intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST
Báo xấu
20
lượt xem 5
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn có cấu trúc gồm 4 chương trình bày tổng quan về Twin Rotor MIMO System; mô hình toán học của Twin Rotor MIMO System, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển cho hệ thống, kết quả và đánh giá thực nghiệm. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System

  1. LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Sinh ngày 07 tháng 01 năng 1990 Học viên lớp cao học khóa 18 – Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện nay tôi đang công tác tại Khoa Điện tử – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System” do thầy giáo PGS.TS Nguyễn Duy Cương hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung của đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày….. tháng..... năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Tuyết Hoa i
  2. LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “ Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System” đã hoàn thành. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy giáo, cô giáo của Khoa Điện – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp và các đồng nghiệp của Khoa Điện tử đã động viên khuyến khích, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao về kỹ thuật công nghiêp đã cung cấp thiết bị để tác giả hoàn thành các nghiên cứu thực nghiệm. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn hạn chế, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vây, tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày….. tháng..... năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Tuyết Hoa ii
  3. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................................. vi LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 7 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM ............................... 8 I.1 Giới thiệu về máy bay trực thăng và Twin Rotor MIMO System .......................... 8 I.2 Cấu tạo của TRMS ................................................................................................ 10 I.3 Các đặc điểm của bộ điều khiển TRMS ............................................................... 11 I.3.1. Tính phi tuyến và hiện tƣợng xen kênh .............................................................. 12 I.3.2. Tính bất định mô hình ......................................................................................... 12 I.4 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về TRMS .................................. 12 I.4.1 Nhận dạng hệ thống ............................................................................................ 12 I.4.2 Chiến lƣợc điều khiển của các các nghiên cứu trƣớc đây về TRMS .................. 13 I.5 Định hƣớng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài .................................................... 14 I.5.1 Định hƣớng nghiên cứu ....................................................................................... 14 I.5.2 Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 15 KẾT LUẬN CHƢƠNG I ................................................................................................. 15 CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOR MIMO SYSTEM ....... 16 II.1 Giới thiệu chung ................................................................................................... 16 II.2 Mô hình toán học của TRMS xây dựng dựa theo Euler – Lagrange .................... 16 KẾT LUẬN CHƢƠNG II................................................................................................ 24 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 25 III.1 Chiến lƣợc điều khiển ........................................................................................... 25 III.2 Lý thuyết về tối ƣu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền GA ............ 26 III.2.1 Tổng quan về giải thuật di truyền GA .............................................................. 26 III.2.2 Tối ƣu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền GA ........................... 27 III.3 Lý thuyết về bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS ............................................ 28 III.3.1 Điều khiển học (Learning Control - LC) ........................................................... 28 III.3.2 Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) ...................................... 32 III.3.3 Bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS ............................................................ 44 iii
  4. III.4 Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển cho TRMS ........................................ 49 III.4.1 Xây dựng cấu trúc cho bộ điều khiển ............................................................ 49 III.4.2 Tính toán các thông số và mô phỏng hệ thống .............................................. 55 III.5 Kết quả mô phỏng hệ thống .................................................................................. 57 KẾT LUẬN CHƢƠNG III .............................................................................................. 60 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ...................................... 61 IV.1 Hệ thống TRMS thực nghiệm ............................................................................... 61 IV.2 Các kết quả thực nghiệm của hệ thống ................................................................. 64 IV.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm .............................................................................. 68 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......................................... 69 1. Kết luận chung ............................................................................................................. 69 2. Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 70 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 72 iv
  5. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Chú thích TRMS : Twin Rotors MIMO System MIMO : Multiple Input – Multiple Output LC : Learning Control LFFC : Learning Feed Forward Controller FEL : Feedback Error Learning MRAS : Model Reference Adaptive System GA : Genetic Algorithm IAE : Integral of Absolute Error ITAE : Integral of Time Absolute Error MSE : Mean Squared Error SVF: State Variable Filter v
  6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Máy bay trực thăng 8 Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS 10 Hình 1.3: Mặt chiếu đứng của TRMS 10 Hình 1.4: Mặt chiếu bằng của TRMS 11 Hình 2. 1: Phân tích TRMS trên hệ trục tọa độ Oxyz 17 Hình 2. 2: Hình chiếu đứng của TRMS với αh = 0 18 Hình 2. 3: Hình chiếu bằng của TRMS 18 Hình 2.4: Sơ đồ khối theo mô hình toán của TRMS 23 Hình 3.1: Mô hình tổng quát tối ƣu hóa bộ điều khiển PID bằng GA 27 Hình 3.2: Lƣu đồ thuật toán tối ƣu hóa bộ điều khiển PID 28 Hình 3.3: Cực tiểu cục bộ và cực tiểu toàn bộ trong kỹ thuật học 30 Hình 3. 4: Cấu trúc bộ điều khiển học LC 31 Hình 3.5: Cấu trúc bộ điều khiển học LC kết hợp feed forward/ feedback 31 Hình 3.6: Hệ thích nghi tham số 34 Hình 3.7: Hệ thích nghi tín hiệu 34 Hình 3. 8: Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 35 Hình 3. 9: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu 37 Hình 3. 10: Hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên mô hình độ nhậy. 40 Hình 3. 11: Nhận dạng mô hình ngƣợc của đối tƣợng 44 Hình 3. 12: Bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS 45 Hình 3. 13: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID dựa trên giải thuật di truyền GA 50 Hình 3. 14: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng LFFC trên cơ sở MRAS 51 Hình 3. 15: Cấu trúc khai triển cho các thành phần truyền thẳng 54 Hình 3. 16: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển cho TRMS 54 Hình 3. 17: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB/SIMULINK 56 Hình 3. 18: Đáp ứng đầu ra của góc αv trong hai trƣờng hợp: PID và PID kết hợp LFFC 57 Hình 3. 19: Đáp ứng đầu ra của góc αh trong hai trƣờng hợp: PID và PID kết hợp LFFC 58 Hình 3. 20: Nhiễu hệ thống và tín hiệu bù tạo ra bởi bộ LFFC trên cơ sở MRAS 59 Hình 3. 21: Các tham số thích nghi của bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS 59 Hình 4.1: Hình ảnh hệ thống TRMS thực tại phòng thí nghiệm 61 Hình 4.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cho TRMS 61 Hình 4.3: Hình ảnh thực tế của TRMS (hình a) và dSPACE – DS1103 (hình b) 63 Hình 4. 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển cho TRMS trên phần mềm Matlab/Simulink 63 Hình 4.5: Giao diện điều khiển và hiển thị các thông số trên phần mềm ControlDesk 64 Hình 4. 6: Đáp ứng đầu ra của góc góc αv và góc αh trong trƣờng hợp 1 64 Hình 4. 7: Các tham số thích nghi của bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS 65 Hình 4. 8: Đáp ứng của góc αv khi có bộ điều khiển PID và PID kết hợp LFFC 65 Hình 4. 9: Đáp ứng của góc αh khi có bộ điều khiển PID và PID kết hợp LFFC 66 Hình 4. 10:Tác động của nhiễu ngẫu nhiên lên hệ thống TRMS 67 vi
  7. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS LỜI NÓI ĐẦU Năm 1754, Lơmanôxốp – một nhà khoa học ngƣời Nga đã lập luận khả năng tạo ra một khí cụ bay nặng hơn không khí, dựng nên mô hình trực thăng có 2 cánh quạt đồng trục. Vào thế kỉ XIX, một số nhà khoa học Nga đã khởi thảo dự án về khí cụ bay có cánh quay đầu tiên. Trải qua gần ba thế kỷ hình thành và phát triển cho đến nay máy bay trực thăng đã dần trở thành phƣơng tiện giao thông đƣợc sử dụng rộng rãi trong đời sống xã hội, là khí cụ bay đặc biệt quan trọng của lực lƣợng không quân nói riêng và quân đội nói chung. Do có cấu tạo rất phức tạp nên quá trình điều khiển và vận hành máy bay trực thăng yêu cầu ngƣời kỹ sƣ thiết kế cũng nhƣ ngƣời lái phải có trình độ chuyên môn cao. Việc nghiên cứu và thử nghiệm các giải thuật điều khiển cho máy bay trực thăng luôn là một trong những bài toán điều khiển hay, thƣờng đƣợc áp dụng tại các cơ sở đào tạo về chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa. Để thuận tiện cho quá trình học tập và nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm kỹ thuật thì mô hình về máy bay trực thăng đƣợc phát triển bởi công ty Feedback Instrument Ltd (Feedback Co.,1998) đã ra đời, có tên gọi là: Twin Rotor MIMO System – TRMS. TRMS có mô tả động học gần giống với động học của máy bay trực thăng trong thực tế nhƣng đã đƣợc đơn giản hóa, hệ thống này đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm để phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển cho máy bay trực thăng nói riêng và các hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) nói chung. Hiện nay đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về các giải thuật điều khiển cho TRMS đƣợc thử nghiệm và áp dụng, phần nào đã giải quyết đƣợc bài toán điều khiển cho hệ thống phức tạp này, tuy nhiên chất lƣợng điều khiển của một số nghiên cứu về TRMS vẫn còn tồn tại một vài hạn chế. Với mong muốn tìm hiểu thêm các thuật toán mới nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nâng cao chất lượng điều khiển cho Twin Rotor MIMO System” sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi (Feedback) kết hợp điều khiển truyển thẳng (Learning Feed Forward) theo phương pháp bù tổng. Kết quả đạt đƣợc đã cho thấy cấu trúc này có thể cải thiện đáng kể chất lƣợng điều khiển của hệ thống. Nội dung chính của luận văn bao gồm: Chương 1: Tổng quan về Twin Rotor MIMO System Chương 2: Mô hình toán học của Twin Rotor MIMO System Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển cho hệ thống Chương 4: Kết quả và đánh giá thực nghiệm. GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -7- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  8. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM I.1 Giới thiệu về máy bay trực thăng và Twin Rotor MIMO System Ngày nay, máy bay trực thăng càng đƣợc sử dụng rộng rãi với rất nhiều công năng cả trong đời sống cũng nhƣ trong kinh tế quốc dân và quân sự, là phƣơng tiện giao thông chính ở những nơi không thể sử dụng các phƣơng tiện vận tải trên mặt đất, cũng nhƣ không có sân bay để đáp. Đặc biệt trong quân sự, máy bay trực thăng là một thành phần rất quan trọng của lực lƣợng không quân và quân đội nói chung: vừa là loại máy bay vận tải thuận tiện vừa là loại máy bay chiến đấu rất hiệu quả, nhất là trong các nhiệm vụ đổ bộ đƣờng không, tấn công cơ động và mặt đất. Hình 1.1: Máy bay trực thăng Về cấu tạo, máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phƣơng tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Máy bay trực thăng bay đƣợc nhờ lực nâng khí động học đƣợc tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang có chuyển động tƣơng đối với không khí. Khi đĩa cánh quạt nâng quay, theo định luật bảo toàn mô men động lƣợng thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại với vận tốc quay phụ thuộc vào tỷ lệ mô men quán tính của rotor (cánh quạt và phần quay) và stator (thân máy bay và các phần còn lại), để chống lại hiện tƣợng tự quay này ngƣời ta thực hiện theo nhiều phƣơng án khác nhau thông qua các sơ đồ nguyên tắc khác nhau, loại sơ đồ cơ bản nhất là "một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi" . Với loại sơ đồ này thì khi cánh quạt nâng quay, thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại, để chống lại hiện tƣợng tự quay này máy bay trực thăng có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, thổi gió theo chiều ngang. Lực đẩy của cách quạt đuôi tạo nên mô men lực đuôi có tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục cánh quạt GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -8- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  9. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS nâng sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay giữ hƣớng cố định cho máy bay. Nhƣ vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm đƣợc sự chuyển động tƣơng đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khí động học trong khi bản thân máy bay không cần chuyển động nên máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi. Ngoài ra cánh quạt đuôi này còn có tác dụng để lái đổi hƣớng bay cho trực thăng nhờ việc thay đổi công suất cánh đuôi từ đó thay đổi lực đẩy gió ngang và mô men đuôi khiến máy bay có thể chuyển hƣớng sang phải sang trái dễ dàng. Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để nâng nó bay trong không khí. Lực nâng đƣợc tạo ra nhờ sự tƣơng tác với không khí . Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và ngƣợc lại không khí tác dụng lên cánh quạt một phản lực hƣớng lên trên. Do đó, khi không có không khí lực nâng này sẽ không còn, hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực thăng để bay ra khỏi tầng khí quyển dù công su ất của động cơ có lớn đến đâu. Nhƣ vậy có thể thấy rằng máy bay trực thăng có kết cấu và cấu tạo tƣơng đối phức tạp, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn nhiều so với máy bay phản lực. Tuy nhiên khả năng cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và tính năng bay đứng, dịch chuyển về các hƣớng bất kì làm cho trực thăng trở thành khí cụ bay rất cơ động và linh hoạt mà hiện nay không có bất kỳ loại máy bay nào khác có thể thay thế đƣợc. Để thử nghiệm và áp dụng các thuật toán điều khiển trên máy bay trực thăng thì một trong các công cụ thƣờng đƣợc sử dụng đó là : Twin Rotor MIMO System – TRMS, đây là một mô hình thí nghiệm của máy bay trực thăng đƣợc đơn giản hóa, đƣợc phát triển bởi Feedback Instrument Ltd (Feedback Co., 1998), TRMS có mô tả động học gần giống với động học của máy bay trực thăng trong thực tế, hệ thống này đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm kỹ thuật để phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển cho máy bay trực thăng nói riêng và các hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) nói chung. GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -9- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  10. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS I.2 Cấu tạo của TRMS Phần cơ khí của TRMS bao gồm một dầm (còn gọi là thanh tự do) gắn với chốt quay, chốt quay gồm hai khớp quay đƣợc đặt trên đế sao cho nó có thể quay tự do trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Ở cả hai đầu của dầm là hai rotors (rotor chính và rotor phụ) có gắn hai cánh quạt, cánh quạt chính chuyển động theo phƣơng thẳng đứng và cánh quạt phụ (hay cánh quạt đuôi) chuyển động theo phƣơng ngang, viền ngoài hai cánh quạt có lá chắn bảo vệ. Cần đối trọng (bao gồm đối trọng và thanh gắn đối trọng) đƣợc gắn cố định với dầm ở chốt quay. Tất cả các bộ phận trên đƣợc gắn trên một trụ tháp có chân đế. Hình 1.3: Mặt chiếu đứng của TRMS GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 10 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  11. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 1.4: Mặt chiếu bằng của TRMS Phần điện của TRMS gồm hai rotors chính phụ đƣợc truyền động bởi hai động cơ một chiều, có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào, từ đó làm chuyển vị góc của hai cánh quạt cũng thay đổi theo; hai sensors vị trí đƣợc lắp ở chốt quay để đo góc đứng (αv) và góc bằng (αh), các tín hiệu đo lƣờng của hệ thống đƣợc truyền tới máy tính PC có cài đặt phần mềm Matlab và Control Deck để trực tiếp điều khiển và chỉnh định thông số cho hệ thống. Trạng thái của dầm (thanh tự do) đƣợc mô tả bởi bốn biến: góc đứng (αv), góc bằng (αh), và hai vận tốc góc (ωv, ωh) tƣơng ứng. Thêm vào đó là hai biến trạng thái là vận tốc góc của các rotor, đƣợc đo các máy phát tốc tạo thành cặp với động cơ truyền động. Trong mô hình máy bay đơn giản thì sức động lực học đƣợc điều khiển bằng sự thay đổi góc tới. Ở bộ thiết bị thí nghiệm đƣợc xây dựng sao cho góc tới là cố định. Do vậy sức động lực học đƣợc điều khiển bởi sự thay đổi tốc độ của các rotor. Bởi vậy, các đầu vào điều khiển là điện áp cấp cho động cơ một chiều. Thay đổi giá trị điện áp dẫn đến tốc độ góc của cánh quạt thay đổi, sự thay đổi này dẫn đến làm thay đổi vị trí tƣơng ứng của dầm. Tuy nhiên, sự ghép chéo đƣợc quan sát giữa hoạt động của các rotor, mỗi rotor ảnh hƣởng đến cả hai vị trí góc. I.3 Các đặc điểm của bộ điều khiển TRMS Thiết kế các bộ điều khiển thời gian thực thích ứng và phù hợp đòi hỏi mô hình toán học của hệ thống phải có độ chính xác cao. Tuy nhiên với hệ thống nhƣ TRMS có tính phi tuyến cao, tính bất định của mô hình, đặc biệt là hiện tượng xen kênh mạnh giữa các đầu vào và các đầu ra thì điều này là rất phức tạp khi muốn điều khiển TRMS di chuyển nhanh và chính xác đến các vị trí mong muốn [17]. GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 11 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  12. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS I.3.1. Tính phi tuyến và hiện tượng xen kênh Twin Rotor MIMO System (TRMS) là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra có hiện tƣợng xen kênh rõ rệt. Nó hoạt động giống nhƣ máy bay trực thăng nhƣng góc tác động của các rotors đƣợc xác định và các sức động lực học đƣợc điều khiển bởi các tốc độ của các động cơ. Hiện tƣợng xen kênh đƣợc quan sát giữa sự hoạt động của các động cơ, tốc độ góc của động cơ phụ ảnh hƣởng đến chuyển vị góc trong mặt đứng, ngƣợc lại tốc độ góc của động cơ chính ảnh hƣởng đến chuyển vị góc trong mặt bằng. Mặt khác các chuyển vị góc trong hai mặt cũng ảnh hƣởng lẫn nhau [22]. I.3.2. Tính bất định mô hình Trong thực tế, các hệ thống điều khiển chuyển động luôn luôn hoạt động với bất định mô hình. Tính bất định là không có thông tin, có thể không đƣợc mô tả và đo lƣờng. Tính bất định mô hình có thể bao gồm bất định tham số và các động học không mô hình. Bất định tham số có thể do tải biến đổi, các khối lƣợng và các quán tính ít biết đến, hoặc không rõ và các thông số ma sát biến đổi chậm theo thời gian [9]. Trong lý thuyết điều khiển, bất định mô hình đƣợc xem xét từ quan điểm của mô hình hệ thống vật lý. Các động học không mô hình và bất định tham số có ảnh hƣởng tiêu cực đến hiệu suất bám và thậm chí có thể dẫn đến không ổn định. Nếu cấu trúc mô hình đƣợc giả định là đúng, nhƣng hiểu biết chính xác về các thông số đối tƣợng không rõ, thì điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng. Trong điều khiển thích nghi, một hoặc nhiều tham số điều khiển và hoặc các tham số mô hình đƣợc điều chỉnh trực tuyến bằng một thuật toán thích nghi sao cho các động học vòng lặp kín phù hợp với hoạt động của mô hình mẫu mong muốn mặc dù các thông số đối tƣợng không rõ hoặc biến đổi theo thời gian. Do đó, để đạt đƣợc chất lƣợng làm việc tốt, bất định tham số nên đƣợc kể đến, dƣới điều kiện là hiệu suất vòng lặp kín ổn định đƣợc đảm bảo. I.4 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về TRMS I.4.1 Nhận dạng hệ thống Nhận dạng đóng vai trò tiên quyết trong quá trình điều khiển cho một hệ thống tự động. Có rất nhiều nỗ lực nhằm tìm ra các phƣơng pháp để nhận dạng và điều khiển các hệ thống với các động học bất định và phi tuyến, Blythe và Chamitoff đã sử dụng mạng noron để ƣớc lƣợng các hệ số động lực học cho máy bay không ngƣời lái (UAVs) [3]. Chon và Cohen đã chỉ ra cách nhận dạng thông số cho các hệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 12 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  13. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS thống động học tuyến tính và phi tuyến thông qua cách phân tích các tín hiệu vào và ra [4]. Kim và Calise đã áp dụng mạng noron để thực hiện việc nhận dạng kép các thống số mô hình đầu vào - đầu ra (học offline) sử dụng mô hình toán học của một máy bay và một mạng thích nghi mà bù cho các thay đổi khi bay trong động học máy bay thực [5]. Talebi et al. [6] đã thực hiện một khảo sát về mô hình động học cho tay máy liên kết mềm sử dụng mạng noron. Một phƣơng pháp nhận dạng dựa ánh xạ phi tuyến miền thời gian cải tiến đã đƣợc đƣa ra bởi Lyshevski cho việc nhận dạng các động học máy bay không ổn định [7]. Bruce và Kellet đã khảo sát B- splines để mô hình và nhận dạng các hàm động lực học phi tuyến của máy bay [8]. Trong tất cả các trƣờng hợp này cấu trúc mô hình đã đƣợc biết. Shaheed và Tokhi đề xuất một tiếp cận đƣa ra các mô hình vào – ra mà không có mô hình xác định ƣu tiên cũng nhƣ không có các thiết lập thông số riêng biệt phản ánh bất kỳ dạng vật lý nào [10]. Tiếp cận này bởi vậy hữu ích trong việc mô hình một lớp các phƣơng tiện hàng không có động học không xác định. I.4.2 Chiến lược điều khiển của các các nghiên cứu trước đây về TRMS Có rất nhiều các chiến lƣợc khác nhau đã đƣợc thực hiện đối với hệ thống TRMS. Marek. K et al trình bày điều khiển thời gian thực cho hệ thống TRMS. Khi sử dụng các bộ điều khiển truyền thống với các thông số cho trƣớc thì không thể giữ ổn định cũng nhƣ thỏa mãn việc bám theo quỹ đạo. Hai phƣơng pháp dựa trên tiếp cận thích nghi điều khiển tự chỉnh đƣợc trình bày. Trƣờng hợp đầu tiên với thuật toán có kể đến các tác động lẫn nhau giữa các biến đầu vào và các biến đầu ra. Phƣơng pháp thứ hai ứng dụng nguyên tắc phân tán với bộ giám sát logic phụ cho nhận dạng đệ quy trong từng mạch vòng cụ thể. Cả hai đều đạt đƣợc sự bám tiệm cận tín hiệu đặt [10]. Peng. W and Te. W. L, 2007 nghiên cứu điều khiển khử xen kênh cho hệ thống TRMS và đề xuất áp dụng kỹ thuật điều khiển deadbeat bền vững cho hệ phi tuyến này. Đầu tiên, bài toán phi tuyến đƣợc nhận dạng và mô hình hệ thống đƣợc đƣa ra. Sau đó các tác giả chỉ ra hệ thống có khả năng tách thành các hệ thống một đầu vào một đầu ra, và xen kênh có thể coi nhƣ là các nhiễu. Cuối cùng các tác giả áp dụng lƣợc đồ điều khiển deadbeat bền vững cho các hệ thống một đầu vào một đầu ra và thiết kế bộ điều khiển cho chúng [12]. Akbar. R et al phát triển của luật điều khiển mô hình ngƣợc động học phi tuyến thích nghi cho TRMS ứng dụng mạng noron nhân tạo và các thuật toán gen. Mô hình toán học 1 bậc tự do (1 DOF) của TRMS đƣợc nghiện cứu và mô hình GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 13 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  14. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS ngƣợc phi tuyến đƣợc áp dụng cho kênh pitch (pitch channel). Khi không có các sai lệch mô hình ngƣợc, một bộ điều khiển PD điều chỉnh bằng thuật toán gen đƣợc sử dụng để tăng khả năng bám của hệ thống. Một thành phần mạng noron thích nghi đƣợc tích hợp sau đó với hệ thống điều khiển phản hồi nhằm bù các sai lệch mô hình ngƣợc [13]. Belkheiri. M et al trình bày một phƣơng pháp đơn giản để điều khiển hệ thống TRMS dựa vào mô hình hệ thống. Phần đầu tiên đƣa ra mô hình tin cậy của hệ thống, các thông số của mô hình đƣợc nhận dạng dựa trên phƣơng pháp nhận dạng thông số bình phƣơng cực tiểu. Sau đó điều khiển Back stepping phi tuyến đƣợc áp dụng. Tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào tất cả các trạng thái phản hồi, để giải quyết các trạng thái không có sẵn, một bộ vi phân phƣơng thức trƣợt đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng các tín hiệu cần thiết [14]. Một lƣợc đồ điều khiển thông minh sử dụng cơ chế chuyển mạch mờ, thuật toán di truyền đƣợc ứng dụng cho hệ thống phi tuyến xen kênh (TRMS). Trong điều khiển thời gian thực, FPGA đƣợc sử dụng để xây dựng phần cứng trong hệ thống vòng lặp qua việc viết VHDL trên FPGA này. Mục tiêu là để ổn định TRMS trong những điều kiện xen kênh mạnh, và để thử nghiệm với điều khiển điểm đặt và bám quỹ đạo. Lƣợc đồ đề xuất cải tiến chất lƣợng tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PID. Hệ số khuếch đại bộ điều khiển và các thông số khác tìm đƣợc bằng thuật toán di truyền [15]. Điều khiển H2 và H∞ cho TRMS nhằm điều khiển vị trí góc của thanh ngang nối hai động cơ của TRMS cũng đƣợc thực hiện [16]. Ngoài ra một số nghiên cứu về điều khiển bằng phƣơng pháp tách kênh đã làm giảm đáng kể sự tác động của hiện tƣợng xen kênh [22] và phƣơng pháp PID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu – MRAS cũng đã đƣợc áp dụng và thu đƣợc những kết quả nhất định. I.5 Định hƣớng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài I.5.1 Định hướng nghiên cứu: Hệ thống TRMS là một hệ thống MIMO có tính phi tuyến và xen kênh rất mạnh nên việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn để có thể đạt đƣợc vị trí mong muốn cho thanh ngang thông qua điều khiển hai rotors. Hiện nay đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về các thuật toán điều khiển cho TRMS đƣợc thử nghiệm và áp dụng, phần nào giải quyết đƣợc bài toán điều khiển cho hệ thống phức tạp này, tuy nhiên chất lƣợng điều khiển của một số nghiên cứu vẫn còn tồn tại các hạn chế nhƣ: Một số thuật toán đƣợc thiết kế dựa trên mô hình đối tƣợng tuyến tính hóa, do vậy có GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 14 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  15. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS đáp ứng không hoàn toàn chính xác trong hệ thống thực tế. Giải thuật điều khiển chƣa loại bỏ đƣợc hoàn toàn nhiễu xen kênh, nhiễu phi tuyến. Một số phƣơng pháp thiết kế làm thay đổi cấu trúc mô hình đối tƣợng. Với mong muốn tìm hiểu thêm các thuật toán mới nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS thì định hƣớng nghiên cứu của luận văn là sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi (Feedback) kết hợp điều khiển truyển thẳng (Learning Feed Forward) theo phương pháp bù tổng, trong điều kiện các đặc tính và cấu trúc của đối tƣợng đƣợc giữ nguyên thay vì tuyến tính hóa. Để thực hiện bài toán điều khiển trên, luận văn cần tiến hành qua các bƣớc nhƣ sau: 1 – Tìm hiểu và phân tích mô hình toán học cho hệ TRMS; 2 – Dựa trên mô hình toán nhận đƣợc lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp: sử dụng là hai mạch vòng điều khiển phản hồi (Feedback) kết hợp truyền thẳng (Learning Feed Forward), đồng thời tính toán đƣợc thông số của các bộ điều khiển; 3 – Kết quả tính toán thiết kế đƣợc kiểm chứng và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng; 4 – Triển khai thực nghiệm, hiệu chỉnh thông số trên hệ thống thực, đánh giá kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. I.5.2 Mục tiêu của đề tài:  Tìm hiểu và phân tích mô hình toán học của TRMS;  Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển và tính toán thông số của bộ điều khiển phản hồi PID dựa theo giải thuật di truyền GA và bộ điều khiển truyền thẳng LFFC trên sơ sở MRAS;  Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink;  Tiến hành chạy thực nghiệm trên mô hình TRMS;  Kết luận và đánh giá chất lƣợng điều khiển của hệ thống. KẾT LUẬN CHƢƠNG I Nội dung chƣơng I đã tìm hiểu về cấu tạo, đặc điểm và vai trò của TRMS. Giới thiệu tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về hệ thống, các ƣu điểm và hạn chế còn tồn tại của các nghiên cứu này, từ đó đƣa ra đƣợc định hƣớng nghiên cứu và mục tiêu cần đạt đƣợc của luận văn nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS. GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 15 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  16. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS CHƢƠNG II MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOR MIMO SYSTEM II.1 Giới thiệu chung Để phân tích và thiết kế một hệ thống điều khiển ta cần phải có đƣợc mô hình toán học định lƣợng của hệ thống này. Mô hình toán học đƣợc thiết lập dựa trên sự phân tích các mối quan hệ giữa các biến vào và ra của hệ thống, nhằm mô hình hóa đối tƣợng dƣới dạng các phƣơng trình toán học phục vụ cho quá trình mô phỏng, phân tích và thiết kế bộ điều khiển. Việc mô tả toán học cho đối tƣợng càng sát với mô hình vật lý thì việc điều khiển nó càng đạt chất lƣợng cao nhƣ mong muốn. Tuy nhiên, việc tính toán và thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn và phức tạp hơn đối với các đối tƣợng có tính bất định mô hình và tính phi tuyến cao nhƣ TRMS. Hiện nay có hai phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học cho TRMS: xây dựng dựa theo Euler – Newton với mô hình đƣợc tuyến tính hóa và Euler – Lagrange với mô hình chính xác. Đối với phƣơng pháp xây dựng dựa theo Euler – Newton mô hình toán học là dạng hàm truyền nên mô hình cần đƣợc tuyến tính hóa và cần một số giả thiết nhƣ: Động học của cánh quạt đƣợc mô tả bằng các phƣơng trình vi phân bậc nhất, ma sát trong hệ là ma sát nhớt, các định đề của thuyết dòng chảy đƣợc áp dụng cho chuyển động của cánh quạt trong không khí, không xét đến ảnh hƣởng của chiều dài chốt quay… dẫn đến cấu trúc mô hình sẽ không đầy đủ và độ chính xác không cao. Do vậy, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả sẽ sử dụng mô hình toán học chính xác đƣợc xây dựng dựa theo Euler – Lagrange với đặc tính phi tuyến của đối tƣợng đƣợc giữ nguyên thay vì tuyến tính hóa. II.2 Mô hình toán học của TRMS xây dựng dựa theo Euler – Lagrange [2] Việc xây dựng mô hình toán của hệ thống TRMS dựa trên phƣơng trình Lagrange đƣợc chia làm 3 phần: đầu tiên bao gồm thanh tự do (thanh nối giữa động cơ đuôi và động cơ chính), cánh quạt đuôi, cánh quạt chính, lá chắn bảo vệ phần cánh quạt đuôi và lá chắn bảo vệ phần cánh quạt chính; thứ hai là đối trọng gồm có đối trọng và thanh để gắn đối trọng, và cuối cùng là trục quay gắn với phần đế để hệ thống có thể xoay quanh.  Mô hình toán của thanh tự do Giả sử tọa độ của điểm P1 là: [rx( R1), ry( R1), rz( R1)], ta có P1O1 = R1. Ngoài ra, giả sử OO1=h, với O là gốc tọa độ. Để đơn giản hóa các con số, các trục x,y đƣợc rút ra từ O2. GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 16 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  17. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Từ các hình vẽ 2.1, 2.2, 2.3 ta có các phƣơng trình toán học sau: rx ( R1 )  R1 .sin(h )cos( v )  h.cos(h )  ry ( R1 )  R1 .cos(h )cos(v )  h.sin(h ) (2.1) r ( R )  R .sin( ) z 1 1 v Vi phân hệ phƣơng trình (2.1) ta đƣợc vận tốc tƣơng ứng:     v (  x 1 R )  R 1 .cos(  h )cos(  v ).  h  R 1 .sin(  h )sin(  v ).  v  h .sin(  h ).  h     v (  y 1 R )   R 1 .sin(  h )cos(  v ).  h  R 1 .cos(  h )sin(  v ).  v  h .cos(  h ).  h (2.2)   vz ( R1 )  R1 .cos( v ).  v  Hình 2.4: Twin rotor mimo sysem Hình 2. 1: Phân tích TRMS trên hệ trục tọa độ Oxyz GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 17 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  18. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 2.5: Hình chiếu đứng của hệ thống TRMS với αh=0 Hình 2. 2: Hình chiếu đứng của TRMS với αh = 0 Hình 2.6: Hình chiếu bằng của hệ thống TRMS Hình 2. 3: Hình chiếu bằng của TRMS Bình phƣơng vận tốc của P1 cho bởi phƣơng trình: v2 ( R1 )  vx2 ( R1 )  vy2 ( R1 )  vz2 ( R1 ) (2.3) GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 18 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  19. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Thay các phƣơng trình trong hệ phƣơng trình (2.2) vào phƣơng trình (2.3) ta đƣợc:      v2 ( R1 )  R12 .cos2 (v ).(h )2  h2 .(h )2  R12 .(v )2  2.R1 .h.sin( v ). h .  v (2.4) Chú ý rằng αh không có tác dụng lên rz(R), ta giả định nó bằng 0, đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.2.  Mô hình toán của đối trọng Các tọa độ [rx(R2), ry(R2), rz (R2)] là tọa độ điểm P2 trên thanh đối trọng, ta có P2O1 = R. Theo hình 2.1 ta thu đƣơc các phƣơng trình sau: rx ( R2 )  R2 .sin(h ).sin(v )  h.cos(h )  ry ( R2 )  R2 .cos(h ).sin( v )  h.sin(h ) (2.5) r ( R )  R .cos( ) z 2 2 v Vận tốc thu đƣợc sau khi ta tiến hành vi phân các phƣơng trình trong hệ phƣơng trình (2.5) theo thời gian là:     v (  x 2 R )  R2 .cos(  h )sin(  v ).  h  R2 .sin(  h ).cos(  v ).  v  h.sin(  h ).  h     vy ( R2 )  R2 .sin(h )sin( v ). h  R2 .cos(h ).cos( v ).  v  h.cos(h ).  h (2.6)   vz ( R2 )  R2 .sin( v ).  v  Bình phƣơng vận tốc của P2 cho bởi phƣơng trình: v2 ( R2 )  vx2 ( R2 )  vy2 ( R2 )  vz2 ( R2 ) (2.7) Thay các phƣơng trình trong hệ phƣơng trình (2.6) vào phƣơng trình (2.7) ta đƣợc:      v2 ( R2 )  R22 .sin 2 (v ).(h )2  h2 .(h )2  R22 .(v )2  2.R2 .h.cos(v ). h . v (2.8)  Mô hình toán của trục quay Vị trí P3 có tọa độ là [rx(R3), ry(R3), rz (R3)] trên trục quay, khoảng cách giữa P3 và O là R3 rx ( R3 )  R3 .cos(h )  ry ( R3 )  R3 .sin(h ) (2.9) r ( R )  0 z 3 GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 19 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
  20. Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Vận tốc thu đƣợc sau khi ta tiến hành vi phân các phƣơng trình trong hệ phƣơng trình (2.9) theo thời gian là:   v (  x 3 R )   R3 .sin(  h ).  h   vy ( R3 )  R3 .cos(h ). h (2.10) v ( R )  0  z 3  Bình phƣơng vận tốc của P3 có thể đƣợc viết nhƣ sau: v2 ( R2 )  vx2 ( R3 )  vy2 ( R3 )  vz2 ( R3 ) (2.11) Thay các phƣơng trình trong hệ phƣơng trình (2.10) vào phƣơng trình (2.11) ta đƣợc:  v2 ( R3 )  R32 .(h )2 (2.12)  Biểu thức năng lƣợng Ta có biểu thức tính động năng và thế năng của hệ thống nhƣ sau: 1 2 2 T v ( R)dm( R) (2.13) V  g  rz ( R)dm( R) (2.14) Động năng và thế năng của thanh chuyển động tự do đƣợc thể hiện bằng các phƣơng trình (2.15) và (2.19) 1   1    T1  [cos2 ( v ).( h )2  ( v )2 ]. J1  .h 2 .( h )2 .mT 1  h.sin( v ).  h .  v .mT 1 .lT 1 (2.15) 2 2 mt m m J1   R12 dm( R1 )  (  mtr  mts ).lt2  ( m  mmr  mms ).lm2  ms .rms2  mts .rts2 (2.16) 3 3 2 mT 1   dm( R1 )  mt  mtr  mts  mm  mmr  mms (2.17) mm m  mmr  mms ).lm  ( t  mtr  mts ).lt ( lT 1   R1dm(R1 ) 2 2 (2.18)  dm(R1 ) m T1 GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 20 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng
172 tài liệu
841 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0