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 tt

Hoang Van Huy, Hoang Quang Chinh, Dao Hoa Viet 2017, Synthesis of the Quadrotor Control Loop Using Feedback Linearization and Optimum Modulus Methods, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – Học

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HOÀNG VĂN HUY

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Đào Hoa Việt

2 TS Hoàng Quang Chính

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số /QĐ-HV, ngày tháng năm 2018 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi giờ 00 ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

- Thư viện Quốc gia

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1 Hoàng Văn Huy, Hoàng Quang Chính (2012), Tổng hợp

bộ điều khiển tốc độ trượt bền vững cho động cơ đồng bộ nam

châm vĩnh cửu; Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn

quốc lần thứ 6, VCM tháng 12 năm 2012, trang 265-271

2 Hoàng Quang Chính, Đào Hoa Việt, Hoàng Văn Huy,

Phạm Ngọc Sâm (2016), Mô phỏng hệ điều khiển độ cao

quadrotor dùng động cơ một chiều không tiếp xúc, Số 43 trang

65-73, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Viện Khoa học

và Công nghệ quân sự

3 Tran Duc Chuyen, Nguyen Thanh Tien, Hoang Van Huy,

Dao Hoa Viet (2015), Designing A Synthesizing Adaptive

Backstepping Sliding Mode Controller for Drive Systems

Tracking Electric Mechanisms Using Synchronous Ac Motors,

International Journal of Advanced Research in Computer

Science and Software Engineering, page: 64-72 Volume 5,

Issue 3, March 2015

4 Hoang Van Huy, Hoang Quang Chinh, Dao Hoa Viet

(2017), Synthesis of the Quadrotor Control Loop Using

Feedback Linearization and Optimum Modulus Methods, Tạp

chí Khoa học và Kỹ thuật – Học viện Kỹ thuật Quân sự, Số 186

(10-2017) trang 87-99

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu:

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 Với tính cấp thiết như vậy, hướng nghiên cứu của luận án được

lựa chọn là “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, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu động lực học của quadrotor khi kể đến động lực học của hệ truyền động cánh quạt; nghiên cứu lý thuyết hệ điều khiển trượt, thích nghi ứng dụng điều khiển động cơ chấp hành trong hệ truyền động cánh quạt quadrotor; 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

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 Xây dựng mô hình động lực học quadrotor có tính đến hệ truyền động điện động cơ cánh quạt 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 PMSM; 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 (PMSM) Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển trượt, thích nghi, thuật toán điều khiển tuyến tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ điều khiển quadrotor

Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink làm công cụ cho nghiên cứu

mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ chấp

hành là động cơ điện PMSM

Những đóng góp mới của luận án:

Xây được mô hình đầy đủ hệ thống điều khiển quadrotor khi kể

đến động cơ chấp hành có liên hệ giữa các kênh thông qua các tín

hiệu điều khiển, để từ đó xây dựng được cấu trúc của hệ điều khiển

và quy luật điều khiển khi kể đến hệ truyền động động cơ quay cánh

quạt

Trên cơ sở phân chia chuyển động, luận án đã xây dựng được một

phương pháp để thiết kế một hệ thống phức tạp chứa nhiều kênh và

nhiều mối liên hệ ràng buộc, chỉ ra trình tự thiết kế các bộ điều khiển

thành phần và bài toán thiết kế tổng hợp cả hệ thống

Tổng hợp được bộ điều khiển trượt, thích nghi cho hệ truyền động

cánh quạt sử dụng động cơ PMSM, có khả năng làm việc bền vững

và ổn định cao khi có sự thay đổi thông số của quadrotor và phụ tải

Tính đúng đắn của thuật toán nêu ra đã được kiểm chứng bằng mô

phỏng và thực nghiệm

Tổng hợp được bộ điều khiển quadrotor theo phương pháp tuyến

tính hóa phản hồi, trượt thích nghi và tối ưu đối xứng khi kể đến

động học động cơ chấp hành quay cánh quạt có mô hình phi tuyến

(động cơ điện PMSM)

Cấu trúc của luận án:

Luận án gồm: Phần mở đầu, bốn chương và kết luận, trình bày

trong 151 trang thuyết minh, 113 hình vẽ, đồ thị và phần phụ lục:

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 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

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

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

hình phi tuyến Kết quả thực hiện được tóm tắt như sau:

1 Những nghiên cứu đã thực hiện trong luận án Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện cho cơ cấu chấp hành để quay cánh quạt quadrotor với mô hình đầy đủ bao gồm động cơ chấp hành và mô hình động lực học của quadrotor Hệ thống là sự kết hợp các bộ điều khiển thành phần trong một thể thống nhất Đây thực sự là một hệ thống nhiều kênh có cấu trúc phức tạp, chứa rất nhiều sự ràng buộc giữa các kênh mà người thiết kế cần phải được kể đến trong quá trình thiết kế bộ điều khiển cho từng kênh và tổng thể hệ thống, với mục tiêu cuối cùng là bảo đảm cho quadrotor điều khiển được theo các quỹ đạo cho trước Do tính phức tạp của hệ thống điều khiển lên việc kiểm chứng phương pháp thiết kế và các thuật toán được thực hiện bằng mô phỏng trên công cụ Matlab - Simulink để chứng minh khả năng làm việc của hệ thống với các chương trình điều khiển khác nhau

Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng ứng với sự thay đổi nhiễu, đây là trường hợp đặc trưng của quadrotor

Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp quadrotor điều khiển theo chương trình có giai đoạn hạ cánh Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp quadrotor khi di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác cho trước với

2 Một số kiến nghị về những tồn tại và hướng phát triển của luận án

Trên cơ sở bộ điều khiển đã tổng hợp được, tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng điều khiển thực tế

Luận án là tài liệu tham khảo cho các đồng nghiệp để sử dụng trong giảng dạy, đào tạo đại học và sau đại học chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự đông hóa, cơ điện tử

Trường hợp 2: Nghiên cứu quá trình ổn định tốc độ, có tác động của

Mc thay đổi Kết quả thực nghiệm được thực hiện khi lượng vào tốc

độ không đổi với tốc độ đặt 2500 vòng/phút Ta tiến hành thay đổi

phụ tải đặt vào động cơ tại thời điểm t = 0,33s và t = 0,73s, ta có các

kết quả như sau:

Hình 4.69 a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ 

b) dòng điện i sd và dòng điện i sq

Trường hợp 3: Nghiên cứu quá trình ổn định tốc độ và hãm động

cơ Ta tiến hành thay đổi tốc độ từ 2800 vòng/phút xuống tốc độ

1500 vòng/phút, ta có các kết quả như sau:

Hình 4.70 a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ 

b) dòng điện i sd và dòng điện i sq

Nhận xét: Quan sát kết quả thực nghiệm của các trường hợp ta

khẳng định rằng thuật toán tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi

được tổng hợp trong chương 3 là hoàn toàn đúng đắn và đáp ứng

được yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với hệ thống điều khiển quadrotor

4.7 Kết luận chương 4

KẾT LUẬN CHUNG Trong luận án đã tập trung giải quyết thành công bài toán tổng

hợp hệ điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ chấp hành có mô

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

1.2 Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor Quadrotor là mô hình với bốn động cơ gắn trên một cấu trúc hình chữ thập, mỗi cánh quạt được nối với động cơ thông qua hộp số 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

Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển như hình 1.10

Bộ truyền

cơ khí

Khối liên kết chéo đầu ra







X

Y

Z

Động

cơ PMSM

……

……

……

……

……

……

……

Quadrotor

Bộ điều khiển

Khối liên kết chéo đầu vào

Hình 1.10 Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển

Trong đó: M ei[N.m] mô men của động cơ thứ i; ri[rad.s-1] tốc độ góc của động cơ thứ i; ωdi[rad.s-1] là tốc độ góc đặt của động cơ thứ i;

1d, 2d, 3d, 4d

    bốn tốc độ đặt của các cánh quạt U1d,U2d,U3d,U4d

bốn tín hiệu điều khiển đặt; i[rad.s-1] tốc độ của cánh quạt thứ i; X, Y,

Z là vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục xE, yE, zE; , ,

  các góc Euler (roll, pitch, yaw); U1b(      12 22 23 24);

U lb    ;U3lb(  12 23); U3lb(  12 23);

U d        là tín hiệu để điều khiển thay đổi độ cao, thay đổi góc roll, góc pitch và đổi góc yaw

1.3 Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor

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

1.5 Đặt bài toán nghiên cứu

Nghiên cứu 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; phân tích và vận dụng nguyên lý phân chia chuyển

động để tiến hành phân chia hệ thống điều khiển quadrotor thành hệ

thống điều khiển với các vòng điều khiển lệ thuộc; thực hiện tổng hợp

các bộ điều khiển bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi, trượt

thích nghi và tối ưu đối xứng

Mô phỏng hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động cơ chấp hành

và tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm

1.6 Kết luận chương 1

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

2.1 Mô hình động lực học quadrotor

Sử dụng phương pháp Newton - Euler cho mô hình và thực hiện

biến đổi ta nhận được phương trình động lực học chuyển động tịnh

tiến của quadrotor như sau:









(2.16)

Phương trình động lực học chuyển động quay của quadrotor như sau:

 













 



(2.17)

Trong đó: I XX,I YY,I ZZ là mô men quán tính của quadrotor quanh

trục X, Y, Z; K xk1/m; K yk2 /m; K y k3/m là các hằng số;

1

k, k2, k3 là các hệ số lực cản; F1n,F2n,F là lực cản của các loại 3n

Hình 4.62 Hình ảnh mô hình thực nghiệm điều khiển một kênh truyền động cho một cánh của quadrotor

4.6.2 Các kết quả thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được tổng hợp theo phương pháp trượt thích nghi để điều khiển một kênh truyền động cho một cánh quạt của quadrotor, kết quả thực nghiệm với các trường hợp sau: Trường hợp 1: Nghiên cứu quá trình khởi động, tăng tốc và điều khiển động cơ đến một tốc độ cho trước Ta tiến hành thay đổi tốc độ

từ 0 đến 209 rad/s (1000 vòng/phút) và đến 418 rad/s (2000 vòng/phút) Ta có các kết quả như sau:

Hình 4.68 a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ 

b) dòng điện i sd và dòng điện i sq

Hình 4.51 Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z

Kết luận chung:

Qua các mô phỏng cho thấy bộ điều khiển động cơ truyền động

các quạt và hệ thống điều khiển quadrotor hoạt động tốt, hạn chế

được sự ảnh hưởng ràng buộc giữa các kênh điều khiển quadrotor;

hạn chế sự ảnh hưởng của nhiễu loạn khi quadrotor hoạt động, hệ

thống làm việc tốt, đáp ứng được các yêu cầu điều khiển quadrotor,

điều này thể hiện tính đúng đắn của các thuật toán đề ra

4.6 Khảo sát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ

điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

4.6.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm điều khiển một kênh truyền động cho một

cánh quạt của quadrotor được biểu diễn như hình 4.62

nhiễu; M1n,M2n,M3n là các thành phần mô men cản của nhiễu Phương trình trạng thái mô tả động lực học của quadrotor:

1 1

2 1

3 1

4 7

5 8

6 9

P 8

7 9 8

8 9

U (sinx sinx cosx sinx cosx )

U (cosx sinx sinx sinx cosx )

U

g (cosx cosx )

n x

n y

n z

F

F

F



























7

n3

9 7 8

10 1

11 2

12 3

M

x

























































 2.2 Mô hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt Phương trình trạng thái mô tả động lực học của động cơ PMSM có dạng như sau:

13 14

( , )

c

m

q

M

u L

R



































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

Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor như hình (2.39)

 

7

5 8

6 9

8

4

x

























10 1

11 2

12 3



















2

)

q q

TP m r

u























19 20 03 3 21 3 21

2

pt





























































































(2.39)

* Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển quadrotor

Từ các phương trình (2.16) và (2.17) Sơ đồ khối mô tả mối liên

hệ ràng buộc của mô hình động lực học quadrotor khi kể đến hệ

truyền động chấp hành cánh quạt được biểu diễn trên hình 2.6

Hình 4.47 Các góc Euler

Hình 4.50 Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục tọa độ X, Y, Z

Hình 4.48 Tốc độ của các động cơ

Thoi gian t(s)

∆n = n 1 -n 3

Thoi gian t(s)

∆n = n2 – n4

Hình 4.49 Sự thay đổi tốc độ của các động cơ

Hình 4.45 Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z

Tình hướng 3: Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại

các giá trị sau: k = 0,0025; kpt = 0,002; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1;

0.05] Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky

= Kz = 0,07

Tham số động cơ PMSM được điều chỉnh thay đổi như sau: Mô

men quán tính quy đổi về trục động cơ thay đổi đến giá trị 1,5JTP =

5,35.10-4 [kg.m2]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5 Ld

=14,50.10-3 [H]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5Lq =

37,36.10-3 [H]; điện trở Stato thay đổi đến giá trị 1,2R = 14,8 [Ω]

Các kết quả mô phỏng thu được như sau:

Hình 4.46 Vị trí chuyển động

dài của quadrotor

Hệ truyền động điện động cơ cánh quạt

Hình 2.6 Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc của mô hình động học quadrotor khi kể đến hệ truyền động động cơ chấp hành cánh quạt.

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

Sử dụng phương pháp phân chia chuyển động [79] để phân chia mô hình động lực học quadrotor thành các hệ con sau:

- Hệ con thứ nhất: Hệ TĐĐ động cơ cánh quạt, đầu vào là các tốc

độ đặt, được xác định từ quy luật chuyển động của quadrotor

- Hệ con thứ hai (S1): mô tả động lực học trạng thái các góc Euler

3

P

P

J























(2.40)

- Hệ con thứ 3 (S2): mô tả động lực học điều khiển chuyển động tịnh tiến của quadrotor

(sin sin cos sin cos ) / (cos sin sin sin cos ) / (cos cos ) /















(2.41)

- Hệ con thứ 4: là hệ phương trình vi phân mô tả hệ truyền động điện động cơ cánh quạt quadrotor

13 14



























(2.42)

Cấu trúc phân chia chuyển động được biểu diễn trong hình 2.7

3

















d

d

d

Z

Y

X

















d

d

d

Z

Y

X























d d d























d d d

U U U

4 3 2





















d d d d

4 3 2 1

























4 3 2

U U U

1

S



















































2















Z Y X























Z Y X





















4 3 2 1









1

U

d

U1

Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor

2.6 Đánh giá và nhận xét

2.7 Kết luận chương 2

Đã trình bày được việc xây dựng mô hình động lực học quadrotor

khi tính đến động lực học của hệ truyền động điện động cơ cánh quạt

là động cơ PMSM Phân tích và đưa ra các đánh giá, nhận xét rằng

mô hình động lực học quadrotor khi có tính đến động lực học của hệ

truyền động động cơ cánh quạt là rất phức tạp, do vậy cần phải áp

dụng nhiều phương pháp tổng hợp hiện đại khác nhau để tổng hợp

các bộ điều khiển như: tuyến tính hóa phản hồi, trượt, thích nghi và

tối ưu đối xứng

Chương 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM

CHÂM VĨNH CỬU QUAY CÁNH QUẠT BẰNG PHƯƠNG

PHÁP TRƯỢT THÍCH NGHI ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR 3.1 Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt

thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM

Phương trình toán học của động cơ chấp hành PMSM được viết

dưới dạng không gian trạng thái với sự bất định của các tham số được

viết như phương trình

( đm( ) ( )) ( đm ) d ( đm ) q

x f x  f x  h  h u  h  h u (3.7)

Hình 4.42 Tốc độ của các động cơ

∆n = n 1 -n 3

Thoi gian t(s)

Thoi gian t(s)

∆n = n 2 – n 4

Hình 4.43 Sự thay đổi tốc độ của các động cơ