đồ án môn học vmtt vms

ĐỒ ÁN MÔN HỌC VMTT_VMS
Số: 6
Họ và tên HS-SV: Hoàng Xuân Dũng …….Nhóm 6,
Lớp:ĐH-TĐH2

Khóa: 5

Khoa: Điện

NỘI DUNG
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


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………


……………………………………………...........................................
.

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
Kuhn 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 nhóm em có thể hoàn thiện hơn nữa.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Nhóm 6 Tđh2K5



Mục Lục
Chương I:Tìm hiểu chung về mạch khuếch đại thuật toán và
mạch PID
1.1. Mạch khuếch đại thuật toán
1.1.khuếch đại thuật toán lí tưởng
1.2.khuếch đại thuật toán không lí tưởng
II. Mạch tỉ lệ- tích phân- vi phân (mạch pid)

1.3.mạch pid cơ bản
1.4.mạch pid thường dùng
Chương II:Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 2 với bộ điều khiển
PID……………………………………….
2.1.khái quát bộ điều khiển PID
2.2.Sơ đồ khối hệ thống………………………………….
2.2.Các thành phần của hệ thống………………………….….
2.3.Tính toán các tham số cho bộ điều khiển PID dùng phương pháp thời gian
tổng của Kuln…………………………………….
Chương III: Xây dựng chương trình mô phỏng
Kết luận


Phần thuyết minh
Yêu cầu về bố cục nội dung:
Chương 1: Tìm hiểu 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.


Chương I.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
VÀ MẠCH PID
1.1. MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
1.1.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG
1.2.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN KHÔNG LÍ TƯỞNG
II. MẠCH TỈ LỆ- TÍCH PHÂN- VI PHÂN (MẠCH PID)
1.3.MẠCH PID CƠ BẢN
1.4.MẠCH PID THƯỜNG DÙNG

1.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

+Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) dùng để khuếch đại điện áp, dòng
điện và công suất.
+Tính ưu việt của bộ KĐTT 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
(coi bộ KĐTT như hộp đen).
+Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có các đặc tính sau đây:
-Hệ số khuếch đại rất lớn;
-Trở kháng cửa vào rất lớn;
-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 Amplìfier, 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.
+Ta xét 2 trường hợp: KĐTT lí tưởng và KĐTT không lí tưởng.
1.1.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG
1.1.1.Kí hiệu và định nghĩa
+Kí hiệu mạch trên sơ đồ xem hình 1.1.

+
UI
-

UI

+

In

+Ucc
Out
UO

In-Ucc

Hình 1.1. Kí hiệu và các chân ra của KĐTT

+Các chân ra cơ bản:
In +
In −

- ngõ vào không đảo, kí hiệu (+), tín hiệu là
- ngõ vào đảo, kí hiệu (-), tín hiệu là

UI−

;

UI+

;


Out- ngõ ra, tín hiệu cửa ra kí hiệu là
+ Ucc

- ngõ cấp nguồn dương;

− Ucc

UO

;

- ngõ cấp nguồn âm;

Các cửa vào được gọi là các cửa vào kiểu vi sai.
+Các tính chất của mạch KĐTT lí tưởng:
-Trở kháng vào
-Trở kháng ra

ZI = ∞

ZO = 0

;

;

-Hệ số khuếch đại vòng hở
-Điện áp cửa ra

UO = 0[ V ]

K0 = ∞

, khi

UI+

;

=

UI−

+Trong thực tế kĩ thuật không có bộ KĐTT lí tưởng. Để đánh
giá được các bộ KĐTT thực so với KĐTT lí tưởng người ta căn
cứ vào các thông số của IC KĐTT thực với các thông số lí tưởng
trên. Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta vẫn có
thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như là IC KĐTT lí
tưởng.
+ Mạch điện tương đương KĐTT lí tưởng:
-Sơ đồ (xem hình 1.2.)


-

UI

ZI

ZO

UD
+

UI

e = K 0U

UO
D

Hình 1.2. Sơ đồ tương đương của KĐTT
lí tưởng
1.1.2.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT
a. Mạch khuếch đại đảo
+Sơ đồ (xem hình 1.3.)
RF
iF

R1
UI

iI

N

OP
UO

R2

Hình 1.3. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với KĐTT
+Tín hiệu vào cần khuếch đại

+Tên gọi các kí hiệu:
trở mạch vào;
R2

RF

UI

được đưa đến cửa vào đảo

- điện trở mạch phản hồi âm;

- điện trở nối đất với cửa vào không đảo

In +

;

R1

In −

.

- điện


+Các biểu thức sau: -Vì

ZI = ∞

iI

0: tại nút N có:
UI − UI− UO − UI−
+
=0
R1
RF

0, hay

=0.

UO = −



=0;

Vây:

(1-1)

-Dòng điện chảy qua
UI−

+

iF

, vậy dòng điện chảy qua nó bằng

ZI

bằng 0, nên điện áp tại nút N bằng
U
UI
=− O
R1
RF

Vậy kết quả ta có:

RF
U
R1 I

(1-2)

(1-3)
KU =

-Hệ số khuếch đại của mạch:
KU = −

RF
R1

UO
UI

(1-4)



(1-5)

+Nhận xét:
-Tín hiệu

UO

và

UI

luôn ngược dấu nhau;

-Hệ số khuếch đại của mạch

KU

giảm so với

K0

;

-Nhưng hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vao giá trị các phần
tử mạch ngoài.

+Điện trở cửa vào mạch khuếch đại đảo
RI =

UI
iI

-Điện trở tương đương lối vào
 -Vì điện trở cửa vào
của KĐTT vô cùng lớn, vậy dòng điện chảy qua nó bằng 0,
iI =

nghĩa là điện áp tại cửa vào bằng 0, nên ta có:
được điện trở vào của mạch khuếch đại đảo:
(1-6)

UI
R1

-Ta
RI = R1

-Điện trở vào của mạch khuếch đại đảo nhỏ hơn
rất nhiều so với điện trở cửa vào

ZI

của KĐTT .

b.Mạch khuếch đại không đảo
+Sơ đồ (xem hình 1.4.):
âm;
R2

R1 R F

,

- các điện trở tạo mạch phản hồi

- điện trở mạch vào;
RF
iF

R1
OP
UI

iI

R2

UO


Hình 1.4. Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo với
KĐTT
Nhận xét:
-Tín hiệu ra và tín hiệu vào mạch KĐ không đảo luôn

cùng dấu nhau;
-Hệ số khuếch đại của mạch

KU

giảm so với

K0

của KĐTT;

-Nhưng hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vào giá trị các phần
tử mạch
+Điện trở cửa vào mạch khuếch đại không đảo
-Ta cần tìm điện trở tương đương lối vào của mạch
-Từ sơ đồ mạch ta có
khuếch đại không đáo là:

iI = 0

RI = ∞

R I = UI / iI

, nên: -Điện trở cửa vào mạch

,

+Một ứng dụng thường dùng của mạch khuếch đại không đảo:

OP
UI

UO

Hình 1.5. Mạch lặp lại điện áp với KĐTT


1.2.KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN KHÔNG LÍ TƯỞNG

1.2.1.Cấu trúc của bộ KĐTT
+Cấu trúc đa dạng tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
+Cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:
-Có hệ số khuếch đại lớn; -Lệch 0 nhỏ;
tĩnh nhỏ;

-Các dòng điện

-Điện trở vào lớn;
nhỏ;
-Điện áp ra

UO ≈ 0

-Điện trở ra

, khi các điện áp đến các ngõ vào đảo và

không đảo bằng nhau (

UI+ = UI−

).

+Sơ đồ cấu trúc dạng tổng quát (xem hình 1.6.)

UD

1

2

3

4

5

UO

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc KĐTT không lí tưởng
Tầng 1, gọi là tầng vào, là khuếch đại phải bảo đảm:


Dòng điện cửa vào rất nhỏ;

Điện trở cửa vào lớn; Độ trôi

nhỏ;
Đặc tính động tốt;

mạch ngoài.

Có khả năng bù lệch 0 từ

-Tầng 2 cũng là khuếch đại vi sai;
-Các tầng trung gian: tầng 3 và tầng 4, có nhiệm vụ khuếch
đại tín hiệu đủ lớn cung cấp cho cuối. Trong đó:
Tầng 3 là bộ lặp êmitơ và dịch mức;
Tầng 4 là tầng khuếch đại kiểu chung êmitơ với hệ số KĐ rất
lớn.
-Tầng 5 là tầng công suất, có nhiệm vụ tạo đựợc dòng điện ra
lớn, điện trở cửa ra nhỏ.
Đây thường là mạch đẩy kéo, làm
việc ở chế độ AB;
Có mạch bảo vệ ngắn mạch.
+Các IC KĐTT thông dụng hiện nay thường có:
-Độ trôi dòng điện và điện áp nhỏ;
-Trong mạch có thể có mạch khuếch đại điều chế;
-Mỗi IC có thể có đến 20 tranzito lưỡng cực và
tranzito trường;-Nguồn cấp đối xứng
+Các ứng dụng:
công suất nhỏ, tần số

± Ucc

.

Chỉ dùng để khuếch đại tín hiệu có

1.2.2.Các thông số đặc trưng cuả vi mạch KĐTT

a.Hệ số khuếch đại điện áp vòng hở (mạch không có hồi tiếp)

+Kí hiệu là
( 25 ÷ 150)10 3
.

KO

K0 =

UO
UI+ − UI−

+Có giá trị rất lớn, cỡ từ

ZI

rI

b. Tổng trở ngõ vào là ( hoặc ) , là tổng trở của mạch nhìn từ
một ngõ vào, ngõ còn lại được nối đất. Có giá trị rất lớn, từ
(10 3 ÷ 10 6 ) Ω

c. Tổng trở ngõ ra là

ZO

( hoặc

rO

) , là tổng trở của mạch nhìn từ

ngõ ra. Có giá trị rất nhỏ, từ vài chục đếm vài trăm

Ω

.

iB

d. Dòng điện phân cực cửa vào là , là dòng điện trung bình
đến 2 cửa vào đủ để các transito cửa vào làm việc bình thường.
Độ lớn của dòng điện này cỡ

1ΩA

.

e.Nguồn điện cung cấp: một chiều đối xứng/ từ
f. Mức điện áp tín hiệu vào (
cấp.từ

1V ÷ 2V

UImax

± 3V ÷ ±15V

): thấp hơn nguồn


g. Mức điện áp tín hiệu ra (
từ

UOmax

): thấp hơn điện áp nguồn cấp

1V ÷ 2V

h. Điện áp lệch ở ngõ vi sai: Giá trị điện áp vi sai khi điện áp
cửa ra bằng 0.
i.Điện áp chuyển dịch cửa ra
+ Là giá trị điện áp cửa ra vẫn tồn tại khi điện áp giữa các cửa
vào vi sai bằng 0.
k. Dải tần số cho phép: Thông thấp/ +Dải tần cho phép của
KĐTT cỡ 1MHz.

U O(f)
U O(f =0)

1
0,707
f
f
0

fg

kHz

Hình 1.7. Đồ thị mô tả dải tần số cho phép của KĐTT
không lí tưởng


UO

l. Tc quột (S)+L biờn thiờn cho phộp ca

theo s thay

UI

i ca .
V/s

+n v l

. + ln t (

1ữ 10 V/s

)

.

1.3.MCH TCH HP (IC) KHUCH I THUT

A7411
TON
1.3.1.S mch tớch hp KTT
Mạch ổn dòng điện

A741

Mạch ổn dòng điện

KĐ trôi

7
T 12

T8

T 13

+Ucc

T9
T 14

20 à A

KĐ vi sai

20 à A

3

T2

T1

UD

R6

T3

R5

T4

39K

2

R7

C1

4,5K

T18

T 15

7,5K 1V

30p

R11
25K

6

R 10

UO

50K

0.13m A
28 à A

KĐ vi sai
đối xứngkhông
đối xứng

1

T16

T7
T5

T6

T 11

R1

R3

R2

T10
R4

1K

1K

50K

5K

Cửa bù tần số

5

T17

0.7V

Mạch ổn dòng điện

T19

R8

R9

50K

50K

KĐ Darlington

Hỡnh 1.8. S nguyờn lớ b KTT

à.A741

+Cac b phõn c ban (Gii thiu khai quat):
-Tng ca vo:

Tầng ra
(kiểu bù)

T20

-Ucc
4


T1 T2 T3 T4

# , , ,

KĐ dòng điện;
T8 T9

# ,

lắp đặt theo kiểu Kascode để tăng khả năng

tạo lập bộ ổn định dòng điện cho tầng vào;

# có hệ số KĐ cỡ

(10 2 ÷ 10 3 )

lần;

T5 T6 T7

# , , - mạch KĐ vi sai đối xứng ở cửa vào, không đối
xứng ở cửa ra.
-Tầng thứ 2: #
lớn (cỡ 50 dB).

T16

,

T17

-mạch Dalington:điện trở vào lớn, KĐ

-Tầng ra gồm:
#

T14 T20

,

T15

# ,
cửa ra:
#

tạo thành mạch công suất, mắc theo kiểu bù;

T19 R10 R11

,

T18 R 6 R 7

#

, ,

R5

,

lập bộ hạn chế dòng điện, bảo vệ ngắn mạch

lập bộ định mức để dòng điện tĩnh mạch ra ổn định.

quy định dòng điện tĩnh toàn mạch.
#

C1

tần số từ

là tụ bù tần số (để có suy giảm -20dB trong khoảng
(5 ÷ 10 )

Hz.


1.3.2.Hình dạng và chức năng của các chân mạch tích hợp
8

7

6

5

µ A741
1

2

3

4

Hình 1.9 sơ đồ chức năng các chân bộ KĐTT

µ.A741

+Tên gọi và chức năng các chân
Chân 1- Bù tần số;
Chân 3- Cửa vào không đảo;

Chân 2- Cửa vào đảo;
Chân 4- Nguồn cung cấp âm;

Chân 5- Bù tần số;
Chân 7- Nguồn cung cấp dương;

Chân 6- Cửa ra;
Chân 8- Không sử dụng.

1.3.3.Các phương pháp cân bằng điểm 0
a. Điều chỉnh điện áp bù ở một ngõ vào


22K

+U

-U

22K

RF
iF

R1
UI

A

VR

iI

B

10K

2K

N

OP
UO
R2

2K

Hình 1.10. Sơ đồ điều chỉnh điện áp bù ở một

ngõ vào

+Nguyên lí: -Điện áp

U AB

có điện áp nhỏ (cỡ 0,5V);

-Xê dịch con trượt biến trở VR sẽ đạt được
UI = 0V

.

b. Điều chỉnh bù hồi tiếp âm dòng điện

-

In

+

In

7 +Ucc
6
OP
4
5

2

3
1

VR

10K

-Ucc

UO

UO = 0V

, khi


Hình 1.11. Sơ đồ điều chỉnh điện áp bù với hồi
tiếp âm dòng điện

+Nguyên lí: -Các chân 1 và 5 liên quan đến cửa vào tầng khuếch
đại vi sai thứ 2 của

μA741

;

-Xê dịch con trượt biến trở VR sẽ đạt được
UI = 0V

UO = 0V

, khi

.

II.MẠCH TỈ LỆ-TÍCH PHÂN-VI PHÂN (MẠCH PID)

2.1.Mạch PID cơ bản
+Sơ đồ mạch (xem hình 2.1.a.)

a)

R 1 i F1
i I1
i I2
UI

C1

R F CF

L( )

b)
D

I

OP

P

UO

Vïng
tÝch ph©n

Vïng
vi ph©n

Vïng
tØ lÖ
2

1

lg


Hình 2.1.a. Sơ đồ nguyên lí mạch tỉ lệ-tích phân-vi
phân cơ bản

+Biểu thức:
-Vì tổng trở vào của KĐTT vô cùng lớn, vậy dòng điện cửa
vào của nó coi như bằng 0, nên tại các ngõ vào đều có điện
thế bằng 0.
-Từ sơ đồ ta có điện áp ra của mạch:
Uo =

1

CF

∫

iF dt

+

R F iF

(2-1)

-Trong khi đó, tổng các dòng điện tại nút N :
UI
dU
+ C 1 I + iF = 0
R1
dt

iF

iF

-Từ đó tìm :
(2-2)

=-(

UI
dU

+ C1 I
R1
dt

)

-Thay (2-2) vào (2-1), ta được:
 UI

−UO = R F 

 R1

+ C1

dUI 

dt 

+

1
CF

∫

 UI
dUI 



+
C
1 dt  dt
R
 1



R

−UO = 


F

R1

+

C1 
U
CF  I


+

1
R CF
1

Thành phần

∫

UI dt

+

R F C1

dUI
dt

Thành phần

tỉ lệ

(2-3)
Thành phần

tích phân

vi phân

+ Đặc tính tần số:
K U (p)

-Hàm truyền đạt điện áp:
K U (p)

-Kí hiệu:

R1C1 = T1

= 1/

=

=

UO (p)
UI (p)

R F CF + R1C1
1
+
+ R1C F
R1CF
R1C F p

ω1

;

R F C F = T2

= 1/

ω2

; Trong đó:

ω1 ω2

>

K U (p)
Ω

#Khi : <
sẽ < 1, vậy còn:
K U (p)

phân

=

ω2

=

T1T2p 2 + (T1 + T2 )p + 1
R 1C F p

(2-4)

, các thành phần 1 và 2 ở tử số của (2-4)

1
R1CF p

….. Mạch tác động như khâu tích


#Khi :

ω2 Ω

< <

ω1

, các thành phần 1 và 3 ở tử số của

(2-4) sẽ bỏ qua, vậy còn:
động như khâu tỉ lệ
#Khi :

Ω

>

ω1

K U (p)

=

(T1 + T2 )
R1C F

…..

Mạch tác

, các thành phần 2 và 3 ở tử số của (2-4)
K U (p)

sẽ bỏ qua, vậy còn:
khâu vi phân

=

T1T2p
R 1C F

….. Mạch tác độ như

Vậy ta có hình dáng đặc tính tần số logảit gần đúng như
trên hình 2.1.b.
+ Nhận xét: Từ đặc tính tần số ta they, với nhiễu coa tần số cao
và thấp đều có thể dẫn đến sự không ổn định của mạch. Nên
mạch PID cơ bản ít được sử dụng.
2.2.Mạch PID thường dùng
+Sơ đồ mạch (xem hình 2.2.a).
+Đặc tính tần số:
-Để có được đặc tinh theo yêu cầu, thường chọn:
R1

>>

R2


R3

>>

RF

-Cùng với lựa chọn các linh kiện khác, ta có các tần số
riêng:

-Và bảo đảm:

f0

>

f3 =

1
2 Ω R 3CF

f2 =

1
2 π R F CF

f1 =

1
2 π R 1C1

f0 =

1
2 π R 2 C1

f1

>

f2

>

f3

-Thì đặc tính tần số có dạng (xem hình 2.2.b.)
-Bổ sung các điện trở
R2

R3

R2 R3

, , trong đó:

- hạn chế hệ số khuếch đại ở tần số cao;

- hạn chế hệ số khuếch đại ở tần số thầp;