Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐINH VĂN NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN

ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - NĂM 2018

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐINH VĂN NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN

ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP

Chuyên ngành: Kỹthuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Nguyễn Như Hiển

GS.TS Nguyễn Doãn Phước

THÁI NGUYÊN - NĂM 2018

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Đinh Văn Nghiệp, đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa – Khoa

Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam

đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các

nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực

và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp

iv

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận

được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và

các tổ chức. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn

chân thành tới:

Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện-Trường Đại học Kỹ thuật Công

nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật

Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận

lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.

Phó giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Như Hiển và Giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Doãn Phước,

những người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều

kiện thuận lợi cho tôi.

Thầy giáo Nguyễn Ngọc Kiên, trưởng bộ môn Tự động hóa, người thầy tâm

huyết luôn quan tâm, chỉ bảo, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá

trình học tập và nghiên cứu.

Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa và Khoa Điện trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động và Viện Điện của trường đại

học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh bản

luận án này.

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em, người vợ yêu quý và hai con đã

luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp

v

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................iv

MỤC LỤC..................................................................................................................V

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... viii

Các kí hiệu............................................................................................................... viii

Các chữ viết tắt...........................................................................................................xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................xvi

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án..........................................................................1

2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu................................................1

3. Mục tiêu của luận án............................................................................................1

4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................2

5. Bố cục của luận án...............................................................................................3

CHƯƠNG 1 ................................................................................................................5

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR MIMO

SYSTEM (TRMS) ......................................................................................................5

1.1. Khái quát chung về Twin Rotor MIMO System (TRMS) ...............................5

1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về TRMS ..................................................8

1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về TRMS ..................................................17

1.4. Kết luận ..........................................................................................................18

CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................19

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS ..........................19

vi

2.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................19

2.2. Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS..........................................19

2.3. Mô phỏng và đánh giá chất lượng của mô hình .............................................28

2.4. Kết luận ..........................................................................................................31

CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................32

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS.......32

3.1. Các bộ điều khiển hiện nay ............................................................................32

3.2. Đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR .....32

3.3. Kết quả mô phỏng ứng dụng với TRMS ........................................................47

3.4. Kết luận ..........................................................................................................57

CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................58

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.........................................................................................58

4.1. Mục đích.........................................................................................................58

4.2. Cấu trúc điều khiển RHC với LQR cho TRMS trong thực nghiệm...............58

4.3. Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm..........................................................60

4.4. Hệ thống thí nghiệm thuật toán điều khiển vị trí............................................67

4.5. Kết quả thực nghiệm và nhận xét...................................................................71

4.6. Kết luận ..........................................................................................................77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................78

Kết luận..................................................................................................................78

Kiến nghị ...............................................................................................................78

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI............80

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................81

PHỤ LỤC..................................................................................................................87

vii

Phụ lục 1. Chương trình lập trình ..........................................................................87

Phụ lục 2. Cảm biến dòng điện độ nhạy cao .......................................................118

Phụ lục 3. Các bước tiến hành thiết lập và chạy thực nghiệm ............................121

Phụ lục 4. Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng bộ điều khiển RHC

với LQR...............................................................................................................127

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các kí hiệu

Ký hiệu Mô tả (ý nghĩa)

v

Chuyển vị góc trong mặt đứng của TRMS (Pitch angle)

h

Chuyển vị góc trong mặt ngang của TRMS (Yaw angle)

 m

Chuyển vị góc của cánh quạt chính

t

Chuyển vị góc của cánh quạt đuôi

m

Vận tốc góc của cánh quạt chính

t

Vận tốc góc của cánh quạt đuôi

v

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt đứng chưa xét ảnh hưởng xen

kênh

h

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt ngang chưa xét ảnh hưởng xen

kênh

m

Từ thông của động cơ chính

m

Từ thông của động cơ đuôi

Bmr

Hệ số ma sát nhớt của động cơ chính

Btr

Hệ số ma sát nhớt của động cơ đuôi

Bv

Hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt đứng

Bh

Hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt ngang

am e

Sức phản điện động phần ứng của động cơ chính

at e

Sức phản điện động phần ứng của động cơ đuôi

m

emf e

Sức phản điện động phần ứng của động cơ chính

t

emf e

Sức phản điện động phần ứng của động cơ đuôi

i e

Véc tơ đơn vị trong

3

Fv

Ma sát trượt khớp quay trong mặt đứng

Fh

Ma sát trượt khớp quay trong mặt ngang

  F

v m

Lực đẩy do cánh quạt chính tạo ra

  Fh t

Lực đẩy do cánh quạt đuôi tạo ra

g

Gia tốc trọng trường

h

chiều dài của chốt quay

h1

chiều dài phần sau của chốt quay

ix

H

Chiều cao từ mặt đế đến chốt quay

J 1

Mô men quán tính của thanh ngang

J 2

Mô men quán tính của thanh đối trọng

J 3

Mô men quán tính của chốt quay

J 4

Mô men quán tính của đuôi chốt quay

mm J

Mô men quán tính của rotor động cơ một chiều

m prop ,

J

Mô men quán tính của cánh quạt chính

t prop ,

J

Mô men quán tính của cánh quạt đuôi

mr J

Tổng mô men quán tính của động cơ chính và cánh quạt chính

tr J

Tổng mô men quán tính của động cơ đuôi và cánh quạt đuôi

v

J

Tổng mô men quán tính trong mặt đứng

h

J

Tổng mô men quán tính trong mặt ngang

kam

Hằng số sức phản điện động của động cơ chính

at k

Hằng số sức phản điện động của động cơ đuôi

g

k

Hệ số hiệu ứng Gyroscope

K

Động năng

K1

Động năng của thanh ngang

K 2

Động năng của thanh đối trọng

K3

Động năng của chốt quay

K 4

Động năng của cánh quạt chính

K5

Động năng của cánh quạt đuôi

T 2

l

Khoảng cách từ trọng tâm của thanh đối trọng đến chốt quay

b

l

Chiều dài của thanh đối trọng

cb l

Khoảng cách từ đối trọng đến chốt quay

lm

Chiều dài phần chính của thanh ngang

t

l

Chiều dài phần đuôi của thanh ngang

Lcb

Chiều dài của đối trọng

Lm

Điện cảm phần ứng của động cơ chính

Lt

Điện cảm phần ứng của động cơ đuôi

am i

Dòng điện phần ứng của động cơ chính

at i

Dòng điện phần ứng của động cơ đuôi

m

Khối lượng

x

mT 1

Tổng khối lượng của thanh ngang

T 1

l

Trọng tâm của thanh ngang

mt

Khối lượng phần phía bên cánh quạt đuôi của thanh ngang

mtr

Khối lượng động cơ đuôi

mts

Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt đuôi

mm

Khối lượng phần phía bên cánh quạt chính của thanh ngang

mmr

Khối lượng động cơ chính

mms

Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt chính

mb

Khối lượng của thanh đối trọng

mT 2

Tổng khối lượng của thanh đối trọng

mcb

Khối lượng của đối trọng

mh

khối lượng của chốt quay

mh1

khối lượng phần sau của chốt quay

Mv

Tổng hợp mô men trong mặt phẳng đứng (ảnh hưởng tới góc

 v

)

Mh

Tổng hợp mô men trong mặt phẳng bằng (ảnh hưởng tới góc

 h

)

Mm

Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt chính

Mt

Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt đuôi

ms r

Bán kính vành bảo vệ cánh quạt chính

ts r

Bán kính vành bảo vệ cánh quạt đuôi

mm r

Bán kính rotor động cơ chính

mt r

Bán kính rotor động cơ đuôi

cb r

Bán kính của đối trọng

Ram

Điện trở phần ứng của động cơ chính

Rat

Điện trở phần ứng của động cơ đuôi

Sv

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt đứng có ảnh hưởng xen kênh

Sh

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt ngang có ảnh hưởng xen kênh

T

mr

Hằng số thời gian của hệ cánh quạt-động cơ chính

Ttr

Hằng số thời gian của hệ cánh quạt-động cơ đuôi

m 

Mô men điện từ của động cơ chính

t



Mô men điện từ của động cơ đuôi

uam

Điện áp phần ứng động cơ chính truyền động cánh quạt chính

at u

Điện áp phần ứng động cơ đuôi truyền động cánh quạt đuôi

xi

um

Điện áp điều khiển ứng với động cơ truyền động cánh quạt chính

ut

Điện áp điều khiển ứng với động cơ truyền động cánh quạt đuôi

vv u

Điện áp đặt vào phần ứng động cơ chính [25]

uv

Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động cơ chính [25]

hh u

Điện áp đặt vào phần ứng động cơ đuôi [25]

h u

Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động cơ đuôi [25]

V

Thế năng

V1

Thế năng của thanh ngang

V 2

Thế năng của thanh đối trọng

V3

Thế năng của chốt quay

Các chữ viết tắt

A/D Analog / Digital

AC Alternating Current

DC Direct Current

DMC Dynamical Matrix Control

GA Genetic Algorithm

ISS Input-to-State Stable

LQG Linear Quadratic Gausian

LQR Linear Quadratic Regulator

LTI Linear Time - Invariant

MBTT Máy bay trực thăng

MIMO Multiple Input Multiple Output

MPC Model Prediction Control

PD Proportional–Derivative

PID Proportional–Integral–Derivative

PWM Pulse Width Modulation

rad radian

RHC Receding Horizon Control

rpm revolutions per minute

s second

TRMS Twin Rotor MIMO System

xii

TTL Transistor-Transistor Logic

UAV Unmanned Aerial Vehicle

VDC Volts Direct Current

xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Twin Rotor MIMO System (TRMS) ..........................................................5

Hình 1.2. Các vị trí trong không gian 3 chiều của TRMS [3].....................................6

Hình 1.3. Vị trí góc trong mặt đứng

v

của TRMS....................................................6

Hình 1.4. Vị trí góc trong mặt ngang

h

của TRMS...................................................7

Hình 1.5. Bộ điều chỉnh PID với khâu lọc vi phân [44] ...........................................12

Hình 1.6. Bộ điều chỉnh PID dựa trên hàm sigmoid cho TRMS [9] ........................12

Hình 1.7. Cấu trúc Newton MPC phản hồi trạng thái cho TRMS [42] ....................14

Hình 1.8. Bộ điều chỉnh PID với AFC cho TRMS [34] ...........................................15

Hình 1.9. Bộ điều chỉnh PID với mạch vòng mô men dựa trên................................16

Hình 1.10. Cấu trúc điều khiển mờ cho TRMS [15].................................................16

Hình 1.11. Điều khiển thích nghi mô hình ngược cho TRMS [12] ..........................17

Hình 1.12. Cấu trúc điều khiển MPC trong [2].........................................................17

Hình 1.13. Cấu trúc điều khiển TRMS với 2 mạch vòng [16]..................................18

Hình 2.1. Vị trí góc của TRMS và các hệ trục tọa độ...............................................20

Hình 2.2. Mô hình simulink mô phỏng động học TRMS xây dựng mới..................28

Hình 2.3. Mô hình simulink mô phỏng động học TRMS của nhà sản xuất..............28

Hình 2.4. Vị trí góc

v

Hình 2.5. Vị trí góc

h

..........................30

Hình 2.6. Vị trí góc

v

Hình 2.7. Vị trí góc

h

..........................30

Hình 2.8. Vị trí góc

v

Hình 2.9. Vị trí góc

h

..........................30

Hình 2.10. Vị trí góc

v

Hình 2.11. Vị trí góc

h

........................31

Hình 3.1. Điều khiển RHC với LQR.........................................................................36

Hình 3.2. Giá trị đặt hằng số tại các thời điểm thiết kế.............................................37

Hình 3.3. Chỉnh định lại giá trị đặt tại các thời điểm với bù sai số bám ở bước trước

...................................................................................................................................38

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển RHC với LQR cho TRMS ........................................47

Hình 3.5. Cấu trúc mô phỏng hệ điều khiển TRMS với ma trận

R

giảm dần ..........51

Hình 3.6. Cấu trúc mô phỏng hệ điều khiển TRMS với ma trận

Q

giảm dần .........51

Hình 3.7. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng ..................52

xiv

Hình 3.8. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin và step trong hai mặt phẳng ......53

Hình 3.9. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng.................54

Hình 3.10. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng...............55

Hình 3.11. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng ................56

Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển TRMS với mạch điều chỉnh vòng mô men...............59

Hình 4.2. Cấu trúc hệ điều khiển TRMS dùng card DS1103 ...................................60

Hình 4.3. Mô đun cảm biến quang của encoder 2 kênh A/B....................................61

Hình 4.4. Xung đầu ra của encoder 2 kênh A/B .......................................................61

Hình 4.5. Máy phát tốc của một chiều đo vận tốc góc của cánh quạt.......................62

Hình 4.6. Mô đun đo dòng điện phần ứng động cơ ..................................................63

Hình 4.7. Sơ đồ mô đun đo dòng điện phần ứng động cơ ........................................63

Hình 4.8. Card điều khiển thời gian thực DS1103....................................................64

Hình 4.9. Sơ đồ khối cấu trúc của card DS1103.......................................................64

Hình 4.10. Thư viện RTI1103_Simulink ..................................................................65

Hình 4.11. Thư viện RTI1103_Master PowerPC .....................................................66

Hình 4.12. Giao diện giám sát và điều khiển của phần mềm ControlDesk ..............66

Hình 4.13. Hệ thí nghiệm TRMS..............................................................................67

Hình 4.14. Mô hình điều khiển TRMS với các khối trong thư viện thời gian thực..68

Hình 4.15. Mạch vòng điều chỉnh mô men với các khối chuyển đổi vào ra ............68

Hình 4.16. Mô hình ghép nối encoder và chuyển đổi A/D tín hiệu tốc độ ...............69

Hình 4.17. Quạt tạo nhiễu khí động học ...................................................................70

Hình 4.18. Mô đun công suất điều chỉnh nhiễu ........................................................70

Hình 4.19. Mô đun nguồn cho hệ thống tạo nhiễu....................................................71

Hình 4.20. Màn hình giao diện ControlDesk hệ thí nghiệm.....................................71

Hình 4.21. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-sin72

Hình 4.22. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-hằng

số ...............................................................................................................................73

Hình 4.23. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng step....74

Hình 4.24. Đáp ứng chuyển vị góc trong hai mặt với tín hiệu đặt dạng sin sử dụng

bộ điều chỉnh PID......................................................................................................75