3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI PHÂN LY DÙNG MẠNG NƠ-RON
4.1.4 Mô tả quá trình và các kết quả thực nghiệm
Lý do chọn con lắc ngược xoay làm mô hình thực nghiệm
Trong mục này sẽ trình bày một số các kết quả thực nghiệm dùng điều khiển DANSMC đã được thực hiện trên con lắc ngược xoay. Thực nghiệm thành công phương pháp điều khiển DNASMC trên đối tượng con lắc ngược xoay có nghĩa quan trọng trong việc khẳng định tiềm năng của phương pháp này khi áp dụng vào các đối tượng phi tuyến trong thực tế vì:
Con lắc ngược xoay là một đối tượng phi tuyến không cực tiểu pha, bất ổn, có một ngõ vào điều khiển cho hai bậc tự do, rất khó điều khiển, là một đối tượng lý tưởng được dùng để thử nghiệm các phương pháp điều khiển trong phòng thí nghiệm. Phần lớn các nghiên cứu về điều khiển đều được thử nghiệm trên các loại con lắc để kiểm chứng về tính ổn định, bền vững, và chất lượng điều khiển.
Các phương pháp kinh điển thường được dùng đểđiều khiển con lắc ngược xoay là các phương pháp điều khiển tuyến tính thường phải thông qua việc nhận dạng các thông số của mô hình đối tượng. Chất lượng của quá trình điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của quá trình nhận dạng. Điều khiển thành công con lắc ngược xoay thực với đáp ứng như mong muốn mà không thông qua quá trình nhận dạng trước các thông số mô hình sẽ chứng tỏ được khả năng thích nghi rất mạnh của mô hình điều khiển DANSMC và mở ra nhiều khả năng ứng dụng rộng rãi của mô hình điều khiển ngay cả trong những trường hợp không biết trước thông số mô hình đối tượng.
Con lắc thực nghiệm có thông số rất không ổn định (các thông số đối tượng biến thiên liên tục do độ rơ cơ khí và ma sát không đều). Ngoài ra nhiễu trên các cảm biến và độ rung cơ khí tạo nên các loại nhiễu với cường độ lớn, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển. Đây là một mô hình lý tưởng để thử nghiệm tính bền vững của mô hình điều khiển DANSMC trong điều kiện có tính tới các thành phần bất định.
57
Mục đích của quá trình thực nghiệm là nhằm kiểm chứng chất lượng cũng như khả năng thích nghi và tính bền vững của mô hình điều khiển DANSMC trước sự thay đổi của các thông số bên trong của đối tượng (như chiều dài và khối lượng của con lắc); sự bất ổn về cơ khí cũng như ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài tác động vào hệ thống.
Mô hình con lắc thực nghiệm và các công cụ
Một mô hình kết cấu cơ khí con lắc ngược xoay được thực hiện nhưở hình 4.16. Cánh tay con lắc được gắn vào một động cơ một chiều 24V DC và được điều khiển bằng IC công suất loại điều động xung LM18200.
Hai encoder có độ phân giải 2000 điểm/ vòng được dùng làm hai bộ đo hai góc
β của con lắc và α của cánh tay quay.
Kết cấu phần cứng mô hình điều khiển như mô tả trên hình 4.15
Hình 4-15 Kết cấu phần cứng mô hình thực nghiệm đểđiều khiển trượt thích nghi phân ly con lắc ngược xoay dùng mạng nơ-ron
58
59
Hình 4-17 Sơđồ khối chip vi điều khiển TMS320 2812
Bộ phận mô phỏng bộ điều khiển dùng mạng nơ-ron và tính toán cập nhật được lập trình trên cơ sở bo mạch ezdsp TMS320 2812 sử dụng DSP TMS320 2812 là một vi xử lý tín hiệu số có tốc độ tính toán rất cao. Một sốđặc điểm của chip DSP này như sau:
- Tần số xung nhịp tối đa của DSP lên đến 150MHz - Điệp áp cung cấp loại thấp 3.3V.
- Bộ nhớ trong của chip bao gồm 128K x 16 Flash, 128x16 ROM, hai khối bộ nhớ 4Kx16 SRAM địa chỉ vùng thấp, hai khối bộ nhớ 1Kx16 SRAM địa chỉ trung bình, và 1 khối 4Kx16 SRAM địa chỉ vùng cao. Chip có khả năng khởi động từ Boot ROM 4Kx16.
60
- Khối mở rộng ngắt thiết bị, hỗ trợ 45 ngắt thiết bị - 3 bộ timer CPU
- Các thiết bịđiều khiển motor gồm hai bộ quản lý sự kiện EVA và EVB
- Các thiết bị quản lý cổng nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), SCI (Serial Communications Interfaces), eCAN (Enhanced Controller Area Network), McBSP (Multichannel Buffered Serial Port)
- 16 kênh ADC 12 bit, tốc độ chuyển đổi 80ns/12.5 MSPS - 56 chân vào ra đa dụng
- Có các cấu trúc mô phỏng nâng cao bao gồm các chức năng phân tích và dừng theo điểm, gỡ rối thời gian thực thông qua phần cứng.
Các công cụđể phát triển bao gồm: - Bộ biên dịch ANSI C/C++/Assembler - Phần mềm CCS (Code Composer Studio) - Các bộđiều khiển JTAG
Các thiết bị ngoại vi được sử dụng trong bộđiều khiển DANSMC là hai ngõ vào EVA, EVB được thiết lập để hoạt động như hai bộ giải mã encoder để đo giá trị hai góc tay quay và góc con lắc α và β. DSP TMS3202812 cho phép cài đặt để nhân số xung nhận được từ các encoder lên bốn lần. Như vậy độ phân giải của các thiết bị đo góc ở đây là 360/(8000) độ. Một thiết bị PWM bên trong DSP biến đổi giá trị DC để điều khiển động cơ thành tín hiệu điều động xung. Việc biến đổi tín hiệu điều động xung thay vì tín hiệu liên tục nhằm mục đích đơn giản hóa mạch công suất điều khiển motor, giảm tổn hao điện do nhiệt và thực hiện được mạch công suất điều khiển lớn hơn so với mạch công suất hoạt động với tín hiệu liên tục.
Chương trình mô tả bộ điều khiển trượt thích nghi phân ly được viết bằng ngôn ngữ C trên nền phần mềm máy tính CSS. Các kết quảđiều khiển có thểđược thể hiện lại dưới dạng đồ họa.
Tần số lấy mẫu của bộđiều khiển được cài đặt ở tần số 0.5 KHz, và tần số của bộ điều động xung được cài đặt ở tần số gấp năm lần tần số lấy mẫu.
Phương thức tiến hành thực nghiệm
Con lắc thực nghiệm (hình 4.16), có ổ nối xoay, nối con lắc gắn vào tay xoay, qua đó có thể thay đổi các con lắc có chiều dài và khối lượng khác nhau.
61
Đầu tiên một con lắc có chiều dài 40 cm khối lượng 40 gram được gắn vào đế tay xoay để thực hiện việc huấn luyện mạng giống nhưđã mô tả trong mục 4.1.
Các hình 4.18, 419, 4.20 lần lượt là biều diễn các đáp ứng của các góc α, β , và tín hiệu điều khiển u sau quá trình huấn luyện. Khởi đầu con lắc được đặt ở vị trí cân bằng dưới. Tiếp theo con lắc được nâng lên dần về phía vị trí cân bằng trên bằng phương pháp tích lũy thế năng (trong khuôn khổ nội dung luận án không đề cập chi tiết vấn đề này). Biên độ dao động của con lắc tăng dần cho đến khi góc con lắc đạt tới độ cao nhỏ hơn hoặc bằng 300 so với vị trí cân bằng trên thì bộ điều khiển sẽ được chuyển sang làm việc ở chế độđiều khiển DANSMC (thời gian để di chuyển từ vị trí cân bằng dưới lên đến vị trí cân bằng trên là khoảng 4s).
Các kết quả cho thấy biên độ dao động của con lắc ở vị trì cân bằng trên chỉ vào khoảng ± 10, và biên độ dao động của cánh tay con lắc vào khoảng ±30. Tín hiệu điều khiển có dạng liên tục với biên độ chỉ vào khoảng ±2v.
Một thí nghiệm tiếp theo được tiến hành để so sánh các đáp ứng của hệ thống khi thay đổi các thông số của con lắc. Một con lắc có chiều dài 20cm và khối lượng 40 gram được đưa vào để thực nghiệm để lấy các số liệu vềđáp ứng vị trí góc con lắc và cánh tay quay con lắc. Vị trí ban đầu của con lắc là -150 so với vị trí cân bằng trên. Tiếp theo ba con lắc khác lần lượt có chiều dài gấp đôi, gấp 2,5 lần và khối lương gần gấp đôi cũng được tiến hành làm thực nghiệm để lấy kết quả so sánh. Các hình 4.21 và 4.22 là các kết quả của bốn lần thực nghiệm, cho thấy chất lượng điều khiển thay đổi không đáng kể trong khi các thông số của con lắc thay đổi lớn (hơn gấp đôi). Điều này khẳng định khả năng thích nghi bền vững của hệ thống điều khiển DANSMC.
Một khó khăn gặp phải trong quá trình thực nghiệm là vì thực chất các nguồn cung cấp điều khiển có dạng hàm bão hòa, nên bộ điều khiển trượt mạng nơ-ron chỉ thực sự có giá trị khi tín hiệu điều khiển mong muốn có giá trị nhỏ hơn mức biên của vùng bão hòa. Để phủ kín vùng tín hiệu điều khiển ở ngoài biên giới của vùng điều khiển tuyến tính, tín hiệu điều khiển dùng mạng nơ-ron có thể được thay thế bằng tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh của điều khiển trượt cổđiển. Khi đó ngưỡng biên của vùng điều khiển thành công phụ thuộc vào mức ngưỡng vùng bão hòa.
62
Hình 4-18 Đáp ứng của trong 30 giây.(lật lên và ổn định)
63
64
65
66