Thí nghiệm nhận dạng hệ thống

mô hình hóa mô phỏng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CAO HỌC TỰ ĐỘNG HÓA BÀI THÍ NGHIỆM NHẬN DẠNG HỆ THỐNG (SYSTEM IDENTIFICATION) Biên soạn: HUỲNH THÁI HOÀNG Năm 2005 Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 1 I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Muốn thiết kế hệ thống điều khiển có chất lượng tốt cần phải biết mô hình toán học của đối tượng điều khiển. Nhận dạng hệ thống là phương pháp rút ra mô hình toán học của hệ thống dựa vào dữ liệu vào – ra quan sát được. Lý thuyết nhận dạng hệ thống được đưa ra từ những năm 1960 trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê. Đến nay các phương pháp nhận dạng mô hình tuyến tính đã phát triển khá hoàn chỉnh; các phương pháp nhận dạng hệ phi tuyến, đặc biệt là hệ phi tuyến MIMO đang là vấn đề nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm hiện nay. Bài thí nghiệm này trang bò cho học viên kiến thức thực hành về nhận dạng hệ thống. Thông qua các thí nghiệm cụ thể nhận dạng các đối tượng điển hình trong phòng thí nghiệm là động cơ DC và hệ bồn chứa học viên sẽ áp dụng được các phương pháp nhận dạng mô hình tuyến tính cũng như phi tuyến; phương pháp nhận dạng hệ thống hở cũng như hệ thống kín; phương pháp nhận dạng hệ SISO cũng như hệ MIMO vào thực tế. Bài thí nghiệm sẽ giúp học viên củng cố kiến thức lý thuyết, phát triển kỹ năng thực hành nhận dạng hệ thống để sau này có thể vận dụng lý thuyết nhận dạng các hệ thống thực tế trong công nghiệp. Để có thể thực hiện tốt bài thí nghiệm, học viên cần xem lại cơ sở lý thuyết trong các môn học Mô hình hóa, nhận dạng và mô phỏng; Mạng neuron nhận dạng, dự báo và điều khiển. Phụ lục A ở cuối hướng dẫn thí nghiệm này tóm lượt lý thuyết tối thiểu học viên phải nắm trước khi tiến hành thí nghiệm. II. ĐỐI TƯNG NHẬN DẠNG II.1. Sơ đồ khối thu thập dữ liệu Bài thí nghiệm này sử dụng bộ công cụ Simulink kết hợp với Realtime Workshop và xPC Target của Matlab để thực hiện các thí nghiệm thu thập dữ liệu, do đó sơ đồ khối phần cứng của hệ thống được thiết kế như hình 3. Máy tính chủ (Host) sử dụng để soạn thảo các sơ đồ Simulink thu thập dữ liệu, đồng thời cũng được sử dụng để thực thi các thuật toán nhận dạng hệ thống. Máy tính chủ giao tiếp với máy tính đích (Target) qua cổng nối tiếp (cổng COM). Máy tính đích giao tiếp trực tiếp với các đối tượng cần nhận dạng qua các card thu thập số liệu. Trong bài thí nghiệm này card thu thập số liệu được sử dụng là card PCL-818L (hãng Advantech). Card PCL-818L có 16 kênh chuyển đổi AD 12 bit, 1 kênh chuyển đổi DA 12 bit và 16 ngõ vào/ra song song. Đối tượng nhận dạng trong bài thí nghiệm này là động cơ DC và hệ bồn chứa liên kết. Hình 1: Sơ đồ khối thu thập dữ liệu Máy tính chủ Máy tính đích + card DAS Đối tượng điều khiển Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 2 II.2 Động cơ DC Động cơ DC là phần tử chấp hành được sử dụng rất phổ biến trong các máy móc, dây chuyền sản xuất công nghiệp. Sơ đồ khối hệ thống động cơ DC dùng trong thí nghiệm được trình bày ở hình 2. Tín hiệu điều khiển xuất ra từ máy tính PC qua ngõ ra tương tự (Analog Output) của card PCL-818L. Mạch khuếch đại công suất là mạch khuếch đại đẩy kéo, trục quay encoder gắn với trục quay động cơ. Một bộ đếm lên/xuống được sử dụng để đếm xung từ encoder. Tín hiệu ra của bộ đếm được đưa vào ngõ vào số (Digital Input) của card thu thập số liệu PCL- 818L. Bằng cách đếm xung, chúng ta đo được vò trí của động cơ, lấy sai phân vò trí giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp ta sẽ đo được tốc độ quay của động cơ. Hình 2: Động cơ DC: hình dáng bên ngoài (trên), sơ đồ khối phần cứng (dưới) II.3 Hệ bồn chứa Hệ bồn chứa là đối tượng phi tuyến điển hình thường gặp trong các quá trình công nghiệp. Hệ bồn chứa gồm 2 bồn chứa chất lỏng thông nhau, tiết diện van nối giữa hai bồn và tiết diện van xả của mỗi bồn có thể thay đổi được. Chất lỏng được bơm vào hai bồn bằng hai máy bơm DC. Hệ bồn liên kết là một đối tượng điển hình thường dùng để kiểm chứng các thuật toán điều khiển quá trình. Tùy theo tiết diện mở các van, cách sử dụng các máy bơm và tầm làm việc mà ta có được các cấu hình hệ thống khác nhau để kiểm chứng lý thuyết điều khiển như hệ quán tính bậc 1, hệ quán tính bậc 2, hệ phi tuyến, hệ đa biến, hệ có nhiễu loạn, hệ có thông số biến đổi,… PCL-818L AO DI Khuếch đai công suất Động cơ DC Encoder Bộ đếm Máy tính Target A B Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 3 Sử dụng cảm biến áp suất Model 68075 (hãng Cole-Parmer) để đo chiều cao mực chất lỏng trong bồn chứa. Khi áp suất cột chất lỏng trong bồn thay đổi từ 0- 5psig thì dòng ra của cảm biến thay đổi trong khoảng 4-20mA, dùng điện trở 560Ω để biến đổi dòng thành áp. Máy tính đọc điện áp này qua ngõ vào tương tự của card PCL-818L. Chất lỏng bơm vào bồn bằng máy bơm DC 12V với công suất bơm cực đại đònh mức 70 lit/phút. Lưu lượng bơm thay đổi bằng cách thay đổi điện áp cấp cho máy bơm theo phương pháp điều rộng xung. Bộ điều rộng xung sử dụng vi điều khiển P89C51RD2 của hãng Philip. Hình 3: Hệ bồn chứa liên kết: hình dáng bên ngoài (trên), sơ đồ khối phần cứng (dưới) III. PHẦN MỀM THÍ NGHIỆM III.1 Chương trình Simulink thu thập số liệu Bài thí nghiệm này sử dụng bộ công cụ Simulink kết hợp với Realtime Workshop và xPC Target của Matlab để thực hiện các thí nghiệm thu thập số liệu. Sơ đồ khối chương trình Simulink thu thập dữ liệu vào ra của động cơ DC và hệ bồn chứa lần lượt được trình bày ở hình 4 và 5. Sử dụng bộ công cụ Realtime Worrkshop có thể biên dòch chương trình Simulink thành chương trình có thể thực thi độc lập trên các máy tính không cài Matlab. Bộ công cụ xPC Target hỗ trợ các giao tiếp với các card thu thập dữ liệu chuyên dụng, trong đó có card PCL-818L. Nhờ bộ công cụ này mà chương trình khả thi sau khi biên dòch được tải xuống máy tính điều khiển thiết bò. Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 4 Thu thập dữ liệu vào ra động cơ: Chương trình Simulink thu thập dữ liệu vào – ra của động cơ được lập trình sẳn và lưu trữ trong file DC_Motor.mdl (xem hình 4). Trong hình 4a tín hiệu vào lưu trong file DCMotor_Input.mat được tạo ra bằng cách gọi thực thi chương trình DCMotor_Input.m. Khối DCMotor cho phép máy tính giao tiếp với phần cứng qua card PCL-818L. Sơ đồ chi tiết khối DCMotor được trình bày ở hình 4b. Trong hình 4b khối Analog Output xuất tín hiệu điều khiển mạch khuếch đại công suất cấp nguồn cho động cơ qua ngõ ra tương tự của card PCL-818L. Khối Digital Input đọc tín hiệu từ bộ đếm qua ngõ vào số của card PCL-818L. Khối MeasureVel tính vận tốc động cơ bằng cách so sánh giá trò bộ đếm hiện tại với giá trò bộ đếm ở lần lấy mẫu trước để biết được dòch chuyển tương đối, sau đó lấy dòch chuyển tương đối chia cho chu kỳ lấy mẫu sẽ được vận tốc. Khối MeasurePos tính vò trí góc quay động cơ bằng cách cộng dòch chuyển tương đối với vò trí góc quay đã xác đònh được ở lần lấy mẫu trước. Hãy đọc các file mã nguồn measurePos.c và measureVel.c để hiểu rõ hơn về các thuật toán này. (a) (b) Hình 4: Sơ đồ Simulink thu thập dữ liệu vào – ra động cơ DC Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 5 Thu thập dữ liệu vào ra hệ bồn chứa: Chương trình Simulink thu thập dữ liệu vào – ra của hệ bồn chứa được lập trình sẳn và lưu trữ trong file Coupled_Tank.mdl (xem hình 5). Trong hình 5a tín hiệu vào để thực hiện các thí nghiệm thu thập số liệu đã được tạo ra và lưu sẳn trong file Tank_Input.mat bằng cách thực thi chương trình Tank_Input.m. Khối Coupled_Tank cho phép máy tính giao tiếp với phần cứng qua card PCL-818L. Sơ đồ chi tiết khối Coupled_Tank được trình bày ở hình 5b. Trong hình 5b khối PCL818do xuất tín hiệu điều khiển máy bơm (chu kỳ nhiệm vụ của bộ PWM, xem sơ đồ phần cứng ở hình 3) qua ngõ ra số của card PCL-818L, khối Offset dùng để loại bỏ đặc tính vùng chết của máy bơm. Khối PCL-818L Advatech Analog Input đọc giá trò điện áp DC phản hồi từ các cảm biến áp suất đo độ cao mực chất lỏng, tín hiệu này được lọc nhiễu bằng bộ lọc thông thấp, khối V to H biến đổi điện áp phản hồi thành độ cao mực chất lỏng bằng cách nhân điện áp với một hệ số tỉ lệ, hệ số này có được khi đònh chuẩn mạch đo. (a) (b) Hình 5: Sơ đồ Simulink thu thập dữ liệu vào – ra hệ bồn chứa liên kết Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 6 III.2 Chương trình nhận dạng hệ thống Nhận dạng mô hình tuyến tính dùng bộ công cụ nhận dạng hệ thống của Matlab (Indentification Toolbox). Nhận dạng hệ phi tuyến dùng các chương trình viết sẳn theo các thuật toán ước lượng thông số đã trình bày trong môn học Mô hình hóa, nhận dạng và mô phỏng. Học viên có thể tham khảo mã nguồn để phát triển các thuật toán phù hợp với bài toán nhận dạng cần giải. IV. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM Học viên cần đọc kỹ hướng dẫn này trước khi tiến hành thí nghiệm và trả lời ngắn gọn các câu hỏi sau đây: 1. Nhận dạng hệ thống là gì? 2. Các bước nhận dạng hệ thống? 3. Trình tự thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu? 4. Mô hình không tham số của hệ tuyến tính? 5. Dạng tín hiệu vào để thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu nhận dạng mô hình không tham số hệ tuyến tính? 6. Các loại mô hình có tham số của hệ tuyến tính? 7. Dạng tín hiệu vào để thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu nhận dạng mô hình có tham số hệ tuyến tính? 8. Mô hình hộp đen phi tuyến? 9. Biểu thức toán học của mô hình mờ? Mô hình mờ có thể xây dựng bằng cách nào? 10. Biểu thức toán học của mô hình mạng thần kinh? Khả năng xấp xỉ của mô hình mạng thần kinh phụ thuộc vào những yếu tố nào? 11. Dạng tín hiệu vào để thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu nhận dạng mô hình phi tuyến? 12. Thuật toán ước lượng thông số mô hình phi tuyến? 13. Làm thế nào để biết được mô hình nhận dạng được có tốt hay không? 14. Tại sao phải nhận dạng hệ thống kín? 15. Các phương pháp nhận dạng hệ thống kín? Ưu khuyết điểm của mỗi phương pháp? V. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM Trước khi thực hiện các thí nghiệm dưới đây, phải chắc rằng: - Hệ thống đã được kết nối như sơ đồ khối ở hình 1. - Đã kích hoạt Matlab, cửa sổ lệnh đã sẳn sàng - Máy tính đích đã được khởi động dùng đóa Boot Loader (đóa này đã được tạo sẳn dùng bộ công cụ xPC Target, cách tạo đóa khởi động này học viên có thể tham khảo tài liệu hướng dẫn của Matlab). Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 7 Thí nghiệm 1 : Thí nghiệm thu thập dữ liệu vào – ra của động cơ DC Dưới đây là hướng dẫn chi tiết cách thu thập dữ liệu vào ra của động cơ DC, cách thu thập dữ liệu vào ra hệ bồn liên kết được thực hiện tương tự. Bước 1.1: Tại cửa sổ lệnh, gõ vào dòng lệnh: >> Motor [ENTER] Cửa sổ chương trình Simulink thu thập dữ liệu động cơ DC xuất hiện như hình 3. Bước 1.2: Nếu Matlab báo lỗi, kiểm tra xem trong thư mục hiện hành có file dữ liệu Motor_Input.mat hay không? Nếu chưa có hãy gọi hàm Motor_Input.m để tạo file chứa tín hiệu vào. Bước 1.3: Đặt thông số cho chương trình Simulink - Nhấp chuột vào cửa sổ [Motor], sau đó chọn menu [Simulation] → [Simulation Parameters …] (có thể bấm phím tắt là [Ctrl-E], cửa sổ [Simulation Parameters: Motor] hiện lên. Thu thập dữ liệu Thời gian thu thập dữ liêu là 30 giây Chu kỳ lấy mẫu 0.01 giây Lưu trữ dữ liệu vào biến yout Lưu trữ tối đa 5000 mẫu dữ liệu Lưu trữ thời gian vào biến tout Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 8 - Lần lượt chọn các trang [Solver], [Workspace IO], [Real-Time Workshop] trong cửa sổ [Simulation Parameters: Motor] và kiểm tra xem nội dung các trang có giống các hình trên đây hay không, nếu không thì đặt lại cho đúng. - Sau khi kiểm tra nội dung các trang trong cửa sổ [Simulation Parameters: Motor], nhấp chuột vào nút nhấn [OK]. Bước 1.4: Biên dòch chương trình và tải xuống máy tính đích Trong cửa sổ [Motor] chọn [Tool] → [Realtime Workshop] → [Build Model] (có thể bấm phím tắt là [Ctrl-B]). Máy tính chủ bắt đầu biên dòch chương trình thu thập dữ liệu và sau đó tải chương trình xuống máy tính đích. Nếu không có lỗi trên màn hình máy tính chủ và máy tính đích có xuất hiện thông báo cho biết quá trình biên dòch và tải chương trình xuống thành công. Ở bước này nếu có Matlab báo lỗi thì tùy theo thông báo lỗi hãy kiểm tra lại xem: - Chương trình Simulink có lỗi hay không (chú ý rằng các lỗi này có thể bao gồm lỗi sử dụng các khối con không tương thích với xPC Target). - Kết nối cổng COM giữa máy tính chủ và máy tính đích có lỗi không? - Nếu không xác đònh được lỗi hãy liên hệ với người hướng dẫn thí nghiệm để được giúp đỡ. Bước 1.5: Thực thi chương trình thu thập dữ liệu Tại dấu nhắc lệnh của Matlab, gõ vào dòng lệnh: >> tg.start [ENTER] Nếu động cơ không quay hãy kiểm tra xem mô hình động cơ đã được cấp nguồn chưa? Bước 1.6: Lưu trữ dữ liệu để sử dụng trong nhận dạng Tại dấu nhắc lệnh của Matlab, gõ vào dòng lệnh: >> Save_Motor_Data [ENTER] Biên dòch chương trình thành mã chạy trên máy tính Target Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 9 Chương trình sẽ tải dữ liệu từ máy tính đích về máy tính chủ, sau đó lưu trữ tín hiệu điều khiển điện áp phần ứng vào biến u, tốc độ động cơ vào biến y1, vò trí động cơ vào biến y2, sau đó vẽ đồ thò dữ liệu vào ra vừa thu thập được (mở file Save_Motor_Data.m để xem chi tiết các lệnh). Dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để nhận dạng hệ thống có các thí nghiệm tiếp theo. Thí nghiệm 2 : Thí nghiệm thu thập dữ liệu vào – ra của hệ bồn chứa Thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu vào – ra của hệ bồn chứa tương tự như cách đã làm ở thí nghiệm 1, chú ý rằng: - Chương trình Simulink thu thập dữ liệu hệ bồn chứa: Coupled_Tank.mdl - File chứa tín hiệu vào hệ bồn chứa: Tank_Input.mat. - Chương trình tạo ra tín hiệu vào: Tank_Input.m. - Thời gian thu thập dữ liệu là 10 phút, - Chu kỳ lấy mẫu là 0.5 giây - File thực thi chương trình lưu trữ dữ liệu: Save_Tank_Data.m - Tín hiệu vào (điện áp điều khiển máy bơm) được lưu vào các biến u1, u2 - Tín hiệu ra (độ cao mực chất lỏng trong bồn) được lưu vào các biến y1, y2 Thí nghiệm 3 : Nhận dạng đáp ứng xung của động cơ DC bằng PP phân tích quá độ Bước 3.1: Thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu (xem thí nghiệm 1) với tín hiệu vào (điện áp phần ứng) có dạng hàm nấc , tín hiệu ra là tốc độ động cơ DC. Bước 3.2: Tính đáp ứng xung. Gọi hàm: g = Transient_Response_Analysis(u,y) để tính đáp ứng xung )( tg . Bước 3.3: Đánh giá mô hình - Thực hiện thí nghiệm thu thập số liệu với tín hiệu vào bất kỳ. Lưu tín hiệu vào vào biến uv, tín hiệu ra vào biến yv. - Đánh giá mô hình bằng cách gọi hàm: e = Transient_Response_Validate(g,uv,yv) với g là đáp ứng xung ước lượng được ở bước 2.2, e là sai số. Hãy cho biết mô hình nhận dạng được có “chính xác” hay không? Thí nghiệm 4 : Nhận dạng đáp ứng tần số của động cơ DC bằng phương pháp kiểm tra sóng sin (Sine-wave testing) Bước 4.1: Thực hiện thí nghiệm thu thập dữ liệu với tín hiệu vào là hàm sin, tần số ω = 0.2π rad/sec, tín hiệu ra là tốc độ động cơ . Các thí nghiệm nhận dạng mô hình tuyến tính . nghiệm nhận dạng hệ thống mà học viên phải tự lập trình. Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 18 PHỤ LỤC A NHẬN DẠNG HỆ THỐNG A.1. BÀI TOÁN NHẬN DẠNG HỆ THỐNG. dụng thực nghiệm. Các thí nghiệm nâng cao: nhận dạng hệ MIMO Bài thí nghiệm: Nhận dạng hệ thống 17 Thí nghiệm 17 : Nhận dạng mô hình tuyến tính của hệ bồn