Điều khiển chống rung cho cơ cấu vận chuyển chất lỏng sử dụng phương pháp Hybrid Shape

Bài báo này trình bày phương pháp Hybrid Shape làm giảm rung động trong quá trình vận chuyển chất lỏng. Trong phương pháp này bộ điều khiển được thiết kế trong cả miền tần số và miền thời gian. Ngoài việc giảm rung động của bề mặt chất lỏng thì bộ điều hiển vẫn phải đảm bảo tốc độ di chuyển nhanh và dừng chính xác theo yêu cầu công nghệ. Hệ thống được kiểm nghiệm bằng mô hình thực nghiệm sử dụng PLC của hãng Rockwell Automation.

Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 DOI: 10.15625/vap.2015.0004 Điều khiển chống rung cho cấu vận chuyển chất lỏng sử dụng phương pháp Hybrid Shape Sloshing suppression control of rectangle liquid container transfer using Hybrid Shape Approach Đào Quý Thịnh, Đinh Văn Nam, Dương Minh Đức Trường ĐHBK Hà Nội e-Mail: thinh.daoquy@hust.edu.vn, dinhnambk@gmail.com, duc.duongminh@hust.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp Hybrid Shape làm giảm rung động trình vận chuyển chất lỏng Trong phương pháp điều khiển thiết kế miền tần số miền thời gian Ngoài việc giảm rung động bề mặt chất lỏng điều khiển phải đảm bảo tốc độ di chuyển nhanh dừng xác theo yêu cầu công nghệ Hệ thống kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm sử dụng PLC hãng Rockwell Automation Từ khóa: Chống rung, vận chuyển chất lỏng, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững, Hybrid Shape Abstract: This paper is concerned with the advanced control of liquid container transfer, with special consideration given to the suppression of sloshing while maintaining a high speed of transfer for the container, and accuracy of position The controller is design by the Hybrid Shape approach, which consider both time and frequency characteristics The effectiveness of the proposed control system is shown through experiments using Rockwell Automation PLC Keywords: Sloshing suppression, liquid container transfer, optimization methods, robustness, Hybrid Shape Ký hiệu Ký hiệu J Gservo(s) Đơn vị Km Tm m/sV s Gslosh(s) n g h a Kp Tl rad/s m/s2 m m m/sV s  VCCA-2015 Ý nghĩa hàm mục tiêu hàm truyền đạt động AC servo Hệ số tỷ lệ động servo Hằng số thời gian động servo Hàm truyền đạt rung động Tần số tự nhiên dao động Gia tốc trọng trường Chiều cao mức chất lỏng Kích thước đáy bình chất lỏng Hệ số khuếch đại điều khiển PID Hằng số thời gian lọc thông thấp Hệ số lọc Notch K Ki i rk rcl u [V] OS  Ts fmincon [%] [m] [s] Bộ điều khiển Hybrid Shape Thành phần thứ i điều khiển Hybrid Shape Hàm phạt ứng với tiêu chuẩn thứ i Nghiệm đặc tính tần số điều khiển Hybrid Shape Nghiệm đặc tính tần số hệ thống Tín hiệu đầu điều khiển Độ điều chỉnh Sai lệch tĩnh Thời gian xác lập Công cụ giải toán tối ưu fmincon Matlab Chữ viết tắt PLC SIMO PID IMC Programmable Logic Controller Single Input – Multi Output Proportional Intergral Derivation Internal Model Controller Giới thiệu Trong công nghệ đúc tự động, thông thường hệ thống khuôn đúc chạy liên tục dừng vị trí cố định, cấu rót đổ đầy kim loại lỏng vào khuôn, sau hệ thống khuôn lại tiếp tục chạy Tuy nhiên suất sản xuất không cao có thời gian nghỉ hệ thống khuôn để đảm bảo việc rót chất lỏng vào khuôn xác Để nâng cao suất sản xuất,ta phải điều khiển cho hệ thống khuôn chạy liên tục, hệ thống rót chạy đồng tốc với hệ thống khuôn đổ kim loại lỏng, sau tăng tốc tới vị trí hình H.1 Tuy nhiên với hệ thống vậy, cấu rót di chuyển với tốc độ cao hai lần rót gây rung động lớn bề mặt kim loại lỏng, chí chàn làm tổn hao kim loại, gây nguy hiểm cho người thiết bị Do việc điều khiển để vừa hạn chế việc rung động bề mặt chất lỏng di chuyển, vừa đảm bảo tốc độ di chuyển cao bám vị trí vô quan trọng Mặt khác, sau lần rót mức chất lỏng cấu rót giảm dần theo thời gian, dẫn tới tham số đối tượng điều khiển 21 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 thay đổi Bộ điều khiển thiết kế phải đảm bảo tính bền vững với thay đổi Trên giới có nhiều tác giả nghiên cứu vấn đề hạn chế rung động nói chung giảm rung động bề mặt chất lỏng cho cấu vận chuyển chất lỏng nói riêng Y.Noda [1] sử dụng lọc có hệ số khuếch đại thay đổi tùy thuộc vào vị trí cấu rót trình di chuyển cấu K.Yano [2] nghiên cứu phương pháp Hybrid Shape để chống rung cho cấu di chuyển chất lỏng hình trụ không gian Bộ điều khiển thiết kế miền thời gian miền tần số thông qua giải toán tối ưu phương pháp đơn hình Simplex M Grundelius [5] nghiên cứu phương pháp chống rung kết hợp với việc giải toán tối ưu tối ưu thời gian, tối ưu lượng, … Một số phương pháp khác sử dụng quan sát trượt [6], điều khiển theo mô hình dự báo [7], điều khiển phản hồi trạng thái [8], áp dụng cho điều khiển giảm rung động cho cấu di chuyển chất lỏng Trong nước có số tác giả nghiên cứu phương pháp chống rung cho ứng dụng công nghiệp Minh Duc Duong [9] sử dụng phương pháp tạo dạng điện áp đầu vào để triệt tiêu dao động Trong báo trình bày phương pháp giảm dao động bề mặt chất lỏng di chuyển phương pháp Hybrid Shape, đặc biệt thiết bị điều khiển PLC thiết bị phổ biến công nghiệp nhằm tiến tới ứng dụng phương pháp thực tế sản xuất, nội dung cụ thể sau: Sơ đồ cấu trúc mô hình thực nghiệm mô hình toán học đối tượng mô mô hình rung động, mô hình động trục vít, trình bày phần Tính toán thiết kế điều khiển theo phương pháp Hybrid Shape Đưa điều kiện ràng buộc giải toán tối ưu để tìm thông số điều khiển trình bày phần Cuối kết mô phần mềm Matlab/Simulink kết qủa mô hình thực nghiệm trình bày phần H Hệ thống khuôn đúc Xây dựng mô hình thực nghiệm 2.1 Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý mô hình thực nghiệm trình bày hình H.2: VCCA-2015 DOI: 10.15625/vap.2015.0004 Level sensor Tank 0,1x0,1x0,1m Encoder Limit switch Screw AC Servo Motor 1.0m Servo Driver H PLC 1769 L32E PC Sơ đồ nguyên lý mô hình thực nghiệm Các thiết bị mô sau: Bình chứa chất lỏng có kích thước a x a x h 0,1[m] x 0,1[m] x 0,1[m] Bình chứa di chuyển thẳng sử dụng trục vít vô tận độ dài [m], đường kính 0,03 [m], bước ren 0,01 [m/vòng] Hệ truyền động động AC Servo R88D-UA Omron Bộ điều khiển sử dụng PLC Rockwell Automation, CPU 1769 L32E Thiết bị đo mức chất lỏng sóng siêu âm gắn cạnh bình chứa (nơi có rung động lớn nhất) để giám sát rung động chất lỏng Do kim loại lỏng có độ nhớt tương tự nước, ví dụ độ nhớt động học kim loại lỏng 1350 0K 14000K tương ứng 1,365x10-6[mPa.s] 1,237x10-6[mPa.s], độ nhớt động học nước 2930K 1,237x10-6[mPa.s] [2], nên mô hình ta sử dụng nước thay cho kim loại lỏng làm đối tượng nghiên cứu 2.2 Mô hình hóa đối tượng Hàm truyền động AC servo khâu tích phân quán tính bậc có trễ công thức (1): Km V (s) Gservo (s)   (1) E (s) s (Tm s  1) Trong đó: Km, Tm hệ số tỷ lệ, số thời gian động servo Thông qua việc nhận dạng đáp ứng bước nhảy ta thu K m = 0,025 [m/sV] Tm = 0,022 [s] Hàm truyền rung động bề mặt chất lỏng phụ thuộc vào gia tốc động biểu diễn công thức (2), khâu dao động bậc [4]: n Ki ni Gslosh (s)   (2) i 1 s  2ni  i s  ni Trong đó: ωn: tần số dao động tự nhiên đối tượng ζ: hệ số tắt dần K: hệ số khuếch đại dao động Và đơn giản, phạm vi báo ta xét tới thành phần bậc dao động Đối với bình chứa hình trụ, kích thước đáy a[m] x a[m], chiều cao cột nước h[m], tần số dao động tự nhiên bậc xác định công thức (3) [4]: 22 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 g h (3) a a Với thông số bình chất lỏng mô hình a = 0,1[m], h = 0,1 [m] g = 9,81 [m/s2] ta có ωn = 17,51 [rad/s] n  Thiết kế điều khiển 3.1 Lựa chọn điều khiển Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho cấu di chuyển trình bày hình H.1 Động học chất lỏng Chuyển động tịnh tiến Vị trí đặt Controller Rockwell Automation 1769 L32E H Động Servo Rung động Vị trí Cơ cấu trục vít Cấu trúc hệ thống điều khiển Đối tượng điều khiển hệ SIMO, có đầu vào đầu ra, với cấu trúc điều khiển phản hồi thông thường ổn định đầu rung động vị trí Để giải vấn đề phương pháp Hybrid Shape [2] điều khiển vị trí bám theo vị trí đặt, đồng thời bổ sung thêm lọc kèm điều kiện tối ưu để giới hạn độ dao động phạm vi cho phép mà không cần phải phản hồi độ dao động chất lỏng Cụ thể điều khiển hệ thống gồm thành phần công thức (4): K ( s)   Ki (s) (4) i 1 Trong K1 thành phần điều khiển vị trí Theo công thức (1) đối tượng vị trí có chứa thành phần tích phân nên K1 lựa chọn điều khiển tỷ lệ K1 ( s)  K p (5) Để loại bỏ thành phần rung động bậc cao thành phần nhiễu bậc cao khác, điều khiển bổ sung thêm lọc thông thấp K2(s) K (s)  (6) Tl s  Thành phần cuối K3(s) điều khiển lọc Notch có tần số với tần số dao động tự nhiên bậc rung động bề mặt chất lỏng công thức (7): s  2n  s  n G(s)  (7) s  n  s   n Như vậy, hàm truyền điều khiển biểu diễn công thức (8) K p (s  2n s n ) K ( s )   K i (s)  (8) (Tl s 1)(s  n s n ) i 1 VCCA-2015 DOI: 10.15625/vap.2015.0004 Trong hệ số Kp, Tl thông số cần xác định Và đề cập phần trên, hai tham số xác định thông qua giải toán tối ưu điều kiện ràng buộc 3.2 Tính toán điều khiển 3.2.1 Các điều kiện ràng buộc Trong phương pháp Hybrid Shape [2] đưa nhiều tiêu chuẩn điều khiển miền thời gian miền tần số Các điều kiện xây dựng cách sử dụng hàm phạt, hàm phạt đưa dựa vào tiêu chuẩn từ (I) đến (IV) sau Tiêu chuẩn (I): Bộ điều khiển hệ thống kín phải ổn định Do hàm phạt đưa điều kiện sau bị vi phạm Re[rK ]  0, Re[rcl ]  (9) K P  0, Tl  Trong rK rcl nghiệm đặc tính tần số điều khiển hệ thống kín Tiêu chuẩn (II): Hệ số tỷ lệ điều khiển phải nhỏ [dB] tần số ωl = 314 [rad/s] ωn = 17,55 [rad/s] để giảm ảnh hưởng rung động tần số cao dập dao động tần số tự nhiên Do hàm phạt đưa điều kiện sau bị vi phạm |K(ωl)| < [dB] (10) |K(ωn)| < [dB] (11) Tiêu chuẩn (III): Giới hạn tín hiệu điều khiển u từ PLC điều khiển Servo không vượt 10[V] Max[u] ≤ 10 [V] (12) Tiêu chuẩn (IV): Phải đảm bảo vị trí dừng xác hay sai lệch vị trí không vượt 10-2[m] Max [Os] ≤ 10-2[m] (13) 3.2.2 Hàm mục tiêu Dựa vào điều kiện công thức từ (9) đến (13) ta đưa hàm tối ưu: (14) J = Ts  J p K (s) Trong đó: J p   i (15) i 1 Ts  min{t || y f  y(t) | ye } (16) n hàm phạt tương ứng với tiêu chuẩn thứ i nhận giá trị 106 tiêu chuẩn bị vi phạm yf vị trí đặt ye sai lệch cho phép vị trí đặt vị trí thực Mục tiêu đặt phải tối thiểu hóa T s để cấu rót bám nhanh với di chuyển hệ thống khuôn đúc 3.2.3 Giải toán tối ưu Với điều kiện ràng buộc hàm tối ưu ta sử dụng công cụ giải toán tối ưu fmincon phần mềm Matlab/Simulink 23 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 DOI: 10.15625/vap.2015.0004 Với thông số đầu vào : yf = 0,5 [m], ye = 10-2[m] ta thu kết quả: Các tham số xác định sau: K p = 35 Tl = 0,13 [s] Ts = 2,209 [s] Đặc tính tần số điều khiển: Đặc tính tần số điều khiển thu hình H.4 Hệ số khuếch đại điều khiển < [dB] tần số dao động tự nhiên 17,51 [rad/s] tần số >100 [rad/s] đảm bảo làm giảm rung động giảm ảnh hưởng nhiễu dao động bậc cao H (b) Độ rung (c) Vận tốc đặt vận tốc thực Đặc tính tần số điều khiển H Kết mô thực nghiệm 4.1 Kết mô Với thông số mô hình điều khiển ta tiến hành mô sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Và để đánh giá hiệu giảm rung động điều khiển Hybrid Shape ta tiến hành so sánh với phương pháp dùng điều khiển PID (được tổng hợp theo tiêu chuẩn mô hình nội IMC) Quỹ đạo đặt theo dạng 2-1-2, với khoảng thời gian gia tốc, giảm tốc 0,1 [s]; tổng quãng đường 0,5 [m] Kết mô trình bày hình H.5 Bảng B.1 so sánh kết kết mô ta nhận thấy hai phương pháp PID Hybrid Shape đáp ứng vị trí bám với lượng đặt, nhiên độ rung phương pháp PID (≈0,04 [m]) lớn nhiều so với phương pháp Hybrid Shape (≈0,02 [m]): B.1 Bảng so sánh kết mô theo phương pháp Hybrid Shape PID Vị trí Độ rung (a) Vị trí đặt vị trí thực VCCA-2015 Kết mô phần mềm Matlab/Simulink Tiêu chí Os [%] Error [m] Ts [s] Biên độ [m] PID