3 1 0 in n V V R R + = Mà : Hệ số khuếch đại của mạch 2 3 R R Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn thì phải chọn R 1 nhỏ. Lúc đó trở kháng vào của mạch Z v =R 1 nhỏ. Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách chọn R 1 =R n lớn. Do đó K’ chỉ còn phụ thuộc vào Có thể tăng chỉ số này tùy ý mà không ảnh hưởng tới trở kháng vào Z v =R 1 =R n của mạch. Với cấu tạo như vậy có thể tăng thêm số đầu vào để thực hiện các mạch cộng hoặc mạch trừ có trở kháng vào lớn. 1.3. Mạch trừ Mạch trừ tương tự có chức năng trừ 2 tín hiệu tương tự với nhau.Tín hiệu tương tự bị trừ đưa đến cửa vào không đảo, còn tín hiệu trừ đưa đến cửa vào đảo của KĐTT. Hình 1.3: Sơ đồ mạch trừ. Điện áp ra có dạng: U O = Hay: U O = 1.4. Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi Hình 1.4: Sơ đồ mạch tạo điện áp ra có cực tinh thay đổi Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R 2 , ta có hệ số của V out lúc dương lúc âm. 1.5. Mạch tích phân đảo Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân đảo Bộ tích phân đảo có tín hiệu vào được đưa đến cửa vào đảo của KĐTT.Sơ đồ mạch tích phân đảo được thể hiện trên hình 1.5. Nguồn điện áp V I cần xử lý được đưa đến cửa vào đảo của KĐTT qua điện trở mạch vào R 1 . Mạch hồi tiếp dung tụ C như điện dung nạp xả. R 2 là điện trở ổn định nhiệt. Điện áp ra được xác định bằng biểu thức: - Thời gian tích phân: T I = R I C - Hệ số tích phân: 1.6. Mạch tích phân không đảo Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân không đảo Bộ tích phân không đảo tín hiệu vào được đưa đến cửa vào không đảo của KĐTT.Sơ đồ nguyên lý hình 1.6. - Điện áp ra được tính bởi công thức: 1.7. Mạch vi phân Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân Tín hiệu được đưa qua điện trở R 1 và tụ C 1 rồi vào cửa đảo của KĐTT, điện trở R F tạo mạch hồi tiếp, tụ C F mắc song song với R F nhằm mục đích đoản mạch phản hồi tạp âm tần số cao. Điện áp ra: 1.8.Mạch tỉ lệ tích phân Hình 1.8. Mạch tỉ lệ tích phân Mạch tỉ lệ tích phân có tín hiệu vào được đưa vào cửa đảo của KĐTT, tín hiệu ra vừa tỉ lệ với tín hiệu vào vừa tỉ lệ tích phân với tín hiệu vào. =>T I =R 1 C 2 II. Mạch PID 2.1.Giới thiệu bộ PID: Bộ điều khiển PID (A Proportional Integral Derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. [...]... truyền đạt của đối tượng, nếu hàm truyển có bậc 2 tức đó là đối tượng bậc 2 Các đối tượng bậc 2 thường được ghép bởi các phần tử R,L,C Một số đối tượng bậc 2 thường gặp: Hình 2.1: Đối tượng bậc 2 dao động sử dụng RLC Hình 2.2: Đối tượng bậc 2 không dao động sử dụng RC II. Tính toán hệ thống điều khiển PID Hình 2.3:Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID Bước 1: Xác định hệ thống điều khiển PID gồm 3 thành... phải đảo lại tín hiệu như đối với khâu tỷ lệ Đối tượng bậc 2 được sử dụng có sơ đồ như sau: Hình 2.2.2: Đối tượng bậc 2 không dao động Bước 2: Chọn linh kiện Với đề tài: Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 2” này, nhóm chúng em thiết kế mạch cho đối tượng bậc 2 không dao động Linh kiện sử dụng trong mạch: +) Khuếch đại thuật toán 741 +) Tụ điện +) Điện trở Hình 2.6: Mạch nguyên lý Bước 3:... KI, KD III Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn Hình 1.15: Sơ đồ khối hệ thống + Áp dụng cho các đối tượng hàm truyền đạt: Hằng số thời gian tổng: Với bộ điều chỉnh PID ta chọn ; ; Chương 2.Tính toán hệ thống điều khiến PID cho đối tượng bậc 2 theo phương pháp tổng thời gian của Kuln I Tìm hiểu về đối tượng bậc 2 - Đối tượng bậc 2 là gì ? Cách đơn giản nhất để xác định một đối tượng bậc 2 là... các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay Hình1.9.Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID Hình 1.10.Tín hiệu ra (ổn định) của mạch điều khiền PID y(t) 0 t(s) Hình 1.11 Hệ thống không ổn định 2.2 Mạch PID cơ bản Hinh1.12.Sơ đồ nguyên lý mạch PID cơ bản PID cũng là mạch hay... điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào, sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp Bộ điều khiển 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. .. cơ bản PID cũng là mạch hay được sử dụng trong kĩ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển của mạch và trong nhiều trường hợp tăng tính ổn định của hệ thống điều khiển trong 1 dải tần số rộng Điện áp ra có dạng: 2.3 Mạch PID thường dùng Hình 1.13Sơ đồ nguyên lý mạch PID thường dùng Mạch PID thường dùng có sơ đồ gần giống với mạch PID cơ bản, nhưng có bổ xung thêm R2 hạn chế hệ số khuếch... Bước 3: Tính toán các hệ số sử dụng phương pháp thời gian tổng của Kuln Thiết kế bộ điều khiển (PID) bằng phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn Phương pháp thời gian tổng của Kuhn được ứng dụng để thiết kế luật điều khiển cho lớp đối tượng co điểm không và điểm cực nằm trên trục thực về bên trái trục ảo Hàm truyền : Với điều kiện các hằng số thời gian ở tử số Tdm phải nhỏ hơn các hằng số thời... RC của mạch PID 2) Sơ đồ mạch Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng bằng proteus Chương 4: Kết Luận Từ sơ đồ mạch nguyên lý, ta có thể hiểu được nguyên tắc hoạt động của các linh kiện được sử dụng trong mạch Sơ đồ này được mô phỏng trên phần mềm mô phỏng proteus Qua đề tài lần này, chúng em đã học hỏi, tìm hiểu được cấu trúc, cách hoạt động, chức năng của các khối trong bộ điều khiển PID. Qua đó, thiết kế, tính... Tính toán mạch Với đối tượng bậc 2 không dao động như mạch mô phỏng: Ta có: Hàm truyền đạt của đối tượng: G(p)= Chọn: R1=100kΩ R2=10kΩ C1=C2=10µF => G(p)= =>T∑= 2,049+0,0488 = 2,0978 (s) Chọn: K0 = 0,1 => |Kp |= 10 TI = TD = 0,167T∑ =0,35 |Kp|= Chọn R12=100k => R6=10k TI= Chọn R8=10k => C1=186,4µF R7=R6=10k TD=Rv1.C3 Chọn C3 = 100µF , Rv1= 10k Với mạch khuếch đại U2: Ở đây, chúng em sử dụng mạch khuếch... dùng trong mạch điều khiển PID Tuy nhiên, trong quá trình trình bày, chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót.Chúng em rất muốn có thêm sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của thầy, cô giáo và các bạn để bài tập lớn về đề tài này có thể hoàn thiện hơn, chính xác hơn, và có những kinh nghiệm cho những đề tài sau này Chúng em xin trân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: - Giáo trình vi mạch tương tự và vi mạch số (NXB . 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 2”.Qua đề tài này chúng em đã nắm bắt được cách thiết kế cơ bản 1 bộ PID. thống điều khiến PID cho đối tượng bậc 2 theo phương pháp tổng thời gian của Kuln. I. Tìm hiểu về đối tượng bậc 2 - Đối tượng bậc 2 là gì ? Cách đơn giản nhất để xác định một đối tượng bậc 2. đạt của đối tượng, nếu hàm truyển có bậc 2 tức đó là đối tượng bậc 2. Các đối tượng bậc 2 thường được ghép bởi các phần tử R,L,C. Một số đối tượng bậc 2 thường gặp: Hình 2.1: Đối tượng bậc 2 dao