Tôi xin cam đoan đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GÓC NÂNG CHO MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP µSYNTHESIS” do PGS.TS. Đặng Xuân Kiên hướng dẫn, là công trình nghiên cứu thực sự của riêng tôi. Các số liệu để xây dựng mô hình điều khiển và những kết quả thu được trong luận văn là trung thực. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và các yêu cầu của thầy hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo NGUYỄN THANH DANH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GÓC NÂNG CHO MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP µ-SYNTHESIS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HCM 12 - 2018 GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo NGUYỄN THANH DANH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC NÂNG CHO MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP µ-SYNTHESIS CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 1481031006 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG XUÂN KIÊN TP HCM 12 - 2018 LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Đặng Xuân Kiên Cán chấm nhận xét : PGS TS Võ Công Phương Cán chấm nhận xét : PGS TS Dương Hoài Nghĩa Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Giao thông vận tải Tp HCM ngày 05 tháng 12 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch Hội đồng Uỷ viên phản biện Uỷ viên phản biện Ủy viên Ủy viên thư kí PGS TS Đồng Văn Hướng PGS TS Võ Cơng Phương PGS TS Dương Hồi Nghĩa TS Trần Thanh Vũ TS Võ Nguyên Sơn Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS ĐỒNG VĂN HƯỚNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐTVT PGS TS ĐẶNG XUÂN KIÊN LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: NGUYỄN THANH DANH Sinh ngày 15 tháng năm 1991 Hiện học viên lớp cao học khoá 2016 – 2018, chuyên ngành: Kĩ thuật điều khiển Tự động hoá, TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HCM Tơi xin cam đoan đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GÓC NÂNG CHO MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP µ-SYNTHESIS” PGS.TS Đặng Xuân Kiên hướng dẫn, cơng trình nghiên cứu thực riêng tơi Các số liệu để xây dựng mơ hình điều khiển kết thu luận văn trung thực Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học trước pháp luật TP.HCM, ngày tháng 10 năm 2018 Người viết cam đoan Nguyễn Thanh Danh LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Đặng Xn Kiên, người hướng dẫn tơi q trình thực luận văn Trong trình thực luận văn gặp nhiều khó khăn, nhờ hỗ trợ tận tình thầy cố gắng thân, tơi hồn thành luận văn Bên cạnh tơi xin chân thành cảm ơn đến Trường ĐH GTVT TP.HCM quý thầy, quý cô khác, suốt q trình đào tạo khố cao học thầy, truyền đạt kiến thức quan trọng để giúp tơi có đủ kiến thức học tập nghiên cứu hồn thành đề tài Tơi xin cảm ơn bạn, anh, chị, em lớp cao học Tự động hóa khóa 2016 – 2018 hỗ trợ giúp đỡ tơi suốt khóa học Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn quan tâm, hỗ trợ thời gian động viên tinh thần gia đình tơi suốt thời gian tơi học tập hồn thành luận văn Học viên thực Nguyễn Thanh Danh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 Lí chọn đề tài .11 1.2 Một số nghiên cứu mơ hình máy bay trực thăng – TRMS .13 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 14 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 14 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 14 1.4 Mục tiêu đề tài 14 1.5 Công việc thực 15 1.6 Cấu trúc luận văn 15 CHƯƠNG MƠ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TWIN ROTOR MIMO SYSTEM 16 2.1 Giới thiệu tổng quan mơ hình TRMS 16 2.2 Mơ hình toán học hệ TRMS 17 2.2.1 Các lực tác dụng lên mặt phẳng đứng 17 2.2.2 Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang 19 2.2.3 Mơ hình tốn học hệ TRMS 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 22 3.1 Khái niệm điều khiển bền vững 22 3.2 Hệ đa biến tuyến tính MIMO 23 3.3 Mơ hình khơng chắn 25 3.3.1 Mơ hình khơng chắn có cấu trúc 25 3.3.2 Mơ hình khơng chắn khơng cấu trúc 26 3.3.3 Phương pháp xây dựng mơ hình khơng chắn 29 3.3.4 Cấu trúc chuẩn M – ∆ 29 3.4 Tính ổn định nội 30 3.4.1 Định lý ổn định nội 31 3.4.2 Hàm nhạy hàm bù nhạy 31 3.5 Ổn định bền vững 32 3.6 Chất lượng điều khiển bền vững 34 3.7 Phương pháp điều khiển độ lợi vòng (Loop-shaping) 35 3.8 Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững 36 3.8.1 Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững theo chuẩn H2 37 3.8.2 Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững H∞ 39 3.9 Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững µ-synthesis 39 3.9.1 Trị suy biến có cấu trúc – Structured singular value (SSV) 39 3.9.2 Các tính chất SSV 40 3.9.3 Tổng hợp µ (µ-synthesis) phương pháp D – K iteration 41 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRMS 45 4.1 Thơng số mơ hình hệ TRMS 45 4.2 Thiết kế điều khiển bền vững theo phương pháp µ – synthesis 45 4.2.1 Mơ hình khơng chắn hệ TRMS 45 4.2.2 Đặc tính hệ thống vịng kín 50 4.2.3 Thiết kế điều khiển theo phương pháp µ – synthesis 53 CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TRÊN HỆ TRMS .62 5.1 Mơ hình thực nghiệm .62 5.1.1 Mơ hình khí .62 5.1.2 Hệ thống điều khiển 63 5.2 Kiểm nghiệm điều khiển bền vững mô hình thực nghiệm .66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 69 DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO .72 PHỤ LỤC 72 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MIMO: Multi Input Multi Output – Hệ nhiều ngõ vào nhiều ngõ TRMS: Twin Rotor MIMO System – Hệ máy bay trực thăng hai bậc tự SSV: Structured Singular Value – Trị suy biến có cấu trúc PWM: Pulse Width Modulation – Bộ điều rộng xung ESC: Electronic Speed Controller – Bộ điều khiển tốc độ điện tử DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thơng số vật lí mơ hình TRMS Bảng 4.2 Thơng số danh định sai số mơ hình 61 Hình 4.21 Đáp ứng hệ TRMS với tín hiệu tham chiếu sóng sine 62 CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TRÊN HỆ TRMS 5.1 Mơ hình thực nghiệm 5.1.1 Mơ hình khí Mơ hình khí hồn thiện hệ TRMS Hình 5.1 Hệ khí gồm có hai khâu: khâu nằm ngang nối với bệ đỡ qua khớp quay; khâu vng góc với khâu nằm ngang thông qua khớp quay khác với hai động gắn cánh quạt hai đầu Hình 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ TRMS Chuyển động mặt phẳng đứng hệ động tác động chuyển động mặt phẳng ngang động phụ tác động Cả hai động loại động không 63 chổi than, gắn cánh quạt phù hợp, điều chỉnh tốc độ quay phương pháp điều chỉnh điện áp vào điều khiển ESC BLHeli Trên khớp quay có đặt encoder để đo góc quay, phản hồi giá trị cho điều khiển Giới hạn góc mơ hình thực nghiệm sau: giới hạn góc Pitch giới hạn góc Yaw 5.1.2 Hệ thống điều khiển Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ TRMS Hệ thống điều khiển có tác dụng cấp tín hiệu điều khiển xuống mơ hình khí thơng qua điều khiển cơng suất nhận tín hiệu phản hồi từ encoder Trong đó, KIT STM-32F4 đọc liệu góc từ encoder phản hồi về, tính tốn tín hiệu điều khiển theo điều khiển bền vững xuất tín hiệu điều khiển để điều khiển động không chổi than gắn hai đầu mơ hình Các thành phần hệ thống điều khiển cụ thể sau: 64 KIT STM32F4 DISC - Vi điều khiển STM32F407VGT6 dòng vi điều khiển 32 bit với lõi ARM Cortex-M4, có nhớ gồm MB Flash 192 KB RAM - Tích hợp sẵn mạch nạp ST-LINK/V2-A KIT - USB ST-LINK có khả cung cấp dạng giao tiếp: Virtual COM Port, Mass Storage Debug Port - KIT cấp nguồn thông qua cổng mini-USB cấp nguồn 3V – 5V thông qua jack cắm - Tích hợp cảm biến gia tốc trục LIS3DSH, xử lí âm MP45DT02, xử lí âm DAC CS43L22 - Tích hợp LED: LD1 (đỏ/xanh) hiển thị trạng thái giao tiếp USB, LD2 (đỏ) báo nguồn 3.3V, LED LD3 – LD6 sử dụng cho nhiều mục đích, LED báo trạng thái hoạt động KIT - Tích hợp hai nút nhấn để reset KIT Board công suất ESC BL-Heli 40A: Board công suất ESC sử dụng với mục đích điều khiển tốc độ động pha không chổi than (3-phase brushless motor) dựa phần mềm tích hợp sẵn board Board ESC có số đặc tính sau đây: - Bảo vệ thấp áp, tải tín hiệu Accelerator - Cấp nguồn độc lập cho MCU BEC, tăng cường khả chống nhiễu sóng điện từ cho ESC - Các thơng số cài đặt ESC thiết lập thông qua phần mềm, transmitter thẻ chương trình - Hoạt động dựa firmware BL-Heli tối ưu hóa hiệu suất, phạm vi throttle thiết lập tương thích receivers khác nhau, tích hợp UBEC 65 - Tốc độ tối đa ESC điều khiển: 210,000 rpm cho động cực, 70,000 rpm cho động cực 35,000 rpm cho động 12 cực Động cánh quạt Động sử dụng mơ hình loại động pha khơng chổi than (3phase brushless motor) gồm có stator rotor cấu tạo sau: Hình 5.3 Cấu tạo động BLDC - Stator: bao gồm lõi sắt (các thép kĩ thuật điện ghép với nhau) dây quấn - Rotor: nam châm vĩnh cửu Động sử dụng mơ hình động Tarot 5008 (TL96020) với số đặc tính kĩ thuật sau đây: - Đường kính ngồi động 58.8 mm, chiều cao động 32 mm - Đường kính stator 50 mm, đường kính trục mm - Trọng lượng động 171 g, khối lượng nâng tối đa 3.7 kg - Điện áp làm việc 24 VDC, công suất tối đa 700W - Driver điều khiển loại ESC 40A Đối với cánh quạt cho motor phải chọn loại phù hợp với công suất, lực nâng đủ lớn Lực kéo cực đại đạt tới 3.7 kg cho motor motor đuôi Các thông số công suất, lực kéo hay tốc độ dịch chuyển motor xác định cách xác yếu tố chất lượng motor 66 Encoder sử dụng mơ hình loại rotary encoder E50S8 – 5000 hãng Autonics với nguồn cấp VDC số xung đạt 5000 ppr Nguồn công suất cấp cho mạch công suất hai động hoạt động loại nguồn 24 VDC, công suất 200W 5.2 Kiểm nghiệm điều khiển bền vững mơ hình thực nghiệm Hình 5.4 Chương trình điều khiển nhúng vào KIT STM32F4 67 Hình 5.5 Giao diện điều khiển giám sát Matlab – Simulink Kết đáp ứng hệ thống thực nghiệm: Hình 5.6 Đáp ứng góc Pitch hệ TRMS với góc đặt khác 68 Hình 5.7 Đáp ứng góc Yaw hệ TRMS với góc đặt khác Nhận xét: Bộ điều khiển bền vững µ-synthesis hoạt động tốt mơ hình thực nghiệm TRMS Hệ thống cho đáp ứng tốt, bám tốt theo giá trị đặt khác 69 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả sử dụng phương pháp điều khiển bền vững µ-synthesis để áp dụng điều khiển hệ TRMS Bộ điều khiển giải mục đích giữ thăng ổn định góc hệ TRMS tác động ngoại lực, nhiễu sai số mơ hình Kết mơ Matlab kiểm nghiệm mơ hình thực tế cho thấy điều khiển đáp ứng chất lượng, ổn định đảm bảo tiêu chí bền vững đáp ứng góc tốt so với số cơng trình cơng bố Nhược điểm luận văn điều khiển chưa có khả thích nghi, khảo sát miền giới hạn CÁC CÔNG VIỆC ĐÃ THỰC HIỆN Các vấn đề nghiên cứu luận văn bao gồm: - Mô hình hóa đối tượng, biểu diễn hệ TRMS dạng mơ hình tốn học - Xây dựng mơ hình mơ hệ TRMS - Thiết kế điều khiển bền vững theo phương pháp µ-synthesis, tinh chỉnh trọng số để thỏa mãn đồng thời tiêu chí ổn định bền vững chất lượng bền vững - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống TRMS - Kiểm nghiệm lại điều khiển bền vững mơ hình thực nghiệm HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI Trong thời gian thực đề tài, cố gắng nhận nhiều giúp đỡ thầy hướng dẫn, song giới hạn kiến thức thời gian hạn chế nên luận văn tồn số hạn chế sau: - Góc quay bị hạn chế mơ hình ảnh hưởng đến giải thuật điều khiển - Tín hiệu điều khiển động chưa tốt - Bộ điều khiển chưa thích nghi với thay đổi thông số không chắn mơ hình, ảnh hưởng lớn đến ổn định hệ thống 70 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Tiếp tục nghiên cứu số phương pháp điều khiển khác áp dụng cho hệ TRMS để nâng cao chất lượng điều khiển tính bền vững hệ thống - Kết hợp điều khiển bền vững với điều khiển khác thích hợp để điều khiển kết hợp điều khiển ổn định hệ thống tác động ngoại lực - Áp dụng điều khiển bền vững để điều khiển thử nghiệm cho số mơ hình thơng dụng khác 71 DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Thanh Danh, Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Văn Giao, “Điều khiển bền vững hệ thống lái trợ lực điện ô tô phương pháp Loop Shaping”, Hội nghị Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải lần IV, – 2018 Xuan-Kien Dang, Van-Phuong Ta, Thanh-Danh Nguyen, “Designing Robust Controller For Twin Rotor MIMO System”, International Journal of Innovative Computing, Information and Control - ICIC Express Letters, Part B: Applications – ISSN 2185 – 2766, pp – ELB-1809-003, Volume 10, Number (tentative), January 2019 Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Thanh Danh, “Thiết kế điều khiển bền vững cho hệ máy bay trực thăng hai bậc tự do”, Hội nghị Khoa học Khoa Điện – Điện tử - Điện tử viễn thông – Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, 2018 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Pandey and V Laxmi, “Optimal Control of Twin Rotor MIMO System Using LQR Technique”, Computational Intelligence in Data Mining – Volume 1, 2015 [2] T Uzunovic, J Velagic, N Osmic, A Badnjevic and E Zunic, “Neural Networks for Helicopter Azimuth and Elevation Angles Control Obtained by Cloning Processes”, IEEE, 2010 [3] A.P.S Ramalakshmi, P.S Manoharan, K Harshath and M Varatharajan, “Model predictive control of 2DOF helicopter”, Innovative Space of Scientific Research Journals, Vol 24, pp 337 – 346, 2016 [4] A Aras and O Kaynak, “Trajectory Tracking of a 2-DOF Helicopter System using Neuro-Fuzzy System with Parameterized Conjunctors”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2014 [5] J.G Guarnizo M., C.L Trujilo R and J.A Guacaneme M., “Modeling and Control of a Two DOF Helicopter Using a Robust Control Design Based on DK iteration”, IEEE, 2010 [6] Q Ahmed, A.I Bhatti, S Iqbal and I.H Kazmi, “2-Sliding Mode Based Robust Control for 2-DOF Helicopter”, 11th International Workshop on Variable Structure System, June 26 – 28, 2010 [7] Petko H Petkov, Nicolai D Christov and Mihail M Konstantinov, “Robust RealTime Control of a Two-Rotor Aerodynamic System”, Proceeding of the 17th World Congress - the International Federation of Automatic Control, July – 11, 2008 [8] D.W Gu, P.Hr Petkov and M.M Konstantinov, “Robust Control Design with MATLAB”, Library of Congress Control Number: 2013938042, Nov – 2013 73 [9] Heon-Sul Jeong and Se-Myong Chang, “Sliding Mode Trim and Attitude Control of a 2-DOF Rigid-Rotor Helicopter Model”, KSAS International Journal, Vol.6, No 2, November – 2005 [10] A.S.R Beloli, J.L Florencio and M.S.M Cavalca, “A 2-DOF LOW COST CONTROL WORKSTATION FOR CONTROL TECHNIQUES APPLICATION”, 22nd International Congress of Mechanical Engineering, November – 7, 2013 [11] Pham Quang Tri and Dang Xuan Kien, “Parameter Optimization of PID Controller Based On PSO Algorithm for a Twin Rotor MIMO System”, Journal of Transportation Science and Technology, Nov – 2015 [12] Nguyen Truong Phi and Dang Xuan Kien, “Design and Analysis of Two Degrees of Freedom Helicopter Model Based on Robust H∞ Control Synthesis Method”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng Hải, Aug – 2016 [13] Quanser Aerospace, “Quanser 2-DOF Helicopter User Manual”, Quanser Inc, 2011 [14] Quanser Aerospace, “Aerospace Plant: 2-DOF Helicopter Position Control Reference Manual”, Document Number 658, Revision 2.0 [15] Nguyễn Thanh Danh, Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Văn Giao, “Điều khiển bền vững hệ thống lái trợ lực điện ô tô phương pháp Loop Shaping”, Hội nghị Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải lần IV, – 2018 [16] Xuan-Kien Dang, Van-Phuong Ta, Thanh-Danh Nguyen, “Designing Robust Controller For Twin Rotor MIMO System”, International Journal of Innovative Computing, Information and Control - ICIC Express Letters, Part B: Applications – ISSN 2185 – 2766, pp – ELB-1809-003, Volume 10, Number (tentative), January 2019 74 [17] Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Thanh Danh, “Thiết kế điều khiển bền vững cho hệ máy bay trực thăng hai bậc tự do”, Hội nghị Khoa học Khoa Điện – Điện tử - Điện tử viễn thông – Trường Đại học Giao thơng Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, 2018 75 PHỤ LỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ