DSpace at VNU: Thiết kế tạo bộ điều khiển PID điều khiển mạch điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đoàn Hữu Chức

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
ĐIỀU KHIỂN MẠCH ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đoàn Hữu Chức

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
ĐIỀU KHIỂN MẠCH ĐIỆN

Ngành:
Mã số:

Công nghệ Điện tử – Viễn thông
2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Trần Quang Vinh

Hà Nội - 2007


Lời nói đầu
Ngày nay, hầu hết các lĩnh vực sử dụng công nghệ cao đều gắn liền
với điều khiển. Điều khiển một hệ thống là tìm cách can thiệp vào hệ thống
để hiệu chỉnh, để biến đổi sao cho hệ thống có được những đặc điểm, tính
chất mà chúng ta mong muốn. Tuỳ từng đối tượng cần điều khiển mà chúng
ta có các phương pháp thực hiện điều khiển khác nhau. Những phương pháp
điều khiển thường gặp như điều khiển tối ưu, PID hay điều khiển mờ.
Phương pháp điều khiển theo luật PID, luật điều khiển tỷ lệ, tích phân và vi
phân được sử dụng khá rộng rãi để khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi
tiếp. Đây là một phương pháp khá đơn giản nhưng lại rất có hiệu quả đối với
các hệ thống mà hàm truyền đạt của hệ thống không tường minh hoặc rất
phức tạp. Cho dù trong trường hợp nào thì máy vi tính ngày càng có ảnh
hưởng mạnh mẽ đối với các quá trình đo lường và điều khiển tự động trong
công nghiệp cũng như trong các phòng thí nghiệm và nghiên cứu.
Luận văn tốt nghiệp của em trình bày về thiết kế chế tạo bộ điều khiển
PID để điều khiển mạch điện. Trong đó bao gồm cả điều khiển PID tương tự
và số. Đối với PID số việc điều khiển và thay đổi được thực hiện thông qua
ghép nối máy tính. Luận văn được chia làm 3 chương. Trong đó:
- Chương 1. Các hệ thống điều khiển tự động
- Chương 2. Bộ điều khiển PID
- Chương 3. Thực nghiệm thiết kế các bộ điều khiển PID
Luận văn được hoàn thành nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy
PGS.TS. Trần Quang Vinh. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu
đó. Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy cô trong khoa Điện
tử – Viễn thông Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội,

các đồng nghiệp và gia đình đã luôn động viên em trong suốt quá trình làm
luận văn.
Do thời gian và trình độ còn hạn chế luận văn không tránh khỏi những
sai sót rất mong được thầy cô và các bạn góp ý.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải phòng, ngày 19 tháng 11 năm 2007
Học viên thực hiện

Đoàn Hữu Chức


Bảng chữ viết tắt

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ biến đổi số - tương tự

MIMO

Multi Input - Multi Output

Nhiều lối vào - Nhiều lối ra

MISO

Multi Input – Single Output

Nhiều lối vào - Một lối ra

PID

Proportional - Integral - Derivative

Tỷ lệ - tích phân - vi phân

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

SIMO

Single Input – Multi Output

Một lối vào - Nhiều lối ra

SISO

Single Input – Single Output

Một lối vào - Một lối ra

ZOH

Zero Order Hold

Lưu giữ cấp không


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN

1

MỤC LỤC

2

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

4

LỜI NÓI ĐẦU

5

Chương 1. Phân t ích thiết kế hệ thống điều khiển tự dộng

7

1.1. Phép biến đổi Laplace

8

1.1.1. Phép biến đổi Laplace thuận

8

1.1.2 Phép biến đổi Laplace ngược

11

1.1.2.1. Biến đổi ngược hàm hữu tỷ

11

1.1.2. 2. Phương pháp thặng dư

12

1.2. Phép biến đổi Z

14

1.2.1. Tín hiệu xung

14

1.2.2. Toán tử Z thuận

15

1.2.3. Toán tử Z ngược

18

1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

22

1.3.1. Đặc tính tần số biên pha

22

1.3.2. Khâu khuếch đại

24

1.3.3. Khâu tích phân

25

1.3.4. Khâu vi phân

25

1.4. Tính ổn định của hệ thống điều khiển tự động

26

1.4.1. Tiêu chuẩn ổn định đại số Routh – Hurwitz

27

1.4.2. Tiêu chuẩn ổn định tần số

31

1.5. Hệ thống điều khiển xung số

33


Chương 2. Bộ điều khiển PID
2.1. Bộ điều khiển PID liên tục

38
39

2.1.1. Sử dụng mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng

40

2.1.2. Xác định tham số bằng thực nghiệm

43

2.1.3. Phương pháp Chien - Hrones - Reswick

45

2.1.4. Phương pháp tổng T của Kuhn

47

2.2. Bộ điều khiển PID số

52

2.2.1. Nguyên lý điều khiển PID số

52

2.2.2. Xác định tham số cho PID số bằng thực nghiệm

54

Chương 3. Thực nghiệm thiết kế các bộ điều khiển PID

57

3.1. Bộ điều khiển tương tự kiểu PID

57

3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển

57

3.1.2. Đo đặc thực nghiệm

66

3.2. Bộ điều khiển tốc độ mô - tơ theo luật PID ghép nối máy vi

72

3.2.1. Thiết kế hệ thống ghép nối máy tính điều khiển mô - tơ

72

3.2.2. Thực nghiệm

76

tính .
DC
Kết luận

86

Tài liệu tham khảo

87

Phụ lục

88

CHƢƠNG 1
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận chủ
yếu:
- Thiết bị điều khiển C (Controller).
- Đối tượng điều khiển O (Object).
- Thiết bị đo lường M (Measuring device)
Đây là một hệ thống có phản hồi, còn gọi là hệ thống điều khiển vòng kín
(closed-loop contrrol). Sơ đồ khối của hệ thống như ở hình 1.1. dưới đây:
x

u

e
C

y(t)
O

z
M

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động.
Đây là một sơ đồ khối đơn giản và tổng quát nhất. Các tín hiệu tác động trong
hệ thống bao gồm:
-

x: tín hiệu vào (tạo điểm đặt)
y: tín hiệu ra

u: tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O

-

z: tín hiệu phản hồi
e: độ lệch cần điều chỉnh

Phân tích hay thiết kế một hệ thống điều khiển tự động bất kỳ cần phải xác
định được đặc tính của những khâu cơ bản. Công cụ toán học thường dùng cho các
quá trình phân tích thiết kế này là các phép biến đổi, cho phép thay thế các phép
tính thực hiện khó khăn theo biến thời gian bằng các phép tính trong các miền
không gian khác được tính toán thuận lợi hơn. Khi tín hiệu là liên tục, biến đổi


Laplace được sử dụng; khi tín hiệu là rời rạc thì sử dụng phép biến đổi Z. Trên cơ
sở các công cụ toán học đó, việc phân tích các đặc tính động học của các khâu
điều khiển được tiến hành, cho phép phân tích được khả năng điều khiển cũng như
tính ổn định của hệ thống, trên cơ sở đó cho phép có được các kết quả thiết kế tối
ưu.
Dưới đây là tổng quan những vấn đề vừa được nêu trên [5].

1.1. Phép biến đổi Laplace
Phép biến đổi Laplace rất quan trọng khi phân tích hay thiết kế một hệ thống
điều khiển mà ở đó các tín hiệu x(t) thường gặp là tín hiệu nhân quả (nghĩa là x(t)
= 0 khi t < 0). Dưới đây là những đặc điểm quan trọng nhất của phép biến đổi này.
1.1.1. Phép biến đổi Laplace thuận
Nếu một tín hiệu x(t) thoả mãn các điều kiện:
-

x(t) = 0 với t < 0,



-

 x(t )e

t

dt <  với một  dương đủ lớn,

0

-

x(t) trong khoảng hữu hạn bất kỳ liên tục từng khúc,

-

Tại điểm không liên tục t0 thoả mãn x(t0) = [ x(t0 - 0) + x(t0 + 0)]/2,

-

x(t) trong khoảng hữu hạn bất kỳ chỉ có hữu hạn các điểm cực trị ,

thì tồn tại một cặp biến đổi sau:


X(s) = L{x(t)}=  x(t )e  st dt
0

(1.1)
và

1 c  j
x(t) L {X(s)} =
X ( s)e st ds

2j c  j
-1

(1.2)
trong đó s = c+j và c>. Giá trị  được gọi là bán kính hội tụ của tích phân.


Hàm phức X(s) tính như trên được gọi là ảnh Laplace của tín hiệu gốc x(t).
Phép biến đổi Laplace có những tính chất quan trọng như sau:
Tính chất đơn ánh: Phép biến đổi Laplace là ánh xạ một - một, tức là nếu
x(t)  y(t) thì ta cũng có X(s)  Y(s).
Tính chất tuyến tính: Phép biến đổi Laplace là một toán tử tuyến tính. Nếu
x(t) có ảnh là X(s) và y(t) có ảnh là Y(s) thì tổng tuyến tính của z(t) = x(t) + y(t) sẽ
có ảnh là:
Z(s) = X(s) + Y(s).
(1.3)
Phép dịch trục: Nếu có X(s) là ảnh Laplace của x(t) thì ảnh của
y(t) = x(t - T) sẽ là:
Y(s) = X(s) e-sT.
(1.4)
Phép nén: Nếu X(s) là ảnh Laplace của x(t) thì ảnh của y(t) = x(t) e-t sẽ là:
Y(s) = X(s + ).
(1.5)

Ảnh của tích chập: Nếu X(s) và Y(s) là ảnh của x(t), y(t) thì tích chập:


z = x(t)*y(t) =  x( ) y (t   )d .


(1.6)
có ảnh Laplace là:
Z(s) = X(s)Y(s).
(1.7)
Ảnh của tích phân: Nếu X(s) là ảnh của x(t) thì
t

tích phân

y(t) =  x( )d sẽ có ảnh Laplace là:
0

(1.8)
Ảnh của vi phân: Nếu X(s) là ảnh của x(t) thì

Y(s) = X(s)/s


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, tập I, NXB Khoa học
và kỹ thuật, Hà Nội. (1998).
2. Phạm Minh Hà Kỹ thuật mạch điện tử, NXB Khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội. (1997),
3. Quách Tuấn Ngọc (1995), Xử lý tín hiệu số, NXB Giáo dục, Hà Nội.

4. Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội. (2002).
5. Ngô Diên Tập, Lập trình C trong kỹ thuật điện tử, NXB Khoa học và
kỹ thuật, Hà Nội. (2000).
6. Nguyễn Quốc Tuấn và Chử Đức Trình, Report on the electronical
PID Controller, Parma university, Italy. (2003).
7. Trần Quang Vinh, Nguyên lý phần cứng và kỹ thuật ghép nối máy
tinh, NXB Giáo dục, Hà Nội. (2003).