Bài viết này tập trung vào thực nghiệm một bộ điều khiển tiên tiến trên hệ thống Twin Rotor Multi-Input Multi-Output (TRMS) trong phòng thí nghiệm. Nền tảng lý thuyết của bộ điều khiển đề xuất này gồm bộ điều khiển tuyến tính hóa chính xác và khâu ước lượng nhiễu đầu vào dựa trên nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian.
ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 225(06): 318 - 324 THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC KẾT HỢP KHÂU ƯỚC LƯỢNG NHIỄU ĐẦU VÀO THEO NGUYÊN LÝ TỐI ƯU DỌC TRỤC THỜI GIAN CHO TRMS TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM Đàm Bảo Lộc1*, Nguyễn Duy Cương2 1Trường 2Trường Cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo tập trung vào thực nghiệm điều khiển tiên tiến hệ thống Twin Rotor Multi-Input Multi-Output (TRMS) phịng thí nghiệm Nền tảng lý thuyết điều khiển đề xuất gồm điều khiển tuyến tính hóa xác khâu ước lượng nhiễu đầu vào dựa nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian Thiết bị thực nghiệm gồm có máy vi tính, card dSP1103, TRMS vật lý, thiết bị tạo nhiễu (quạt điện) cáp kết nối Phần mềm Matlab/Simulik sử dụng để cài đặt thông số điều khiển phần mềm Control Desk kết nối với Card dSP1103 để giao tiếp, xử lý điều khiển TRMS Kết thực nghiệm thực thiết bị thực điều kiện có nhiễu ngồi từ gió quạt với tín hiệu mẫu có dạng đơn vị hình sin Các kết thực nghiệm mơ hình thiết bị thực cho thấy tín hiệu đầu nhanh chóng bám tín hiệu mẫu với độ xác cao, hệ thống làm việc ổn định điều kiện nhiễu ngồi Từ khóa: Tuyến tính hóa xác; ước lượng nhiễu đầu vào; tối ưu dọc trục thời gian; TRMS; Card dSPACE 1103 Ngày nhận bài: 22/4/2020; Ngày hoàn thiện: 21/5/2020; Ngày duyệt đăng: 25/5/2020 AN EXPERIMENT FOR COMBINATION OF THE ACCURATE LINEAR CONTROLLER AND AN INPUT DISTURBANCE ESTIMATOR BASED ON TIME RECEDING OPTIMIZATION FOR TRMS IN THE LABORATORY Dam Bao Loc1*, Nguyen Duy Cuong2 1Thai 2TNU Nguyen Industrial College, - University of Technology ABSTRACT This paper focuses on the Twin Rotor Multi-Input Multi-Output (TRMS) system in the laboratory with an advanced controller For the theoretical background, this proposed controller includes a linearized controller and an input disturbance estimator based on time receding optimization Some main experimental equipments such as a computer, a dSP1103 card, a physical TRMS, external disturbance generating equipment (electric fans) and connection cables are used The MATLAB/Simulink software was used to set the parameters for the controller and the Control Desk software was connected to the dSP1103 Card to communicate, calculate and control the TRMS Experimental conditions are performed on real equipments in cases of reference signals with step and sinusoidal functions with an external disturbance (wind from the fan) Experimental results showed that the output signals quickly and accurately tracked to the reference signals and the system worked stably in conditions having external disturbance Keywords: Accurate linearization; input disturbance estimator; time receding optimal; TRMS; dSPACE 1103 Card Received: 22/4/2020; Revised: 21/5/2020; Published: 25/5/2020 * Corresponding author Email: dambaoloc@gmail.com 318 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đàm Bảo Lộc Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Đặt vấn đề Nhìn chung, với điều khiển sau thiết kế chứng minh mơ mục tiêu phải kiểm nghiệm xem điều khiển áp dụng vào đối tượng thực hay không Trong báo đưa phương pháp cài đặt kiểm nghiệm điều khiển tuyến tính hóa xác kết hợp khâu bù nhiễu đầu vào dựa nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian cho hệ thống Twin Rotor Multi-Input Multi-Output (TRMS) phịng thí nghiệm Việc cài đặt dựa thí nghiệm TRMS sẵn có cài điều khiển PID nhà sản xuất cung cấp [1] Trên máy tính cài đặt phần mềm Matlab/Simulink phần mềm điều khiển Control Desk Phần mềm Matlab/Simulink dùng để cài đặt điều khiển với thông số chọn Card dSP1103 thông qua phần mềm điều khiển Control Desk để giao tiếp, xử lý điều khiển TRMS Trong thí nghiệm tín hiệu mẫu hàm đơn vị hàm sin cho hệ thống TRMS Ngoài ra, để đánh giá ảnh hưởng nhiễu ngồi, hệ thống cịn thiết kế thêm tạo nhiễu dùng quạt gió Các thiết bị bàn thí nghiệm Hình mơ tả cấu trúc hệ thống thí nghiệm TRMS, gồm có máy tính, Card ghép nối dSPACE 1103, hệ thống Twin Rotor MIMO Các thành phần mô tả chi tiết phần 225(06): 318 - 324 2.1 Máy tính - Cấu hình máy tính bàn thí nghiệm TRMS: Là loại Acer, có vi xử lí Intel(R) Core(TM) i3-3220 CPU @ 3.30Ghz, RAM 2.00GB, ổ cứng 500 GB - Máy tính cài phần mềm Matlab 2012a phần mềm ControlDesk 3.2.7 để giao tiếp, xử lý điều khiển TRMS 2.2 Card dSPACE DS 1103 Dùng cho kết nối, giao tiếp, đo tín hiệu tương tác máy máy tính biến đổi cơng suất 2.3 Hệ vật lý TRMS TRMS phịng thí nghiệm có mã hiệu TRMS 33-220 công ty thiết bị Feedback chế tạo gồm: - Khối nguồn đóng, cắt bảo vệ tải - Hai cánh quạt truyền động hai động chiều Maxon, động có gắn máy phát tốc để lấy đo vận tốc góc 𝜔𝑣 , 𝜔ℎ đưa tới khối ADC Card dsPACE 1103 - Hai cánh quạt gắn theo phương vng góc với cánh tay địn - Một có gắn đối trọng gắn vng góc với cánh tay địn tự hai gắn trụ chốt quay - Trên chốt quay có gắn hai sen sơ đo góc chao dọc góc đảo lái , giá trị hai góc đưa tới dSPACE 1103 dSPACE 1103 2.4 Hệ thống tạo nhiễu ngồi Đo lường Điều khiển Hình Cấu trúc vật lý bàn thí nghiệm TRMS http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Với mong muốn kiểm chứng hệ thống TRMS có khả ổn định điều kiện nhiễu ngồi, tạo nhiễu chủ động tác động lên hệ thống TRMS quạt gió (hình 2) lắp thêm với thông số: - Điện áp xoay chiều định mức: Uđm = 220/240V - Công suất định mức: Pđm = 38 w - Dòng định mức: Iđm = 0,22 A - Tần số định mức: fđm = 50/60 Hz Hình mơ hình thực nghiệm TRMS có Viện nghiên cứu phát triển Cơng nghệ cao 319 Đàm Bảo Lộc Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Kỹ thuật Cơng nghiệp thuộc Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Hình Quạt gió tạo nhiễu chủ động Hình Mơ hình bàn thí nghiệm TRMS Cài đặt điều khiển 3.1 Mơ hình tốn TRMS Mơ hình tốn TRMS sử dụng mơ hình tốn xác dựa theo phương trình Euler_Lagrange [2] [𝐽1 𝑐𝑜𝑠 𝛼𝑣 + 𝐽2 𝑠𝑖𝑛2 𝛼𝑣 + ℎ2 (𝑚 𝑇1 +𝑚 𝑇2 ) + 𝐽3 ]𝛼ℎ̈ +ℎ(𝑚 𝑇1 𝑙 𝑇1 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑣 + 𝑚 𝑇2 𝑙 𝑇2 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑣 )𝛼̇ 𝑣2 +2𝛼ℎ̇ 𝛼𝑣̇ (𝐽2 − 𝐽1 )𝑠𝑖𝑛𝛼𝑣 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑣 = ∑𝑖 𝑀𝑖ℎ (𝐽1 + 𝐽2 )𝛼𝑣̈ + ℎ(𝑚 𝑇1 𝑙 𝑇1 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑣 − 𝑚 𝑇2 𝑙 𝑇2 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑣 )𝛼ℎ̈ + 𝛼̇ℎ2(𝐽1 − 𝐽2 )𝑠𝑖𝑛𝛼𝑣 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑣 + +𝑔(𝑚 𝑇1 𝑙 𝑇1 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑣 + 𝑚 𝑇2 𝑙 𝑇2 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑣 ) = ∑𝑖 𝑀𝑖𝑣 (1) Trong đó: 𝛼𝑣 , 𝛼ℎ : Lần lượt góc chao dọc góc đảo lái cánh tay địn tự TRMS với mặt phẳng ngang mặt phẳng đứng ∑𝑖 𝑀𝑖ℎ : Tổng mô men tác dụng chuyển động ngang, tính: ∑i Mih = Mprop.h − Mfric,h − Mcable + +k m ω̇v cosαv 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑝.ℎ = 𝑙𝑡 𝐹ℎ (𝜔ℎ )𝑐𝑜𝑠(𝛼𝑣 ): Mô men lực đẩy cánh quạt đuôi; 𝑀𝑓𝑟𝑖𝑐,ℎ : Mô men ma sát cánh tay đòn tự chuyển động ngang 320 225(06): 318 - 324 𝑀𝑓𝑟𝑖𝑐,ℎ = 𝑘𝑣𝑓ℎ Ωℎ + 𝑘𝑐𝑓ℎ sign(Ωℎ ) + 𝑘𝑠𝑓ℎ 𝑘ℎ𝑖 Ωℎ = 0+ + { −𝑘𝑠𝑓ℎ 𝑘ℎ𝑖 Ωℎ = 0− 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 ℎợ𝑝 𝑘ℎá𝑐 𝑀𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 : Mô men cáp dẹt 𝑘𝑐ℎ𝑝 𝛼ℎ 𝑛ế𝑢 𝛼ℎ ≥ 𝑀𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 = { 𝑘𝑐ℎ𝑛 𝛼ℎ 𝑛ế𝑢 𝛼ℎ < ∑𝑖 𝑀𝑖𝑣 : Tổng mô men chuyển động đứng , tính: ∑𝑖 𝑀𝑖𝑣 = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑝.𝑣 − 𝑀𝑓𝑟𝑖𝑐.𝑣 + 𝑘𝑡 𝜔ℎ̇ + 𝑀𝑔𝑦𝑟𝑜 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑝.𝑣 = 𝑙𝑚 𝐹𝑣 (𝜔𝑣 ): Mô men lực đẩy cánh quạt 𝑀𝑔𝑦𝑟𝑜 = 𝑘𝑔 𝐹𝑣 𝛺ℎ 𝑐𝑜𝑠 𝛼𝑣 : Mô men quay hồi chuyển 𝐹ℎ , 𝐹𝑣 : Lực sinh cánh quạt đuôi cánh quạt 𝑘𝑓ℎ𝑝 ℎ |ℎ | 𝑘ℎ𝑖 ℎ ≥ 𝐹ℎ = { 𝑘𝑓ℎ𝑛 ℎ |ℎ | 𝑘ℎ𝑖 ℎ < 𝑘𝑓𝑣𝑝 𝑣 |𝑣 | 𝑘ℎ𝑖 𝑣 ≥ 𝐹𝑣 = { 𝑘𝑓𝑣𝑛 𝑣 |𝑣 | 𝑘ℎ𝑖 𝑣 < Đưa mơ hình tốn TRMS dạng tổng qt hệ Euler_Lagrange [3-5] M( q )q+C( q ,q )q+ g( q ) = Fτ + n(t) (2) Chuyển đổi mơ hình Euler-Lagrange bất định (2) thành dạng Euler-Lagrange song tuyến bất định cách đặt thành phần bất định mới: (3) d (q ,t ) = n (t ) − g (q ) Khi đó, mơ hình Euler-Lagrange bất định ban đầu (2) trở thành: M( q )q+C( q ,q )q = u+d( q ,t) (4) Ở u = , tức ta giả thiết cấu chấp hành giống khâu biến đổi lý tưởng giá trị vật lý M ih , q = h , M (q ) = mij (q ) , =i M iv v i ( ) C (q ,q ) = (cij (q ,q ) ) , i , j = 1, 2, F = I 22 , ( g (q ) = , g (mT1lT1 cosv + mT2lT2 sin v ) ) T m11 (q ) = J1 cos v + J sin v + h (mT1 + mT2 ) + J http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đàm Bảo Lộc Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN m12 (q ) = m 21 (q ) = 225(06): 318 - 324 3.2 Bộ điều khiển tuyến tính hóa ( u = M (q ) r + K1e + K2e +C (q ,q )q ) = h mT1lT1 sin v − mT2lT2 cos v , (5) với e = r − q m 22 (q ) = J1 + J , c11 (q ,q ) = 2v (J − J1 ) sin v cos v ( c12 (q ,q ) = vh mT1lT1 cos v + mT2lT2 sin v ) Hai ma trận đối xứng xác định dương K1 , K thỏa mãn: c21 (q ,q ) = h (J1 − J ) sin v cos v K1 = diag(k1i ), K = diag(k2i ) víi k22i k1i c22 = 3.3 Khối ước lượng nhiễu Bảng Tham số thực nghiệm cho hệ TRMS Ký hiệu Giá trị 0,06 Đơn vị m 0,8250 kg mT2 0,0908 kg lT1 0,0186 m lT2 0,2443 m 0,0591 kgm2 0,0059 kgm2 h mT1 J1 J2 J3 1,68x10 g -5 kgm d Bộ điều khiển TTH u Hệ TRMS dạng EulerLagrange thống d dựa nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian [6] Cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thực TRMS thiết kế Simulink (hình 5), gồm có thành phần: Hình cấu trúc hệ thống điều khiển cho hệ TRMS có mơ hình toán học dạng EulerLagrange Đây hệ thống điều khiển kết hợp điều khiển tuyến tính hóa xác nhận dạng bất định Các thành phần hệ thống điều khiển trình bày cụ thể mục 3.2 3.3 r d theo nhiễu hệ Thực nghiệm m/s2 9,81 Dùng để ước lượng nhiễu x = col (q ,q ) d Nhận dạng bất định Hình Điều khiển kết hợp tuyến tính hóa xác bù bất định http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn - SVF1, SVF2: Các lọc biến trạng thái, khâu bậc hai - Bộ điều khiển tuyến tính hóa xác: dùng để tính tín hiệu điều khiển mơ men - PID, PIDi: Các mạch vịng phản hồi âm tốc độ âm dòng điện tương ứng cho động động - TRMS vật lý: Liên kết Card dspace 1103 với Simulink thông qua phần mềm điều khiển Control Desk - Khối ước lượng nhiễu: Xác định nhiễu nhiễu bù nhiễu d1 , d tương ứng theo mặt phẳng ngang mặt phẳng đứng - Khối bù Mbh , Mbv : Dùng để tìm mơ men lực đẩy cánh quạt cánh quạt đi, sau dựa vào mối liên hệ mô men lực đẩy tốc độ góc tương ứng động động Q trình thực sau: 321 Đàm Bảo Lộc Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 318 - 324 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thực TRMS thiết kế Simulink Từ công thức (1) đặt: Mbh = −M fric ,h - Mcable + kmv cosv (6) ta có: M prop.h = M ih i − Mbh (7) Tương tự, từ (1), đặt: (9) được: (10) M prop v M prop v lmk fvp (11) v = M prop v = M prop h M prop v − lmk fvn 322 cần phải bám theo h → r1 = 0,5 [rad] v → r2 = 0,3 [rad] Trường hợp tín hiệu mẫu dạng hình sin: − M prop.h M prop.h cosv lt k fhn cosv (8) h = 0 M prop.h cosv = M prop.h M prop.h cosv lt k fhp cosv M prop.v = Miv − Mbv i T góc q = (h , v ) chọn số dạng hình sin: Trường hợp tín hiệu mẫu số: Mbv = −M fric.v + kth + Mgyro Vector tín hiệu mẫu r = (r1 , r2 )T cho hai h → r1 = 0, 2sin(0,1256t ) [rad] v → r2 = −0, 2sin(0,1256t ) [rad] Bộ điều khiển tuyến tính hóa xác, có hai ma trận K1 , K chọn là: 40 30 K1 = K = ; 30 40 Thông số điều khiển PID cho cấu chấp hành là: - Thông số điều khiển tốc độ dịng điện cho động đi: PIDh : K p ,h = 10−5 ; KI ,h = 10−6 Kd ,h = 35 10−6 PIDit : K p ,it = 0, 25; KI ,it = 20 Kd ,it = 0,0028 - Thông số điều khiển tốc độ dịng điện cho động chính: PIDv : K p ,v = 10−6 ; KI ,v = 10−5 Kd ,v = 15 10−6 PIDiv : K p ,iv = 0,1; KI ,iv = 80 Kd ,v = 0,0005 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đàm Bảo Lộc Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 225(06): xx - xx Các tham số PID lựa chọn sở phương pháp Ziegler–Nichols thứ Tiến hành chạy thực nghiệm kết hình đến hình 15 Hình 10 Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu hR = 0, 2sin(0,1256t ) có nhiễu ngồi Hình Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu hR = 0,5 sai lệch có nhiễu ngồi Hình 11 Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu vR = −0, 2sin(0,1256t ) có nhiễu ngồi Hình Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu vR = 0,3 sai lệch có nhiễu ngồi Hình 12 Sai lệch góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu hR = 0, 2sin(0,1256t ) có nhiễu ngồi Hình Nhiễu ước lượng dh (t ) ứng với tín hiệu mẫu hR = 0,5 có nhiễu ngồi Hình Nhiễu ước lượng dv (t ) ứng với tín hiệu mẫu vR = 0,3 có nhiễu ngồi http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình 13 Sai lệch góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu vR = −0, 2sin(0,1256t ) có nhiễu ngồi Hình 14 Nhiễu ước lượng dh (t ) ứng với tín hiệu mẫu hR = 0, 2sin(0,1256t ) có nhiễu ngồi 323 Đàm Bảo Lộc Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 318 - 324 nghiệm với tín hiệu mẫu hàm đơn vị hàm sin cho thấy tín hiệu đầu nhanh chóng bám tín hiệu mẫu, hệ thống làm việc ổn định có nhiễu ngồi tác động TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] Hình 15 Nhiễu ước lượng dv (t ) ứng với tín hiệu mẫu vR = −0, 2sin(0,1256t ) có nhiễu ngồi Hình đến hình 15 kết thực nghiệm có nhiễu ngồi quạt gió từ thời điểm t = ( 50 100)s Tại thời điểm t = 50 [s ] , nhiễu ngoại lực ảnh hưởng mạnh đến hệ thống, nhiên nhờ cấu bù nhiễu mà đáp ứng đầu nhanh chóng bám tín hiệu mẫu Điều thấy rõ qua nhiễu ước lượng d1 , d2 phản ứng nhanh chóng với nhiễu ngồi (hình 8, hình 9, hình 14 hình 15) Kết luận Trong báo này, nhóm tác giả trình bày việc cài đặt kiểm nghiệm điều khiển tuyến tính hóa xác kết hợp khâu bù nhiễu đầu vào dựa nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian cho hệ thống Twin Rotor MultiInput Multi-Output (TRMS) Kết thực 324 Twin Roto MIMO System Control Experiments 33-949S Feedback Instruments Ltd, East susex, U.K., 2006 [2] A Rahideh, and M H Shahee, “Mathematical dynamic modeling of a twin- rotor multiple input – multiple output System,” Proceedings of the IMechE, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, vol 221, pp 89-101, 2006 [3] David Morin, Introduction to Classical Mechanics: With Problems University, 2008 and Solutions Cambridge [4] R Ortega, A Loria, P J Nicklasson, and H S Ramirez, Passivity−bassed Control of Euler-Lagrange Systems Springer Verlag, 1998 [5] F L Lewis, D M Dawson, and C T Abdallah, Robot Manipulator Control Theory and Practice Marcel Dekker, Inc, 2004 [6] D P Nguyen, and H N Nguyen, “Some methods of controlling the mechanical system have the uncertain Euler-Lagrange model,” (in Vietnamese) Collection of papers in the first National Scientific Conference on Dynamics and Control, Da Nang, July 19-20, 2019, doi: 10.15625/vap.201900026 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... hình 15) Kết luận Trong báo này, nhóm tác giả trình bày việc cài đặt kiểm nghiệm điều khiển tuyến tính hóa xác kết hợp khâu bù nhiễu đầu vào dựa nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian cho hệ thống... xác kết hợp khâu bù nhiễu đầu vào dựa nguyên lý tối ưu dọc trục thời gian cho hệ thống Twin Rotor Multi-Input Multi-Output (TRMS) phịng thí nghiệm Việc cài đặt dựa thí nghiệm TRMS sẵn có cài điều. .. trúc hệ thống điều khiển cho hệ TRMS có mơ hình tốn học dạng EulerLagrange Đây hệ thống điều khiển kết hợp điều khiển tuyến tính hóa xác nhận dạng bất định Các thành phần hệ thống điều khiển trình