Nhận dạng tham số thiết bị chấp hành piezo actuator sử dụng kỹ thuật tính toán mềm

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nhận dạng tham số thiết bị chấp hành Piezo-Actuator sử dụng kỹ thuật tính tốn mềm Mã số đề tài: 182 ĐT02 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Duy Khanh Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện Tử Tp Hồ Chí Minh, 08/2019 Tp Hồ Chí Minh, … LỜI CẢM ƠN Chúng tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến trường Đại Học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh tài trợ kinh phí tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành đề tài Đồng thời cúng tơi xin cảm ơn phòng Quản Lý Khoa Học & Hợp Tác Quốc Tế, khoa Công Nghệ Điện Tử giúp đỡ hỗ trợ chúng tơi suốt q trình thực đề tài Nhóm tác giả MỤC LỤC PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát II Kết nghiên cứu 1 Đặt vấn đề Mục tiêu 3 Phương pháp nghiên cứu Tổng kết kết nghiên cứu Đánh giá kết đạt kết luận Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo IV Tình hình sử dụng kinh phí V Kiến nghị VI Phụ lục sản phẩm PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC I Tổng quan 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu, đối tượng phương pháp nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu 10 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu 10 II Ước lượng thơng số mơ hình dùng thuật toán DE 12 2.1 Thuật toán tối ưu DE 12 2.2 Ước lượng tham số mơ hình dùng thuật tốn DE 20 III Thiết kế mơ hình phần cứng thiết bị Piezo-Actuator 22 3.1 Tổng quan Piezo - electric 22 3.2 Thiết kế mạch điều khiển – thu thập liệu 25 3.3 Kết thực nghiệm 37 3.4 Kết luận 39 IV Nhận dạng thơng số mơ hình Piezo-electric actuator 39 4.1 Mơ hình phi tuyến có trễ thiết bị Piezo 39 4.2 Nhận dạng thông số thiết bị Piezo dùng MDE 39 4.3 Cài đặt mô hình thực nghiệm 40 4.4 Kết nhận dạng tham số 42 V Kết luận kiến nghị 45 5.1 Kết đạt 45 5.2 Hướng phát triển đề tài 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM 51 DANH MỤC HÌNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Lưu đồ thực thuật toán DE, [26] 13 Q trình đột biến khơng gian 2-D, [26] 14 So sánh hội tụ thuật toán với Sphere Griewank 19 So sánh hội tụ thuật toán với Ackley Rastrigin 19 Quá trình nhận dạng hệ thống 21 Nhận dạng mơ hình hộp xám dùng MDE 21 Hình dạng thực tế thiết bị piezo PZS001 [35] 22 Sơ đồ mạch cầu đo biến dạng bên PZS001 23 Mô tả độ giãn 23 10 Sơ đồ khối – mạch điều khiển piezo 25 11 Sơ đồ nguyên lý mạch nâng áp 26 12 Điện áp ngõ mạch nâng áp +200 VDC 28 13 Độ gợn sóng điện áp ngõ mạch nâng áp dòng tải 10mA 29 14 Độ gợn sóng điện áp ngõ mạch nâng áp dòng tải lớn 21mA 29 15 Dòng điện qua cuộn dây L1 30 16 Sơ đồ mạch hạ áp 30 17 Biểu đồ thông số cuộn cảm tương ứng với điện áp ngõ 12V 31 18 Mạch nguồn đôi 32 19 Sơ đồ mạch khối xử lý tín hiệu sử dụng cầu Wheatstone 33 20 Các chân kết nối cầu Wheatstone 33 21 Bộ lọc thông thấp sử dụng RC 34 22 Biểu đồ biên độ mạch lọc thông thấp RC 34 23 Biểu đồ Phase mạch lọc thông thấp RC 34 24 Tín hiệu điện áp ngõ mạchkhuếch đại PZS001 có giá trị nhỏ 35 25 Tín hiệu điện áp ngõ mạch PZS001 cho giá trị tối đa 35 26 Sơ đồ mạch khối khuếch đại tín hiệu điều khiển 36 27 Kết mơ khối khuếch đại tín hiệu điều khiển 37 28 Hình ảnh bo thiết kế 37 29 Hình dạng sóng dao động mạch nâng áp 38 30 Hình ảnh dạng sóng đo input - output 38 31 Sơ đồ khối nhận dạng mơ hình Piezo-Actuator 40 32 Sơ đồ khối mơ hình thực nghiệm PiezoelectricActuator 40 33 Hình ảnh thực tế Piezoelectric Actuator mạch khuếch đại, xử lý tín hiệu 41 34 Tập liệu vào-ra thực nghiệm hệ truyền động PZT 42 35 Tốc độ hội tụ thuật toán MDE, DE GA 44 36 Kết đánh giá chất lượng thuật toán MDE nhận dạng tham số 45 DANH MỤC BẢNG Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Pseudo-code thuật toán MDE 17 Các hàm toán học sử dụng để kiểm chứng thuật tốn tiến hóa 18 Các tham số thuật toán PSO, DE, HDE MDE 18 Thống kê kết tìm kiếm dùng PSO, DE, HDE MDE 20 Các thông số PZS001 [35] 23 Thông số IC MC34063A 26 Công thức tính tốn cho mạch nâng áp 26 Bảng thông số thiết kế mạch nâng áp 27 Bảng thông số IC LM2596 30 10 Bảng tra cứu thông số giá trị tụ điện ngõ cho LM2596 31 11 Bảng tra diode schottky cho LM2596 32 12 Bảng thông số Op-amp INA128 33 13 Thông số thiết bị mơ hình thực nghiệm piezoelectric actuator 41 14 Thơng số thuật tốn GA, DE and MDE nhận dạng 43 15 Chất lượng nhận dạng tham số mơ hình Bouc-Wen 43 16 Tham số mô hình Bouc-Wen thiết bị PZT sau nhận dạng 45 PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Nhận dạng tham số thiết bị chấp hành Piezo-Actuator sử dụng kỹ thuật tính tốn mềm 1.2 Mã số: 182.ĐT02 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài ThS Nguyễn Duy Khanh Khoa CN Điện Tử Chủ nhiệm PGS TS Lưu Thế Vinh Khoa CN Điện Tử Thành viên TS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa CN Điện Tử Thành viên TS Trần Minh Chính Khoa CN Điện Tử Thành viên 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Công Nghệ Điện Tử 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2019 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 06 năm 2019 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): khơng có thay đổi 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 57.7 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Thiết bị truyền động Piezo-Actuator nhận nhiều quan tâm to lớn, có nhiều ứng dụng rộng rãi lĩnh vực micro robot [1-2], hệ vi điện tử [3-4], robot phẫu thuật [5], kỹ thuật y sinh [6-7] nhiều ứng dụng công nghiệp khác [8] Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến có trễ thiết bị Piezo-Actuator làm cho tốn điều khiển xác cịn nhiều thách thức Ý tưởng để khắc phục đặc tính phi tuyến có trễ xây dựng mơ hình tốn học xác định mơ hình ngược để hủy bỏ đặc tính trễ mơ hình Có nhiều mơ hình tốn học khác để mơ tả đặc tính phi tuyến có trễ thiết bị truyền động Piezo-Actuator chẳng hạn mơ hình Duhem [9-10], mơ hình Backlash-like [11], Bouc-Wen [12], Preisach [13], Prandtl–Ishlinskii [14] Một số đó, mơ hình Bouc-Wen để mơ tả đặc tính có trễ thiết bị truyền động Piezo-Actuator sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng Tuy nhiên, hệ phi tuyến có trễ với yếu tố bất định nhiễu động khó để xác định xác mơ hình tốn học Bouc-Wen thiết bị truyền động Do đó, năm gần đây, có nhiều nghiên cứu khác tiếp cận hướng nhận dạng tham số mơ hình tốn học mơ tả đặc tính phi tuyến có trễ thiết bị truyền động Chẳng hạn như, thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) dùng để nhận dạng tham số mô hình Duhem [15], Bouc-Wen [16-17] dựa tập liệu vào thực nghiệm Bài báo [18] sử dụng thuật tốn LMS (Least-Mean-Squares-based methods) để xác định xác tham số mơ hình Duhem Tuy nhiên, hướng tiếp cận với thuật tốn thường có lời giải rơi vào cực trị cục thiếu xác, làm giới hạn nhiều ứng dụng Để khắc phục nhược điểm trên, thuật tốn tiến hóa EAs (Evolution Algorithms) xem lựa chọn thay bổ sung đầy hứa hẹn Trong đó, thuật tốn tiến hóa vi sai DE (Differential Evolution) thuật tốn tối ưu hóa ngẫu nhiên mạnh mẽ sử dụng Thuật tốn tiến hóa vi sai DE giới thiệu lần đầu dạng báo cáo kỹ thuật hai nhà khoa học R Storn K.V Price vào năm 1995, tài liệu [19] Thuật toán tiến hóa vi sai DE có khả xử lý hiệu tốn tìm cực trị hàm không khả vi, hàm phi tuyến hàm đa mục tiêu Thuật tốn tiến hóa vi sai DE với ưu điểm có khả tìm kiếm xác lời giải tối ưu tồn cục mà khơng phân biệt giá trị tham số ban đầu, tốc độ hội tụ nhanh, thơng số liên quan làm cho thuật tốn DE trở thành cơng cụ mạnh mẽ lĩnh vực tối ưu hóa [19], huấn luyện mạng nơ rôn [20-21], nhận dạng thông số điều khiển PID [22] Đặc biệt gần đây, thuật toán DE phiên DE cải tiến áp dụng thành công lĩnh vực ước lượng thông số hệ “Twodiode model of PV module” [23], hệ “self-excited vibrations” [24], động đồng [25] Tóm lại, hướng nghiên cứu mơ hình hóa điều khiển xác thiết bị truyền động thông minh dựa kỹ thuật tính tốn mềm cịn nhiều thách thức cần giải Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu nhận dạng mơ hình phi tuyến có trễ thiết bị truyền động Piezo-Actuator dùng kỹ thuật tính tốn mềm 2 Mục tiêu  Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật tính tốn mềm cho tốn nhận dạng tham số hệ phi tuyến  Thiết kế thi cơng mơ hình thiết bị truyền động Piezo-Actuator  Nghiên cứu nhận dạng mơ hình hộp xám thiết bị truyền động Piezo-Actuator dùng thuật toán tối ưu DE Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp tham khảo tài liệu, tính tốn lý thuyết, thiết kế thi cơng mơ hình phần cứng Piezo-Actuator  Sử dụng cơng cụ Real-time Window Target MATLAB để thu thập liệu vào/ra thực nghiệm; Mơ hình hóa nhận dạng mơ hình dùng m-file MATLAB Tổng hợp, phân tích kết nhận dạng để viết báo khoa học Tổng kết kết nghiên cứu Các kết đề tài thể nội dung sau đây:  Kết thứ 1: Mơ hình phần cứng điều khiển thu thập liệu cho Piezo-Actuator đạt yêu cầu cho đề tài Trong mô hình có tín hiệu điều khiển input điện áp từ 0V đến 10V, tín hiệu điều khiển qua khuếch đại điện áp tương ứng từ 0V đến 150V để điều khiển độ co giãn cho thiết bị Piezo (PZS001) Đồng thời, ngõ thiết bị Piezo trả tín hiệu điện áp từ 6mV đến 33mV tương ứng với sức căng bề mặt từ đến 17.4µm Tín hiệu ngõ Piezo đưa qua khuếch đại áp với độ lợi 50 lần để đưa váo máy tính để xử lý Kết mơ hình phần cứng đăng kỷ yếu “Hội nghị khoa học trẻ YSC 2019” với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết kế mơ đun điều khiển thu thập tín hiệu cho thiết bị truyền động piezo-actuator”  Kết thứ 2: Chương trình máy tính viết MATLAB, sử dụng công cụ Real-time Window Target MATLAB để thu thập liệu vào/ra thực nghiệm Với thuật tốn cho mơ hình lưu dạng m-file dễ đọc dễ sử dụng, tài liệu tham khảo hữu ích cho nhà nghiên cứu khác  Kết thứ 3: Nghiên cứu nhận dạng mô hình hộp xám tham số đối tượng dùng thuật toán tối ưu DE Áp dụng vào nhận dạng tham số thiết bị truyền động Piezo-Actuator tham số số hệ phi tuyến khác Trong đó:  Bài báo “Nhận dạng thông số thiết bị piezo actuator dùng thuật tốn tiến hóa vi sai cải tiến” gửi đến tạp chí Khoa học cơng nghệ trường Đại học Cơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh trình phản biện  Bài báo “Parameter estimation of pendubot model using modified differential evolution algorithm” đăng tạp chí “International Journal of Modelling and Simulation”, SCOPUS Đánh giá kết đạt kết luận Các kết đạt đề tài từ sản phẩm phần cứng, chương trình máy tính đến báo khoa học đáp ứng đầy đủ theo yêu cầu đặt thuyết minh đề tài hợp đồng nghiên cứu Tuy phải gia hạn thực thêm tháng, khoảng thời gian cho phép gia hạn theo hợp đồng nghiên cứu ký Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Tóm tắt: Thiết bị chấp hành Piezo-Actuator nhận nhiều quan tâm to lớn, có nhiều ứng dụng rộng rãi lĩnh vực micro robot, robot phẫu thuật, robot trợ lực, kỹ thuật y sinh nhiều ứng dụng công nghiệp khác Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến có trễ thiết bị chấp hành Piezo-Actuator làm cho toán nhận dạng điều khiển nhiều thách thức Ý tưởng để khắc phục đặc tính phi tuyến có trễ xây dựng mơ hình tốn học xác định mơ hình ngược để hủy bỏ đặc tính trễ cấu chấp hành Nhưng thực tế khó để xác định xác thơng số mơ hình tốn học phi tuyến có trễ Do đó, báo đề xuất sử dụng thuật tốn tiến hóa vi sai cải tiến MDE để nhận dạng thơng số mơ hình phi tuyến có trễ Bouc-Wen cho thiết bị chấp hành Piezo-Actuator Để đánh giá chất lượng hiệu của phương pháp đề xuất, nghiên cứu thực nghiệm thực cho thấy hướng tiếp cận báo có kết nhận dạng tốt xác thơng số mơ hình phi tuyến có trễ Abstract The piezoelectric actuator has been receiving tremendous interest in the past decade, due to their broad applications in areas of micro-robotics, neurosurgical robot, MEMS, exoskeleton, medical applications However, the hysteresis nonlinearity widely existing in smart materials yields undesirable responses, which make the hysteresis control problem even more challenging For the purpose of cope with the hysteresis is to formulate t: thời gian nạp C: giá trị tụ điện V: điện áp Với t=1ms, thơng số piezo PZS001: C=1.4µF V=150V ta tính dịng điện sau: I = C.V/t = 1.4µF x 150/1ms = 21mA Như vậy, cần tạo mạch nâng áp từ +24V lên +200V với dịng tải tối thiểu 21mA Hình 27 Kết mơ khối khuếch đại tín hiệu điều khiển 3.3 Kết thực nghiệm Hình 28 Hình ảnh bo thiết kế 37 Hình 29 Hình dạng sóng dao động mạch nâng áp Trong hình 29 dạng sóng đo chân số IC1 hình 11 – mạch nâng áp Với dạng sóng đo xung tam giác, với biên độ điện áp đỉnh-đỉnh xung 704mV, với tần số dao động 28.44 kHz theo yêu cầu thiết kế Dao động tần số tần số cấp cho IC1 để điều khiển điện áp ngõ ra, tần số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến thông số linh kiện mạch nâng áp ảnh hưởng đến điện áp ngõ mạch Hình 30 Hình ảnh dạng sóng đo input - output Kết đo hình 30 kết thể mối tương quan input output bo mạch điều khiển Piezo Để thể hoạt động mạch điều khiển, tác giả đưa vào tín hiệu input dạng sóng vng, với biên độ điện áp từ 0V đến 10V, tần số 1kHz; biểu thị kênh ossilocope, điện áp thu nhỏ xuống 1/10 so với thực tế để hiển thị ossilocope Điện áp ngõ để điều khiển Piezo, đo kênh ossilocope; hình 30 thể điện áp đỉnh đỉnh kênh 15V tương ứng 150V với thực tế thu nhỏ xuống với tỉ lệ 1/10 Qua kết hình 30 cho thấy, mạch điều khiển cho Piezo hoạt động theo thiết kế, tức cho tín hiệu điều khiển có điện áp từ 0V đến 10V ngõ mạch 38 đưa điện áp tương ứng 0V đến 150V để điều khiển mức độ co giãn thiết bị Piezo 3.4 Kết luận Trong phần này, thiết kế mạch điều khiển từ đến 150VDC mạch thu thập liệu từ Piezo với mức độ nhiễu thấp Mạch nâng áp từ 24VDC lên 150VDC với dòng điện tải gần 20mA với điện áp nhấp nhô thấp 5% Mạch khuếch đại nhiễu thấp sử dụng Op-amp có độ khuếch đại với độ nhiễu thấp, loại bỏ nhiễu phát sinh q trình đo đạc, để có liệu xác Trong q trình thiết kế, nhóm tác giả sử dụng kết hợp phương pháp tính tốn lý thuyết, phương pháp mô mạch, phương pháp thực nghiệm; mà nhóm tác giả thiết kế mơ đun điều khiển thu thập liệu cho thiết bị Piezo PZS001 theo yêu cầu Các liệu đo đạc mơ hình thực tế so sánh với thông số mô để đánh giá khả hoạt động, tính tin cậy mơ hình Từ kết đo đạc kiểm chứng mô thực tế cho thấy module điều khiển thu thập liệu hoạt động thiết kế Những liệu thu thập liệu quan trọng việc nhận dạng mơ hình tốn học Piezo IV Nhận dạng thơng số mơ hình Piezo-electric actuator 4.1 Mơ hình phi tuyến có trễ thiết bị Piezo Trong mơ hình thiết bị truyền động Piezo-Actuator, mối liện hệ vào-ra thực nghiệm nguồn cấp độ dịch chuyển vịng lặp có trễ mơ tả mơ hình BoucWen Mơ hình Bouc-Wen cổ điển đề xuất Bouc năm 1971 phát triển Wen năm 1976 [12] Chi tiết mơ hình tốn Bouc-Wen mơ tả sau: My  t   By  t   Ky  t   K  Pu  t   H  t   H  t    Pu  t    u  t  H  t    u  t  H  t  (14) Trong đó, t thời gian, tham số M, B, K y tương ứng khối lượng, hệ số suy giảm (damping coefficient), hệ số đàn hồi độ dịch chuyển thiết bị truyền động PiezoActuator P hệ số riêng piezo-electric, u ký hiệu cho nguồn cấp H kí hiệu cho vịng lặp có trễ mà biên độ hình dáng vịng lặp xác định tham số α, β γ 4.2 Nhận dạng thông số thiết bị Piezo dùng MDE Các tham số động học (P, α, β γ) mô hình Bouc-Wen nhận dạng cách cực tiểu hóa hàm mục tiêu sau: f  P, ,  ,    N  yi  yBWi   N i 1 (15) 39 Trong đó, N ký hiệu cho tổng số mẫu liệu, yi  yBWi sai số mẫu thứ i ngõ mơ hình Bouc-Wen ngõ mơ hình Piezo-Actuator Trong phần này, thuật tốn MDE đề xuất để nhận dạng thơng số mơ hình Bouc-Wen để nâng cao chất lượng nhận dạng Sơ đồ khối ngun tắc nhận dạng mơ hình tham số mơ tả hình 31 chi tiết bước thuật tốn xem bảng Trong đó, GEN số lần lặp tối đa, rand int[1, D] số ngẫu nhiên phân bố D u y Piezo Actuator + Mơ hình có trễ Bouc-Wen y BW Thuật tốn MDE Hình 31 Sơ đồ khối nhận dạng mơ hình Piezo-Actuator 4.3 Cài đặt mơ hình thực nghiệm Sơ đồ khối mơ hình thực nghiệm thiết bị chấp hành Piezo-Actuator mơ tả hình 32, hình ảnh thực tế thiết bị Piezoelectric Actuator mạch điện tử mơ tả hình 33 NI PCI 6221 Card PZT amplifier & driver PZT actuator system PZS001 Computer Strain Gauge Bridge Hình 32 Sơ đồ khối mơ hình thực nghiệm PiezoelectricActuator 40 PZT PZS001 actuator system Amplifier, Driver and Strain Gauge Bridge Board Hình 33 Hình ảnh thực tế Piezoelectric Actuator mạch khuếch đại, xử lý tín hiệu PZS001 truyền động áp điện piezoelectric actuator với cầu đo biến dạng tích hợp, sử dụng để đo dịch chuyển piezoelectric actuator Nhờ thời gian đáp ứng nhanh cầu đo làm cho thiết bị PZS001 trở nên lý tưởng cho ứng dụng địi hỏi dịch chuyển xác hàng nano mét PZS001 gồm có đầu dây cáp điện, đỏ đầu dây màu đỏ màu đen sử dụng để cấp điện áp nguồn cho cầu đo biến dạng Đầu dây màu vàng màu xanh sử dụng để giám sát điện áp đầu cầu đo Hai đầu cáp lại sử dụng để cấp điện áp điều khiển độ dịch chuyển thiết bị PZS001 Thông số kỹ thuật PZS001 mô tả bảng 13 Mạch điện tử tích hợp với tính khuếch đại, lọc nhiễu, chuyển đổi điện AC sang điện áp DC thay đổi 0-150VDC dử dụng để đo lường điều khiển thiết bị PZS001 Card PCIe6221 gắn trực tiếp với máy tính thực tính thu thập liệu điều khiển toàn hệ thống Độ dịch chuyển hay co giãn thiết bị truyền động PZS001 thay đổi phụ thuộc vào điện áp hay dòng điện cấp Tồn chương trình viết cơng cụ Simulink Real-Time Windows Target Matlab với thời gian lấy mẫu chon Ts = 0.01 giây Bảng 13 Thơng số thiết bị mơ hình thực nghiệm piezoelectric actuator TT Thiết bị Thông số - Điện áp điều khiển: 0-150 VDC - Độ dịch chuyển tối đa: 17.4µm ±2µm PZS001 - Điện trở cầu đo: 350Ω - Gauge Factor: ±2% - Piezo Capacitance: 1.4µF 41 - Nguồn cấp: 24 V ± 10% Mạch điện tử phần cứng - Điện áp ra: - 150V - Nguồn cấp cầu đo độ biến dạng: 3.3V - Cầu đo dạng Full Bridge - Độ lợi: 200 - 2000 Card điều khiển NI-PCI 6221 - PCI card National Instrument - 16 kênh Analog Input, 16 bit, 250 KS/s - kênh Analog Output, 24 chân Digital I/O 4.4 Kết nhận dạng tham số Trong phần này, tất kết chạy nhận dạng thông số thực Matlab 2013b cài đặt máy tính có cấu hình Intel Core i5, 4.00GB RAM tốc độ xử lý 2.53GHz Quá trình nhận dạng thơng số mơ hình thiết bị Piezo-Actuator phải trải qua bước sau: Trước tiên, tập liệu vào thực nghiệm mô tả hình bao gồm tín hiệu vào điện áp cấp cho hệ truyền động dùng PZT actuator tín hiệu độ dịch chuyển hệ PZT actuator thu thập từ mơ hình thực nghiệm Trong đó, u tín hiệu điện áp cấp cho thiết bị truyền động PZT; y tín hiệu độ dịch chuyển thiết bị truyền động PZT Tập liệu thực nghiệm với điện áp đầu vào có biên độ thay đổi từ 100-150 V độ dịch chuyển mô tả hình 34 sử dụng để ước lượng thơng số mơ hình Bouc-Wen PZT actuator Hình 34 Tập liệu vào-ra thực nghiệm hệ truyền động PZT 42 Dựa tập liệu huấn luyện, bước chọn thơng số thuật tốn ước lượng cho phù hợp Bảng mô tả mã giả thuật tốn MDE sử dụng q trình ước lượng Để đánh giá hiệu thuật toán MDE, chúng tơi thực so sánh với thuật tốn DE thuật toán di truyền (GA) Các tham số MDE, DE GA chọn theo phương pháp thử -sai mô tả Bảng 14 Bảng 14 Thông số thuật toán GA, DE and MDE nhận dạng Method Parameters MDE DE GA Value Số hệ huấn luyện, GEN 100 Kích thước quần thể, NP 40 Hệ số đột biến, F [0.4,1] Hệ số lai ghép, C [0.7,1] Số hệ huấn luyện, GEN 100 Kích thước quần thể, NP 40 Hệ số đột biến, F 0.5 Hệ số lai ghép, C 0.9 Số hệ huấn luyện, GEN 100 Kích thước quần thể 40 Hệ số lai ghép 0.9 Hệ số đột biến 0.01 Cuối cùng, trình nhận dạng tham số gồm huấn luyện đánh giá thực thi 10 lần để thống kê chất lượng thuật toán đề xuất Bảng 15 mơ tả kết nhận dạng dùng thuật tốn MDE, DE GA nhận dạng tham số mô hình Bouc-Wen thiết bị PZT Hình 35 mơ tả tốc độ hội tụ thuật toán GA, DE MDE Bảng 15 Chất lượng nhận dạng tham số mơ hình Bouc-Wen Phương MSE pháp Best Worst Average Std GA 0.0012 0.3378 0.1059 0.1330 DE 3.34e-4 0.0019 4.91e-4 4.87e-4 MDE 3.30e-4 3.78e-4 3.38e-4 1.38e-5 43 Hình 35 Tốc độ hội tụ thuật toán MDE, DE GA Các kết từ Bảng 15 chứng minh giá trị tham số mơ hình Bouc-Wen nhận dạng xác Trong Hình 35, kết so sánh tốc độ hội tụ GA, DE MDE mô tả chứng tỏ mạnh mẽ thuật toán MDE so với phương pháp GA DE Kết nhận dạng sử dụng thuật toán hội tụ sau 40 hệ huấn luyện thuật toán DE hội tụ sau 80 hệ huấn luyện thuật tốn GA hội tụ chậm Ngồi ra, Hình 36 mơ tả kết kiểm chứng chất lượng nhận dạng tham số dùng thuật toán MDE với tập liệu khác với liệu dùng trình huấn luyện Kết cho thấy chất lượng kiểm chứng cho chất lượng thuật tốn tốt Điều chứng tỏ tham số mơ hình Bouc-Wen nhận dạng dùng thuật toán MDE Bảng 16 đáng tin cậy, tham số áp dụng để thiết kế điều khiển cho hệ PZT actuator 44 Hình 36 Kết đánh giá chất lượng thuật toán MDE nhận dạng tham số Bảng 16 Tham số mơ hình Bouc-Wen thiết bị PZT sau nhận dạng Tham số mơ hình Bouc- P alpha Wen thiết bị PZT 0.005333 0.010982 beta gamma 0.006734 0.015337 V Kết luận kiến nghị 5.1 Kết đạt  Kết thứ 1: Mơ hình phần cứng điều khiển thu thập liệu cho Piezo-Actuator đạt u cầu cho đề tài Trong mơ hình có tín hiệu điều khiển input điện áp từ 0V đến 10V, tín hiệu điều khiển qua khuếch đại điện áp tương ứng từ 0V đến 150V để điều khiển độ co giãn cho thiết bị Piezo (PZS001) Đồng thời, ngõ thiết bị Piezo trả tín hiệu điện áp từ 6mV đến 33mV tương ứng với sức căng bề mặt từ đến 17.4µm Tín hiệu ngõ Piezo đưa qua khuếch đại áp với độ lợi 50 lần để đưa váo máy tính để xử lý Kết mơ hình phần cứng chấp nhận đăng kỷ yếu “Hội nghị khoa học trẻ YSC 2019”, với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết kế mơ đun điều khiển thu thập tín hiệu cho thiết bị truyền động piezo-actuator”  Kết thứ 2: Chương trình máy tính viết MATLAB, sử dụng công cụ Real-time Window Target MATLAB để thu thập liệu vào/ra thực nghiệm Với thuật tốn 45 cho mơ hình lưu dạng m-file dễ đọc dễ sử dụng, tài liệu tham khảo hữu ích cho nhà nghiên cứu khác  Kết thứ 3: Nghiên cứu nhận dạng mô hình hộp xám tham số đối tượng dùng thuật toán tối ưu DE Áp dụng vào nhận dạng tham số thiết bị truyền động Piezo-Actuator tham số số hệ phi tuyến khác Trong đó:  Bài báo “Nhận dạng thông số thiết bị piezo actuator dùng thuật tốn tiến hóa vi sai cải tiến” gửi đến tạp chí Khoa học cơng nghệ trường Đại học Cơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh trình phản biện  Bài báo “Parameter estimation of pendubot model using modified differential evolution algorithm” đăng tạp chí “International Journal of Modelling and Simulation”, SCOPUS 5.2 Hướng phát triển đề tài Dựa kết đạt bước đầu, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu mở rộng theo hướng sau tương lai:  Nghiên cứu mở rộng thuật toán tối ưu ngẫu nhiên khác nhà nghiên cứu giới quan tâm để nâng cao chất lượng nhận dạng tham số mơ hình  Nghiên cứu áp dụng kết nhận dạng vào thiết kế điều khiển dựa vào mơ hình cho đối tượng thiết bị truyền động Piezo 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ghosh, Bhaskar, et al "Experimental performance evaluation of smart bimorph piezoelectric actuator and its application in micro robotics." Microsystem Technologies (2017): 1-17 [2] Jain, Ravi Kant, et al "Micro manipulation by a compliant piezoelectric micro gripper towards robotic micro assembly." International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems 9.1 (2016): 3-23 [3] Shao, Shubao, et al "Structure and control strategy for a piezoelectric inchworm actuator equipped with MEMS ridges." Sensors and Actuators A: Physical 264 (2017): 40-50 [4] Sabri, Mohd Faizul Mohd, et al "Fabrication and characterization of microstacked PZT actuator for MEMS applications." Journal of Microelectromechanical Systems 24.1 (2015): 80-90 [5] Olsson, Pontus, et al "Comparison of Walking and Traveling-Wave Piezoelectric Motors as Actuators in Kinesthetic Haptic Devices." IEEE transactions on haptics 9.3 (2016): 427-431 [6] Ma, Hsiao-Kang, Wen-Fu Luo, and Jui-Yu Lin "Development of a piezoelectric micropump with novel separable design for medical applications." Sensors and Actuators A: Physical 236 (2015): 57-66 [7] Sinha, Dhiraj "Wireless actuation of piezoelectric coupled micromembrane using radio frequency magnetic field for biomedical applications." Journal of Applied Physics 121.13 (2017): 134501 [8] Choi, Seung-Bok, and Young-Min Han Piezoelectric actuators: control applications of smart materials CRC Press, 2016 [9] Lin, Chih-Jer, and Po-Ting Lin "Tracking control of a biaxial piezo-actuated positioning stage using generalized Duhem model." Computers & Mathematics with Applications 64.5 (2012): 766-787 [10] Padthe, Ashwani K., et al "Duhem modeling of friction-induced hysteresis." IEEE Control Systems 28.5 (2008) 47 [11] Su, C-Y., et al "Robust adaptive control of a class of nonlinear systems with unknown backlash-like hysteresis." IEEE Transactions on Automatic Control 45.12 (2000): 2427-2432 [12] Rakotondrabe, Micky "Bouc–Wen modeling and inverse multiplicative structure to compensate hysteresis nonlinearity in piezoelectric actuators." IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 8.2 (2011): 428-431 [13] Hu, H., and R Ben Mrad "On the classical Preisach model for hysteresis in piezoceramic actuators." Mechatronics 13.2 (2003): 85-94 [14] Gu, Guo-Ying, Li-Min Zhu, and Chun-Yi Su "Modeling and compensation of asymmetric hysteresis nonlinearity for piezoceramic actuators with a modified Prandtl–Ishlinskii model." IEEE Transactions on Industrial Electronics 61.3 (2014): 1583-1595 [15] Lin, Chih-Jer, and Po-Ting Lin "Particle swarm optimization based feedforward controller for a XY PZT positioning stage." Mechatronics 22.5 (2012): 614-628 [16] Charalampakis, A E., and C K Dimou "Identification of Bouc–Wen hysteretic systems using particle swarm optimization." Computers & structures 88.21-22 (2010): 1197-1205 [17] Rakotondrabe, Micky "Bouc–Wen modeling and inverse multiplicative structure to compensate hysteresis nonlinearity in piezoelectric actuators." IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 8.2 (2011): 428-431 [18] Oh, JinHyoung, and Dennis S Bernstein "Piecewise linear identification for the rateindependent and rate-dependent Duhem hysteresis models." IEEE Transactions on Automatic Control 52.3 (2007): 576-582 [19] R Storn, K Price, Differential evolution–a simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces, Journal of global optimization 11 (4) (1997) 341–359 [20] N N Son, H P H Anh, Adaptive displacement online control of shape memory alloys actuator based on neural networks and hybrid differential evolution algorithm, Neurocomputing 166 (2015) 464–474 48 [21] Wang, Lin, Yi Zeng, and Tao Chen "Back propagation neural network with adaptive differential evolution algorithm for time series forecasting." Expert Systems with Applications 42.2 (2015): 855-863 [22] Moharam, Amal, Mostafa A El-Hosseini, and Hesham A Ali "Design of optimal PID controller using hybrid differential evolution and particle swarm optimization with an aging leader and challengers." Applied Soft Computing 38 (2016): 727-737 [23] Chin, Vun Jack, Zainal Salam, and Kashif Ishaque "An accurate modelling of the twodiode model of PV module using a hybrid solution based on differential evolution." Energy Conversion and Management 124 (2016): 42-50 [24] C D Erdbrink, V V Krzhizhanovskaya, Differential evolution for system identification of self-excited vibrations, Journal of Computational Science 10 (2015) 360–369 [25] T Marcic, B Stumberger, G Stumberger, Differential-evolution-based parameter identification of a line-start ipm synchronous motor, Industrial Electronics, IEEE Transactions on 61 (11) (2014) 5921 – 5929 [26] Nguyen Ngoc Son, “Nhận dạng, điều khiển hệ phi tuyến dùng mơ hình nơ rơn phối hợp với thuật tốn tiến hóa vi sai”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Thư viện Khoa Học Tổng Hợp TP.HCM, 9/2017 [27] M Weber, F Neri, and V Tirronen, “Distributed differential evolution with explorative–exploitative population families,” Genet Program Evolvable Mach., vol 10, no 4, pp 343–371, 2009 [28] S Das and P N Suganthan, “Differential evolution: a survey of the state-of-the-art,” Evol Comput IEEE Trans., vol 15, no 1, pp 4–31, 2011 [29] E S Nicoară, “Mechanisms to avoid the premature convergence of genetic algorithms,” Pet Univ Ploieşti Bull Math.–Info.–Phys Ser., vol 61, pp 87–96, 2009 [30] F Neri and V Tirronen, “Recent advances in differential evolution: a survey and experimental analysis,” Artif Intell Rev., vol 33, no 1–2, pp 61–106, 2010 [31] A P Piotrowski, “Differential Evolution algorithms applied to Neural Network training suffer from stagnation,” Appl Soft Comput., vol 21, pp 382–406, 2014 49 [32] Son, Nguyen Ngoc, and Ho Pham Huy Anh "Adaptive displacement online control of shape memory alloys actuator based on neural networks and hybrid differential evolution algorithm." Neurocomputing 166 (2015): 464-474 [33] M E H Pedersen, “SwarmOps for Matlab Numeric & Heuristic Optimizatiov SourceCode Library for Matlab The Manual.” November, 2010 [34] Tan, K C., and Y Li "Grey-box model identification via evolutionary computing." Control Engineering Practice 10.7 (2002): 673-684 [35] PZS001 - Piezoelectric Actuator, https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PZS001, truy cập: 10:30, ngày 10/08/2018 50 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh đề tài phê duyệt Quyết định nghiệm thu Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, giải trình, phiếu phản biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mô hình .) - [SP1] Mơ hình phần cứng Piezo-Actuator báo đăng ký hội nghị Khoa học trẻ: Nguyễn Duy Khanh, Cao Văn Kiên, Trần Minh Chính, “Nghiên cứu thiết kế mơ đun điều khiển thu thập tín hiệu cho thiết bị truyền động Piezo-Actuator”, Hội nghị Khoa học trẻ Lần thứ nhất, trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh, 2019; - [SP2] Chương trình máy tính dạng m-file MATLAB; - [SP3] Nguyen, Ngoc Son, and Duy Khanh Nguyen "Parameter estimation of Pendubot model using modified differential evolution algorithm." International Journal of Modelling and Simulation (2018): 1-9; - [SP4] Nguyễn Ngọc Sơn, Nguyễn Duy Khanh, “Nhận dạng thông số thiết bị piezo actuator dùng thuật tốn tiến hóa vi sai cải tiến – MDE”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, trường Đại học Cơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh (đang chờ phản biện) 51 ... Bouc-Wen 43 16 Tham số mơ hình Bouc-Wen thiết bị PZT sau nhận dạng 45 PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng qt 1.1 Tên đề tài: Nhận dạng tham số thiết bị chấp hành Piezo- Actuator sử dụng. .. cứu áp dụng kỹ thuật tính tốn mềm cho toán nhận dạng tham số hệ phi tuyến  Thiết kế thi cơng mơ hình thiết bị truyền động Piezo- Actuator  Nghiên cứu nhận dạng mô hình hộp xám thiết bị truyền... cứu nhận dạng mơ hình hộp xám tham số đối tượng dùng thuật toán tối ưu DE Áp dụng vào nhận dạng tham số thiết bị truyền động Piezo- Actuator tham số số hệ phi tuyến khác Trong đó:  Bài báo “Nhận