Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật "Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục" trình bày các nội dung chính sau: Giới thiệu chug về điều khiển hệ MIMO, hệ TRMS; Xây dựng mô hình toán; Thiết kế điều khiển bằng PID và mô phỏng; Thí nghiệm điều khiển hệ TRMS.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục

i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Thị Thùy Linh Sinh ngày: 05 tháng 11 năm 1985 Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Điện Biên – Tỉnh Điện Biên Xin cam đoan luận văn “Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục” do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Như Hiển hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. HỌC VIÊN Vũ Thị Thùy Linh
ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo, gia đình và đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Nguyễn Như Hiển, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô ở Khoa Điện, phòng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu xót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế. HỌC VIÊN Vũ Thị Thùy Linh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................ii MỤC LỤC................................................................................................................... iii MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1 1.Lý do chọn đề tài............................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................................2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài...............................................................2 Chương III...................................................................................................................35 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRMS.....................................................................35 4.2. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm......................................................62 4.2.1. Giới thiệu hệ thống TMRS..................................................................................... 62
iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................ii MỤC LỤC................................................................................................................... iii MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1 1.Lý do chọn đề tài............................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................................2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài...............................................................2 Chương III...................................................................................................................35 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRMS.....................................................................35 4.2. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm......................................................62 4.2.1. Giới thiệu hệ thống TMRS..................................................................................... 62
v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt TRMS Twin Roto MIMO System Hệ Twin Roto nhiều vào nhiều ra SISO Single In – Single Out Hệ một vào - một ra MIMO Multi Input – Multi Output Hệ nhiều vào - nhiều ra EL Euler-Lagrange Euler-Lagrange AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều PID Proportional-Integral-Derivative Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân DC Direct Current Dòng điện một chiều AD Analog to digital Bộ biến đổi tương tự -số
vi DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Nội dung Trang 1 Bảng 2.1 Ký hiệu và ý nghĩa của các thông số mô hình TRMS 17 Những điểm cực và điểm không trong khuếch đại 2 Bảng 3.1 45 mạch vòng hở Hiệu suất của hệ thống khép kín với các bộ điều 3 Bảng 3.2 49 khiển
vii BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Vv/h V điện áp trên cực động cơ chính/phụ Uv/h V điện áp điều khiển động cơ chính/phụ trong máy tính Rav/h điện trở phần ứng của động cơ chính/phụ Lαv/h H điện cảm phần ứng của động cơ chính/phụ iav/h A dòng điện phần ứng của động cơ chính/phụ φv/h Wb từ thông động cơ chính/phụ eav/h V sức phản điện động của động cơ chính/phụ kav/h hằng số sức phản điện động của động cơ chính/phụ αh rad vị trí trong mặt phẳng ngang αv rad vị trí trong mặt phẳng đứng g m/s2 gia tốc trọng trường m kg khối lượng K J động năng P J thế năng K1 J động năng của thanh ngang J1 kgm2 mô men quán tính của thanh ngang mT1 kg tổng khối lượng của thanh ngang lT1 m trọng tâm của thanh ngang P1 J thế năng của thanh ngang mt kg khối lượng phần phụ của thanh ngang mtr kg khối lượng động cơ phụ mts kg khối lượng vành bảo vệ roto phụ
viii mm kg khối lượng phần chính của thanh ngang mmr kg khối lượng động cơ chính mms kg khối lượng vành bảo vệ roto chính lt m chiều dài phần phụ của thanh ngang lm m chiều dài phần chính của thanh ngang rm/ts m bán kính vành bảo vệ rotor chính/phụ rmm/t m bán kính rotor động cơ chính/phụ K2 J động năng của thanh đối trọng P2 J thế năng của thanh đối trọng J2 kgm2 mô men quán tính của thanh đối trọng mb kg khối lượng của thanh đối trọng mT2 kg tổng khối lượng của thanh đối trọng mcb kg khối lượng của đối trọng lT2 m trọng tâm của thanh đối trọng lb m chiều dài của thanh đối trọng lcb m khoảng cách từ đối trọng đến điểm quay rcb m bán kính của đối trọng Lcb m chiều dài của đối trọng K3 J động năng của chốt quay P3 J thế năng của chốt quay J3 kgm2 mô men quá tính của chốt quay J4 kgm2 mô men quá tính phần sau của chốt quay mh kg khối lượng của chốt quay mh1 kg khối lượng phần sau của chốt quay h m chiều dài của chốt quay
ix h1 m chiều dài phần sau của chốt quay K4/5 J động năng của rotor chính/phụ Jmm kgm2 mô men quán tính của rotor động cơ Jm/tp kgm2 mô men quán tính của cánh quạt rotor chính/phụ ei véc tơ đơn vị trong ﾡ 3 ωm/t rad/s tốc độ góc động cơ chính/phụ Jm/tr kgm2 mô men quán tính của rotor chính/phụ H m chiều cao từ mặt đế đến chốt quay kg hệ số hiệu ứng Gyroscope Mv Nm tổng hợp mô men trong mặt đứng(ảnh hưởng tới góc αv ) Mh Nm tổng hợp mô men trong mặt bằng(ảnh hưởng tới góc α h ) Mm/t Nm tổng hợp mô men tác động lên rotor chính/phụ Bm/tr kgm2/s hệ số ma sát nhớt của động cơ chính/phụ Bv/h kgm2/s hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt phẳng đứng/bằng Fv/h Nm ma sát trượt khớp quay trong mặt phẳng đứng/bằng τ m/t Nm mô men điện từ của động cơ chính/phụ
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Các hệ thống điều khiển được áp dụng các quy luật điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu được là hệ thống hoạt động với độ chính xác cao, tính ổn định bền vững, và thời gian đáp ứng nhanh. Trong điều khiển công nghiệp có nhiều bộ điều khiển như PID truyền thống, PID thích nghi, Điều khiển chuyển động (Motion Control)…và đối tượng điều khiển cũng có nhiều hệ khác nhau: hệ SISO, hệ MIMO, hệ MISO… Việc điều khiển hệ chuyển động với một đầu vào một ra (SISO) đơn giản hơn rất nhiều so với hệ nhiều vào nhiều ra (MIMO). Nhiều năm qua, đã có hàng chục công trình nghiên cứu về phương pháp điều khiển cho hệ Twin Rotor MIMO (TRMS), đây là một hệ chuyển động nhiều trục điển hình được các nhà nghiên cứu trên thế giới đề cập tới. TRMS là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra và đặc biệt có hiện tượng xen kênh rõ rệt. Chính vì vậy nên việc nghiên cứu các bộ điều khiển cho hệ TRMS rất phức tạp, đó cũng là điều quan tâm chính của chúng tôi khi thiết kế. Thiết kế điều khiển cho một hệ chuyển động nhiều trục mà cụ thể ở đây là hệ TRMS có thể là phức tạp vì nó có nhiều vấn đề khác nhau cần được xem xét, ví dụ như: - Sự ảnh hưởng xen kênh của hai chuyển động, mỗi động cơ đều ảnh hưởng đến cả hai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch angle). - Hệ thống luôn hoạt động với tính bất định mô hình và bất định tham số nên sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất bám và tính ổn định của hệ thống.
2 TRMS là một hệ phi tuyến mạnh, nhiều vào nhiều ra và có tác động xen kênh. Do đó, để làm đơn giản hóa bài toán thiết kế bộ điều khiển các nhà nghiên cứu chọn giải pháp tách kênh. Bộ điều chỉnh PID về cơ bản cho đáp ứng vị trí bám theo lượng đặt, khi có sự tham gia của bộ điều chỉnh tách kênh tác động xen kênh sẽ được khắc phục đáng kể. Và tác giả mạnh dạn chọn đề tài: “ Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục” 2. Mục đích nghiên cứu - Thiết kế điều khiển TRMS bằng bộ điều khiển PID. - Nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng của luận văn khoa học ngành TĐH. - Mô phỏng và thí nghiệm trên thiết bị thực. Đó cũng chính là mục tiêu học thuật của Luận văn 3. Đối tượng nghiên cứu - Hệ Twin Roto Mimo System (TRMS) - Nghiên cứu các phương pháp điều khiển TRMS bằng PID . - Nghiên cứu điều khiển TRMS bằng PID tách kênh. - Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển PID thường và PID tách kênh trên phần mềm Matlab/Simulink. - Thực nghiệm trên mô hình TRMS tại phòng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ thống TRMS – một hệ chuyển động nhiều trục. Mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên mô hình thực. Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống điều khiển cho máy bay trực thăng, nhằm mục đích giảm sự xen kênh của hai động cơ, ổn định tầm và hướng của máy bay trực thăng. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm các phần chính như sau: Chương I: Giới thiệu chug về điều khiển hệ MIMO, hệ TRMS Chương II: Xây dựng mô hình toán Chương III: Thiết kế điều khiển bằng PID và mô phỏng
3 Chương IV: Thí nghiệm điều khiển hệ TRMS. Chương I GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 1.1. Khái quát về lich sử phát triển máy bay trực thăng Ý tưởng đầu tiên về tạo ra khí cụ bay có cánh để quạt không khí sinh ra lực nâng vào năm 1475 là của Lêôna Đơvanhxi. Nhưng do hạn chế về khả năng kĩ thuật và sự mẫu thuẫn với các niềm tin tôn giáo, nên ý định đó đã bị mất đi, chôn vùi trong các tài liệu của kho lưu trữ. Về sau bản vẽ phác và thuyết minh của khí cụ bay đó đã được phát hiện trong thư viện Mi-Lăng (công bố năm 1754). Năm 1754, Lơmanôxốp một nhà khoa học người Nga đã lập luận khả năng tạo ra 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. Năm 1869, kĩ sư điện Lôđưghin đã nêu ra dự án trực thăng với động cơ điện. Năm 1870, nhà bác học Rưcachép đã nghiên cứu cánh quạt không khí. Nhà bác học Tre-nốp khởi thảo sơ đồ trựcc thăng có các cánh quay bố trí dọc ngang và đồng trục. Cuối thế kỉ XIX, các nhà bác học Menđêlêép, Giucốpski, Traplưghin đã chú ý nghiên cứu khí cụ bay dẫn tới thời kì các khí cụ bay nậng hơn không khí có cơ sở lý luận khoa học sâu sắc. Năm 1891, một học trò của Giucốpski là Iurép đã nêu ra 1 dự án có lý lẽ vững vàng về trực thăng 1 cánh quay với cánh quạt đuôi cùng những thiết bị điều khiển tự động nghiêng cánh quay. Hình1.1. Trực thăng của Treremukhin Hình1.1. Trực thăng của Treremukhin Hình1.1. Trực thăng của Treremukhin
4 Sau cánh mạng tháng 10, công nghiệp hàng không của Liên Xô bắt đầu phát triển, các công trình nghiên cứu về trực thăng liên tiếp được tiến hành. Năm 1925, tại trường đại học thuỷ khí, một nhóm dưới sự lãnh đạo của Iurep đã nghiên cứu hoàn thiện trực thăng. Kết quả là 1930 đã tạo được trực thăng Xôviết đầu tiên. Kĩ sư Treremukhin, người lãnh đạo, đồng thời là người thử nghiệm trực thăng (Hình 1.1) đã lập kỉ lục thế giới về độ cao trực thăng: 605 m. Năm 1948, trực thăng Mi1 đã được thử nghiểm cho các số liệu kĩ thuật khá nên đã được sản xuất hàng loạt. Năm 1952, Mi4 cũng đã được chế tạo .Cũng vào năm ấy trực thăng 2 cánh quay K24 của Iacốplép đã được thực hiện (Hình 1.2) . Năm 1958, trực thăng hạng nặng Mi6 đã được hoàn thiện với kỉ lục về tốc độ và trọng tải. Đến năm 1961, động cơ tuabin khí đã được lắp vào trực thăng và được thay thế hàng loại vào vị trí mà trước đây động cơ píttông đảm nhiệm. Năm 1971, tại hội chợ Hàng Không và Vũ Trụ quốc tế lần thứ 29 ở Pari, trực thăng không lồ 2 cánh quay Mi12 có thể nâng được trọng tải 40 tấn đã được giới thiệu. Hình1.2. Trực thăng K24 của Iacốplép Hình 1.2: Trực thăng K24 của Iacốplép - Khả năng bay lên thẳng đứng của trực thăng, dịch chuyển về các hướng bất kì làm cho Trực Thăng trở thành khí cụ bay rất cơ động, không phụ thuộc vào sân bay cũng như mở rộng thêm giới hạn sử dụng. Ngày nay, trực thăng càng được sử dụng rộng rãi, là phương tiện giao thông chính ở những nơi không thể sử dụng các phương tiện vận tải trên mặt đất, cũng như không có sân bay để đáp.
5 Hình1.3. Máy bay trực thăng EC 225 Mặc dù rất lạc quan về tương lai của trực thăng, nhưng nhìn về khía cạnh lịch sử chúng ta phải thấy rằng hệ khí động lực học của trực thăng rất phức tạp, đòi hỏi nền cơ khí chế tạo cao. Khác với trực thăng, lực nâng của máy bay không trực tiếp tạo ra từ cánh quạt, mà thông qua hệ thống cánh nâng và thân vỏ. Do đó, có chất lượng khí động cao, lực nâng có thể lớn hơn lực đẩy cánh quạt vài lần (điều đó giải thích tại sao cùng 1 công suất động cơ, máy bay có trọng tải lớn hơn trực thăng vài lần). Nên bù lại trực thăng thường có độ kéo dài cánh rất lớn (dễ tạo dao động sóng dọc cánh, mỏi, gãy cánh), và việc chế tạo đòi hỏi sử dụng chất liệu có cơ tính đặc Hình1.3. Máy bay trc thăng EC 225 biệt, đòi hỏi chính xác cao. Đó là lý do giải thích việc ra đời muộn hơn 1/2 thế kỉ của trực thăng so với máy bay cánh cứng, gây trở ngại cho việc sản xuất trực thăng. Máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phương 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. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong đời sống thường nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự. Nếu so sánh với máy bay phản lực thì máy bay trực thăng có kết cấu, cấu tạo phức tạp hơn rất nhiều, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn rất nhiều. Nhưng bù lại những nhược điểm
6 đó, khả năng cơ động linh hoạt, khả năng cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và tính năng bay đứng của nó làm cho loại máy bay này là không thể thay thế được. Thực tế là máy bay trực thăng có thể đến bất cứ nơi nào chỉ cần bãi đáp có kích thước lớn gấp rưỡi đường kính cánh quạt là nó đều có thể hạ cánh và cất cánh được. Vì các đặc tính kỹ thuật đặc biệt mà các máy bay cánh cố định không thể có được như thế, máy bay trực thăng ngày càng phát triển, song hành cùng các loại máy bay cánh cố định thông thường và có ứng dụng ngày càng đa dạng: trong lĩnh vực giao thông vận tải nó cùng với các loại máy bay có cánh cố định lập thành ngành Hàng không dân dụng, trực thăng có vai trò rất lớn trong vận tải hàng không đường ngắn, trong các điều kiện không có đường băng, sân bay và để chở các loại hàng hoá cồng kềnh, siêu trường, siêu trọng vượt quá kích thước khoang hàng bằng cách treo dưới thân. Trong đời sống thường nhật, trực thăng được sử dụng như máy bay cứu thương, cứu nạn, cảnh sát, kiểm soát giao thông, an ninh, thể thao, báo chí và rất nhiều các ứng dụng khác. Đặc biệt trong quân sự nó là một thành phần rất quan trọng của lực lượng 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 đường không, tấn công cơ động, tấn công mặt đất. Về mặt phân loại, máy bay trực thăng là khí cụ bay nặng hơn không khí, bay được nhờ lực nâng khí động học được tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang. Cũng như đối với máy bay thông thường, lực nâng khí động học được tạo thành khi có chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí, nhưng khác với máy bay thông thường là cánh nâng gắn cố định với thân máy bay, trực thăng có cánh nâng là loại cánh quạt quay ngang ( cánh quạt này còn gọi là cánh quạt nâng) và khi cần chuyển hướng thì trực thăng có cánh quạt ở đuôi (cánh quạt này còn gọi là cánh quạt điều hướng). Với đặc điểm của cánh nâng như vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm được sự chuyển động tương 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. Vì vậy, máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi.
7 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 được tạo ra nhờ sự tương tác với không khí. Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại không khí tác dụng lên cánh quạt một phạn lực hướng 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 suất của động cơ có lớn đến đâu. Vì ngoài trái đất là chân không. Hình1.4. Máy bay lên, xuống nhờ cánh quạt chính Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn mômen xung lượng khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của máy bay sẽ có xu hướng quay theo chiều ngược lại. Hình1.4. Máy bay lên, xuốn nhờ cánh quạt chính
8 Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi mà máy bay có thể Hình1.5. Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra một men cân bằng với momen do cánh quạt chính gây lên chuyển hướng sang phải sang trái dễ dàng. Hình1.6: Hệ thống Twin rotor mimo system: Mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa Hình1.5. Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra một mô men cân bằng với momen do cánh quạt chính gây lên 1.2. Giới thiệu về hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS) 1.2.1. Mô hình hệ TRMS Hình1.6: Hệ thống Twin rotor mimo system: Mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa.
9 TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa như trên hình 1.6. TRMS được gắn với một trụ tháp và một đặc điểm rất quan trọng của nó là vị trí và vận tốc của máy bay trực thăng được điều khiển qua sự thay đổi vận tốc của rotor. Ở máy bay trực thăng thực thì vận tốc roto hầu như không thay đổi và lực đẩy được thay đổi thông qua việc điều chỉnh các lá cánh rotor. Mô hình thí nghiệm TRMS được biểu diễn trên hình 1.7. Các đặc tính động học quan trọng nhất ở máy bay trực thăng được thể hiện trong mô hình này. Giống như máy bay trực thăng thực, có một hệ thống liên kết chéo quan trọng giữa hai rotor. Nếu chúng ta kích hoạt rotor ở vị trí dọc, máy bay trực thăng sẽ nghiêng về phía mặt phẳng ngang. Với hai đầu vào (điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc và ngang, các vận tốc góc). Hệ thống TRMS là một hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình máy bay hai cánh quạt và được sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiều luật điều khiển được áp dụng để điều khiển nó. Do tính phức tạp của quỹ đạo phi tuyến, sự ảnh hưởng của các khớp nối giữa các cánh quạt (Hình 1.8a và 1.8b), Hình 1.7: Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System) Hình 1.7: Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System)
10 Do tính phức tạp của quỹ đạo phi tuyến, sự ảnh hưởng của các khớp nối giữa các cánh quạt (Hình 1.6), sự thay đổi của khí động lực học tác dụng lên cánh quạt do vậy vấn đề nghiên cứu bộ điều khiển cho hệ thống TRMS là một thử thách, một vấn đề mới và phức tạp cho các đề tài nghiên cứu về nó. Hình 1.8b: Mặt chiếu bằng của TRMS Hình 1.8: Mặt chiếu bằng của TRMS 1.2.2. Cấu trúc cơ khí của hệ TRMS Phần cơ khí của TRMS bao gồm hai rotor với một đối trọng cùng được đặt trên một cần. Toàn bộ bộ phận này được gắn với trụ tháp, cho phép ta thí nghiệm điều khiển một cách an toàn (Hình 1.7) Phần điện (đặt dưới trụ tháp) đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển TRMS. Nó cho phép đo các tín hiệu và truyền đến máy tính PC, ứng dụng tín hiệu điều khiển thông qua card I/O. Các bộ phận cơ và điện kết hợp tạo thành một hệ thống điều khiển được thiết lập hoàn chỉnh. Two Rotor MIMO System (TRMS), là bộ thiết bị được thiết kế để phục vụ cho các thí nghiệm điều khiển. Theo khía cạnh chính là hoạt động của nó giống như một máy bay. Từ quan điểm điều khiển thì nó là ví dụ điển hình cho hệ phi tuyến bậc cao với các sự ghép chéo đáng kể. TRMS bao gồm một dầm chốt quay được đặt
11 trên đế sao cho nó có thể quay tự do trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Ở cả hai đầu của dầm có rotor (rotor chính và rotor phụ) được truyền động bởi động cơ một chiều. Một cần đối trọng với một đối trọng gắn ở cuối được cố định với dầm ở chốt quay. Trạng thái của dầm được mô tả bởi bốn biến: góc đứng và góc bằng được đo bởi sensor vị trí được lắp ở chốt, và hai vận tốc góc tương ứng. Thêm vào đó là hai biến trạng thái là vận tốc góc của các rotor, được 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 được điều khiển bằng sự thay đổi góc tới. Ở bộ thiết bị thí nghiệm được xây dựng sao cho góc tới là cố định. Do vậy sức động lực học được 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 tương ứng của dầm. Tuy nhiên, sự ghép chéo được quan sát giữa hoạt động của các rotor, mỗi rotor ảnh hưởng đến cả hai vị trí góc. 1.3. Kết luận Khi nghiên cứu về Twin Rotor MIMO System (TRMS), ta nhận thấy: Đây là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra có hiện tượng xen kênh rõ rệt. Nó hoạt động giống như máy bay trực thăng nhưng góc tác động của các rotor được xác định và các động lực học được điều khiển bởi các tốc độ của các động cơ. Hiện tượng xen kênh được quan sát giữa sự hoạt động của các động cơ, mỗi động cơ đều ảnh hưởng đến cả hai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch angle). Ngoài ra hệ thống này luôn luôn hoạt động với bất định mô hình. Tính bất định là không có thông tin, có thể không được mô tả và đo lường. Tính bất định mô hình có thể bao gồm bất định tham số và các động học không mô hình. Như đã giải thích trong [8], bất định tham số có thể do tải biến đổi, các khối lượng và các quán tính ít biết đến, hoặc không rõ và các thông số ma sát biến đổi chậm theo thời gian,... Trong lý thuyết điều khiển, bất định mô hình được xem xét từ quan điểm