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 2
Giáo Viên Bộ Môn : Nguyễn Văn Vinh
Nhóm 3 –Lớp TĐH
2

K5
Sinh viên thực hành:
Nguyễn Thanh Hiếu(NT)
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
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 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 em có thể hoàn thiện
hơn nữa.

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 mô
phỏng
Phần 4 : Kết luận
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
___________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________

________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
________________________________________________________
__________
Phần I: Tìm hiểu chung
A, Mạch khuếch đại thuật toán(KĐTT)
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.
I Các mạch tính toán và điều khiển
1 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
 
+ + +
 ÷
 
2 Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào
lớn

3
3
2 3
out
R
V V
R R
=
+
2
3
R
R
Hình 1.2. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn.
Viết phương trình dòng điện cho nút N:
3
1
0
in
n
V V
R R
+ =
Mà :
 Hệ số khuếch đại của
mạch
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.
3 Mạch trừ
4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn
Hệ số của V
in2
luôn lớn hơn hệ số của V
in1
=> mạch không
tạo được điện áp ra có dạng: K(V
in2
- V

in1
).Trở kháng vào
của cửa P lớn(Z
v
=r
d
), nên không yêu cầu nguồn V
in2
có
công suất lớn.
Hình 1.4.b sơ đồ mạch trừ có 2 ngõ vào trở kháng đều lớn
Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng r
d

của KĐTT. Có thể thay đổi được hệ số khuếch đại
5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi
Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R
2
, ta có hệ số của
V
out
lúc dương lúc âm.
7 Mạch tích phân tổng
Dùng phương pháp xếp chồng và viết phương trình
dòng điện nút với N ta tìm được :
8 Mạch tích phân hiệu
Viết phương trình đới với nút N :
Biến đổi và cho v
N
=v

P
, R
1
C
N
= R
2
C
P
=RC
9 Mạch vi phân
K’ tăng theo tần số và đồ thị bode có độ dốc 20dB/
decade.
Vậy : Mạch được gọi là mạch vi phân trong một phạm
vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyến
biên-tần của nó tăng với độ dốc 20dB / decade.
10 Mạch PI
Hình 10a Sơ đồ mạch PI
Mạch thường sử dụng trong các mạch điều khiển .
Mạch có điện áp ra được biểu diễn theo dạng:
Áp dụng phương trình cân bằng dòng tại N:
Mặt khác:
Thay (1) vào (2):
 Đặc tuyến biên tần:
Suy ra đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc
20dB/decade
Sơ đồ làm việc như 1 mạch tích phân
Mạch mang
tính chất khuếch đại nhiều hơn. Khu vực trung gian là
khu vực chuyển tiếp

B Mạch PID
I.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 có
hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều
khiển tự động.
Một bộ điều khiển PID cố gắng 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 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 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.
Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:
2,
Mạch PID 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:

Từ phương trình dòng điện nút tại N:
Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra:
Thay (1) vào (2):
Suy ra
3.Đặc tính bộ điều khiển P,I,D:
-Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ
đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai
số xác lập của hệ (steady-state error)
-Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số
xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ.
-Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ
thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của
hệ.
Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với
hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:
Đáp ứng
vòng kín
Thời gian
lên
Vọt lố
Thời gian
xác lập
Sai số xác
lập
K
P
Giảm Tăng
Thay đổi
nhỏ
Giảm

K
I
Giảm Tăng Tăng
Thay đổi
nhỏ
K
D
Thay đổi
nhỏ
Giảm Giảm
Thay đổi
nhỏ
Bảng 3.1 Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối
tượng
-Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác
tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau. Trên
thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng
đến hai thành phần còn lại. Vì vậy bảng trên chỉ có tác
dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd.
Phần 2 Cấu trúc hệ thống
A, Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.5 Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID
1 Các thành phần của hệ thống
a)bộ PID
sơ đồ khối của mạch PID
Mạch PID gồm có 3 mạch nhỏ :mạch khuếch đại,Mạch
tỉ lệ tích phân, Mạch vi phân
Mạch tỉ lệ
Mạch tích phân không đảo
Mạch Vi phân

b)Đối tượng bậc 2
các dạng đối tượng bậc 2 thường gặp:
+)đối tượng bậc 2 không dao động
+)Đối tượng bậc 2 dao động
2 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.
Đối tượng có mô hình toán học như sau:
Ham truyền :