Điều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớp (Luận án tiến sĩ)

Điều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớpĐiều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớp

i

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

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, gi p đ qu báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và các tổ chức Với l ng kính trọng và biết n sâu sắc tôi xin được bày t lời cảm n chân thành tới:

an Giám hiệu, Ph ng 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 gi p đ 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 ách khoa Hà Nội, đã có những kiến đóng góp qu báu để tôi hoàn chỉnh bản luận án này

Xin chân thành cảm n bố m , anh chị em, người vợ yêu qu và hai con đã luôn ở bên cạnh động viên và gi p đ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án

Thái Nguyên, ngày tháng năm

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp

iii

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

Các kí hiệu vi

Các chữ viết tắt ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

DANH MỤC CÁC ẢNG IỂU xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án 1

2 Đối tượng, phạm vi và phư ng pháp nghiên cứu 1

3 Mục tiêu của luận án 1

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

5 ố 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 20

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS 20

iv

2.1 Đặt vấn đề 20

2.2 Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS 20

2.3 Mô ph ng và đánh giá chất lượng của mô hình 29

2.4 Kết luận 32

CHƯƠNG 3 33

THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS 33

3.1 Các bộ điều khiển hiện nay 33

3.2 Đề xuất phư ng pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR 33

3.3 Kết quả mô ph ng ứng dụng với TRMS 48

3.4 Kết luận 58

CHƯƠNG 4 59

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 59

4.1 Mục đích 59

4.2 Cấu tr c điều khiển RHC với LQR cho TRMS trong thực nghiệm 59

4.3 Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm 61

4.4 Hệ thống thí nghiệm thuật toán điều khiển vị trí 68

4.5 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 72

4.6 Kết luận 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

Kết luận 79

Kiến nghị 79

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 88

v

Phụ lục 1 Chư ng trình lập trình 88Phụ lục 2 Cảm biến d ng điện độ nhạy cao 119Phụ lục 3 Các bước tiến hành thiết lập và chạy thực nghiệm 122Phụ lục 4 Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng bộ điều khiển RHC với LQR 128

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

x

TTL Transistor-Transistor Logic UAV Unmanned Aerial Vehicle VDC Volts Direct Current

xi

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 hcủa TRMS 7

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

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

Hình 1.7 Cấu tr c Newton MPC phản hồi trạng thái cho TRMS [42] 14

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

Hình 1.9 ộ điều chỉnh PID với mạch v ng mô men dựa trên 16

Hình 1.10 Cấu tr c 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 tr c điều khiển MPC trong [2] 17

Hình 1.13 Cấu tr c điều khiển TRMS với 2 mạch v ng [16] 18

Hình 2.1 Vị trí góc của TRMS và các hệ trục tọa độ 21

Hình 2.2 Mô hình simulink mô ph ng động học TRMS xây dựng mới 29

Hình 2.3 Mô hình simulink mô ph ng động học TRMS của nhà sản xuất 29

Hình 2.4 Vị trí góc v Hình 2.5 Vị trí góc h 31

Hình 2.6 Vị trí góc v Hình 2.7 Vị trí góc h 31

Hình 2.8 Vị trí góc v Hình 2.9 Vị trí góc h 31

Hình 2.10 Vị trí gócv Hình 2.11 Vị trí góc h 32

Hình 3.1 Điều khiển RHC với LQR 37

Hình 3.2 Giá trị đặt hằng số tại các thời điểm thiết kế 38

Hình 3.3 Chỉnh định lại giá trị đặt tại các thời điểm với bù sai số bám ở bước trước 39

Hình 3.4 Cấu tr c điều khiển RHC với LQR cho TRMS 48

Hình 3.5 Cấu tr c mô ph ng hệ điều khiển TRMS với ma trận Rgiảm dần 52

Hình 3.6 Cấu tr c mô ph ng hệ điều khiển TRMS với ma trận Q giảm dần 52

Hình 3.7 Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng 53

xii

Hình 3.8 Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin và step trong hai mặt phẳng 54

Hình 3.9 Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng 55

Hình 3.10 Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng 56

Hình 3.11 Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng 57

Hình 4.1 Cấu tr c điều khiển TRMS với mạch điều chỉnh v ng mô men 60

Hình 4.2 Cấu tr c hệ điều khiển TRMS dùng card DS1103 61

Hình 4.3 Mô đun cảm biến quang của encoder 2 kênh A/ 62

Hình 4.4 Xung đầu ra của encoder 2 kênh A/ 62

Hình 4.5 Máy phát tốc của một chiều đo vận tốc góc của cánh quạt 63

Hình 4.6 Mô đun đo d ng điện phần ứng động c 64

Hình 4.7 S đồ mô đun đo d ng điện phần ứng động c 64

Hình 4.8 Card điều khiển thời gian thực DS1103 65

Hình 4.9 S đồ khối cấu tr c của card DS1103 65

Hình 4.10 Thư viện RTI1103_Simulink 66

Hình 4.11 Thư viện RTI1103_Master PowerPC 67

Hình 4.12 Giao diện giám sát và điều khiển của phần mềm ControlDesk 67

Hình 4.13 Hệ thí nghiệm TRMS 68

Hình 4.14 Mô hình điều khiển TRMS với các khối trong thư viện thời gian thực 69

Hình 4.15 Mạch v ng điều chỉnh mô men với các khối chuyển đổi vào ra 69

Hình 4.16 Mô hình ghép nối encoder và chuyển đổi A/D tín hiệu tốc độ 70

Hình 4.17 Quạt tạo nhiễu khí động học 71

Hình 4.18 Mô đun công suất điều chỉnh nhiễu 71

Hình 4.19 Mô đun nguồn cho hệ thống tạo nhiễu 72

Hình 4.20 Màn hình giao diện ControlDesk hệ thí nghiệm 72

Hình 4.21 Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-sin73 Hình 4.22 Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-hằng số 74

Hình 4.23 Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng step 75

Hình 4.24 Đáp ứng chuyển vị góc trong hai mặt với tín hiệu đặt dạng sin sử dụng bộ điều chỉnh PID 76

xiii

Hình 4.25 Dạng nhiễu khí động học tác động lên TRMS thực nghiệm 77

xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Điểm khác nhau giữa TRMS và máy bay trực thăng 8 ảng 2 Các tham số của TRMS 30 ảng 3 Tham số và đặc tính card DS1103 128

Luận án đủ ở file: Luận án full