Với sự phát triển chung của xã hội. Ngành kỹ thuật máy tính công nghệ phần mềm đã mở ra cho chúng ta nhiều đột phá mới. Áp dụng vào công tác nghiên cứu và giảng dạy những công cụ rất mạnh đó là mô hình hóa mô phỏng. Ở bài viết này, tôi muốn nói đến một công cụ có sức ảnh hưởng rất lớn vô cùng mạnh mẽ là MATLAB, phục vụ cho việc phân tích thiết kế các hệ thống điều khiển chuyển động, cũng như trong công tác nghiên cứu và giảng dạy môn học này.

Mô hình hóa mô phỏng trong hệ thống điều khiển chuyển động

Các hệ thống điều khiển chuyển động thông thường được xây dựng nhằm mục đích truyền động một cơ cấu hay một hệ thống máy nào đó của một công đoạn sản xuất nhất định theo yêu cầu của công nghệ. Một hệ thống điều khiển chuyển động bao gồm bộ biến đổi năng lượng, động cơ truyền động và hệ thống cơ. Thực tế sản xuất rất đa dạng nên đòi hỏi phải có rất nhiều hệ thống truyền động với công suất, chất lượng điều khiển khác nhau với các loại động cơ khác nhau. Để đáp ứng được yêu cầu đó của thực tiễn công tác nghiên cứu và giảng dạy gặp rất nhiều khó khăn do giá thành của một hệ thống truyền động là khá cao. Tuy nhiên, trong những năm gần đây với sự phát triển của công nghệ vi điện tử và kỹ thuật tin học đã mở đường cho công tác nghiên cứu và giảng dạy môn truyền động điện một công cụ rất mạnh, đó là mô hình hóa mô phỏng hệ thống truyền động trên máy tính.

Bộ biến đổi năng lượng trong hệ thống điều khiển chuyển động

Ngày nay bộ biến đổi năng lượng được sử dụng phổ biến là bộ biến đổi điện năng sử dụng linh kiện bán dẫn, trong đó dạng bộ biến đổi được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong hệ truyền động xoay chiều ba pha là nghịch lưu nguồn áp. Chúng ta sẽ đề cập tới vấn đề mô phỏng hai dạng cơ bản của nghịch lưu nguồn áp nó được gọi là nghịch lưu nguồn áp sử dụng khâu điều chỉnh dòng hai vị trí và nghịch lưu nguồn áp điều chế vector không gian. Nghịch lưu nguồn áp sử dụng khâu điều chỉnh dòng hai vị trí có các tính hiệu đầu vào là lượng đặt dòng điện là Iu, Iv, Iw và các tính hiệu dòng điện đo lường về là IU, IV,IW. Ứng với đầu ra của nghịch lưu nguồn  điện áp 3 pha là U, V, W. Điện áp ra Ut sẽ chuyển từ giá trị -V qua giá trị 0 tới giá trị +V khi e tăng qua giá trị denta i. Tùy theo tính chất tải và giá trị dòng điện Ut có thể lưu lại giá trị 0 trong một khoảng thời gian an toàn ( khoảng thời gian mà van phía trên đã khóa nhưng van phía dưới chưa dẫn, hoặc chuyển ngay cực tính. Vấn đề cần lưu tâm khi mô phỏng bộ nghich lưu loại này là thực tế bộ điều khiển chỉnh dòng hoạt động liên tục nên điện áp ra sẽ chuyển trạng thái khi đủ điều kiện còn khi mô phỏng các giá trị được tính theo từng bước và nó dẫn tới sai số giữa kết quả mô phỏng và thực tế. Do kết quả tính toán của bước trước sẽ là điều kiện của bước tính sau nên sai số sẽ bị tích lũy và dẫn tới sai lệch lớn giữa mô phỏng và thực tế. Việc lựa chọn bước tính cho bộ nghịch lưu nhỏ hơn bước tính của cả hệ thống nhiều lần thì sẽ giảm được sai số nhưng nó sẽ làm tăng thời gian tính toán. Một đặc điểm nữa trong thực tế là khi transistor ngắt thì dòng điện tải không phải bằng không ngay mà nó được khéo kín mạch qua diot nối song song với transistor nên trong khoảng thời gian an toàn điện áp trong trường hợp dòng dẫn điện liên tục và dòng dẫn gián đoạn là khác nhau. Nghich lưu điều chế vector không gian với những lợi thế của mình ngày càng được sử dụng rộng rãi. Sơ đồ khối mô tả nghịch lưu điều chế vector và không gian được diễn tả ở hình trên. Trong đó thuật toán điều chế vector không gian và việc tính toán thời gian đóng cắt của các van theo hàm số được tính toán phức tạp và có chọn lọc. Vấn đề cần chú ý trong việc mô phỏng phần nghịch lưu loại này là việc lựa chọn tần số đóng cắt xung. Tùy theo phương pháp điều chế mà ta sử dụng cho nghịch lưu thực tế là đồng bộ hay không đồng bộ, mà chúng ta sẽ có cách lựa chọn tần số đóng cắt xung khác nhau. Để đảm bảo hoạt động đồng bộ của bộ nghịch lưu với tần số làm việc của động cơ trong trường hợp ta sử dụng phương pháp điều chế đồng bộ ta lựa chọn tần số đóng cắt xung là tần số công tác và Nx là số lượng xung cắt trong phạm vi một chu kỳ công tác.

Động cơ, đối tượng mô hình hóa mô phỏng

Động cơ đồng bộ.

Do tính chất của loại động cơ này quay đồng bộ với từ trường stator nên việc mô phỏng sẽ gặp thuận lợi hơn khi chúng ta sử dụng mô hình trên trục tọa độ quay đồng bộ với từ trường stator, hệ trục tọa độ d,q. Phương trình điện áp mô tả động cơ trong hệ trục tọa độ d,q  được biểu diễn một chuỗi các phép tính phức tạp, và phải sử dụng toán tử Laplace. Từ đó chúng ta có thể xây dựng mô hình động cơ đồng bộ. Tuy nhiên, các phương trình trên được xây dựng trên giả thiết động cơ hoạt động trong chế độ chưa bão hòa và giả thiết rằng điện cảm của động cơ là một hằng số. Điều này sẽ không còn đúng nữa khi động cơ bị bão hòa, và ngay cả khi động cơ chưa bị bão hòa thì không chính xác hoàn toàn nên nó dẫn tới sai số kết quả mô phỏng và động cơ thực tế. Vậy để mô phỏng được hoạt động của động cơ cả trong chế độ bão hòa chúng ta phải xây dựng sơ đồ tính toán các điện cảm Ld và Lq một các liên tục từ dòng điện theo đặc tính cho trước. Lưu ý rằng đối với điện cảm theo trục d thì dạng đặc tính bão hòa không như dạng thông thường vì các đặc tính từ hóa theo chiều trợ từ và khử từ là khác nhau. Tính bão hòa theo chiều trợ từ thể hiện rất rõ ở giá trị dòng điện Id bắt đầu lớn hơn 2 lần giá trị định mức trong khi theo chiều khử từ và điện cảm theo trục q vẫn thể hiện tính tuyến tính tại giá trị này. Các đặc tính này có thê được cho bởi nhà sản xuất hoặc ta có thể tự xây dựng bằng cách thí nghiệm. Với cách độc lập mô hình toán học tương tự thu được hệ phương trình vi phân của vector dòng stator và dòng từ hóa trên hệ trục tọa độ từ thông rotor cùng với phương trình momen ta lập được mô hình động cơ trên hệ trục tọa độ Dq. Trong thực tế, không phải lúc nào tham số động cơ cũng là hằng số như trong mô hình tham số hằng. Khi hoạt động, nhiệt độ động cơ tăng lên dẫn đến sự thay đổi thông số điện trở hay dòng từ hóa vượt qua vùng tuyến tính dẫn đến hiện tượng bão hòa từ. Khi động cơ hoạt động trong chế độ bão hòa từ, thông số hỗ cảm giữa cuộn dây roto và stator Lm và dòng Im quan hệ với nhau theo hàm phi tuyến. Các thông số bị ảnh hưởng do hiện tượng bão hòa từ . Để giải quyết vấn đề này, trong mô hình toán học động cơ, khối mô hình được thiết kế với đầu vào cho đường đặc tính từ hóa . Tại mỗi bước tính, chương trình nội suy theo đường cong tìm giá trị Lm của bước tìm trước và tính lại các giá trị tham số động cơ.Theo đó với mô hình này, khối có thể mô phỏng đông cơ cả ở chế độ hệ số hằng ( đoạn tuyến tính trên đường cong) và chế độ bão hòa từ.

Máy điện dị bộ nguồn kép

Máy điện dị bộ nguồn kép xuất phát từ khả năng cấp nguồn tử cả phía rotor và stator hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng tới 30% , đối với trường hợp này sử dụng phương trình mô phỏng hệ trục tọa độ anpha và bêta quay đồng bộ với từ trường statore và có trục thực tựa theo vector điện áp sẽ có nhiều thuận lợi hơn.Nó được xuất phát từ hệ phương trình điện áp, từ thông stator và rotor.

Động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có hai mạch tách biệt là mạch kích từ và mạch phần ứng. Mạch kích từ của động cơ một chiều là một mạch RL. Do vậy phương trình điện áp của mạch kích từ được biểu diễn với Uk, Ik, Rk tương ững là điện áp, dòng điện và điện trở mạch kích từ với góc phi là từ thông. Sử dụng phép biến đổi Laplace có phương trình điện áp của  mạch kích từ, được biểu diễn trong đó Rk là điện trở phần ứng, Nk là số vòng dây của cuộn kích từ. Tương tự ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng, trong đó Lư là điện cảm mạch phần ứng H, Nn là số vòng dây của cuộn kích từ nối tiếp ,Ru là điện trở của mạch phần ứng, K là hệ số kết cấu của máy. Từ đó chúng ta xây dựng mô hình động cơ một chiều, tuy nhiên quan hệ denta không phải tuyến tính mà có đặc tính của đường bão hòa do vậy mô hình phải cho phép thiết lập mối quan hệ này.

Công cụ phát triển

Matlab do tập đoàn MathWorks phát triển, từ lâu đã trở thành không chỉ là một công cụ cho tính toán thuận tiện mà đã cũng cấp cho người làm kỹ thuật một phần mềm mô hình hóa, mô phỏng đầy sức mạnh. Mô phỏng quá trình truyền động nói riêng và các quá trình chuyền động nói chung có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm, tuy nhiên để chọn một công cụ tốt nhất thì đó là Matlab -Simulink. Với Matlab ta có :Một chương trình tính toán hiệu năng cao, nhiều thuật toán những rất thuận tiện lập trình. Simulink là môi trường mô hình hóa và mô phỏng giao diện đồ họa, có một tập hợp các Toolbox với rất nhiều khối hàm. Và là một môi trường mở cho phát triển các thư viện, trong simulink hầu hết các toolbox được phát triển bởi các trường đại học, các viện nghiên cứu. Để xây dựng các khối mô hình hóa một thiết bị thực, một quá trình , công việc quan trong nhất cần làm là xây dựng lên mô hình toán học mô tả chúng. Đây là một công việc đòi hỏi công sức và thời gian nhất. Một mô hình càng mô phỏng sát thực tế với đối tượng được mô phỏng càng có hệ các phương trình toán học phức tạp. Đồng thời với điều này, thời gian tính toán mô phỏng cũng tăng lên, trong Matlab để giảm thời gian tính toán mô phỏng các hàm được viết lại bằng ngôn ngữ C và biên dịch và đưa vào các thư viện liên kết động. Thực tế cho thấy, khi chuyển sang ngôn ngữ C, với những block phức tạp, tốc độ tính toán nhanh khoảng hai lần.

Hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực có xét tới trễ truyền thông.

Ở bài này phân tích đặc điểm của sự chậm trễ truyền thông và ảnh hưởng của nó trong hệ điều khiển phân tán từ đó đề xuất một số phương pháp mô hình hóa sự chậm trễ truyền thông trong các hệ thống điều khiển có trễ phục vụ cho việc phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển có xét tới ảnh hưởng của trễ truyền thông.

Vấn đề tồn tại

Hệ thống điều khiển phân tán ( Distributed Control System ) bao gồm nhiều bộ phận điều khiển và máy tính hoạt động đồng thời và cùng phối hợp để điều khiển quá trình công nghệ. Việc sử dụng mạng truyền thông làm cho hệ thống điều khiển có tính mềm dẻo, tính module hóa và tính mở. Hệ thống điều khiển phân tán có nhiều ưu điểm nổi bật như vậy trong quá trình điều khiển phân tán luôn tồn tại sự chậm chễ do việc truyền thông gây ra, Sự chậm trễ này có tính ngẫu nhiên và nó làm giảm chất lượng điều khiển của hệ thống , dẫn tới sự hạn chế khả năng ứng dụng của hệ điều khiển phân tán cho những đối tượng yêu cầu tính thời gian thực cao. Sự chậm trễ điều khiển này do sự chậm pha, hơn nữa sự chậm pha này lại không đồng đều nên nó ảnh hưởng tới sự ổn định và chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển quá trình công nghệ. Vấn đề sẽ trở nên đặc biệt trầm trọng hơn khi sự chậm chễ này lớn hơn cả chu kỳ lấy mẫu.

Đặc trưng của hệ trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán.

Để khảo sát đặc trưng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán chúng ta xét một mạch vòng điều khiển điển hình bao gồm cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành được nối với nhau bằng mạng truyền thông. Thông tin trao đổi giữa các bộ phận của hệ điều khiển bằng cách truyền thông trên mạng. Việc truyền thông điệp trên mạng thường mất một khoảng thời gian và đây chính là sự châm chễ trong truyền thông. Trong một vài trường hợp sự chậm trễ truyền thông có thể gần như một hằng số nhưng trong nhiều trường hợp nó thay đổi một cách ngẫu nhiên. Sự chậm chễ truyền  thông phụ thuộc vào tốc độ tải mạng. mức độ ưu tiên của các thông tin khác truyền trên mạng, của nhiễu điện từ, chính điều này đã làm nên tính ngẫu nhiên của khoảng thời gian truyền tin.

Các dạng trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán:

Trong các ví dụ chúng tôi đưa ra, thấy có 3 loại chậm trễ thông thường trong hệ điều khiển phân tán: Sự chậm trễ truyền tin giữa các cảm biến và bộ điều khiển. Sự chậm trễ do quá trình tín toán của bộ điều khiển. Sự chậm trễ truyền tin giữa bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành.Và sự chậm trễ điều khiển bằng tổng các sự điều khiển chậm trễ trên. Trong đó thành phần Tkc phụ thuộc vào độ phức tạp của thuật toán điều khiển và năng lực tính toán của hệ vi sử lý điều khiển. Trong hệ thống điều khiển phân tán thông tin được truyền thông và xử lú bao gồm các thông tin về dữ liệu điều khiển và thông điệp truy nhập như tên người dùng và mật khẩu, thông điệp cấu trúc hệ thống, các thông điệp yêu cầu và đáp ứng, các thông điệp về trạng thái làm việc, thông điệp lỗi. Trong các thông tin kể trên thì chỉ có thông tin về dữ liệu điều khiển là loại thông tin được gửi một cách chu kỳ trên mạng còn các thông tin khác có tính chất sự kiện. Bộ điều khiển phải xử lý thất cả các thông tin trên nên trong thực tế thành phần TKC không hoàn toàn là hằng số. Tuy nhiên chúng ta hoàn toàn có thể kiểm soát được đại lượng này bằng cách nâng cao năng lực, xử lý của hệ vi xử lý và có thể coi nó gần như là hằng số. Hai thành phần còn lại có tính ngẫu nhiên và do vậy chúng ta sẽ phải nghiên cứu ảnh hưởng của chúng và tìm phương án khắc phục.

Nguyên nhân của sự chậm trễ truyền thông

Khi sử dụng mạng để truyền thông thì trễ truyền thông không thể tránh khỏi và nó do các nguyên nhân sau. Trễ do tốc độ truyền tin của đường mạng,. Tốc độ truyền tin tổng thể phụ thuộc vào tần số của tín hiệu mang thông tin và ta không thể tăng lên tùy ý mà nó bị giới hạn bởi băng thông của đường truyền, bởi công nghệ chế tạo của các thiết bị mạng. Định dạng của gói thông tin phụ thuộc vào giao thức truyền thông (protocol). Đối với mạng có thế bị truyền dẫn nhất định và giao thức truyền thông xác định thì tốc độ truyền tin của đường mạng là xác định và do vậy trễ do tốc độ truyền tin của đường mạng là hoàn toàn xác định.

Trễ do nhiễu tác động lên quá trình truyền tin

Quá trình truyền tin chỉ thành công khi nút mạng nhận dữ liệu nhận được dữ liệu đúng với dữ liệu truyền đi bởi nút truyền. Trong thực tế xác suất nhận được dữ liệu luôn luôn nhỏ hơn một do ảnh hưởng của nhiễu dẫn đến việc truyền tin dữ liệu có thể bị lỗi. Khi việc truyền dữ liệu bị lỗi, ta phải tiến hành truyền lại cho tới khi nút mạng nhận dữ liệu xác nhận là đã nhận dữ liệu đúng. Để giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường lên mạng truyền dữ liệu. Người sử dụng thiết bị mạng có chống nhiễu kết hợp với các truyền thông chống nhiễu ( cáp xoắn, cáp đồng trục ) hoặc an toàn nhất là cáp quang. Tuy nhiên cũng không thể loại bỏ được hoàn  toàn sự chậm trễ truyền thông do ảnh hưởng của nhiễu này. Sự chậm trễ truyền thông do phải truyền lại này phụ thuộc vào nhiễu. Bản thân nhiễu có tính ngẫu nhiên nên sự chậm trễ này có tính ngẫu nhiên.

Trễ do thời gian đợi đường mạng sẵn sàng cho truyền tin

Thông thường trên một đường dây mạng bao giờ cũng gồm nhiều nút mạng và điều này dẫn tới việc truyền dữ liệu sẽ phải đợi tới khi việc truyền nhận dữ liệu của các nút mạng khác kết thúc. Nếu có một vài thông điệp cần truyền cũng đợi đợi để truyền thì cũng cần thời gian cần thiết để hoàn thành công việc truyền các thông điệp đang đợi này. Kích thước của thông điệp đang truyền và số lượng thông điệp đang đợi để truyền là ngẫu nhiên nên thời gian đợi đường mạng trở nên sẵn sàng cũng có tính ngẫu nhiên.

Trễ do đường mạng rơ vào trạng thái tranh chấp ( collison)

Trong một số kiểu mạng đặc biệt là mạng sử dụng phương thức truy nhập theo kiểu CSMA/CD trạng thái tranh chấp ( conllision) có thể xảy ra nếu có hai nút mạng cùng phát hiện đường mạng đang sẵn sàng và gửi dữ liệu một lúc. Khi nút mạng tăng lên thì xác xuất xảy ra tranh chấp cũng tăng lên. Trạng thái trang chấp này gây ra chậm trễ truyền thông trên mạng và sự chậm trễn này mang tính ngẫu nhiên. Các phương thức truy nhập khác cũng mạng lại một sự chậm trễ truyền thông ngẫu nhiên do sự hoạt động không đồng bộ của các nút mạng. Trong hệ thống điều khiển phân tán, các nút mạng hoạt động thường không đồng bộ với nhau và do vậy sự chậm chễ của một lần truyền tin có thể do một số nguyên nhân trên gây ra. Số lượng nguyên nhân này có tính ngẫu nhiên cộng với tính ngẫu nhiên của các nguyên nhân trễ làm cho sự chậm trễ tổng thể của quá trình truyền tin mang tính ngẫu nhiên. Hình trên biểu đạt của sự chậm trễ truyền thông trong hai trường hợp tải của mạng nhỏ và tải của mạng lớn.

Khắc phục của ảnh hưởng trễ truyền thông

Tính ngẫu nhiên của sự chậm trễ truyền thông làm cho hệ thống trở thành hệ có tham số thay đổi theo thời gian. Điều này làm suy giảm chất lượng điều khiển của các hệ thống điều khiển, thậm chí có thể gây mất ổn định. Một số hướng nghiên cứu đã và đang được tiến hành nhằm khắc phục ảnh hưởng này, trong đó phương án đưa hệ thống trở thành bất biến theo thời gian đã được ứng dụng thực tế.