Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ thống Twin Rotor Mimo System

- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink và thực nghiệm trên mô hình thực Luận văn bao gồm các phần chính như sau: Chương 1: Giới thiệu mô hình máy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, năm 2014

LỜI NÓI ĐẦU

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 khiến như PID truyền thống, PID thích nghi, LFFC (Learing Feed –Forword contronl) và LQG ( Linear Quad

Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ thống Twin

rotor mimo system”,

th

Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:

khiển

- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Simulink và thực nghiệm trên mô hình thực

Luận văn bao gồm các phần chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu mô hình máy bay trực thăng thông qua hệ thống twin rotos

mimo system

Chương 2: Mô hình toán học của twin rotors mimo system

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển pid thích nghi trực tiếp dựa trên cơ

sở mô hình mẫu để điều khiển hệ trms

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân t

, đặc biệt là Thầy giáo TS

Nguyễn Duy Cương cùng các cán bộ nhân viên trong trung tâm thí nghiệm – Trường

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự chỉ dạy và đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn học viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 05 năm 2014

Học viên

CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ

THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM

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 Menlêđêép, 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

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

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

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

Hình1.1 Trực thăng của Treremukhin

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 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 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

) 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

Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắn

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, kh

đất là chân không

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

Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi mà máy bay có thể chuyển hướng sang phải sang trái dễ dàng

1.2 Cấu tạo hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS)

TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa 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

Hình 1.4

Hình 1.5 Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra một mô men cân bằng với

momen do cánh quạt chính gây lên

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

Tuy vậy, các đặc tính động học quan trọng nhất ở máy bay trực thăng được thể hiện t

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, 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 Phần cơ khí của TRMS bao gồm hai rotor với một đối trọng cùng được đặt trên một cần Toàn bộ các bộ phận này được gắn với trụ tháp, cho phép ta thí nghiệm điều khiển một cách an toàn

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 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

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 Các khó khăn khi thiết kế bộ điều khiển cho TRMS

Thiết kế các bộ điều khiển thời gian thực thích ứng và phù hợp đòi hỏi mô hình toán học hệ thống có độ chính xác cao Tuy nhiên với hệ thống như TRMS có tính phi tuyến bậc cao, tính bất định của mô hình, đặc biệt là hiện tượng xen kênh giữa các đầu vào và các đầu ra thì điều này là hết sức phức tạp khi muốn điều khiển TRMS di chuyển nhanh và chính xác đến các vị trí mong muốn [16]

1.3.1 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 tượng xen kênh rõ rệt Nó hoạt động giống như máy bay trực thăng nhưng góc tác động của các rotors được xác định và các sức 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)

1.3.2 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 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, vv Trong lý thuyết điều khiển, bất định mô hình được 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 hưởng tiêu cực đến hiệu suất bám và thậm chí có thể dẫn đến không ổn định Nếu cấu trúc mô hình được giả định là đúng, nhưng hiểu biết chính xác về các thông

số đối tượng không rõ, thì điều khiển thích nghi được áp dụng Trong điều khiển thích nghi, một hoặc nhiều tham số điều khiển và / hoặc các tham số mô hình được 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 tượng không rõ hoặc biến đổi theo thời gian Do đó, để đạt được chất lượng làm việc tốt, bất định tham

số nên được kể đến, dưới điều kiện là hiệu suất vòng lặp kín ổn định được đảm bảo

1.4 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Nhận dạng mô hình

Có rất nhiều nỗ lực nhằm tìm ra các phương 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 ước lượng các hệ số động lực học cho máy bay không người lái (UAVs) [1] Chon và Cohen đã chỉ ra cách nhận dạng thông số cho các hệ thống động học tuyến tính và phi tuyến thông qua cách phân tích các tín hiệu vào và ra [3] 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 [4] Talebi et al [5] đã thực hiện một khảo sát về mô hình động học cho tay máy liên kết mềm sử dụng mạng noron Một phương pháp nhận dạng dựa ánh xạ phi tuyến miền thời gian cải tiến đã được đưa ra bởi Lyshevski cho việc nhận dạng các động học máy bay không ổn định [6] Bruce và Kellet đã khảo sát B-splines để mô hình và nhận dạng các hàm động lực học phi tuyến của máy bay [7] Trong tất cả các trường hợp này cấu trúc mô hình đã được biết Shaheed và Tokhi đề xuất một tiếp cận đưa ra các mô hình vào – ra mà không có mô hình xác định ưu tiên cũng như không có các thiết lập thông

số riêng biệt phản ánh bất kỳ dạng vật lý nào [9] Tiếp cận này bởi vậy hữu ích trong việc mô hình một lớp các phương tiện hàng không có động học không xác định

1.4.2 Chiến lược điều khiển

Có rất nhiều các chiến lược khác nhau đã được 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 trước thì không thể giữ

ổn định cũng như thỏa mãn việc bám theo quỹ đạo Hai phương pháp dựa trên tiếp cận thích nghi điều khiển tự chỉnh được trình bày Trường hợp đầu tiên với thuật toán có

kể đến các tác động lẫn nhau giữa các biến đầu vào và các biến đầu ra Phương 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 được 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 được nhận dạng và mô hình hệ thống được đưa 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 như là các nhiễu Cuối cùng các tác giả áp dụng lược đồ điều khiển deadbeat bền vững cho các hệ thống một đầu vào một đầu ra và thiết kế bộ điều khiển cho chúng [11] Akbar R et al phát triển của luật điều khiển mô hình ngược 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 được nghiện cứu và mô hình ngược phi tuyến được áp dụng cho kênh pitch (pitch channel) Khi không có các sai lệch mô hình ngược, một bộ điều khiển PD điều chỉnh bằng thuật toán gen được sử dụng để tăng khả năng bám của hệ thống Một thành phần mạng noron thích nghi được tích hợp sau đó với hệ thống điều khiển phản hồi nhằm bù các sai lệch mô hình ngược [12] Belkheiri Metal trình bày một phương pháp đơn giản để điều khiển hệ thống TRMS dựa vào mô hình hệ thống Phần đầu tiên đưa ra mô hình tin cậy của hệ thống, các thông số của mô hình được nhận dạng dựa trên phương pháp nhận dạng thông số bình phương cực tiểu Sau đó điều khiển Back stepping phi tuyến được 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 phương thức trượt được sử dụng để ước lượng các tín hiệu cần thiết [13] Một lược đồ điều khiển thông minh sử dụng cơ chế chuyển mạch

mờ, thuật toán gen (GA) được ứng dụng cho hệ thống phi tuyến xen kênh (TRMS) Trong điều khiển thời gian thực, FPGA được 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 Lược đồ đề xuất cải tiến chất lượng tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PID Hệ số khuếch đại bộ điều khiển và các thông số khác tìm được bằng thuật toán gen [14] Điều khiển H2 và H∞ cho TRMS nhằm điều khiển vị trí góc của thanh ngang nối hai động cơ của TRMS cũng được thực hiện trong [15]

1.5 Động lực cho việc sử dụng điều khiển PID thích nghi trực tiếp dựa trên

cơ sở mô hình mẫu (Model Reference Adaptive Systems MRAS)

Các hệ thống điều khiển chuyển động có thể là khá phức tạp vì nhiều yếu tố khác nhau phải được xem xét trong thiết kế Rất khó để tìm ra các phương pháp thiết kế mà xem xét tất cả những yếu tố như: Giảm ảnh hưởng của nhiễu, các biến đổi thông số đối tượng Không có giải pháp duy nhất nào cho các bài toán điều khiển khác nhau Một

số phương pháp có thể hấp dẫn hơn cho các bài toán điều khiển nhất định, trong khi những phương pháp khác cũng có thể được chấp nhận Với hệ thống TRMS, là một hệ thống MIMO, phi tuyến và xen kênh rất mạnh, việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn

để có thể đạt được vị trí mong muốn cho thanh ngang thông qua điều khiển hai rotors

Đã có nhiều bài báo nghiên cứu nhằm điều khiển hệ thống này tuy nhiên các bộ điều khiển cổ điển đều không đạt kết quả như mong muốn Do vậy, bộ điều khiển tiên tiến

đã được giới thiệu Tiếp cận điều khiển tiên tiến được thảo luận trong luận văn này là PID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu (MRAS) Bộ điều khiển được thiết kế để loại bỏ hiện tượng xen kênh, nhiễu bất định cho hệ thống Giải pháp cho phép đồng thời đạt được độ chính xác điều khiển, độ ổn định cao

1.6 Thiết kế hệ thống điều khiển? Nhiệm vụ của tác giả?

Hầu hết các hệ thống điều khiển bản chất vốn đã phi tuyến Người ta thường xấp

xỉ chúng như những mô hình toán học tuyến tính với nhiễu và bất định mô hình, sau

đó sử dụng các phương pháp thiết kế phân tích phát triển cho các hệ thống tuyến tính Mục đích của thiết kế kỹ thuật điều khiển là để có được cấu hình, thông số kỹ thuật, và xác định các thông số quan trọng của một hệ thống đã cho để đáp ứng yêu cầu thực tế Các thông số kỹ thuật làm việc là một tập hợp rõ ràng các yêu cầu được thỏa mãn bởi thiết bị hoặc sản phẩm Nói chung, các thông số kỹ thuật cho các hệ thống cụ thể là cơ

sở cho việc sử dụng phương pháp thiết kế điều khiển Với các phương pháp điều khiển

cổ điển, hệ thống điều khiển được mô tả bằng mối quan hệ đầu vào - đầu ra, hoặc hàm truyền Khi sử dụng các phương pháp đáp ứng tần số, các nhà thiết kế muốn thay đổi

hệ thống sao cho đáp ứng tần số của hệ thống thiết kế sẽ thỏa mãn các chi tiết kỹ thuật Khi sử dụng các phương pháp quỹ đạo nghiệm, các nhà thiết kế muốn thay đổi và định dạng lại các quỹ đạo nghiệm sao cho các nghiệm của hệ thống thu được sẽ nằm ở vị trí

mong muốn trong mặt phẳng - s Thiết kế điều khiển dựa trên phương pháp truyền thống về nguyên tắc bị giới hạn về các hệ thống bất biến theo thời gian tuyến tính Nếu các thông số kỹ thuật làm việc được cho trước như các chỉ số hiệu suất thay

vì các biến trạng thái, thì tiếp cận điều khiển hiện đại nên được sử dụng Các thông số

kỹ thuật có thể bao gồm các đặc điểm như năng lượng tiêu tán bởi hệ thống, và các nỗ lực điều khiển yêu cầu Đối với một hệ thống vật lý các chỉ số này luôn bị hạn chế Trong thiết kế điều khiển hiện đại, hệ thống được điều khiển được mô tả trong không gian trạng thái hay mô hình đầu vào-đầu ra và các phương pháp điều khiển triển chủ yếu trong miền thời gian Bằng cách sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại, các nhà thiết kế điều khiển có thể bắt đầu từ chỉ số hiệu suất, cùng với những hạn chế đối với hệ thống để tạo ra một hệ thống ổn định Thiết kế thông qua lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụng các công thức toán học của bài toán và áp dụng lý thuyết toán học vào bài toán thiết kế trong đó hệ thống có thể có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra và có thể biến đổi theo thời gian Điều này cho phép các nhà thiết kế tạo ra một hệ thống mà tối ưu các chỉ số hiệu suất Một khi các thông số làm việc và mô hình đối tượng thích hợp được xác định, thiết kế thực tế cho hệ thống điều khiển có thể được thành lập Có rất nhiều phương pháp điều khiển để thiết kế hệ thống Tuy nhiên, các phương pháp thích hợp hơn được lựa chọn dựa trên các thông số làm việc, mô hình đối tượng, kiến thức và kinh nghiệm của các nhà thiết kế Và thường được mong muốn là: (1) hệ thống được thiết kế sẽ cho ra sai số nhỏ nhất có thể để đáp ứng đầu vào tham chiếu mong muốn, (2) Động học hệ thống không quá nhạy cảm với những thay đổi của các thông

số hệ thống, và (3) những ảnh hưởng của nhiễu quá trình nên được giảm thiểu

Với mục tiêu Thiết kế, Điều khiển PID thích nghi cho hệ thống TRMS, tác giả

cần tiến hành các bước sau: 1- Thiết lập mô hình toán học cho hệ TRMS; 2 - Dựa trên

mô hình toán nhận được lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp đó là PID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu(MRAS) đồng thời tính toán được thông số của các bộ điều khiển; 3 - Kết quả tính toán thiết kế được kiểm chứng và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng; 4 - Triển khai thực nghiệm, hiệu chỉnh thông số trên hệ thống thực, so sánh đánh giá kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

1.7 Mong muốn đạt đƣợc

- Xây dựng mô hình toán của đối tượng điều khiển;

- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cũng như thông số các bộ điều khiển;

- Mô phỏng hệ thống;

- Thực nghiệm trên mô hình TRMS thuộc phòng thí nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTORS MIMO SYSTEM

2.1 Giới thiệu chung

Để thiết kế được một bộ điều khiển cho đối tượng, thì cần thiết phải xây dựng được một mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của đối tượng Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể

có sẵn hoặc cần phải xây dựng Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai

Mô hình toán học biểu thị mối quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t) của một hệ thống nhằm phục vụ mục đích mô phỏng, phân tích và tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống sau này

Mô hình của đối tượng dưới dạng toán học được gọi là mô hình danh định Do vậy, có thể nói rằng, một hệ thống điều khiển danh định là được thể hiện dưới dạng các phương trình toán học Từ đây, ta nhận thức được rằng mô hình hóa đối tượng dưới dạng các phương trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong phân tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển Việc mô tả toán học cho đối tượng càng sát với mô hình vật lý thì việc điều khiển nó càng đạt chất lượng cao như mong muốn Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều với các đối tượng không ổn định và có tính phi tuyến cao

2.2 Xây dựng mô hình toán của TRMS theo phương pháp Newton

hình 2.1, biểu diễn một hệ thống khí động lực học của mô hình máy bay, ở hai đầu của hệ thống gắn hai động cơ một chiều, hai động cơ một chiều có tác dụng điều khiển cánh quạt gắn trên trục động cơ

Mô hình toán học được xây dựng dưới một số giả định đơn giản hóa hệ thống, trước tiên người ta cho rằng động lực học của hệ thống được mô tả bởi một dãy phương trình vi phân Ngoài ra, cũng giả thiết rằng ma sát của hệ thống là trơn, nó cũng được giải định rằng các khí động lực học do hệ thống cánh quạt không khí gắn trên trục hai động cơ có thể được mô tả phù hợp với các mệnh đề về lý thuyết dòng chảy

Từ các giả thuyết trên cho ta xác định rõ vấn đề cần giải quyết Đầu tiên chúng

ta xét chuyển động của trục trong mặt phẳng đứng, tức là xung quanh trục nằm ngang Theo giả thuyết thì momen dẫn động được tạo ra bởi sự chuyển động của các cánh quạt, chuyển động quay được mô tả như nguyên tắc chuyển động của con lắc

Theo định luật 2 Newton ta có:

2 2

Mv: Là tổng số momen của các lực đặt theo phương thẳng đứng

Jv: Tổng momen quán tính theo phương ngang

αv: Góc lệch của trục quay nối 2 động cơ cánh quạt so với phương ngang

Mà:

4 1

v iv i

8 1

Hình 2.1: Các lực tác dụng vào TRMS tạo ra momen trọng lượng

Ta có bảng sau:

mmr Khối lượng của động cơ và cánh quạt chính 0,236 kg

mm Khối lượng của thanh tính từ trục quay đến trục động

cơ chính

mtr Khối lượng của động cơ và cánh quạt đuôi 0,221 kg

mt Khối lượng của thanh tính từ trục quay đến điểm gắn

động cơ ở đuôi

mms Khối lượng của phần bao ngoài bảo vệ cho cánh quạt

lcb Khoảng cách giữa vị trí gắn đối trọng tới điểm quay 0,276 m

* Ta có M v2 = l m F v (ω v ) (2.9) Trong đó: Mv2: Mômen của lực đẩy do cánh quạt chính gây ra;

Mv3: Mômen của các lực ly tâm tương ứng với chuyển động của trục ngang quay quanh trục thẳng đứng

Ωh: Vận tốc góc của trục nằm ngang quay quanh trục thẳng đứng

Ở hình 2.2, chúng ta có thể xác định được các thành phần của mômen quán tính

so với trục ngang Chú ý, mômen không phụ thuộc vào vị trí của trục nối giữa 2 động

cơ nằm ngang

Ta có:

J v1 = m mr l m 2 (2.15)

2 m

l

J v5 = m tr l t 2 (2.19)

2 t

Ta có:

2 2

Mh: Tổng hợp mômen các lực tác dụng trong mặt phẳng nằm ngang

Jh: Là tổng hợp các mômen quán tính tương đối so vơi trục thẳng đứng

Mà:

2 1

i

8 1

Động cơ cánh

quạt đuôi

Fh(ωh)

Mh1 = lt.Fh(ωh).cosαv (2.27)

ωh:Vận tốc góc quay của cánh quạt đuôi

Fh(ωh): Biểu thị sự phụ thuộc của lực đẩy vào vận tốc góc quay của cánh quạt đuôi (được xác định bằng thực nghiệm)

t t

Sv: mômen động lượng trong mặt phẳng thẳng đứng của trục nối 2 động cơ

Jtr: Mômen quán tính của động cơ gắn với cánh quạt đuôi

Phương trình mô tả chuyển động của hệ thống cánh quạt đuôi:

J S

Sh: Mômen động lượng trong mặt phẳng nằm ngang của trục nối 2 động cơ

Jmr: Mômen quán tính của động cơ gắn với cánh quạt chính

Các biểu thức toán học (2.44), (2.45), (2.46), (2.48), (2.49), (2.50) là những biểu thức bổ sung theo định luật bảo toàn động lượng

Vận tốc góc là các hàm phi tuyến của điện áp đầu vào động cơ một chiều Do đó chúng ta có 2 phương trình bổ sung sau:

Tmr: hằng số thời gian của hệ thống động cơ cánh quạt chính

Ttr: hằng số thời gian của hệ thống động cơ cánh quạt đuôi

nh 2.3: Sơ đ khối biểu di n đ u vào và đ u ra của 2 cánh quạt

hh u

Ta phải xác định được các hàm phi tuyến sau:

+ Hai yếu tố phi tuyến đầu vào xác định sự phụ thuộc của tốc độ quay vào điện

áp đặt vào động cơ một chiều

+ Hai đặc tính phi tuyến xác định sự phụ thuộc của lực đẩy cánh quạt vào tốc

độ vòng quay động cơ một chiều

S

uXSu: Là ẩn trạng thái của hệ;

h h h v v v

- Động cơ chính

Các đặc điểm của động cơ chính được thực hiện bằng các thực nghiệm, các phép đo phải chính xác để thanh ngang có thể xoay xung quanh trục thẳng đứng

,:

2.3 Xây dựng mô hình toán của TRMS theo Euler-Lagrange (EL)

Việc xây dựng mô hình toán của hệ thống TRMS dựa trên phương trình Lagrangian được chia làm 3 phần: đầu tiên bao gồm các trục tự do (trục nối với 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

- Trục quay 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 được rút ra từ O2

Từ các hình vẽ 2.4, 2.5, 2.6 ta có các phương trình toán học sau:

( ) cos( )cos( ) .sin( )sin( ) .sin( )

( ) sin( )cos( ) .cos( )sin( ) .cos( )

Hình 2.4: Twin rotor mimo system

Hình 2.5: nh chiếu đứng của hệ thống TRMS với α h =0

Chú ý rằng αh không có tác dụng lên rz(R), ta giả định nó bằng 0, được thể hiện như hình 2.2

- Thanh đối trọng

Các tọa độ [rx(R2), ry(R2), rz (R2)] là tọa độ điểm P2 trên thanh đối trọng, ta có

P2O1 = R1 Theo hình 2.5 ta thu đươc các phương trình sau:

( ) cos( )sin( ) .sin( ) os( ) .sin( )

( ) sin( )sin( ) .cos( ).cos( ) .cos( )

Thay các phương trình trong hệ phương trình (2.68) vào phương trình (2.69) ta được:

Phương trình Lagrangian được viết như sau:

DỰA TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH MẪU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRMS

- Lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS

- Cấu trúc

- Tính toán thông số

- Mô phỏng

3.1 Lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS

3.1.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi

Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế

mà các hệ điều khiển truyền thống không thoả mãn được Trong các hệ điều khiển truyền thống, các xử lý điều khiển thường dùng những mạch phản hồi là chính Vì vậy, chất lượng ra của hệ bị thay đổi khi có nhiễu tác động hoặc tham số của hệ thay đổi Trong hệ ĐKTN cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi được vì vậy chất lượng ra của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định

Điều khiển thích nghi khởi đầu là do nhu cầu về hoàn thiện các hệ thống điều khiển máy bay Do đặc điểm của quá trình điều khiển máy bay có nhiều tham số thay đổi và có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ổn định quỹ đạo bay, tốc độ bay Ngay

từ năm 1958, trên cơ sở lý thuyết về chuyển động của Boócman, lý thuyết điều khiển tối ưu… hệ thống điều khiển hiện đại đã ra đời Ngay sau khi ra đời lý thuyết này đã được hoàn thiện nhưng chưa được thực thi vì số lượng phép tính quá lớn mà chưa có khả năng giải quyết được Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, máy tính… cho phép giải được những bài toán đó một cách thuận lợi nên

Thập kỷ 60 là thời kỳ quan trọng nhất trong việc phát triển các lý thuyết tự động, đặc biệt là lý thuyết ĐKTN Kỹ thuật không gian trạng thái và lý thuyết ổn định dựa theo luật Lyapunov đã được phát triển Một loạt các thuyết như: Điều khiển đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông số … ra đời cho phép tiếp tục phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN Vào năm 1966 Park và các đồng nghiệp đã tìm được phương pháp mới để tính toán lại luật thích nghi sử dụng luật MIT ứng dụng vào các sơ đồ MRAS của những năm 50 bằng cách ứng dụng lý thuyết của Lyapunov Tiến bộ của các lý thuyết điều khiển những năm 50 cho phép nâng cao hiểu biết

về ĐKTN và đóng góp nhiều vào đổi mới lĩnh vực này Những năm 70 nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính đã tạo ra khả năng ứng dụng lý thuyết này vào điều khiển các hệ thống phức tạp trong thực tế

Tuy nhiên những thành công của thập kỷ 70 còn gây nhiều tranh luận trong ứng dụng ĐKTN Đầu năm 1979 người ta chỉ ra rằng những sơ đồ MRAS của thập kỷ 70

dễ mất ổn định do nhiễu tác động Tính bền vững trong ĐKTN trở thành mục tiêu tập trung nghiên cứu của các nhà khoa học vào năm 1980

Những năm 80 nhiều thiết kế đã được cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết ĐKTN bền vững Một hệ ĐKTN được gọi là bền vững nếu như nó đảm bảo chất lượng ra cho một lớp đối tượng trong đó có đối tượng đang xét Nội dung của bài toán bền vững trong ĐKTN là điều khiển những đối tượng có thông số không biết trước và biến đổi theo thời gian Cuối thập kỷ 80 có các công trình nghiên cứu về hệ thống ĐKTN bền vững, đặc biệt là MRAS cho các đối tượng có thông số biến thiên theo thời gian

Các nghiên cứu của những năm 90 đến nay tập trung vào đánh giá kết quả của nghiên cứu những năm 80 và nghiên cứu các lớp đối tượng phi tuyến có tham số bất định Những cố gắng này đã đưa ra một lớp sơ đồ MRAS xuất phát từ lý thuyết hệ thống phi tuyến

3.1.2 Khái quát về hệ điều khiển thích nghi

Trong luận văn này một vài dạng của hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu đã được bàn tới Chúng ta bắt đầu với một phương pháp trực quan, phương pháp này chỉ ra rằng ý tưởng phản hồi cơ bản giúp tìm ra các thuật toán cho việc chỉnh định tham số Ta thấy phát sinh hai câu hỏi : Đầu tiên là có cách nào để tìm ra những tín hiệu phù hợp mà chỉnh định đúng tham số tại đúng thời điểm thích hợp ; Điều thứ hai là làm cách nào đảm bảo ổn định cho hệ thống thích nghi mà bản thân nó vốn là phi tuyến do sự đa dạng

có mặt trong hệ thống Cái nhìn rõ nét trong câu hỏi đầu tiên đạt được bởi việc xem xét phương pháp mô hình độ nhậy Trạng thái ổn định có thể được đảm bảo bằng việc sử dụng lý thuyết ổn định của Lyapunov cho việc thiết kế hệ thống thích nghi

* Mục đích của việc nghiên cứu

Sau khi hoàn tất những điều vừa lưu ý trên dự kiến ta sẽ biết được:

+ Những tín hiệu phù hợp nào đóng vai trò trong hệ thống thích nghi

+ Bằng cách nào mà hệ thống thích nghi có thể được thiết kế dựa trên phương pháp độ nhậy

+ Bằng cách nào mà hệ thống thích nghi có thể được thiết kế dựa trên phương pháp (trạng thái ổn định) Lyapunov

* Giới thiệu:

Có một vài cấu trúc mà có thể đưa ra một hệ thống điều khiển có khả năng phản ứng với sự biến đổi những tham số của bản thân nó hoặc phản ứng với những biến đổi đặc tính của nhiễu (hệ thống) Một hệ thống phản hồi thông thường mặc dù có mục đích là giảm nhỏ sự nhạy cảm đối với những loại thay đổi này Tuy nhiên, khi những biến đổi thậm chí với cả một hệ thống có phản hồi mà hệ số khuếch đại tốt vẫn không thỏa mãn Lúc đó một cấu trúc điều khiển phức tạp hơn được cần đến và tính chất thích nghi chắc chắn phải được đưa vào (giới thiệu) Một hệ thống thích nghi có thể được định nghĩa như sau

“Một hệ thống thích nghi là một hệ thống mà trong bản thân nó đã bổ sung vào cấu trúc (phản hồi) cơ bản, kết quả đo chính xác được đưa vào để bù lại một cách tự động đối với những thay đổi trong mọi điều kiện hoạt động, với những thay đổi trong những quá trình động học, hoặc với những biến đổi do nhiễu hệ thống, nhằm để duy trì một quá trình thực hiện tối ưu cho hệ thống”

Nhiều định nghĩa khác đã được đưa ra trong lĩnh vực điều khiển Hầu hết trong

số đó chỉ miêu tả một vài phân loại tiêu biểu của hệ thống thích nghi

Định nghĩa đưa ra ở đây giả sử như là một chuẩn cấu trúc phản hồi thông thường cho phản ứng cơ bản đối với những thay đổi của nhiễu (hệ thống) và tham số Cấp thứ hai là một cơ cấu thích nghi hiệu chỉnh hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển gốc, thay đổi cấu trúc bản thân cơ cấu thích nghi và tạo ra các tín hiệu bổ sung v.v Trong một hệ thống thích nghi, việc thiết lập như vậy được chỉnh định bởi người sử dụng ở cấp thứ 2

* Lịch tr nh hệ số, các dạng chuyển đổi

Theo định nghĩa quá trình biến đổi tự động từ một chế độ làm việc này tới một chế độ làm việc khác được xem xét như một tính chất (đặc điểm) thích nghi Dùng kiến thức về ảnh hưởng của biến ngoài tác động đến hành vi của hệ thống cũng được hiểu là một đặc điểm thích nghi Loại thích nghi này có thể được thực hiện theo hai cách khác nhau: hoặc bằng cách đo từng nhiễu và tạo ra các tín hiệu để bù lại cho chúng (điều khiển feedforward) Hoặc là hiệu chỉnh hệ số bộ điều khiển phản hồi theo một lịch trình lập sẵn dựa trên sự hiểu biết về ảnh hưởng của những thay đổi tham số của hệ thống (lịch trình hệ số) Khả năng khác là sử dụng một ngân hàng của bộ điều khiển và chọn bộ điều khiển tốt nhất gần như tương tự với phương pháp lịch trình hệ

số Cách làm này được gọi là mô hình chuyển mạch Sự thay đổi có dựa trên ý tưởng này là phương pháp mô hình đa chiều Các kết quả đầu ra trong mô hình mẫu được so sánh với đầu ra của đối tượng để đưa vào điều khiển Bộ điều khiển có thể được thiết

kế và cài đặt dựa trên mô hình mẫu khi đầu ra của mô hình có sự giống nhất với đầu ra của đối tượng

Trong thực tế không thể áp dụng bộ điều khiển feedforward cho nhiều thay đổi khác nhau Một vài loại hệ thống thích nghi, theo một nghĩa hẹp hơn, đã được phát triển Nó cho phép một hệ thống được tối ưu hoá mà không cần bất kỳ sự hiểu biết gì

về nguyên nhân sinh ra những biến đổi quá trình động học Thông thường, khái niệm điều khiển thích nghi bị hạn chế bởi mỗi loại hệ thống thích nghi Không có sự phân biệt rõ giữa điều khiển thích nghi và điều khiển học Khái niệm điều khiển học thường được dùng cho nhiều hệ thống phức tạp hơn, nơi việc nhớ trạng thái trước là phức tạp

và có cả những vấn đề không thể được giải quyết bằng bộ điều khiển tiêu chuẩn, dựa trên hàm truyền, bởi vì chúng cần một dạng khác biểu diễn sự hiểu biết Ví dụ giống như cấu trúc hệ thống mạng nơron, những điều ghi chú trong luận văn này nói về 1 loại điều khiển thích nghi đặc biệt, nó được biết đến là bộ điều khiển thích nghi theo

mô hình tham chiếu

Hệ thống điều khiển thích nghi có thể được phân loại theo một vài cách khác nhau Một khả năng tạo ra sự phân biệt giữa chúng là:

Điều khiển thích nghi trực tiếp và điều khiển thích nghi gián tiếp

+ Hệ thống với sự chỉnh định trực trực tiếp các tham số điều khiển mà không nhận dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi tiếp)

+ Hệ thống với sự điều chỉnh gián tiếp các tham số điều khiển với việc nhận dạng

rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi gián tiếp)

Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu, hầu hết được gọi là MRAS, chủ yếu áp dụng điều khiển thích nghi trực tiếp Tuy nhiên, việc áp dụng MRAS để nhận dạng hệ thống cũng sẽ được minh hoạ ở nghiên cứu này

Triết lý cơ bản đằng sau việc áp dụng MRAS đó là đặc trưng mong muốn của hệ thống được đưa ra bởi một mô hình toán học, hay còn gọi là mô hình mẫu Khi hành vi của đối tượng khác với hành vi “lý tưởng” mà hành vi này được xác định bởi mô hình mẫu, đối tượng sẽ được sửa đổi theo 2 cách, hoặc bằng cách chỉnh định các thông số của bộ điều khiển (Hình 3.1a), hoặc bằng cách tạo ra tín hiệu bổ xung đầu vào cho đối tượng này (Hình 3.1b) Điều này có thể được chuyển thành bài toán tối ưu hoá, ví dụ tối thiểu hoá các tiêu chuẩn:

T 2 0

Trong trường hợp này, bài toán tối ưu hoá có thể được chuyển thành tối thiểu hoá tiêu chuẩn:

T T 0

Trong đó: P là một ma trận xác định dương

Như chúng ta sẽ thấy sau đây, hàm nhân trong bộ điều khiển thích nghi luôn luôn dẫn đến một hệ thống phi tuyến Điều này có thể được giải thích rằng việc điều khiển thích nghi là phản hồi phi tuyến nhiều hơn

Những xem xét sau đây đóng một vai trò nhất định trong việc lựa chọn giữa thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu Một tính chất quan trọng của hệ thống với việc thích nghi tham số đó là vì hệ thống có nhớ Ngay khi các tham số của đối tượng đã được điều chỉnh đúng với giá trị của chúng và những tham số này không thay đổi nữa,

Đối tượng

Bộ điều khiển Thích nghi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

vòng lặp thích nghi trong thực tế không còn cần thiết: đối tượng thực và mô hình mẫu hiển thị các trạng thái như nhau Việc nhớ trạng thái nói chung là không được thể hiện trong hệ thống cùng với thích nghi tín hiệu Do đó, vòng lặp thích nghi vẫn còn cần thiết trong mọi trường hợp, để nhằm liên tục tạo ra những tín hiệu phù hợp ở đầu vào

Do vậy, các hệ thống thích nghi tín hiệu cần phải phản ứng nhanh hơn hẳn đối với những thay đổi động học của đối tượng so với các hệ thống thích nghi tham số vì hệ thích nghi tín hiệu không sử dụng thông tin từ quá khứ Trong những hệ thống mà các thông số liên tục thay đổi trong một phạm vi rộng, việc nhớ trạng thái là rất có lợi Tuy nhiên, trong một môi trường ngẫu nhiên, ví dụ như trong các hệ thống với rất nhiều nhiễu, điều này lại là bất lợi Hệ số cao trong vòng thích nghi có thể gây nhiễu đưa tới đầu vào của đối tượng

Khi các tham số của đối tượng thay đổi chậm hoặc chỉ thời gian ngắn ngay sau

đó và ngay lúc đó, những hệ thống với sự thích nghi tham số đưa ra một cách thực hiện tốt hơn vì chúng có nhớ Cũng có một vài thuật toán thích nghi mà kết hợp những

ưu điểm của cả hai phương pháp trên Trong những lưu ý sau chủ yếu sẽ được tập trung vào các hệ thống thích nghi tham số, mặc dù vậy việc kết hợp giữa thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu cũng sẽ được bàn đến

Một cách khác để xem xét hệ thống như sau Các vòng điều khiển phản hồi tiêu chuẩn được xem như là một hệ thống điều khiển sơ cấp phản ứng nhanh, chính xác mà

nó buộc phải loại ra nhiễu “thông thường” Những biến thiên lớn trong các tham số hoặc là nhiễu lớn được xử lý bởi hệ thống điều khiển thích nghi (thứ hai) phụ tác động chậm hơn (Hình 3.2)

Đối tượng

Bộ điều khiển

u

Bộ điều khiển thứ nhất của hệ

Bộ điều khiển thứ hai của hệ

3.1.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT

Trong lĩnh vực điều khiển nâng cao này, một vài phương pháp đã được mô tả để thiết kế hệ thống thích nghi Nhưng chúng ta có thể có được cái nhìn sâu sắc hơn với phương pháp này bằng cách tư duy làm cách nào tự tìm đựơc các thuật toán cho mình Điều này giúp ta thực sự hiểu được những gì đang diễn ra Do đó, trong lúc này chúng

ta sẽ hoãn lại việc xem xét những hàm toán học và xem xét các ý tưởng cơ bản của MRAS với một ví dụ đơn giản Khi chúng ta cố gắng thiết kế một bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống đơn giản này, chúng ta sẽ gặp phải những vấn đề mà cần đến nền lý thuyết cơ bản hơn Những tính chất nói chung với những phương pháp thiết kế khác nhau cũng như là sự khác biệt của các phương pháp này sẽ trở lên rõ ràng Tất nhiên việc “điều khiển” với tham số Ka và Kb không phải là một bộ điều khiển thực tế Trong thực tế, chúng tôi giả thiết ở phần này là các thông số đối tượng có thể được chỉnh định trực tiếp Trong ví dụ này, đối tượng (tuyến tính) được mô tả bằng hàm truyền:

Mô hình tham chiếu (tuyến tính) đã có bậc giống với đối tượng Giá trị tính toán sau được lựa chọn:

ω =10; z = 0,7; a = 68; b = 2500mTrong trường hợp chỉ có (DC – Direct Control) điều khiển thích nghi trực tiếp –

hệ số khuếch đại của đối tượng và mô hình mẫu khác nhau bởi hệ số bằng hai Điều này có thể được nhận ra trong các đáp ứng bước nhảy đơn vị của hệ thống này (Hình 3.4a và 3.4b)

Vì e = ym – yp và y =p 1ym

2 , trong truờng hợp này sai lệch e bằng yp Để nhận được

2 đáp ứng giống nhau, các tham số Kb cần được hiệu chỉnh Hiển nhiên là Kb nên được điều chỉnh tăng lên Một sự lựa chọn hợp lý cho việc chỉnh định Kb dường như là: