Thiết kế và điều khiển quạt gió cánh phẳng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 1
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG QUẠT GIÓ
CÁNH PHẲNG

Sinh viên thực hiện :Phan Văn Hoài Nam
Nguyễn Quang Linh
Lê Minh Hoàng
Nguyễn Tuấn Minh
Nguyễn Tuấn Phong
Lớp :

20TDHCLC3

Giảngviên hướng dẫn: TS.Nguyễn Khánh Quang
TS.Trương Thị Bích Thanh

Đà Nẵng, tháng 06/2022


LỜI NÓI ĐẦU
Trong suốt khoảng thời gian 2 năm học tập tại Trường Đại học Bách
Khoa nói chung và thời gian từ khi được Thầy Cô hướng dẫn đồ án nói
riêng thì nhóm em đã học đượcc rất nhiều điều q báu khơng chỉ liên
quan đến ngành học của mình mà cịn nhiều kiến thức bổ ích bên ngồi
cuộc sống. Em rất cảm ơn Thầy Nguyễn Khánh Quang, , cô Trương Thị
Bích Thanh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất, tận tình giúp đỡ giải đáp
tất cả mọi thắc mắc trong quá trình thực hiện đồ án để giờ đây nhóm em đã
có thể hồn thành được đồ án liên mơn riêng của mình.

Có lẽ kiên thức là vơ hạn mà sự tiếp nhận kiến thức của bản thân
mỗi người luôn tồn tại những hạn chế nhất định. Do đó trong q trình
hồn thành dự án này chắc chắn khơng tránh khỏi những lỗi khiến mơ hình
khơng thể chạy một cách hồn hảo nhất thì bản thân nhóm em rất mong
nhận được những góp ý đến từ thầy cơ để đồ án nhóm em có thể được
hồn thiện và phát triển hơn sau này.
Sau cùng nhóm thực hiện xin chúc Thầy cô sức khoẻ, thành công và
tiếp tục đào tạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước. Chúc các bạn
sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ cơng lao các Thầy Cơ đã giảng
dạy. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.
Trân trọng


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU..........................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỞNG QUAN HỆ QUẠT GIĨ CÁNH PHẲNG..............................5
1.1. Đặt vấn đề..........................................................................................................5
1.2. Mơ hình động lực học và sơ đồ khối..................................................................6
CHƯƠNG 2: MƠ TẢ MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG QUẠT-CÁNH PHẲNG......8
2.1. Giới thiệu phần cơ..............................................................................................8
a) Nguồn tổ ong...................................................................................................8
b) Bộ điều khiển PID...........................................................................................9
c) Động cơ-Cánh quạt.........................................................................................9
d) Cảm biến góc quay MCU-103........................................................................10
e) Mơ hình tổng qt.........................................................................................11
CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.......13
3.1. Số liệu thực nghiệm........................................................................................13
3.2. Nhận dạng hệ thống bằng phần mềm chuyên dụng identification toolbox
trong matlab..........................................................................................................14
3.2.1. Nhập dữ liệu đầu vào/ra..........................................................................14

3.2.2. Mở system identification toolbox..............................................................15
3.2.3. Nhập giá trị trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng...................15
3.2.4. Chọn số cực :.............................................................................................16
3.2.5. Kết quả hàm truyền................................................................................17
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK..................................18
4.1. Chọn thơng số PID.........................................................................................18
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH PID....................................................................20
5.1. Op-amps mạch khuếch đại thuật toán cơ bản..............................................20


5.1.1.Cấu tạo của Op-amps...............................................................................21
5.1.2.Nguyên lý hoạt động.................................................................................22
5.2. Các mạch logic được sử dụng........................................................................23
5.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier).........................................23
5.2.2. Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier)....................24
5.2.3. Mạch cộng................................................................................................25
5.2.4. Mạch trừ..................................................................................................25
5.3. Các linh kiện để thiết kế mạch......................................................................26
5.4. Mô phỏng sơ đồ nguyên lí mạch PID............................................................27
5.5. Thiết kế mạch và làm mạch PID...................................................................28
1.

Phan Văn Hoài Nam.............................................................................28

2.

Nguyễn Quang Linh..............................................................................29

3.

Nguyễn Tuấn Minh................................................................................29

4.

Lê Minh Hoàng.....................................................................................29

5.

Nguyễn Tuấn Phong..............................................................................29

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................30


CHƯƠNG 1:
TỞNG QUAN HỆ QUẠT GIĨ CÁNH PHẲNG
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản suất có cơng nghệ hiện đại trên tất cả các
lĩnh vực địi hỏi phải có hệ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số của nó
để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng đã định. Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện, điện tử,
tin học và máy tính đã được phát triển ở mức độ cao, lý thuyết điều khiển thích nghi ra
đời đáp ứng được yêu cầu trên. Nội dung của điều khiển thích nghi là: tạo ra được hệ
điều khiển mà cấu trúc và tham số của nó có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số
đối tượng điều khiển sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã
định.
Hệ thống quạt gió cánh phẳng là một hệ thống khí động học, hệ có tính phi tuyến
mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu, vì vậy hệ quạt gió cánh phẳng là đối
tượng rất tốt để nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự động từ đơn giản đến phức
tạp.

Hình 1.1 Mơ hình quạt gió cánh phẳng

Khi ta đặt giá trị góc đặt trên máy tính, từ bộ điều khiển tín hiệu điều khiển sẽ
được đưa tới đối tượng quạt gió cánh phẳng: mạch điều khiển điều chỉnh điện áp đặt
vào động cơ quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước.
Đáp ứng đầu ra là góc cánh phẳng được đo bởi Sensor đo góc, giá trị góc này lại
được đưa trở lại mạch điều khiển và phản hồi về chương trình điều khiển trên máy
tính, tại đây sai lệch giữa giá trị góc đặt và góc phản hồi được đưa tới bộ điều khiển,hệ
thống sẽ điều chỉnh cho sai lệnh này về 0 bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt gió để đảm
bảo góc cánh phẳng ln đạt giá trị đặt. Quá trình trên được lặp đi lặp lại liên tục để
điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo giá trị đặt trước.

1.2. Mơ hình động lực học và sơ đồ khối
Ta có mơ hình động lực học quạt gió cánh phẳng và sơ đồ khối của mơ hình như sau:

Hình 1.2 Mơ hình động lực học


Trong đó:
- Góc Ψ: góc giữa cánh phẳng và trục thẳng đứng.
- Mg : trọng lượng của cánh phẳng (kể cả đối trọng).
- C : trọng tâm của hệ.
- P: Áp suất tác động lên cánh phẳng.
- Các khoảng cách IM, IP, L1, L2 xác định như hình vẽ .

Hình 1.3 Sơ đồ khối


CHƯƠNG 2:
MƠ TẢ MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG QUẠT-CÁNH PHẲNG

2.1. Giới thiệu phần cơ
a) Nguồn tổ ong

- Nguồn tổ ong 12V 5A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều 12V được thiết kế để
chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn một chiều 12VDC để
cung cấp cho các thiết bị hoạt động.
- Nguồn tổ ong loại tốt dùng nhiều linh kiện hơn các loại phổ thông trên thị trường, vì
thế chất lượng và hiệu suất chuyển đổi điện tốt hơn.


Ứng dụng :
Dùng để cấp nguồn cho bộ điều khiển tốc độ động cơ
b) Bộ điều khiển PID

Hình 2.1 Mạch PID tự thiếu kế

c) Động cơ-Cánh quạt
Được điều khiển bằng động cơ điện 1 chiều 12V, 1.43A


d) Cảm biến góc quay MCU-103

Cảm biến góc xoay MCU-103 SV01A103AEA01R00 được sử dụng để xác định góc
xoay từ 0 đến 333 độ, đo vị trí tuyến tính. Cảm biến góc xoay này được cấu tạo từ
biến trở thiết kế theo dạng cầu phân áp nên giá trị trả về là điện áp Analog tuyến tính
với góc xoay của biến trở.

Thơng số kỹ thuật:
 Góc quay: 0 ~ 333 độ
 Đầu ra: điện áp tương tự Analog.

 Độ tuyến tính: +- 2%
 Giá trị biến trở: 10k Ohm.
 Dung kháng: +- 30%


 Nhiệt độ làm việc: -40 ~ 85 độ C.
 Kích thước: 28 x 13mm.
 Trọng lượng: 2g.

e) Mơ hình tổng quát




CHƯƠNG 3:
NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1. Số liệu thực nghiệm

Hình 3.1 Số liệu thực nghiệm.


3.2. Nhận dạng hệ thống bằng phần mềm chuyên dụng identification toolbox
trong matlab
3.2.1. Nhập dữ liệu đầu vào/ra
+ Sử dụng câu lệnh :
u1 =xlsread('C:\Users\lenovo\Matlab\data_new.xlsx',1,'J2:J43')
y1 =xlsread('C:\Users\lenovo\Matlab\data_new.xlsx',1,'L2:L43')
Các câu lệnh này dùng để đọc file excel.
+ Sau khi nhập các câu lệnh trên : sử dụng ident save u1 y1 để lưu giá trị đọc được
vào file ident.

3.2.2. Mở system identification toolbox
+ gõ lệnh >> ident

Hình 3.2 Cửa số làm việc của cơng cụ nhận dạng.
3.2.3. Nhập giá trị trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng


Hình 3.3 Nhập đối tượng vào cơng cụ nhận dạng.
3.2.4. Chọn số cực :
+ Ta chọn Estimate Transfer Function Models

Hình 3.4 Chọn số cực

+Sau đó chọn Model output để xem độ phù hợp của mơ hình.


Hình 3.6 Độ phù hợp của mơ hì
3.2.5. Kết quả hàm truyền


Hình 3.8 Hàm truyền

+ Như vậy hàm truyền của hệ thống như sau :

CHƯƠNG 4:
MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK
4.1. Chọn thông số PID


Hình 4.1 pp chọn thơng số PID

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng simulink


Hình 4.3 Đặc tính đầu ra


CHƯƠNG 5:
THIẾT KẾ MẠCH PID
5.1. Op-amps mạch khuếch đại thuật toán cơ bản
" Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp
là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số
khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thơng thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng
thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ
lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra."

5.1.1.Cấu tạo của Op-amps


Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch
tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v–. Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ
miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn …
Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau
tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps.
Trong tẩng này cịn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.
Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở
ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.
Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng. Nhưng để dễ dàng trong
việc tính tốn trên Op-Amps người ta thường tính trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các
biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng. Do đó để

thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là
Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau.
5.1.2.Ngun lý hoạt động
Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vo theo các cách đưa tín hiệu ngõ
vào như sau: Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+ Đưa
tín hiệu vào ngõ vào khơng đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = Av0.V– Đưa tín hiệu vào đổng
thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): Vout = Av0.(V+-V–) = Av0.(ΔVin) Để
việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ


cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia). Op-Amps có đặc tính
truyền đạt như hình sau.

5.1.3.Nguồn cung cấp
Op-Amps khơng phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC,
nó có thể làm việc với một nguồn khơng đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và
-3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC. Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn
cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Opamps sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:

5.2. Các mạch logic được sử dụng
5.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier)


Nhận xét: - Khi Zf và Zi là ñiện trở thuần thì v0 và vi sẽ ệch pha 1800 (nên ñược gọi là mạch
khuếch đại đảo và ngõ vào ( - ) được gọi là ngõ vào đảo). - Zf đóng vai trị mạch hồi tiếp âm.
Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) độ khuếch đại của mạch càng lớn. - Khi Zf và Zi là điện trở
thuần thì op-amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều.

5.2.2. Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier)

- Zf cũng đóng vai trị hồi tiếp âm. Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi .
- Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần. Mạch cũng giữ ngun
tính chất khơng đảo và có cùng cơng thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều. - Khi Zf=0,
ta có: AV=1 ⇒ v0=vi hoặc Zi=∞ ta cũng có AV=1 và v0=vi (hình 7.10). Lúc này mạch ñược
gọi là mạch “voltage follower” thường được dùng làm mạch đệm (buffer) vì có tổng trở vào
lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực thu chung ở B

5.2.3. Mạch cộng