Tính toán ác đặc tính khí động của máy bay dựa trên số liệu của hộp đen

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là đi xây dụng phơng pháp tính toán các đặc tính khí động của máy bay dựa vào số liệu của hộp đen trên cơ sở lấy tín hiệu điều khiển là góc nghiê

Trờng đại học bách khoa hà nội

-

Nguyễn Xuân Lĩnh

Luận văn thạc sỹ tính toán các đặc tính khí động của máy bay

dựa trên số liệu của hộp đen

Luận văn thạc sỹ ngành cơ khí động lực

Hà Nội-2008

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205056651000000

-

Nguyễn Xuân Lĩnh

Luận văn thạc sỹ

tính toán các đặc tính khí động của máy bay

dựa trên số liệu của hộp đen

Mục lục

Trang Trang phụ bìa

1.1 Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có 10

1.3 Chỉ ra những vấn đề mà đề tài luận văn cần tập trung nghiên cứu

3.2 Tính các tham số khí động dựa trên số liệu mẫu 46

3.2.3 Tính các tham số khí động khi tín hiệu điều khiển

ϕ(t) = const = 100 ở chế độ bay H=1120m và không có nhiễu

48

3.2.4 Tính các tham số khí động khi tín hiệu điều khiển

ϕ(t) = sin(t) ở chế độ bay H=1120m và không có nhiễu

58

4.2 Bµn luËn 71

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Trong thời kỳ hội nhập kinh tế thế giới, ngành KTHK cũng là một trong những ngành trọng điểm đợc Nhà nớc quan tâm Các cơ quan chịu trách nhiệm khai thác, bảo dỡng và sử dụng máy bay cũng đã nhận thấy đợc tầm quan trọng và cũng đã quan tâm đến việc đạo tạo nhân lực và đổi mới công nghệ nhằm mục đích đảm bảo an toàn trên mỗi chuyến bay

Tuy nhiên, trong quá trình khai thác, sử dụng máy bay việc chuẩn đoán sớm những hỏng hóc vẫn cha đợc các nhà khoa học và các nhà kỹ thuật của ngành thực sự quan tâm, đã có rất nhiều những hỏng hóc bất thờng xảy ra trong khi bay, uy hiếp an toàn bay và làm thiệt hại rất lớn đến tiền bạc và tính mạng phi công

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là đi xây dụng phơng pháp tính toán các đặc tính khí

động của máy bay dựa vào số liệu của hộp đen trên cơ sở lấy tín hiệu điều khiển là góc nghiêng cánh lái độ cao và sử dụng thuật toán đánh giá các quá trình động học phi tuyến của lý thuyết nhận dạng tham số Từ đó đa ra đợc các sai số so với tham số chuẩn và có thể chuẩn đoán trớc đợc các hỏng hóc

có thể xảy ra

3 Đối tợng nghiên cứu

Máy tập lái Hàng không; các loại máy bay dân sự, quân sự

4 Phạm vi nghiên cứu

áp dụng vào nghiên cứu chuyển động điển hình của máy bay trong không gian là chuyển động dọc chu kỳ ngắn và có thể mở rộng, phát triển cho tất cả các dạng chuyển động, các chế độ chuyển động của máy bay trong không gian

5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn tốt Tạo tiền đề để các tác giả nghiên cứu và phát triển nhằm tạo ra đợc các thiết bị nhận biết lắp trực tiếp trên các loại máy bay

6 Cấu trúc luận văn

Đề tài luận văn có cấu trúc nh sau:

Mở đầu

Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tợng và phạm vi nghiên cứu,

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chơng1- Tổng quan

Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong

và ngoài nớc liên quan mật thiết đến đề tài luận văn; nêu những vấn đề còn tồn tại; chỉ ra những vấn đề mà đề tài luận văn cần tập trung nghiên cứu giải quyết

Chơng 2 - Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết, lý luận, giả thuyết khoa học và phơng pháp nghiên cứu đã đợc sử dụng trong luận văn

Chơng 3 - tính toán các đặc tính khí động của máy bay

áp dụng những lý thuyến đã đợc trình bày ở chơng 2 và cơ sở dữ liệu thu thập đợc để tính toán các đặc tính của máy bay ở chuyển động dọc chu

kỳ ngắn và đa ra các đánh giá so với các tham số chuẩn

Chơng 4 – kết quả và bàn luận

Kết luận

Trình bày những kết quả mới của luận văn một cách ngắn gọn

Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

Danh mục tài liệu tham khảo

gồm các tài liệu chủ yếu đợc trích dẫn, sử dụng và đề cập trong luận văn

Phụ lục

Lời cam đoan

với nội dung của đề tài luận văn mà tác giả lựa chọn thì quĩ thời gian giành cho việc làm luận văn là rất thiếu Tuy nhiên, bằng sự cố gắng của bản

thân và dới sự hớng dẫn rất tận tình và chu đáo của GS -TS KH Vũ Duy

Quang tác giả đã hoàn thành đợc đề tại luận văn của mình

Mặc dù kết quả nghiên cứu tính toán mới chỉ đạt ở mức độ tìm hiểu và tiếp cận vấn đề nhng tác giả xin cam đoan đây là sản phẩm mà bản thân tác giả đã nỗ lực làm việc

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô của Viện cơ khí động lực

- Đại học Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ tác giả trong quá trình học

tập tại viện Đặc biệt GS – TSKH Vũ Duy Quang, thầy đã rất nhiệt tình chỉ

bảo và quan tâm sát sao đến quá trình học tập cũng nh quá trình làm luận văn của tác giả

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Đại tá, PGS – TS Nguyễn Văn Quế – Trởng bộ môn Cơ lý thuyết – Học viện PKKQ Thầy đã tạo điều kiện về mọi mặt để tác giả đợc đi học, cho tác giả ý tởng của đề tại luận văn

và giúp đỡ tác giả tận tình trong quá trình tính toán

Tác giả xin chân thành cảm ơn

Chơng 1 Tổng quan

1.1 Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có

Trong những năm qua, ở trong nớc cũng nh trên thế giới đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu, sử dụng lý thuyết nhận dạng vào việc giải quyết các bài toán trong các công trình nghiên cứu của mình [8],[11] Các tác giả đã sử dụng một cách rất đa dạng các phơng pháp và kết quả đạt đợc là rất tốt, rất thực tiễn

Tuy nhiên, đối với ngành Kỹ thuật Hàng Không (KTHK) số các tác giả

sử dụng lý thuyết này là không nhiều, đa phần là các tác giả làm trong ngành

Điện-Điều khiển thiết bị bay và họ sử dụng một số phơng pháp nh: Phơng pháp đờng đặt tính quá độ, Phơng pháp bình phơng nhỏ nhất, Phơng pháp sai phân [11] chủ yếu để giải quyết các bài toán thuận Bài toán thuận đi xây dựng các mô hình toán học (chủ yếu là các mô hình không liên tục-ARX, ARMAX, OEM) đợc xử lý trên cơ sở các dữ liệu đo đạc trên hệ thống(thiết bị), các kết quả trên các mô hình đợc so sánh và rút ra kết luận Việc nghiên cứu và giải quyết các bài toán thuận có ý nghĩa thực tiến rất lớn trong việc mua hay chế tạo máy bay mới ngành KTHK, đã giảm thiểu đợc đến mức tối

đa thời gian, công sức và tiền bạc

1.2 hững vấn đề còn tồn tại N

Mặc dù, các công trình mà các tác giả đã nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, nhng nó chỉ có ý nghĩa lớn với ngành KTHK trong việc nghiên cứu tìm hiểu, chế tạo máy bay mới; còn với công việc khai thác, sử dụng thì hầu nh không có ý nghĩa gì mấy Hơn thế, ngành KTHK ở nớc ta hiện nay mới chỉ ở giai đoạn đầu của sự phát triển, chúng ta mới chỉ đáp ứng tốt công việc

khai thác, bảo dỡng các máy bay đã có, và có một yêu cầu lớn đặt ra là làm thế nào để biết sớm đợc những hỏng hóc có thể xảy ra trong quá trình bay Hiện tại trong quá trình khai thác KTHK ở Việt Nam đã áp dụng rất nhiều phơng pháp để “chuẩn đoán sớm” hỏng hóc nhng những phơng pháp này cha thực sự hiện đại, mất nhiều thời gian, công sức và các kết quả kiểm tra có độ chính xác thấp

1.3 hững vấn đề cần tập trung nghiên cứu giải quyết N

Vấn đề mà đề tại luận văn tập trung nghiên cứu đó là đi giải quyết bài toán ngợc Bài toán ngợc không đi xây dựng mô hình mà dựa vào một số tín hiệu điều khiển máy bay( điển hình là góc nghiêng cánh lái độ cao δcldc hoặc góc lệch đuôi ngang ) để nhận biết các tham số khí động học (nh:ϕ

Chơng 2 cơ sở lý thuyết

2.1 Mô hình toán chuyển động của máy bay [ ] 2

2.1.1 cơ sở xây dựng mô hình toán

2.1.1.1 Các hệ trục toạ độ

Động học bay đa ra một số hệ toạ độ sau:

1 hệ toạ độ liên kết Ox1y1z1

gốc O trùng với trọng tâm MB; trục Ox1 trùng với trục dọc MB; trục Oy1

nằm trong mặt phẳng đối xứng và vuông góc với Ox1; trục Oz1 tạo với 2 trục kia thành 1 hệ vuông góc thuận

2 hệ toạ độ tốc độ thẳng đứng Oxyz

gốc O trùng với trọng tâm MB; trục Ox trùng với véc tơ vận tốc, trục Oy vuông góc với Ox và nằm trong mặt phẳng thẳng đứng chứa Ox; trục Oz tạo với 2 trục kia thành hệ vuông góc thuận

3 Hệ toạ độ mặt đất O 0 x 0 y 0 z 0

- O0: gốc toạ độ đặt tại điểm cất hoặc hạ cánh

- Trục O0y0: hớng thẳng đứng(vuông góc với mặt đất)

- Trục O0x0: hớng từ Tây sang Đông và vuông góc với O0y0 tạo thành hệ toạ đột thuận

- Trục O0z0: vuông góc với mặt phẳng ngang x0O0y0

Để thuận tiện cho việc phân tích các chuyển động của máy bay trong không gian ngời ta sử dụng hệ toạ độ trung gian(hệ toạ độ chuẩn) Ox0y0z0 Với gốc tọa độ đặt tại trọng tâm của máy bay; các trục Ox0, Oy0, Oz0 song song với các trục O0x0, O0y0, O0z0 và khi máy bay chuyển động hệ toạ độ

Ox0y0z0 vẫn đứng yên tơng đối so với má bay.y

2.1.1.2 Các lực và mômen khí động tác dụng vào máy bay

1 Các lực tác dụng lên máy bay

của profil cánh c, góc mũi tện .χ

Trong trờng hợp tổng quát Rth đợc hợp thành bởi 3 thành phần lực đó

là lực nâng Y, lực cản Q và lực cản cạnh Z

- Lực nâng Y :

S

V C

Trong đó : Cy, Cx là các hệ số lực nâng và hệ số lực cản, chúng phụ thuộc

và rất nhiều các yếu tố nh : góc tấn , số Mach M, độ dãn dài của cánh α λ, độ

dày tơng đối của profil cánh c, góc mũi tện χ

clx y

Lực cản cạnh Z tham gia vào sự hình thành các mômen khí động Mx,

x cl

x clh

x x

β

(2.5) Trong đó :

∆Mx : là mômen nghiêng do xuất hiện thả cánh tà, tấm giảm tốc không

đối xứng hay máy bay treo, mang không đối xứng

Ngoài các mômen này còn có các mômen do chuyển động quay của máy bay sinh ra đó là mômen cản quay ngang (Mx)ω x và mômen cản quay xoắn (Mx)ω y

Hình 2.1 : Các mômen tác dụng lên máy bayBiểu thức của mômen cản quay ngang (Mx)ω x có dạng :

x clh

x y x x

x x

- Mômen hớng M y

Mômen hớng My là tổng các mômen làm máy bay quay quanh trục Oy1 Mômen hớng đợc hình thành khi lệch cánh lái hớng, khi có trợt cạnh, khi lệch cánh lái liệng hoặc khi thả càng, tấm giảm tốc không đối xứng My > 0 khi là máy bay quay sang trái và ngợc lại My <0 khi làm máy bay quay sang phải

Biểu thức của Mynh sau :

y cl

x clh

y y

β

(2.7) Trong đó :

mδ : đạo hàm của hệ số mômen hớng theo góc trợt

cạnh, góc lệch cánh lái hớng và góc lệch cánh lái liệng

∆My : là mômen hớng xuất hiện khi thả cánh tà, tấm giảm tốc không đối xứng

Ngoài các mômen trên, trong trờng hợp tổng quát còn có các mômen do chuyển động quay của máy bay sinh ra, đó là mômen cản quay ngang (My)ω y

y clh

y y y x

y y

(2.8)

- Mômen dọc M z

Mômen dọc Mz là tổng của các mômen làm cho máy bay quay quanh trục Oz1 Đây là mômen khí động và mômen do lực đẩy của động cơ đối với trục Oz1 đi qua trọng tâm của máy bay Mz > 0 khi nó làm đầu máy bay ngóc lên ( đợc gọi là mômen ngóc), Mz < 0 nếu nó làm đầu áy bay chúc xuống ( đợc gọi là mômen chúc)

a z

M

2

2ρ

=

Trong đó :

mz : là hệ số mômen dọc

ba : dây cung khí động trung bình

mz phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, nhng trong thực tế thờng sử dụng biểu thức gần đúng :

clx z z

F T

y z

ϕ

z

m là đạo hàm hệ số mômen dọc của đuôi ngang (tấm ổn định ngang).

ϕ là góc lệch của đuôi ngang

clx

z

mδ là hệ số mômen dọc của cánh lái lên xuống

clx

δ là góc nghiêng cánh lái lên xuống

Ngoài các mômen dọc kể trên, khi máy bay quay quanh trục ngang (Oz1) còn xuất hiện các mômen dọc do chuyển động quay của máy bay tạo ra

Mômen dọc cản quay (Mz)ω z xuất hiện khi máy bay quay quanh trục ngang (Oz1) với tốc độ góc quay ωz Mômen dọc cản quay đợc xác định theo công thức :

z z a

( )

M , khi máy bay quay quanh trục dọc Oz1

với tốc độ góc ωz, góc tấn của máy bay sẽ thay đổi với tốc độ góc là

+

− +

=

∑ Mz Mz0 Y ( XT XF ) Mz ϕϕ Mz δclxδclx

•

•+

z z

(2.12)

3 Lực đẩy động cơ

Một trong các lực thờng xuyên tác dụng lên máy bay đó là lực đẩy của

động cơ, lực đẩy của động cơ đợc biểu thị qua đặc tính tốc độ và độ cao của

biết các chế độ bay kinh tế Với phân tích chuyển động của máy bay trong không gian cần quan tâm nhiều đến lực đẩy của động cơ

Lực đẩy của động cơ trong trờng hợp giãn nở hoàn toàn trên miệng phun đợc tính theo công thức sau :

)

m

P = s − (2.13) Trong đó :

ms- Lu lợng không khí trong 1s

C5 - Tốc độ không khí sau miệng phun của động cơ

V- Tốc độ bay

4 Trọng lợng của máy bay

Máy bay gồm nhiều các bộ phận khác nhau ( Cánh, đuôi, thân càng,

động cơ, nhiên liệu và các vât treo khác ), nên trọng lợng của áy bay là tổng của các trọng lợng thành phần Điểm đặt của trọng lợng của máy bay đợc gọi là trọng tâm của máy bay Trong quá trình bay do nhiên liệu tiêu hao, thả bom, bắn tên lửa nên trọng lợng của máy bay thay đổi cả về độ lớn và

2.1.1.3 Hệ phơng trình vi phân biểu diễn dạng cơ động tổng quát

Hệ phơng trình vi phân biểu diễn dạng cơ động tổng quát sau :

) sin ( − θ

= g nxdt

) cos cos

γ θ

V

g dt

γ ω

ϑ

cos sin

( cos dt

d

z

ω ϑ

ψ

−−−−−

ϑ γ ω

γ ω

Tõ c¸c hÖ thøc trªn, ta cã thÓ rót ra:

sin cos

cos

; cos cos

sin

; sin

z

y

x

γ ϑ ψ

− γ ϑ

=

ω

γ ϑ

ψ + γ ϑ

=

ω

ϑ ψ

sin cos cos

; sin

; sin cos

− ψ ϑ

=

ω

ϑ γ +

ψ

=

ω

ψ ϑ + ψ ϑ

ϕ

sin cos

+

= dt

d x

(2.25)

ψ ϑ

γ ψ ϑ

ϕ

sin cos cos

- Chuyển động tâm khối của máy bay theo quỹ đạo

- Chuyển động quay của máy bay quanh tâm khối

Chúng ta xẽ chỉ đi xét chuyển động của máy bay quan tâm khối làm cơ

sở để giải quyết bài toán đề ra

2.1.2 xây dựng mô hình toán chuyển động dọc ngắn của máy bay

2.1.2.1 Phơng trình chuyển động của máy bay quanh tâm khối

H- Độ cao bay so với mặt nớc biển

θ- Góc nghiêng quĩ đạo bay so với mặt phẳng ngang

x0, y0 – Toạ độ trọng tâm của máy bay.

Các thông số của chuyển động quay của áy bay quanh tâm khối:

ΣMx, ΣMy, ΣMz là các mômen tổng hợp ( cả khí động và lực) tơng ứng với các trục liên hệ

Tất cả các phơng trình trên hợp lại thành hệ phơng trình động học của chuyển động máy bay và đợc gọi là các phơng trình động học le, mà từng ơphơng trình là phơng trình vi phân bậc 2 tơng ứng với các dịch chuyển về

độ dài và góc

b Các phơng trình chuyển động quay

Các phơng trình động hình học xác lập những mối liên hệ còn thiếu giữa các góc ϑ, γ, và ψ với các tốc độ quay thành phần ωx, ωy, ωz nằm trong hệ phơng trình động học, nh sau:

γ ω

γ ω

z y

γ ω

ϑ

γ ω

γ ω

ϑ

ψ

cos

sin cos

cos

z y

P dt

động dọc và chuyển động cạnh

1 Chuyển động dọc

Chuyển động dọc là các chuyển động trong mặt phẳng (Ox1y1) là chuyển

động tịnh tiến của trọng tâm máy bay theo 2 trục Ox1, Oy1 và quay quanh

trọng tâm (trục Oz1) Trong chuyển động này có tham gia của các lực P, Q,

Y, G và mô men dọc Mz Nh vậy nó chuyển động do các lực và mômen nằm trong mặt phẳng đối xứng của máy bay gây nên Chuyển động dọc đợc đặc trng bằng các thông số: V, α, , ϑ θ, và ωz Các thông số của chuyển động cạnh (β, γ, ψ ω, x, ωy) lúc này coi nh bằng không Điều này có thể đảm bảo

đợc bằng cách lệch các cánh lái thích ứng (nh cánh lái hớng, cánh lái liệng) Ví dụ điển hình của chuyển động dọc là thắt vòng đứng

=ϑ

(2.41’)

Nh vậy, chúng ta nhận thấy chuyển động dọc của máy bay có đặc điểm

là thay đổi góc tấn nhanh còn thay đổi tốc độ thì chậm (∆ ≈V 0) Điều đó có thể tạm qui ớc để phân chia chuyển động dọc của máy bay thành hai dạng: Chuyển động dọc nhỏ( Chuyển động dọc chu ký ngắn) là chuyển động trong đó có xảy ra sự thay đổi góc tấn còn tốc độ hầu nh không thay đổi Chuyển động dọc lớn (chuyển động chu kỳ dài) là chuyển động khi góc

tấn thay đổi xong và tốc độ bay mang tính quyết định

2 Chuyển động cạnh

Chuyển động cạnh là chuyển động tịnh tiến theo trục dọc oz và quay quanh hai trục Ox1 và Oy1, các lực và các mômen tác dụng trong chuyển động này là các lực cạnh Z và các mômen Mx, My; làm thay đổi các góc β, γ, ψ ω, x,

ωy; nh vậy là chuyển động do các lực và các mômen nằm ngoài mặt phẳng

đối xứng máy bay gây nên Khi xét chuyển động cạnh thì các thông số chuyển

động dọc: V, α, , ϑ θ, và ωz coi nh bằng không hoặc thay đổi không đáng kể Mặc dù sự phân chia chuyển động thành chuyển động dọc và chuyển

động cạnh chỉ là ớc lệ, nhng nó cho phép nghiên cứu những đặc tính ổn

định và điều khiển thực tế

viết hệ phơng trình chuyển động cạnh bằng cách cho điều kiện ωz = 0

và bỏ các phơng trình chuyển động dọc trong hệ phơng trình tổng quát:

γ ω

V

gVSMCM

()

ϕα

( )

( 2

) ( 2

m I

Sb

V M

m I Sb

c

z

z z

z z

z

a

z z

z

a z

ρ ϕ

α

ρ ω ω

ϕ α

ω

∆ + +

+ +

ϕ - Gãc nghiªng c¸nh l¸i lªn xuèng

m- Khèi lîng m¸y bay

g- Gia tốc trọng trờng

Cy = Cy α(M).α + Cy ϕ(M).ϕ - hệ số lực nâng

) (M

m z z

ω

- Đạo hàm của hệ số mô men cản quay

) (M

mzα - Đạo hàm của hệ số mômen ổn định tĩnh dọc dọc trục

(M)

mzϕ - Đạo hàm của hệ số mômen tính đến ảnh hởng của góc

lệch đuôi ngang

) (

mz - Đạo hàm của hệ số mômen dọc trục khi α = 0.

c

zm

∆ - Hệ số mômen tính ảnh hởng của thả càng

*Kết luận

Việc xây dựng mô hình toán để khảo sát một bài toán là hết sức quan trọng và cần thiết

Mô hình toán học mô tả chuyển động của máy bay trong không gian là

hệ phơng trình vi phân phi tuyến rất phức tạp và chuyển động dọc ngắn là một trong những dạng chuyển động điển hình Chính vì lẽ đó tác giả đã đi xây dựng phơng trình chuyển động dọc ngắn và lấy đó làm cơ sở để tính toán các tham số khí động của máy bay

2.2 một số phơng pháp và thuật toán nhận dạng

thông dụng

2.2.1 Khái niệm [3]

Nhận dạng là phơng pháp thực nghiệm xác định một mô hình cụ thể trong lớp các mô hình thích hợp đã cho trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào/ra Mô hình tìm đợc phải có sai số với quá trình (đối tợng) là nhỏ nhất

2.2.2 Một số phơng pháp nhận dạng thông dụng - [4 Ch4] 2.2.2.1 Các phơng pháp dựa trên đáp ứng quá độ

u điểm: trực quan, đơn giản

Nhợc điểm: Mức độ chính xác của các mô hình nhận đợc thờng chỉ ở mức độ khiêm tốn, vì:

+ Mô hình sử dụng thờng đơn giản (bậc thấp)

+ ảnh hởng của nhiễu không đợc giải quyết tốt

Dới đây là bốn đờng cong đáp ứng quá độ rất tiêu biểu của các quá trình (đối tợng) không có trễ

+ Đặc tính dao động tắt dần (c): có thể xấp xỉ thành mô hình dao động bậc hai

+ Đặc tính tích phân (d): có thể xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ cộng thêm thành phần tích phân

Riêng trờng hợp b thể hiện đáp ứng ngợc của quá trình, ta nên rất thận trọng và áp dụng những phơng pháp khác thích hợp hơn

Để tiến hành các phơng pháp sẽ trình bầy dới đây một cách thực sự hiệu quả, ta cần lu ý đặc biệt một số điểm sau đây:

+ Quá trình thực tế nào cũng phi tuyến, vì vậy việc tiến hành thực nghiệm cần tiến hành xung quanh điểm làm việc qui định Các số liệu thu thập cần dựa trên các giá trị chênh lệch so với trạng thái xác lập, chứ không phải các giá trị vào/ra thực

+ Nếu ảnh hởng của nhiễu đo là đáng kể, cần tiến hành thực nghiệm nhiều lần vấu đó lấy số lệu trung bình Nếu cần thiết có thể tiến hành các biện pháp lọc nhiễu trớc khi xử lý.

1 Mô hình quán tính bậc nhất có trễ ( first - order plus dead -time, FOPDT)

Mô hình có hàm truyền nh sau:

s

e Ts 1

k s

+

= ) ( (2.48)

trong đó k là hệ số khuếch đại tĩnh của đối tợng, T là hằng số thời gian và ϑ

là thời gian trễ xấp xỉ

Có rất nhiều những phơng pháp để xác định các tham số k, T, và ϑ Cụ thể nh:

- Phơng pháp kẻ tiếp tuyến ( phơng pháp này mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác, khó thực thi trên máy tính, nhiễu quá trình và nhiễu đo

có thể gây sai lệch rât lớn trong kết quả)

- Phơng pháp hai điểm qui chiếu (phơng pháp này có sai lệch mô hình nhỏ hơn rất nhiều so với phơng pháp kẻ tiếp tuyến)

- Phơng pháp diện tích (Phơng pháp này có khối lợng tính toán xấp xỉ tích phân rõ ràng lớn hơn hẳn, kết quả tính toán các tham số thời gian phụ thuộc một cách tơng đối nhạy cảm vào giá trị ớc lợng cho hệ số khuếch

đại tĩnh k Chỉ cần giá trị k có sai số tơng đối nhỏ cũng có thể dẫn tới sai số lớn trong tính toán T và θ)

2 Mô hình quán tính bậc hai có trễ

Mô hình có hà truyền đạt có thể viết dới dạng:

s 2

1

e s T 1 s T 1

k s

+ +

=

) )(

( )

( (2.49)

hoặc

s 2

1 s T 2 s T

k s

+ ξ +

= ) ( (ξ≥1) (2.49’ )

Với mô hình này cũng có một số phơng pháp để xác định các tham số k,

T, và ϑ Cụ thể nh:

- Phơng pháp kẻ tiếp tuyến và hai điểm qui chiếu (phơng pháp này tơng tự nh mô hình quán tính bậc nhất có trễ, tuy nhiên với hai điểm qui chiếu)

- Phơng pháp ba điểm qui chiếu (chất lợng mô hình nhận đợc theo phơng pháp này tốt hơn phơng pháp trên)

3 Mô hình dạo động bậc hai

Mô hình này có hàm truyên:

s 2

1 s T 2 s T

k s

+ ξ +

= ) ( (0<ξ<1) (2.50)

Hệ số khuếch đại tĩnh k cũng đợc xác định bằng cách kẻ đờng tiệm cận hoặc trên thuật toán, tơng tự nh đối với khâu quán tính Các tham số còn lại có thể xác định dựa vào một số điểm đặc trng trên đồ thị

Có hai loại: - Dao động kéo dài ( hơn một chi kỳ): dùng phơng pháp hai

s

e Ts 1

s

k s

+

=

) (

) ( (2.51)

s 2

1

e s T 1 s T 1 s

k s

+ +

=

) )(

( )

2.2.2.2 Các phơng pháp dựa trên đáp ứng tần

Nhận dạng dựa trên số liệu đặc tính đáp ứng tần số trớc hết có thể phục

vụ các phơng pháp thiết kế điều khiển trực tiếp trên miền tần số hoặc phục vụ

ớc lợng gián tiếp mô hình liên tục từ các số liệu thực nghiệm chủ động Đặc tính đáp ứng tần số của quá trình đợc xác định tại những miền tần số quan tâm, thông qua thực nghiệm trực tiếp với tín hiệu kích thích hình sin hoặc với các dạng tín hiệu phù hợp khác

1 Kích thích trực tiếp tín hiệu hình sin

Đây là một trong những phơng pháp cổ điển nhất để lấy đặc tính tần số của một quá trình

u điểm:

- Độ chính xác cao, tính bền vững với nhiễu

- Cung cấp cho ta một cách tơng đối trực quan những thông tin hết sức quan trọng về cấu trúc mô hình cũng nh về động học của chúng

Nhợc điểm:

- Mất nhiều thời gian vì trực tiếp dùng tín hiệu hình sin để lấy đặc tính

đáp ứng tần

- Việc lấy số liệu cho mỗi cặp vào/ra cókhi mất nhiều ngày, tốn kém

- Về mặt thiết bị và công nghệ sản xuất không phải quá trnhf nào cũng cho phép kích thích dao động

2 Kích thích tín hiệu dạng xung

Kích thích tín hiệu hình sin là một phơng pháp khó khả thi đối với nhiều quá trình Cách là thực dụng hơn là sử dụng các dạng tín hiệu khác có dải tần nằm trong phạm vi quan tâm và phơng pháp sử dụng tín hiệu dạng xung là một trong những phơng pháp hiệu quả, phù hợp và khắc phục đợc những nhợc điểm của phơng pháp trên

3 Phơng pháp phân tích phổ tín hiệu

Hai phơng pháp giới thiệu trên đây đều dựa vào tín hiệu kích thích chủ

động Khi tín hiệu này không cho phép, các dãy giá trị vào/ ra bắt buộc phải lấy hoàn toàn từ số liệu thực Phân tích phổ tín hiệu là một phơng pháp quen thuộc phục vụ nhận dạng đặc tính tần số

u điểm:

- Tín hiệu vào có thể chon tơng đối tự do (tín hiệu xung vuông, xung ta giác…)

- Thời gian tiến hành thực nghiệm đợc rút ngắn rất nhiều lần bởi theo lý thuyết chỉ cần duy nhất một lần kích thích

- Các số liệu có thể lấy từ một quá trình đang vận hành chứ không bắt buộc phải thông qua kích thích chủ động

Nhợc điểm

- Chất lợng của mô hình nhận đợc phụ thuộc rất nhiều vào dạng tín hiệu đợc sử dụng, chu kỳ trích mẫu tín hiệu cũng nh thời gian quan sát tín hiệu

2.2.2.3 Các phơng pháp bình phơng tối thiểu

Đối với nhng quá trình phức tạp hoặc những quá trình đòi hỏi khắt khe

về chất lợng điều khiển, ta cần các phơng pháp nhận dạng chính xác hơn những phơng pháp đã giới thiệu ở trên Một trong những phơng pháp đợc coi là đa năng dựa trên nguyên lý đơn giản và quen thuộc –nguyên lý bình phơng tối thiểu ( least squares, LS) Thực chất, bài toán nhận dạng đợc đa

về bài toán tối u với hàm mục tiêu cần cực tiểu hoá là tổng bình phơng sai lệch giữa các số liệu quan sát thực và giá trị tính toán ớc lợng

Phơng pháp bình phơng tối thiểu có thể áp dụng cho nhận dạng các hệ phi tuyến cũng nh hệ tuyến tính, dựa trên miền thời gian cũng nh miền tần

số, nhận dạng trực tuyến cũng nh ngoại tuyến

1 Nguyên lý bình phơng tối thiểu

Giả sử quá trình đợc mô tả bởi một mô hình toán học đơn giản

ϑ φ

= ϑ φ

+

⋅

⋅ + ϑ φ

+ ϑ φ

)

trong đó y(ti) là giá trị quan sát đợc tại thời điểm ti, Θ là vector tham số của mô hình cần xác định:

Tiêu chuẩn thông dụng nhất đợc sử dụng để đánh giá mức độ sai lệch này dựa trên tổng bình phơng của từng giá trị sai lệch Có nghĩa là vector tham số ϑ cần đợc lựa chọn nhằm tối thiểu hoá hàm mục tiêu cho một khoảng thời gian quan sát [t1 tN]:

2 i N

0 i

T i

2 i N

1 i

φ

φφ

φ

φφ

()(

)()

()(

)()

()(

)(

)(

)(

N n N

2 N 1

2 n 2

2 2 1

1 n 1

2 1 1

N T

2 T 1 T

tt

t

tt

t

tt

t

t

tt

) (

) (

2 1

N

t y

t y

t y

Bài toán nhận dạng đợc diễn đạt thành bài toán tìm nghiệm “tối u” của hệ phơng trình tuyến tính (2.8) hay bài toán tối u toàn phơng không ràng buộc

min arg ψ − Φ ϑ ψ − Φ ϑ

=ψΦΦΦ

=

)( (2.57) trong đó Φ⊥ là một ma trận giả nghịch đảo của Φ và tính khả đảo (hay tính không suy biến) của ma trận ΦTΦ đợc gọi là điều kiện kích thích cho bài toán nhận dạng

Trong thực tế, các giá trị đo luôn bị sai lệch bởi nhiễu dẫn đến kết quả tính kém tin cậy nếu nh số điểm quan sát N cha đủ lớn Một trong những tính chất hết sức quan trọng của phơng pháp bình phơng cực tiểu là: nếu nhiễu đo chỉ ở dạng ồn trắng ( kỳ vọng bằng 0), tín hiệu nhiễu đo không có tơng quan với vector hồi quy và số điểm quan sát N lớn vô cùng thì kết quả mô hình ớc lợng sẽ không phụ thuộc vào số lần thử nghiệm Hơn nữa, nếu cấu trúc mô hình đã chọn đúng thì sai lệch mô hình sẽ tiến tới không Tính chất nạy gọi là tính nhất quán của phơng pháp bình phơng tối thiểu

Tuy nhiên khi chọn N lớn sẽ kéo theo khối lợng tính toán cũng lớn, vì thế cần cân nhắc kỹ giữa độ chính xác cần thiết với chi phí tính toán

Cũng có thể chuuyển công thức (2.10) về dạng truy hồi để thích hợp cho nhận dạng trực tuyến, thời gian thực

=

ϑ∧(tk) ∧(tk−1) K(tk) y(tk) T(tk) ∧(tk−1) (2.58)

k 1 k k

T k

1 k

t

K ( ) = ( − ) φ ( ) − φ ( ) ( − ) φ ( )− (2.59)

[ ( ) ( ) ] ( ) )

+ε

γφ+

ϑ

=

)()(

)()

(

)

k k T

k 1

k

tt

tt

- ớc lợng tham số mô hình FIR (mô hình đáp ứng xung hữu hạn)

- ớc lợng tham số mô hình gián đoạn

- ớc lợng tham số mô hình liên tục SOPDT

2.2.2.4 Nhận dạng vòng kín

Gần đây, vấn đề nhận dạng trong vòng kín hay gọi tắt là nhận dạng

vòng kín (closed loop identification) thu hút đợc sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu cũng nh ngời sử dụng công nghiệp Mục đích nhận dạng ở

-đây là xây dựng một mô hình phục vụ tự động tính toán các tha số cho bộ điều khiển không phải phục vụ mô phỏng hay các mục đích khác

Phân biệt hai nhóm phơng pháp nhận dạng vòng kín là nhận dạng trực

tiếp và nhận dạng gián tiếp

1 Nhận dạng trực tiếp

Nhận dạng trực tiếp sử dụng thông tin thu thập đợc vè biến điều khiển

và biến ra để trực tiếp ớc lợng mô hình quá trình

u điểm

- Không yêu cầu thông tin chính xác về bộ điều khiển

- Kết quả có thể đạt độ chính xác cao nếu chọn đợc phơng pháp nhận dạng phụ hợp

Hai vấn đề cơ bản

- Sự tơng quan mạnh giữa nhiễu đo và biến điều khiển

- Quan hệ tuyến tính giữa biến ra và biến điều khiển ( nếu sử dụng bộ

điều khiển tuyến tính)

2 Nhận dạng gián tiếp

Các phơng pháp gián tiếp sử dụng thông tin thu thập đợc về giá trị biến chủ đạo và biến đầu ra để ớc lợng mô hình cho hệ kín Sau đó, mô hình quá trình sẽ đợc dẫn xuất trên cơ sở mô hình hệ kín và thông tin về bộ điều khiển phản hồi

Phơng pháp nhận dạng gián tiếp cũng có những điểm hạn chế chung sau

đây:

- Thôn tin về luật điều khiển có thể không chính xác

- Đặc tính của bộ điều khiển thực có thể phi tuyến do thuật toán thực thi bên trong hoặc do giới hạn của các thiết bị chấp hành

- Việc dẫn xuất từ mô hình hệ kín không phải bao giờ cũng cho một mô hình hệ hở có tính nhân quả, đặc biệt khi có thời gian trễ xuất hiện trong hệ thống Sự xâp xỉ dẫn đến mất mát về độ chính xác của mô hình

Từ hai nhóm phơn pháp trên đa ra một số phơng pháp nhận dạng vòng kín đơn giản, dễ sử dụng trong thực tế

a Nhận dạng trong vòng phản hồi rơ - le.

- Phơng pháp nguyên bản: là một trong những phơng pháp nổi tiếng và thực dụng nhất sử dụng khâu hai vị trí hay còn gọi là phơng pháp phản hồi rơ-le