Bài báo đề cập đến việc ứng dụng các phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng dựa trên đáp ứng quá độ để nhận dạng động cơ servo trên mô hình thiết bị thực CE110 Servo Trainer của hãng TecQuipment. Kết quả nhận dạng đối tượng được dùng để thiết kế các bộ điều khiển cho đối tượng thực. Việc lựa chọn mô hình nhận dạng phù hợp với đối tượng được kiểm nghiệm, đánh giá thông qua việc so sánh chất lượng điều khiển hệ thống thực khi sử dụng các bộ điều khiển đó cho các trường hợp có sự thay đổi tải và thay đổi tốc độ.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SERVO TRÊN MƠ HÌNH THỰC APPLICATION OF IDENTIFICATION METHOD FOR PROBLEM OF SERVO MOTOR SPEED CONTROL ON REAL MODEL Phạm Văn Minh*, Nguyễn Đăng Hải, Phạm Thị Hồng Hạnh, Phí Hồng Nhã, Phạm Văn Hùng TÓM TẮT Hệ truyền động động servor ứng dụng phổ biến công nghiệp Để điều khiển tốc độ vị trí hệ thống đạt hiệu cần mơ hình với độ xác cao, mơ hình đối tượng liên quan đến việc tính tốn tham số cho điều khiển độ xác mơ hình định đến chất lượng hệ thống điều khiển Bài báo đề cập đến việc ứng dụng phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng dựa đáp ứng độ để nhận dạng động servo mơ hình thiết bị thực CE110 Servo Trainer hãng TecQuipment Kết nhận dạng đối tượng dùng để thiết kế điều khiển cho đối tượng thực Việc lựa chọn mô hình nhận dạng phù hợp với đối tượng kiểm nghiệm, đánh giá thông qua việc so sánh chất lượng điều khiển hệ thống thực sử dụng điều khiển cho trường hợp có thay đổi tải thay đổi tốc độ Từ khóa: Nhận dạng; điều khiển tốc độ; động servo; CE110 Servo Trainer ABSTRACT The servo drive system is commonly used in industry A model with high accuracy is required to control speed and position of this system model because the model of the object influences the controller parameters, which determines the actual quality of the system This paper refers to the application object identification methods based on the step responses to identify servo motor on real model CE110 Servo Trainer of TecQuipment The obtained modes are used to design controllers for the real object The selection of suitable model is tested and evaluated through quality comparison of real system using those controllers when load and speed are changed Keywords: Identification; speed control; servo motor; CE110 Servo Trainer Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: minhpv.haui@gmail.com Ngày nhận bài: 10/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 26/6/2020 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 GIỚI THIỆU Hệ thống truyền động động servo phổ biến công nghiệp Hệ truyền động đặt yêu cầu điều khiển 40 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) tốc độ vị trí với độ xác cao Tuy nhiên, để điều khiển đạt kết mong muốn cần xác định mơ hình đối tượng xác tốt Một số phương pháp nhận dạng đối tượng trình bày tài liệu [1, 2, 3, 4], nhiên phương pháp nhận dạng dựa đáp ứng độ quan tâm nhiều tính đơn giản, dễ dàng thu từ thu thập liệu vào/ra, đặc biệt hệ thống mà thông số động không xác định cụ thể Nội dung báo giới thiệu số phương pháp nhận dạng dựa đặc tính độ để xác định mơ hình đối tượng ứng dụng để nhận dạng cho đối tượng thực hệ thống truyền động động servo CE110 Servo Trainer hãng Tecquipment sử dụng phịng thí nghiệm Kết nhận dạng kiểm nghiệm mơ hình CE110 cho trường hợp tải biến đổi có yêu cầu thay đổi tốc độ Tính khả thi mơ hình nhận dạng đánh giá thông qua việc so sánh chất lượng điều khiển hệ thống thực sử dụng điều khiển thiết kế từ mơ hình nhận dạng TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG TỪ ĐẶC TÍNH QUÁ ĐỘ Phương pháp nhận dạng dựa đặc tính độ [1, 2, 3, 4] phương pháp nhận dạng hệ thống phổ biến, đặc biệt lĩnh vực cơng nghiệp Trong đó, sử dụng mơ hình liên tục có tham số để mơ tả đối tượng dạng hàm truyền xác định từ hàm độ h(t) thu đầu nhờ phương pháp nhận dạng chủ động với tín hiệu kích thích đầu vào hàm Heaviside 1(t) Thông thường, đáp ứng độ tốc độ động servo xuất phát từ gốc ổn định sau khoảng thời gian Do đối tượng mơ hình hóa khâu qn tính bậc [4] qn tính bậc có trễ sử dụng phương pháp hai điểm tham chiếu [3] 2.1 Phương pháp hai điểm tham chiếu Hầu hết quy trình cơng nghiệp, xem xét đến thay đổi nhỏ xung quanh điểm làm việc mơ tả mơ hình tuyến tính bậc cao Trong Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phổ biến lớp mơ hình có đáp ứng dạng hình 1, xấp xỉ mơ hình q trình phức tạp thành mơ hình đơn giản bậc 1, có dạng: G s K e s Ts (1) đây, K hệ số khuếch đại, T số thời gian, τ thời gian trễ Phương pháp hai điểm tham chiếu [3] phương pháp phổ biến sử dụng để nhận dạng đối tượng có đường cong đáp ứng q trình hình với đầu vào biến đổi lượng Δu Các tham số đối tượng dạng (1) thu cách đo hai điểm tham chiếu là: t1 thời gian ứng với đầu đạt 28,3% t2 thời gian ứng với đầu đạt 63,2% giá trị xác lập Δy Khi đó, tham số mơ hình (1) xác định sau: y u T 1, t2 t1 K t 1, t1 3 b) Hình Mô tả việc xác định tham số K, T thông qua hàm độ đối tượng Để xác định tham số K, T ta dụng hai phương pháp khác nhau, phương pháp kẻ tiếp tuyến với h(t) t = 0, sau xác định giao điểm đường tiếp tuyến với đường tiệm cận K = h(∞) [4], hoành độ giao điểm vừa xác định tham số T cần tìm Tuy nhiên, phương pháp xác định T phụ thuộc nhiều vào độ xác việc kẻ tiếp tuyến Để tránh sai số ta xác định điểm có tung độ 0,632K đồ thị h(t), (hình 2b), hồnh độ điểm vừa xác định tham số T cần tìm, thời điểm T hàm h(t) có giá trị 63,2% giá trị xác lập ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG TRÊN MƠ HÌNH THỰC 3.1 Giới thiệu mơ hình Hình Đặc tính q độ sử dụng phương pháp hai điểm tham chiếu 2.2 Phương pháp xác định tham số mơ hình qn tính bậc Giả sử kích thích đối tượng tuyến tính hàm Heaviside 1(t) đầu vào ta đo hàm h(t) đầu có dạng hình 2a Hàm h(t) khơng có dạng lượn sóng, ln có xu hướng tăng dần đến giá trị giới hạn K, đó, đối tượng hồn tồn mơ tả dạng bậc nhất: G (s ) K Ts (2) Hình Mơ hình CE110 Tecquipment Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động Servo a) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Mơ hình thực nhóm tác giả sử dụng để nhận dạng mơ hình điều khiển động Servo hãng Tecquipment [6] bao gồm động điện, tải tuyến tính, thiết bị đo hiển thị tốc độ động Mơ hình hệ Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thống hình có sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển hình Ở đó, v điện áp đặt vào động cơ, ω tốc độ trục động cơ, θ vị trí độ trục động cơ, yω yθ tín hiệu đầu cảm biến tốc độ vị trí động Khi đó, phương trình cân mô men: d Tm b k1v1 I dt K (3) với b, k1, I, v1 hệ số ma sát, hệ số khuếch đại tải, mơ men qn tính điện áp điều khiển tải Tm mô men động sinh Phương trình mạch phần ứng: v ( t ) R.i L di v bemf dt lập (phương pháp 3) Khi điện áp đầu vào v = 5V, đặc tính q độ tốc độ hình Sử dụng phương pháp hai điểm tham chiếu, xác định giá trị điểm 28,3%: t1 = 0,18s; điểm 63,2%: t2 = 0,475s Khi đó: 946 / 200 0, 946 T 1, 5(t t1 ) 0, 45 ; 1, 5( t1 t ) 0, 035 Hàm truyền biểu diễn theo (1) gọi mơ hình 1: G1 (s) (4) với R, L, i điện trở, điện cảm, dòng điện phần ứng vbemf sức điện động động 3.2 Thực nhận dạng đối tượng mơ hình thực Mơ hình CE110 Tecquipment kết nối máy tính thơng qua card PCIe-6321 Cấu trúc thu thập tín hiệu hệ thống Matlab/Simulink hình với chu kỳ lấy mẫu Ts = 10ms Khối gain Matlab/Simulink khối tỉ lệ, làm nhiệm vụ tính tốn tốc độ theo điện áp đo từ cảm biến tốc độ (1V ứng với 200 vịng/phút) Hình Cấu trúc hệ thống thu thập tốc độ động thông qua card PCIe-6321 K 0, 946 e s e 0 , 0325s Ts 0, 4425s (5) Xấp xỉ đối tượng dạng quán tính bậc theo phương pháp 3, thu hàm truyền đối tượng dạng (2) là: G2 (s) K 0, 946 Ts 0, 62s (6) G3 (s) K 0, 946 Ts , 48s (7) Hình Sơ đồ hệ thống khảo sát đặc tính hàm nhận dạng Hình Đặc tính q độ tốc độ động với tín hiệu đặt v = 5V Để nhận dạng đối tượng dựa đặc tính q độ, nhóm tác giả thực sử dụng ba phương pháp: phương pháp xấp xỉ đối tượng khâu quán tính bậc có trễ sử dụng hai điểm tham chiếu (phương pháp 1), phương pháp xấp xỉ khâu quán tính bậc cách kẻ tiếp tuyến với đặc tính độ gốc tọa độ (phương pháp 2) phương pháp dựa điểm có giá trị đạt 63,2% giá trị xác 42 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Hình Đáp ứng tốc độ động hàm nhận dạng với tín hiệu đặt v = 5V Thực việc mơ đáp ứng q độ cho ba mơ hình thu so sánh với đáp ứng độ đối tượng thực hình ta có kết hình (cho tín hiệu đặt v = 5V) hình (cho tín hiệu đặt v = 3V) Ta nhận thấy ba mơ hình thu được, mơ hình (MH3) với hàm truyền G3(s) có đáp ứng tốt nhất, bám sát đặc tính tốc độ thực Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thời gian q độ Trong khi, việc sử mơ hình để thiết kế điều khiển cho chất lượng với độ điều chỉnh nhỏ, thời gian độ dài Như với yêu cầu điều khiển ổn định tốc độ với thời gian giá độ nhanh độ điều chỉnh nhỏ điều khiển thiết kế dựa mơ hình G3(s) cho chất lượng điều khiển tốt DT thuc MH1 MH2 MH3 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình Đáp ứng tốc độ động hàm nhận dạng với tín hiệu đặt v = 3V KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Trong phần này, với ba mơ hình đối tượng nhận dạng gồm mơ hình (5), (6) (7), nhóm tác giả sử dụng phương số thời gian T Kuhn để thiết kế điều khiển [5] sau áp dụng điều khiển vào điều khiển mơ hình đối tượng thực, từ dựa kết so sánh đánh giá chất lượng điều khiển để mơ hình nhận dạng sát với đối tượng thực Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển xây dựng Simunlink hình 10 với điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) thiết kế dựa ba mơ hình đối tượng nhận dạng có dạng: R (s) 0, 0473 1 0, 2375s (8) R2 (s) 0, 0473 1 0, 31s (9) R (s) 0, 0473 1 0, 24s Bộ điều khiển Độ điều chỉnh (%) Thời gian độ (s) Sai số xác lập R1(s) 3,34 1,202 R2(s) 0,6 1,65 R3(s) 3,1 1,215 (10) Hình 10 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động mơ hình thực Hình 11 biểu diễn dáp ứng tốc độ mơ hình thực ứng với điều khiển khác với giá trị đặt tốc độ 1000 vòng/phút, đường chấm đáp ứng tốc độ hệ thống thực ứng với điều khiển R1(s) thiết kế sử dụng mơ hình 1, đường chấm gạch đáp ứng tốc độ hệ thống thực ứng với điều khiển R2(s) thiết kế sử dụng mơ hình 2, đường nét đứt ứng với điều khiển R3(s) thiết kế sử dụng mô hình Kết bảng 1, cho thấy đáp ứng hệ thống thực ứng với điều khiển thiết kế sử dụng mơ hình cho kết tương đương độ điều chỉnh Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình 11 Đáp ứng tốc độ động điều khiển ω=1000 vịng/phút Bảng Thơng số chất lượng hệ thống với điều khiển thiết kế dựa ba mơ hình nhận dạng Hình 12 Đáp ứng tốc độ động thay đổi tốc độ Bảng Thông số chất lượng hệ thống điều khiển tốc độ thay đổi Bộ điều khiển R1(s) R2(s) R3(s) R1(s) R2(s) R3(s) Tăng tốc độ Giảm tốc độ Độ điều chỉnh (%) 2,5 0,7 1,92 1,8 0,2 1,6 Thời gian độ (s) 1,195 1,72 1,2 1,1 1,5 1,19 Sai số xác lập 0 0 0 Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 43 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Tương tự trường hợp giá trị đặt tốc độ liên tục thay đổi ta thu đáp ứng độ tốc độ hệ thống thực ứng với điều khiển R1(s), R2(s), R3(s) hình 12 Dựa bảng thơng số chất lượng điều khiển bảng thấy điều khiển thiết kế dựa mơ hình với hàm truyền nhận dạng G3(s), cho chất lượng tốt Hình 13 Đáp ứng tốc độ động tải thay đổi ω=1000 vòng/phút Tiếp tục, kiểm nghiệm hệ thống trường hợp tải biến đối thu kết hình 13 Khi tải thay đổi, đáp ứng tốc độ tốt, chất lượng điều khiển thể bảng ứng với trường hợp tăng tải giảm tải Kết cho thấy tải thay đổi, sau thời gian hệ thống lại trở lại trạng thái ổn định Trong đó, điều khiển sử dụng mơ hình nhận dạng để thiết kế cho chất lượng điều khiển với thời gian độ nhanh Bảng Thông số chất lượng hệ thống điều khiển có tải thay đổi Bộ điều khiển R1(s) R2(s) R3(s) R1(s) R2(s) Tăng tải Giảm tải R3(s) Độ điều chỉnh (%) Thời gian độ (s) Sai số xác lập 7,9 1,05 8,3 1,25 1,04 10,7 1,2 11,1 1,5 10,5 1,19 tượng thực Việc nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển sử dụng mơ hình nhận dạng nhóm tác giả tiến hành cơng bố nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E.F Camacho and C Bordons, 2007 Model Predictive Control Springer [2] K J Astrom and T Hagglund, 1995 PID Controllers: Theory, Design and Tuning Instrument Society of America [3] Ján Mikles, Miroslav Fikar, 2007 Process Modelling, Indentification, and Control Springer [4] Nguyen Doan Phuoc, Phan Xuan Minh, 2005 Nhan dang he thong dieu khien Science and Technics Publishing House [5] Nguyen Doan Phuoc, 2009 Ly thuyet dieu khien tu dong Science and Technics Publishing House [6] TecQuipment, 2013 CE110 Servo Trainer ©TecQuipment Ltd AUTHORS INFORMATION Pham Van Minh, Nguyen Dang Hai, Pham Thi Hong Hanh, Phi Hoang Nha, Pham Van Hung Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry KẾT LUẬN Một đối tượng cụ thể có mơ hình mơ tả khác tùy thuộc vào phương pháp cách thức nhận dạng Việc xác định mô hình phù hợp đối tượng thực khó khăn Bài báo trình bày cách kiểm tra tính phù hợp mơ hình nhận dạng so với đối tượng thực thông qua ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng cho toán điều khiển động servo, với đối tượng thực hệ “CE110 Servo Trainer” Kết nhận dạng chất lượng điều khiển điều khiển thiết kế dựa mơ hình nhận dạng điều khiển hệ thống thực, xét trường hợp tải tốc độ đặt thay đổi, cho thấy phương pháp nhận dạng mơ hình dựa đặc tính độ xấp xỉ khâu quán tính bậc cho kết phù hợp với đối 44 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... hình nhận dạng so với đối tượng thực thông qua ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng cho toán điều khiển động servo, với đối tượng thực hệ “CE110 Servo Trainer” Kết nhận dạng chất lượng điều khiển. .. (10) Hình 10 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động mơ hình thực Hình 11 biểu diễn dáp ứng tốc độ mơ hình thực ứng với điều khiển khác với giá trị đặt tốc độ 1000 vòng/phút, đường chấm đáp ứng tốc. .. https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình 11 Đáp ứng tốc độ động điều khiển ω=1000 vịng/phút Bảng Thơng số chất lượng hệ thống với điều khiển thiết kế dựa ba mô hình nhận dạng Hình 12 Đáp ứng tốc độ động thay đổi tốc độ Bảng