Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor

Việc nghiên cứu các quy luật vật lý của các hệ truyền động điện trong các hệ thống nhiều động cơ từ đó đưa ra các giải pháp hạn chế sự ảnh hưởng không tốt do các liên hệ ràng buộc gây ra

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PHI TUYẾN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC

ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUADROR

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS ĐÀO HOA VIỆT

2 TS HOÀNG QUANG CHÍNH

HÀ NỘI - 2018

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LỜI CAM ĐOAN Tôi Hoàng Văn Huy cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Đào Hoa Việt và TS Hoàng Quang Chính. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.  

Hoàng Văn Huy

LỜI CẢM ƠN Trước  hết  tôi  xin  bày  tỏ  lòng  kính  trọng  và  biết  ơn  sâu  sắc  nhất  tới: PGS. TS Đào Hoa Việt và TS Hoàng Quang Chính là hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. 

Tôi gửi lời  cảm  ơn  chân  thành  tới  các thầy  giáo, cô giáo của Bộ  môn 

Cơ  điện tử và  Robot  đặc  biệt,  Khoa  Hàng không Vũ trụ, Học  viện Kỹ  thuật Quân sự đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận án này. 

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, các anh chị em đồng nghiệp của  phòng  Đào  tạo  Trường  Cao  đẳng  Công  nghiệp  Thực  phẩm  đã  cử  tôi  đi học và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án.  

Cuối  cùng, tôi vô cùng cảm  ơn  bố  mẹ, vợ  con, người  thân và  bạn  bè, những người đã luôn bên tôi chia sẻ, động viên và giúp đỡ tôi trong cuộc sống 

và học tập để hoàn thành luận án này. 

Nghiên cứu sinh

    Hoàng Văn Huy  

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU   3

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC  HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN  QUADROTOR VÀ  HỆ  TRUYỀN  ĐỘNG  ĐIỆN  CHỨA  NHIỀU  ĐỘNG  CƠ CÓ  LIÊN  HỆ  RÀNG BUỘC VỚI NHAU   8

1.1.  Tổng  quan  về  hệ  truyền  động  điện  chứa  nhiều  động  cơ  có  liên  hệ  ràng  buộc với nhau   8

1.1.1. Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng  buộc song song theo tác động nhiễu   10

1.1.2.  Sơ  đồ  chức  năng  của  các  hệ  thống    truyền  động  điện  có  liên  hệ  ràng buộc theo nhiễu cơ bản   11

1.1.3.  Sơ  đồ  chức  năng  của  các  hệ  thống    truyền  động  điện  có  liên  hệ  ràng buộc với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển   11

1.2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor   12

1.2.1. Một vài vấn đề về đặc điểm điều khiển chuyển động quadrotor   12

1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quadrotor   15

1.2.3. Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển quadrotor   17

1.3. Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor   19

1.3.1. Phương pháp điều khiển PID   20

1.3.2. Điều khiển tối ưu toàn phương/Gausian - LQR/G   21

1.3.3. Điều khiển chế độ trượt (SMC)   22

1.3.4. Điều khiển Backstepping   22

1.3.5. Thuật toán điều khiển thích nghi   23

1.3.6. Thuật toán điều khiển bền vững   24

1.3.7. Thuật toán điều khiển tối ưu   24

1.3.8. Tuyến tính hóa phản hồi   25

1.3.9. Điều khiển thông minh (logic mờ và mạng nơron nhân tạo)   26

1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước   27

1.4.2. Các công trình nghiên cứu của nước ngoài   28

1.5. Đặt bài toán nghiên cứu   34

1.6. Kết luận chương 1   35

Chương 2. XÂY DỰNG  MÔ HÌNH ĐỐI  TƯỢNG ĐIỀU  KHIỂN  VÀ  CẤU  TRÚC TỔNG QUÁT CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN  ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH   37

2.1. Mô hình động lực học quadrotor   37

2.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình động lực học quadrotor   37

2.1.2. Xây dựng mô hình động lực học quadrotor   38

2.2. Mô hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt   44

2.2.1. Mô hình phần cơ   44

2.2.2. Mô hình toán hệ truyền động điện động cơ đồng bộ nam châm vĩnh  cửu (PMSM)   47

2.3. Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor   49

2.4. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động học động  cơ chấp hành   53

2.5. Đánh giá và nhận xét:   56

2.6. Kết luận chương 2   57

Chương 3:TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘNAM  CHÂM VĨNH CỬU QUAY CÁNH QUẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT  THÍCH  NGHI  ỨNG  DỤNG  TRONG  HỆ  THỐNG ĐIỀU  KHIỂN  QUADROTOR   59

3.1.  Xây  dựng  thuật  toán  tổng  hợp  điều  khiển  backstepping  trượt  thích  nghi  cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM.   59

3.2. Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu  theo phương pháp trượt thích nghi   70

3.3. Kết luận chương 3   76 Chương  4: TỔNG  HỢP  CÁC  BỘ  ĐIỀU  KHIỂN  GÓC,  ĐIỀU  KHIỂN  TỐC 

ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH   77

4.1. Tổng hợp bộ điều khiển và ổn định trạng thái các góc Euler bằng phương  pháp tuyến tính hóa phản hồi   77

4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ dài C2 của quadrotor   90

4.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí C3   94

4.4. Tính toán tham số các bộ điều khiển khiển quadrotor khi kể đến động lực  học động cơ chấp hành   Error! Bookmark not defined 4.4.1. Bảng thông số của quadrotor sử dụng trong tính toán các tham số  bộ điều khiển và nghiên cứu mô phỏng   Error! Bookmark not defined 4.4.2. Tính toán các thông số bộ điều khiển ổn định các góc Euler C1Error! Bookmark not defined 4.4.3. Tính toán các thông số bộ điều khiển tốc độ dài C2   99

4.4.4. Tính toán các thông số bộ điều khiển vị trí   99

4.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ điện đồng  bộ nam châm vĩnh cửu   104

4.6. Khảo sát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ điện đồng bộ  nam châm vĩnh cửu   131

4.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm   131

4.6.2. Các kết quả thực nghiệm   144

4.7. Kết luận chương 4   147

KẾT LUẬN CHUNG   149

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ   152

TÀI LIỆU THAM KHẢO   153

Phụ lục 1: Các sơ đồ chức năng và mô phỏng hệ điều khiển quadrotor   163

Phụ lục 2: Tham số của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu   168

Phụ lục 3: Chương trình lập trình code trên S_funtion   170

Phụ lục 4: Chương trình lập trình 3D S_funtion   172

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

SDRE  State  –  Dependent  Riccati  Equation:  Phương  trình  trạng  thái  phụ 

thuộc Riccati  

VSC  Variable Structure Control: Bộ điều khiển có cấu trúc biến đổi HTTĐĐ  Hệ thống truyền động điện 

Z   Gia  tốc  chuyển  động  của  khối  tâm  quadrotor  dọc  theo  trục  z E 

   Tốc  độ  góc  (yaw)  của  quadrotor  quanh  trục  z B  của  hệ  tọa  B  gắn 

MỞ ĐẦU  

    Trong công nghiệp và quân sự thường gặp rất nhiều các hệ thống, thiết 

bị mà trong đó phần chấp hành của nó chứa nhiều động cơ làm việc có sự liên 

hệ  ràng  buộc  với  nhau  ví  dụ  như  các  hệ  thống  robot  công  nghiệp  (cánh  tay robot, robot song song,…), robot lặn, robot bay. Các thiết bị này là những đối tượng thường gồm nhiều các hệ truyền động chứa nhiều động cơ, làm việc có 

sự liên hệ ràng buộc với nhau. Việc điều khiển những động cơ trong các hệ thống như vậy thường phải thỏa mãn các quy luật nhất định có liên quan đến nhau. Do đó, trong quá trình thiết kế, xây dựng thuật toán điều khiển, người thiết kế thường tính đến sự liên hệ ràng buộc giữa các hệ truyền động. Trong các loại robot, lớp robot bay lên thẳng như tri-rotor, quadrotor và six-rotor là lớp robot tác động nhanh có mô hình động lực học phi tuyến cũng như chịu sự ảnh hưởng của liên hệ ràng buộc mạnh giữa các hệ truyền động cánh quạt. Sự liên hệ ràng buộc giữa các quy luật điều khiển tốc độ của các hệ truyền động điện quay cánh quạt chính là yếu tố tạo lên các chương trình chuyển động của quadrotor  trong  không  gian.  Ngược  lại  chương  trình  chuyển  động  của  robot bay trong không gian sẽ quyết định quy luật thay đổi tốc độ của các hệ truyền động  điện.  Đây  là  yếu  tố  mà  những  người  làm  thiết  kế  các  hệ  truyền  động điện cho robot bay phải quan tâm giải quyết. 

  Việc nghiên cứu các quy luật vật lý của các hệ truyền động điện trong các hệ thống nhiều động cơ từ đó đưa ra các giải pháp hạn chế sự ảnh hưởng không tốt do các liên hệ ràng buộc gây ra để nâng cao chất lượng điều khiển 

là một bài toán còn nhiều thách thức, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Trong luận  án  này  lựa  chọn  đối  tượng  nghiên  cứu  là  robot  bay  không  người  lái (UAV)  quadrotor,  vì  quadrotor  với  bốn  hệ  truyền  động  cánh  quạt  cũng  như 

mô hình động lực học đủ sự phức tạp và có sự phi tuyến mạnh, các hệ truyền động  cánh  quạt  có  sự  liên  hệ  ràng  buộc  với  nhau  đóng  vai  trò  quan  trọng 

  Những năm gần đây, các trường đại học, các viện, các trung tâm nghiên cứu  và  phát  triển  công  nghệ  trên  thế  giới  đã  đi  sâu  vào  nghiên  cứu  và  phát triển  ứng dụng của  quadrotor, do  chúng  có  khả năng đáp ứng một  cách linh hoạt các yêu cầu của con người trong thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các  thiết  bị  bay  quân  sự  và  dân  sự.  Nhiều  quốc  gia  như:  Mỹ,  Nga,  Trung quốc,  Úc,  Tây  âu    đã  và  đang  đầu  tư  nhiều  triệu  USD  cho  các  công  trình nghiên cứu và phát triển robot bay nói chung và quadrotor nói riêng phục vụ cho  các  nhiệm  vụ  quân sự  khác  nhau trong  thực tế. Ngoài  các thiết  kế dành cho quân sự, các ứng dụng cho các lĩnh vực dân sự cũng được quan tâm như giám sát núi lửa, rừng, chụp ảnh trên không, kiểm tra đường dây điện, phân tích khí quyển phục vụ cho dự báo thời tiết, giám sát giao thông trong các khu 

đô thị, hoạt động tìm kiếm người thất lạc và cứu hộ thiên tai, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp,    

  Với số lượng lớn quadrotor đang được sử dụng cho thấy không thể phủ nhận khả năng của quadrtor bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp, chúng có thể bay trong các khu vực thấp so với mặt nước biển, có thể bay lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó thông qua các trạm điều khiển. 

   Đã  có  rất  nhiều  các  công  trình  khác  nhau  nghiên  cứu  về  điều  khiển Quadrotor  trên  thế  giới  bằng  cách  sử  dụng  các  bộ  điều  khiển  như  PID (Proportional Integral Derivative), LQR/G (Linear Quadratic Regulator/Gausian, điều khiển mô hình trượt (SMC), điều khiển Backstepping, thuật toán điều khiển thích  nghi,  thuật  toán  điều  khiển  tối  ưu,  thuật  toán  điều  khiển  bền  vững,  điều khiển  thông  minh   để  điều  khiển  vị  trí,  độ  cao  và  các  góc  Euler  [15],  [16], [19], [22], [50], [61]. 

  Ở  Việt  Nam  hiện  nay  vẫn  chưa  có  nhiều  công  trình  nghiên  cứu  hoàn chỉnh  về  quadrotor.  Các  công  trình  nghiên  cứu  vẫn  chỉ  ở  mức  thực  nghiệm 

  Hệ truyền động điện của cơ cấu chấp hành điều khiển 4 cánh quạt của quadrotor là hệ thống truyền động nhiều động cơ làm việc có sự liên hệ ràng buộc với nhau, trong quá trình điều khiển quadrotor, việc nghiên cứu đưa ra các  thuật  toán  điều  khiển  khi  có  những  liên  hệ  ràng  buộc  của  các  hệ  truyền động  cánh  quạt  của  quadrotor  nhằm  nâng  cao  chất  lượng  điều  khiển  là  một vấn đề khoa học và tính thực tiễn cao. Từ những vấn đề nêu trên, tôi đã lựa chọn đề tài: 

"Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor"

* Mục tiêu nghiên cứu:

- Mục tiêu chung: Bằng  lý  thuyết,  mô  phỏng  và  thực  nghiệm,  nghiên 

cứu, phân tích các hệ truyền động cánh quạt quadorotor, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển các hệ truyền động điện cánh quạt nhằm nâng cao chất lượng điều khiển quadrotor.  

- Yêu cầu đạt được

*  Tổng  hợp  bộ  điều  khiển  với  cách  tiếp  cận  phương  pháp  tuyến  tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng cho mô hình động lực học của quadrotor.  

- Về mô phỏng và thực nghiệm:  Sử  dụng  phương  pháp  mô  phỏng  để 

đánh  giá  khả  năng  hoạt  động  của  hệ  truyền  động  điện  động  cơ  cánh  quạt quadrotor khi  có sự thay  đổi  của  các  thông  số điều khiển, nhiễu  loạn,  … và xây dựng mô hình thực nghiệm với bộ điều khiển tốc độ được tổng hợp trên 

cơ sở thuật toán trượt, thích nghi để điều khiển động cơ chấp hành là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).  

- Về thực tiễn: Nội dung và các kết quả nghiên cứu bảo đảm tính thực 

tiễn nhờ việc tiếp cận đến các mô hình bán tự nhiên và mô hình với các thông 

số vật lý cụ thể 

* Đối tượng nghiên cứu:

  Đối  tượng  nghiên  cứu  là  robot  bay  quadrotor  với  các  hệ  truyền  động cánh quạt sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.  

  * Phương pháp nghiên cứu 

Nghiên cứu lý thuyết: Vận  dụng  các  định  luật  cơ  bản,  xây  dựng  mô 

hình động lực học đầy đủ của quadrotor có tính đến hệ truyền động điện động 

cơ cánh quạt khi sử dụng động cơ có mô hình phi tuyến tính là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.   

  Sử  dụng  nhóm  phương  pháp  điều  khiển  trượt,  thích  nghi  để  tổng  hợp thuật toán điều khiển động cơ chấp hành; Sử dụng thuật toán điều khiển tuyến tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ điều khiển quadrotor.    Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu mô phỏng nhằm đánh giá, chứng minh tính đúng đắn, xác thực của nghiên cứu lý thuyết. Trong luận án tác giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink làm công cụ cho nghiên cứu mô phỏng.    

Nghiên cứu thực nghiệm: Nhằm  chứng  minh  tính  khả  thi  của  nhóm 

phương  pháp  trượt,  thích  nghi  điều  khiển  động  cơ  đồng  bộ  nam  châm  vĩnh cửu, trong luận  án xây  dựng  mô  hình thực  nghiệm  điều khiển động  cơ  chấp 

hành là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.  

* Phạm vi nghiên cứu

  Nghiên cứu về quadrotor là một lĩnh vực khó đòi hỏi cần có kiến thức 

và  cũng  chưa có nhiều  kết quả về  lý  thuyết  và  thực nghiệm  thành  công. Dó 

đó, luận án chỉ giới hạn trong các nội dung nghiên cứu sau: 

  -  Vận  dụng  lý  thuyết,  định  luật  xây  dựng  mô  hình  động  lực  học quadrotor có tính đến hệ truyền động điện động cơ cánh quạt. Từ đó phân tích đánh giá những yếu tố có liên hệ ràng buộc giữa các tác động đầu vào/ra của 

hệ thống. 

  -  Nghiên  cứu  tổng  hợp  bộ  điều  khiển  cho  hệ  truyền  động  cánh  quạt quadrotor  trong  trường  hợp  sử  dụng  động  cơ  điện  đồng  bộ  nam  châm  vĩnh cửu.  

  -  Nghiên  cứu,  ứng  dụng  phương  pháp  tuyến  tính  hóa  phản  hồi  và phương  pháp  tối  ưu  đối  xứng  trong  việc  tổng  hợp  các  vòng  điều  khiển quadrotor. 

  - Tiến hành mô phỏng hệ điều khiển quadrotor với mô hình khi tính đến động cơ chấp hành là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 

Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận chung và phụ lục, nội dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương gồm: 

Chương 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển quadrotor và hệ truyền động điện chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc với nhau

  Chương này trình bày tổng quan về các hệ truyền động điện có liên hệ ràng buộc, các sơ đồ chức năng và cách phân loại các hệ truyền động điện có liên  hệ  ràng  buộc;  Nghiên  cứu  các  đặc  điểm  điều  khiển  chuyển  động  của quadrotor, trên  cơ sở  đó đưa ra được  sơ  đồ  khối hệ  thống điều khiển, sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển và sơ đồ khối mô tả mối liên hệ ràng buộc trong hệ truyền động điện điều khiển cánh quạt quadrotor; Tiến hành nghiên 

cứu,  phân  tích  và  đưa  ra  các  đánh  giá,  nhận  xét  về  các  phương  pháp  điều khiển, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc tổng hợp các thuật toán điều khiển quadrotor. Từ đó đưa ra các nhận xét, đánh giá chung và đặt bài toán nghiên cứu. 

Chương 2: Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển và cấu trúc tổng quát của hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động lực học động cơ chấp hành   Trong  chương  này  trình  bày  việc  xây  dựng  mô  hình  toán  học  của quadrotor  có  tính  đến  động  lực  học  của  hệ  truyền  động  điện  động  cơ  cánh quạt sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Phân tích và đưa ra các đại lượng đặc trưng cho mối liên hệ ràng buộc trong phương trình trạng thái mô tả đầy đủ động lực học của quadrotor khi kể đến hệ truyền động điện động cơ cánh quạt. Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển quadrotor thành hệ điều khiển nhiều vòng lệ thuộc.  

Chương 3: Tổng hợp bộ điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu quay cánh quạt bằng phương pháp trượt thích nghi ứng dụng trong hệ thống điều khiển quadrotor

Trong  chương  này  tập  trung  nghiên  cứu  cơ  sở  lý  thuyết  về  hệ  điều khiển thích nghi với cấu trúc biến đổi trong điều khiển các hệ truyền động phi tuyến với các tham số bất định của mô hình, từ đó vận dụng vào việc tổng hợp 

bộ điều khiển trượt thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ điện đồng 

bộ nam châm vĩnh cửu quay cánh quạt quadrotor. Tiến hành nghiên cứu mô phỏng  hệ  điều  khiển  trượt,  thích  nghi  bằng  công  cụ  Matlab/Simulink  khi  sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.  

Chương 4: Tổng hợp hệ điều khiển góc và điều khiển vị trí của quadrotor khi kể đến động học của động cơ chấp hành

Trong chương này trình bày việc tổng hợp hệ điều khiển quadrotor với nhiều  vòng  lệ  thuộc.  Vòng  điều  khiển  và  ổn  định  trạng  thái  các  góc  Euler được tổng  hợp bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi;  vòng điều  khiển 

Để chứng minh tính đúng đắn của cách tiếp cận cũng như phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển, tiến hành mô phỏng hệ điều khiển quadrotor khi 

kể đến động cơ chấp hành có mô hình phi tuyến (động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu) bằng công cụ Matlab/Simulink.       

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR

VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ

CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC VỚI NHAU  

1.1 Tổng quan về hệ truyền động điện chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc với nhau

Để  nâng  cao  chất  lượng  điều  chỉnh,  độ  chính  xác  tĩnh  và  động  cũng như  tính  tác  động  nhanh  của  hệ  thống  truyền  động  điện  (HTTĐĐ),  thì  cần thiết phải tính toán đầy đủ các tính chất đặc thù và các điều kiện làm việc của 

hệ thống truyền động điện. Những điều kiện làm việc bên ngoài tác động lên 

hệ thống truyền động điện gồm các đặc tính mô men tải của cơ cấu công tác, các biến đổi của các tác động điều khiển, quy luật biến đổi các tham số của chính hệ thống truyền động hoặc cơ cấu công tác.  

Khi  tính  toán  đầy  đủ  những  tính  chất  đặc  thù  của  các  hệ  truyền  động điện  phức  tạp  và  các  tính  chất  của  tải,  cũng  như  những  điều  kiện  làm  việc khác phải kể đến tính liên hệ ràng buộc tồn tại giữa các HTTĐĐ riêng lẻ. 

  Có thể nêu ra các hệ thống truyền động có liên hệ ràng buộc như: các 

hệ thống truyền động bám nhiều kênh (hệ thống điều khiển vũ khí, robot, …), việc  nghiên  cứu  các  liên  hệ  ràng  buộc  được  thể  hiện  trong  [85],  [86],  [87]. Trong các hệ thống truyền động điện này, sự chuyển động của khâu công tác theo các tọa độ riêng rẽ liên kết với nhau theo sai số bám hoặc đôi khi theo các  tính  chất  của  đối  tượng  điều  khiển.  Các  hệ  thống  bám  này  sẽ  thực  hiện bám  quỹ  đạo  chuyển  động  cho  trước  trong  không  gian  hai  chiều  hay  không gian ba chiều. Tín hiệu điều khiển được tạo ra từ sai lệch giữa quỹ đạo thực 

và quỹ đạo mong muốn để điều khiển các khớp (khâu) sao cho sai số này tiến 

về không. Những  ví dụ điển hình về kiểu hệ  thống này  như máy  phay,  máy hàn và cắt kim loại CNC nhiều trục, các loại robot nối tiếp, song song   

Dạng liên kết thứ nhất là các hệ thống truyền động điện được liên kết 

với  nhau  qua  các  tín  hiệu  điều  khiển,  nghĩa  là  tín  hiệu  điều  khiển  bao  gồm biên  độ  và  hướng  dịch  chuyển  của  cơ  cấu  công  tác  đưa  vào  các  hệ  truyền động.  Cụ  thể  các  tín  hiệu  điều  khiển  tạo  ra  quỹ  đạo  chuyển  động  của  các khớp,  khâu.  Những  hệ  thống  điều  khiển  liên  kết  theo  tín  hiệu  điều  khiển thường được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực robot, các máy CNC   

  Có một lượng lớn nhóm các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc với nhau, mà nhiệm vụ của chúng là duy trì tốc độ cho trước không đổi, hay bám theo tốc độ mong muốn của khâu công tác. Để đạt được độ chính xác cần thiết so với hệ thống không có sự liên hệ ràng buộc, khi xây dựng các bộ điều khiển hệ thống này thường phải tính đến các liên hệ ràng buộc, với mục đích  nhằm  khử  các  liên  hệ  ràng  buộc  để  quá  trình  làm  việc  của  những  hệ thống  truyền  động  điện  như  là  những  hệ  độc  lập,  và  duy  trì  thông  số  điều khiển đầu ra mong muốn. 

  Trong  các  hệ  thống  chứa  nhiều  hệ  truyền  động  điện,  mômen  cản  của khâu  công  tác  không  những  phụ  thuộc  vào  sự  thay  đổi  sự  chuyển  động  của khâu  công tác  mà  còn  phụ thuộc vào tốc độ trên  trục  của  các  động  cơ điện. Trong tất cả các trường hợp này, xuất hiện sự liên hệ ràng buộc giữa các hệ truyền  động  điện  thông  qua  mô  men  tải,  điều  này  ảnh  hưởng  tới  chất  lượng làm việc của hệ thống truyền động điện.  

Mô men cản của cơ cấu công tác hoặc hệ thống có thể là hàm của sự sai lệch tốc độ hoặc sai lệch góc quay của các động cơ điện. Ví dụ cho trường hợp  này  là  các  robot  bay  dạng  tri-rotor,  quadrotor,  hay  hexacopter.  Với  các robot bay này, tải tác động lên các hệ truyền động cánh quạt sẽ làm thay đổi tốc độ của một hệ truyền động cánh quạt và làm ảnh hưởng đến các hệ truyền động cánh quạt khác. 

Các hệ truyền động điện có mối liên hệ ràng buộc là hệ thống phức tạp 

mà nó được đặc trưng bởi mối liên hệ giữa các tác động điều khiển, các tác động  nhiễu  và các  biến  đầu  ra  như: tốc độ  trên  trục  động  cơ  hoặc  vị  trí  của 

Hệ  truyền  động  điện  có  liên  hệ  ràng  buộc  cơ  bản  được  chia  thành  hai nhóm lớn sau: Các hệ truyền động điện liên hệ ràng buộc với nhau thông qua các tác  động  điều  khiển  và  tác  động  nhiễu;  Các  hệ  truyền  động  điện  liên  hệ  ràng buộc với nhau thông qua sự thay đổi thông số của các hệ truyền động điện. 

Theo đặc trưng sự liên hệ ràng buộc của tác động điều khiển và nhiễu với các biến đầu ra có thể chia thành các hệ vòng hở hoặc các hệ có liên ràng buộc song song, các hệ thống với liên hệ ràng buộc một chiều. 

Khi xét tới những tính chất đặc thù của hệ thống truyền động điện, có thể chia tác động nhiễu thành: nhiễu cơ bản như mô men cản của phụ tải và nhiễu  không  biết  trước  như nhiễu  trong  tín  hiệu  điều  khiển,  sự  thay  đổi  của điện áp nguồn, sự  thay  đổi nhiệt độ  của môi  xunh quanh và sự  thay  đổi  các giá trị thông số của bản thân hệ truyền động điện, … 

1.1.1 Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc song song theo tác động nhiễu

Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc song song theo các tác động nhiễu [90] được biểu diễn trên hình 1.1.  

1

D E

2

D E

3

D E

1 t u

) (

2 t u

) (

3 t u

) (

1 t f

) (

2 t f

) (

3 t f

) (

2 t v

) (

3 t v

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc

song song theo tác động nhiễu

Các tác động nhiễu chung được đặt tới các hệ thống truyền động điện. Đa 

Trong đó: ED1,ED2,ED3 là các hệ truyền động điện riêng lẻ; P1,P2,P3 

là các khâu biến đổi; v1(t),v2(t),v3(t) là tốc độ đầu ra; u1(t),u2(t),u3(t) là các tác động điều khiển;  f1(t), f2(t), f3(t) là các tác động nhiễu. 

1.1.2 Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc theo nhiễu cơ bản

Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc theo nhiễu cơ bản [90] được biểu diễn trên hình 1.2. 

1 ED

2 ED

1 P

2 P

) (

1 t v

) (

2 t v

M1 t

) (

a) 

1 ED

2 ED

1 P

2 P

) (

1 t s

) (

2 t s

) (

1 t u

) (

2 t u

)

M(t

) (

M1 t

) (

M2 t

b) 

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện

có liên hệ ràng buộc thông qua phụ tải a) Quan hệ theo tốc độ; b) Quan hệ theo vị trí của cơ cấu chấp hành

Trong đó: ED1,ED2là các hệ thống truyền động điện riêng lẻ; P1,P2 các khâu biến đổi; v1(t),v2(t) tốc độ đầu ra; s1(t),s2(t) vị trí của đối tượng điều khiển; u1(t),u2(t) các tác động điều khiển; M1(t),M2(t) các mô men cản. 1.1.3 Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển

Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng buộc với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển [90] được biểu diễn trên hình 1.3.  

1 ED

2 ED

1 P

2 P

) (

1 t s

) (

2 t s

)

(t



) (

1 t



) (

2 t

Hình 1.3 Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện điện có liên hệ

ràng buộc với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển

Các ràng buộc được xác định bởi đối tượng điều khiển (cơ cấu chấp hành). Trong đó: ED1,ED2là các hệ thống truyền động điện riêng lẻ; P1,P2 các khâu biến đổi; s1(t),s2(t) là độ dịch chuyển theo các trục; 1(t ), 2(t) là độ sai lệch các thành phần theo các trục dịch chuyển. 

1.2 Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor

1.2.1 Một vài vấn đề về đặc điểm điều khiển chuyển động quadrotor   Quadrotor là mô hình với bốn động cơ gắn trong một cấu trúc hình chữ thập, mỗi cánh quạt được nối với động cơ thông qua hộp số. Tất cả các trục quay của cánh quạt là cố định và song song với nhau, các cánh được cố định 

và hướng luồng gió xuống dưới để tạo lực nâng. Những lý do này chỉ ra rằng cấu trúc quadrotor đòi hỏi phải chắc chắn và điều duy nhất có thể thay đổi là tốc độ của các cánh quạt.    

  Cánh quạt “trước” và cánh quạt “sau” quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi đó cánh quạt bên “phải” và bên “trái” quay cùng chiều kim đồng 

hồ. Điều này là cần thiết để tạo sự làm việc ổn định cho quadrotor.   

* Thay đổi độ cao (U1[N])

  Hình 1.4 biểu diễn sự thay đổi độ cao của quadrotor [24]. Để điều khiển thay đổi độ cao của quadrotor được thực hiện bằng cách thay đổi tốc độ của 

tất cả các cánh quạt cùng một lượng. Sự thay đổi này tạo ra lực thẳng đứng tác  động  lên  khung  cố  định  của  quadrotor  để  thực  hiện  nâng  hoặc  hạ quadrotor. Quá trình thực hiện này được đặc trưng bởi đại lượng U1.  

Hình 1.4 Thay đổi độ cao của quadrotor

  Chiều  của  mũi  tên  chỉ  chiều  tốc  độ  quay  của  các  cánh  quạt  mà  trong trường hợp này tương ứng với H A cho mỗi cánh.  [  1]

A rad s  là số gia của H, A  không  thể  quá  lớn  bởi  vì  mô  hình  sẽ  bị  ảnh  hưởng  bởi  sự  phi tuyến mạnh và bão hòa.  

* Thay đổi góc roll (U 2 [N m])

  Trên hình 1.5 biểu diễn sự thay đổi của góc roll [24]. Điều khiển thay đổi góc roll của quadrotor được thực hiện bằng cách tăng (hoặc giảm) tốc độ cánh quạt “trái” đồng thời giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt “phải”.  



Sự  thay  đổi  này  tạo  ra  một  mô  men  quay  quanh  trục  x B  và  làm  cho quadrotor đổi hướng. Quá trình thực hiện này được đặc trưng bởi đại lượng U2. 

Các  biến    và  [  1]

 rad s   được  lựa  chọn  để  duy  trì  lực  đẩy  thẳng 

đứng là không đổi, giá trị của A phải thay đổi nhỏ và có thể được chọn sao cho A  B, vì nếu thay đổi quá lớn thì mô hình sẽ bị ảnh hưởng bởi sự phi tuyến mạnh và bão hòa.  

* Thay đổi góc pitch (U 3 [N m])

  Trên hình 1.6 biểu diễn sự thay đổi góc pitch [24]. Điều khiển thay đổi góc  pitch  của  quadrotor  được  thực  hiện  bằng  cách  tăng  (hoặc  giảm)  tốc  độ cánh quạt “sau” đồng thời giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt “trước”.  



Hình 1.6 Thay đổi góc pitch

  Sự  thay  đổi  này  tạo  ra  một  mô  men  quay  quanh  trục  y B  và  làm  cho quadrotor đổi  hướng.  Quá  trình  thực  hiện  này  được  đặc  trưng  bởi  đại  lượng 

3

U  Các biến A và  [  1]

B rad s  được lựa chọn tương tự như khi điều khiển thay đổi góc roll. 

* Thay đổi góc yaw (U 4 [N m])

  Trên hình 1.7 biểu diễn sự thay đổi góc yaw [24]. Điều khiển thay đổi góc yaw của quadrotor được thực hiện bằng tăng (hoặc giảm) tốc độ của cặp cánh  quạt  “trái”  và  “phải”  đồng  thời  giảm  (hoặc  tăng)  tốc  độ  của  cặp  cánh quạt  trước  và  sau.  Sự  thay  đổi  này  tạo  ra  một  mô  men  quay  quanh  trục  z B. Chuyển  động  của  góc  yaw  được  tạo  ra  nhờ  vào  cặp  cánh  quạt  “trái”  và 

“phải”  quay  cùng  chiều  với  chiều  kim  đồng  hồ  trong  khi  cặp  cánh  quạt 

“trước”  và  “sau”  quay  ngược  chiều  kim  đồng  hồ.  Khi  đó,  tổng  mô  men  là không cân bằng, quadrotor quay quanh bản thân trục z B. Quá trình thực hiện này được đặc trưng bởi đại lượng U   

1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quadrotor

  Cấu  trúc  tổng  quát  hệ  điều  khiển  quadrotor  [24]  được  biểu  diễn  trong hình 1.8.  

IMU

SONAR & IR

GPS

Bộ xác định  quỹ đạo bay

Bộ điều khiển 

và ổn định  các góc Euler

và hiệu quả hơn. Giao diện giữa người sử dụng và quadrotor được thực hiện 

để gửi thông tin tới một máy thu RF gắn trên quadrotor.  

Khối xác định quỹ đạo bay: Thực hiện thuật toán trong MCU để cung cấp bản đồ, quỹ  đạo bay  và tránh chướng  ngại  vật.  Nhiệm  vụ của nó không phải ổn định quadrotor, nhưng làm cho quadrotor bay an toàn. Trên hình 1.8 cho thấy các đầu vào của khối này không chỉ có từ khối nhiệm vụ, mà còn có  tín hiệu từ các khối GPS và khối SONAR & IR. Với thông tin này các thuật toán có thể cung cấp một quỹ đạo, gửi tín hiệu điều khiển mong muốn tới bộ điều khiển mức thấp và giám sát quá trình bay thông qua thông tin phản hồi từ các cảm biến.  

Khối điều khiển và ổn định các góc Euler:  Thực  hiện  thuật  toán trong MCU để ổn định quadrotor. Khối này sẽ đưa ra luật điều khiển để điều khiển các động cơ truyền động cho các cánh quạt của UAV. Động lực học của các động cơ được tính toán và một bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển tốc độ của từng cánh quạt riêng biệt theo điện áp đầu vào. Đầu vào của khối này là tín hiệu mong muốn từ khối điều khiển mức cao, từ khối đo lường quán tính (IMU) và từ các khối SONAR & IR. Sử dụng các thông tin từ các cảm biến để biết về vị trí và để thực hiện nhiệm vụ ổn định quadrotor. 

  Khối động cơ: Bao gồm nguồn cung cấp và hệ thống truyền động động 

cơ quạt cánh. Nguồn cung cấp điện áp và dòng điện cho động cơ. Trong quá trình làm việc của động cơ, dòng điện được phản hồi về MCU thông qua thiết 

bị chuyển đổi ADC với mục đích để quan sát trạng thái làm việc của động cơ.  

Khối động lực học: Biểu  diễn  quadrotor  hoạt  động  như  thế  nào  khi thay đổi tốc độ của các cánh quạt. Các tham số của nó không thay đổi bởi vì chúng  có  liên  quan  đến  cấu  trúc  vật  lý  cụ  thể.  Nó  được  thể  hiện  bởi  các phương trình mô tả động lực học quadrotor (2.16), (2.17) và mô tả động lực học động cơ chấp hành (2.33).  

Khối IMU:  Cung  cấp  các  thông  tin  về  trạng  thái  và  hướng  của 

quadrotor. IMU thực hiện tính toán các góc roll - pitch - yaw (góc    , , ) và gửi chúng đến MCU. Hơn nữa nhờ con quay hồi chuyển 3 bậc tự do để cung cấp thông tin phản hồi về tốc độ góc của quadrotor trong hệ tọa độ gắn với vật.  

Khối GPS: Cung cấp thông tin về vị trí của quadrotor. Tín hiệu GPS không thật chính xác, tuy nhiên nó có thể kết nối với bộ điều khiển mức độ cao như tín hiệu phản hồi qũy đạo mong muốn bên ngoài. 

  SONAR & IR: Thực hiện đo khoảng cách chính xác từ quadrotor đến chướng  ngại  vật  theo  một  hướng  nhất  định,  cụ  thể  là  khoảng  cách  từ quadrotor đến mặt đất và những chướng ngại vật trong môi trường làm việc của quadrotor. Modul SONAR sẽ phát hiện khoảng cách của chướng ngại vật nhờ sóng siêu âm, còn modul IR sử dụng sóng hồng ngoại. 

1.2.3 Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển quadrotor

  Khi coi đại lượng điều khiển là tác động điều khiển động cơ và đầu ra 

là các đại lượng (tọa độ của quadrotor) thì mô hình đối tượng điều khiển là sự kết  hợp  giữa  mô  hình  động  lực  học  của  quadrotor  và  mô  hình  của  động  cơ chấp hành quay cánh quạt. 

Ta có sơ đồ khối cấu trúc mô tả mối quan hệ giữa bộ điều khiển và đối tượng điều khiển như hình 1.9. 

Bộ điều  khiển

Động cơ  PMSM

ĐTĐK: Đối tượng điều khiển  

Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển là tổng hợp của ba khối gồm động 

cơ, bộ truyền cơ khí và mô hình quadrotor được thể hiện như hình 1.10. 

Bộ  truyền 

cơ khí

Khối liên  kết chéo  đầu ra

 U1, U2, U3, U4 là các tín hiệu điều khiển quadrotor  

Từ  các  nguyên  lý  điều  khiển  quadrotor  và  sơ  đồ  khối  của  đối  tượng điều khiển cho thấy các hệ truyền động điện động cơ cánh quạt quadrotor có liên  hệ  ràng  buộc  với  nhau  theo  các  tín  hiệu  điều  khiển  được  trình  bày  trên 

hình 1.11. Trong đó  ( 2)

4 2 3 2 2 2 1

1  b    

đổi  độ  cao  của quadrotor;  ( 2)

4 2 2

2  lb  

U   là  tín  hiệu  điều  khiển  thay  đổi 

3 2 1



2 4



2 2



2 1

Hình 1.11 Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc theo tín hiệu điều khiển

cho hệ truyền động cánh quạt

  Khi tốc độ của một cánh quạt thay đổi, các tín hiệu đầu vào điều khiển 

U1, U2, U3, U4 thay đổi, ảnh hưởng lớn đến quá trình điều khiển quadrotor. 1.3 Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor

  Như chúng ta đã biết do tính chất phi tuyến mạnh của quadrotor, nhiều thuật  toán  điều  khiển  đã  được  áp  dụng  để  đạt  được  điều  khiển  mong  muốn. Mỗi phương pháp điều khiển đều có những ưu điểm và nhược điểm của nó. 

Ta  đi  sâu  xem  xét  các  phương  pháp  thường  hay  sử  dụng  để  điều  khiển quadrotor cụ thể như sau: