Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống twin rotor MIMO system

LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Sinh ngày 07 tháng 01 1990 Học viên lớp cao học khóa 18 – Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác Khoa Điện tử – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System” thầy giáo PGS.TS Nguyễn Duy Cương hƣớng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày… tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Tuyết Hoa i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng đƣợc hƣớng dẫn bảo tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “ Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System” hoàn thành Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Duy Cương tận tình dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp đồng nghiệp Khoa Điện tử động viên khuyến khích, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao kỹ thuật công nghiêp cung cấp thiết bị để tác giả hoàn thành nghiên cứu thực nghiệm Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân hạn chế, đề tài tránh khỏi thiếu sót Vì vây, tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày… tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Tuyết Hoa ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM I.1 Giới thiệu máy bay trực thăng Twin Rotor MIMO System I.2 Cấu tạo TRMS 10 I.3 Các đặc điểm điều khiển TRMS 11 I.3.1 Tính phi tuyến tƣợng xen kênh 12 I.3.2 Tính bất định mơ hình 12 I.4 Tổng quan nghiên cứu nƣớc TRMS 12 I.4.1 Nhận dạng hệ thống 12 I.4.2 Chiến lƣợc điều khiển các nghiên cứu trƣớc TRMS 13 I.5 Định hƣớng nghiên cứu mục tiêu đề tài 14 I.5.1 Định hƣớng nghiên cứu 14 I.5.2 Mục tiêu đề tài 15 KẾT LUẬN CHƢƠNG I 15 CHƢƠNG II: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TWIN ROTOR MIMO SYSTEM 16 II.1 Giới thiệu chung 16 II.2 Mơ hình tốn học TRMS xây dựng dựa theo Euler – Lagrange 16 KẾT LUẬN CHƢƠNG II 24 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 25 III.1 Chiến lƣợc điều khiển 25 III.2 Lý thuyết tối ƣu hóa điều khiển PID giải thuật di truyền GA 26 III.2.1 Tổng quan giải thuật di truyền GA 26 III.2.2 Tối ƣu hóa điều khiển PID giải thuật di truyền GA 27 III.3 Lý thuyết điều khiển LFFC sở MRAS 28 III.3.1 Điều khiển học (Learning Control - LC) 28 III.3.2 Bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) 32 III.3.3 Bộ điều khiển LFFC sở MRAS 44 iii III.4 Thiết kế mô hệ thống điều khiển cho TRMS 49 III.4.1 Xây dựng cấu trúc cho điều khiển 49 III.4.2 Tính tốn thơng số mơ hệ thống 55 III.5 Kết mô hệ thống 57 KẾT LUẬN CHƢƠNG III 60 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 61 IV.1 Hệ thống TRMS thực nghiệm 61 IV.2 Các kết thực nghiệm hệ thống 64 IV.3 Đánh giá kết thực nghiệm 68 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 69 Kết luận chung 69 Hƣớng phát triển đề tài 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 72 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Chú thích TRMS : Twin Rotors MIMO System MIMO : Multiple Input – Multiple Output LC : Learning Control LFFC : Learning Feed Forward Controller FEL : Feedback Error Learning MRAS : Model Reference Adaptive System GA : Genetic Algorithm IAE : Integral of Absolute Error ITAE : Integral of Time Absolute Error MSE : Mean Squared Error SVF: State Variable Filter v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Máy bay trực thăng Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS Hình 1.3: Mặt chiếu đứng TRMS Hình 1.4: Mặt chiếu TRMS Hình 1: Phân tích TRMS hệ trục tọa độ Oxyz Hình 2: Hình chiếu đứng TRMS với αh = Hình 3: Hình chiếu TRMS Hình 2.4: Sơ đồ khối theo mơ hình tốn TRMS Hình 3.1: Mơ hình tổng qt tối ƣu hóa điều khiển PID GA Hình 3.2: Lƣu đồ thuật tốn tối ƣu hóa điều khiển PID Hình 3.3: Cực tiểu cục cực tiểu tồn kỹ thuật học Hình 4: Cấu trúc điều khiển học LC Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển học LC kết hợp feed forward/ feedback Hình 3.6: Hệ thích nghi tham số Hình 3.7: Hệ thích nghi tín hiệu Hình 8: Điều khiển cấp cấp Hình 9: Mơ hình đối tƣợng mơ hình mẫu Hình 10: Hệ thống điều khiển thích nghi dựa mơ hình độ nhậy Hình 11: Nhận dạng mơ hình ngƣợc đối tƣợng Hình 12: Bộ điều khiển LFFC sở MRAS Hình 13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID dựa giải thuật di truyền GA Hình 14: Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền thẳng LFFC sở MRAS Hình 15: Cấu trúc khai triển cho thành phần truyền thẳng Hình 16: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho TRMS Hình 17: Sơ đồ mơ hệ thống phần mềm MATLAB/SIMULINK Hình 18: Đáp ứng đầu góc αv hai trƣờng hợp: PID PID kết hợp LFFC Hình 19: Đáp ứng đầu góc αh hai trƣờng hợp: PID PID kết hợp LFFC Hình 20: Nhiễu hệ thống tín hiệu bù tạo LFFC sở MRAS Hình 21: Các tham số thích nghi điều khiển LFFC sở MRAS Hình 4.1: Hình ảnh hệ thống TRMS thực phòng thí nghiệm Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho TRMS Hình 4.3: Hình ảnh thực tế TRMS (hình a) dSPACE – DS1103 (hình b) Hình 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển cho TRMS phần mềm Matlab/Simulink Hình 4.5: Giao diện điều khiển hiển thị thông số phần mềm ControlDesk Hình 6: Đáp ứng đầu góc góc αv góc αh trƣờng hợp Hình 7: Các tham số thích nghi điều khiển LFFC sở MRAS Hình 8: Đáp ứng góc αv có điều khiển PID PID kết hợp LFFC Hình 9: Đáp ứng góc αh có điều khiển PID PID kết hợp LFFC Hình 10:Tác động nhiễu ngẫu nhiên lên hệ thống TRMS 10 10 11 17 18 18 23 27 28 30 31 31 34 34 35 37 40 44 45 50 51 54 54 56 57 58 59 59 61 61 63 63 64 64 65 65 66 67 vi Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS LỜI NĨI ĐẦU Năm 1754, Lơmanơxốp – nhà khoa học ngƣời Nga lập luận khả tạo khí cụ bay nặng khơng khí, dựng nên mơ hình trực thăng có cánh quạt đồng trục Vào kỉ XIX, số nhà khoa học Nga khởi thảo dự án khí cụ bay có cánh quay Trải qua gần ba kỷ hình thành phát triển máy bay trực thăng dần trở thành phƣơng tiện giao thông đƣợc sử dụng rộng rãi đời sống xã hội, khí cụ bay đặc biệt quan trọng lực lƣợng khơng qn nói riêng quân đội nói chung Do có cấu tạo phức tạp nên trình điều khiển vận hành máy bay trực thăng yêu cầu ngƣời kỹ sƣ thiết kế nhƣ ngƣời lái phải có trình độ chun mơn cao Việc nghiên cứu thử nghiệm giải thuật điều khiển cho máy bay trực thăng toán điều khiển hay, thƣờng đƣợc áp dụng sở đào tạo chuyên ngành Điều khiển Tự động hóa Để thuận tiện cho q trình học tập nghiên cứu phòng thí nghiệm kỹ thuật mơ hình máy bay trực thăng đƣợc phát triển công ty Feedback Instrument Ltd (Feedback Co.,1998) đời, có tên gọi là: Twin Rotor MIMO System – TRMS TRMS có mơ tả động học gần giống với động học máy bay trực thăng thực tế nhƣng đƣợc đơn giản hóa, hệ thống đƣợc sử dụng phòng thí nghiệm để phục vụ cho việc nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển cho máy bay trực thăng nói riêng hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) nói chung Hiện có nhiều đề tài nghiên cứu giải thuật điều khiển cho TRMS đƣợc thử nghiệm áp dụng, phần giải đƣợc toán điều khiển cho hệ thống phức tạp này, nhiên chất lƣợng điều khiển số nghiên cứu TRMS tồn vài hạn chế Với mong muốn tìm hiểu thêm thuật tốn nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS, tác giả lựa chọn đề tài: “Nâng cao chất lượng điều khiển cho Twin Rotor MIMO System” sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi (Feedback) kết hợp điều khiển truyển thẳng (Learning Feed Forward) theo phương pháp bù tổng Kết đạt đƣợc cho thấy cấu trúc cải thiện đáng kể chất lƣợng điều khiển hệ thống Nội dung luận văn bao gồm: Chương 1: Tổng quan Twin Rotor MIMO System Chương 2: Mơ hình tốn học Twin Rotor MIMO System Chương 3: Thiết kế mô điều khiển cho hệ thống Chương 4: Kết đánh giá thực nghiệm GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -7- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM I.1 Giới thiệu máy bay trực thăng Twin Rotor MIMO System Ngày nay, máy bay trực thăng đƣợc sử dụng rộng rãi với nhiều công đời sống nhƣ kinh tế quốc dân qn sự, phƣơng tiện giao thơng nơi sử dụng phƣơng tiện vận tải mặt đất, nhƣ khơng có sân bay để đáp Đặc biệt quân sự, máy bay trực thăng thành phần quan trọng lực lƣợng khơng qn qn đội nói chung: vừa loại máy bay vận tải thuận tiện vừa loại máy bay chiến đấu hiệu quả, nhiệm vụ đổ đƣờng không, công động mặt đất Hình 1.1: Máy bay trực thăng Về cấu tạo, máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng loại phƣơng tiện bay có động cơ, hoạt động bay cánh quạt, cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, bay đứng khơng khí chí bay lùi Máy bay trực thăng bay đƣợc nhờ lực nâng khí động học đƣợc tạo cánh quạt nâng nằm ngang có chuyển động tƣơng khơng khí Khi đĩa cánh quạt nâng quay, theo định luật bảo tồn mơ men động lƣợng thân máy bay phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại với vận tốc quay phụ thuộc vào tỷ lệ mơ men qn tính rotor (cánh quạt phần quay) stator (thân máy bay phần lại), để chống lại tƣợng tự quay ngƣời ta thực theo nhiều phƣơng án khác thông qua sơ đồ nguyên tắc khác nhau, loại sơ đồ "một cánh quạt nâng, cánh quạt đuôi" Với loại sơ đồ cánh quạt nâng quay, thân máy bay phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại, để chống lại tƣợng tự quay máy bay trực thăng có thêm cánh quạt theo chiều thẳng đứng, thổi gió theo chiều ngang Lực đẩy cách quạt đuôi tạo nên mô men lực có tay đòn dài khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục cánh quạt GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -8- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS nâng cân triệt tiêu quay thân máy bay giữ hƣớng cố định cho máy bay Nhƣ vậy, cánh quạt nâng quay bảo đảm đƣợc chuyển động tƣơng đối khơng khí cánh nâng tạo lực nâng khí động học thân máy bay khơng cần chuyển động nên máy bay trực thăng bay đứng treo chỗ chí bay lùi Ngồi cánh quạt có tác dụng để lái đổi hƣớng bay cho trực thăng nhờ việc thay đổi cơng suất cánh từ thay đổi lực đẩy gió ngang mơ men khiến máy bay chuyển hƣớng sang phải sang trái dễ dàng Nhiệm vụ cánh quạt tạo lực nâng để thắng trọng lực máy bay để nâng bay khơng khí Lực nâng đƣợc tạo nhờ tƣơng tác với không khí Trong q trình quay cách quạt tác dụng vào khơng khí lực ngƣợc lại khơng khí tác dụng lên cánh quạt phản lực hƣớng lên Do đó, khơng có khơng khí lực nâng khơng còn, hay nói cách khác, khơng thể dùng máy bay trực thăng để bay khỏi tầng khí quyển dù cơng su ất động có lớn đến đâu Nhƣ thấy máy bay trực thăng có kết cấu cấu tạo tƣơng đối phức tạp, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ tầm bay xa nhiều so với máy bay phản lực Tuy nhiên khả cất cánh – hạ cánh thẳng đứng khơng cần sân bay tính bay đứng, dịch chuyển hƣớng làm cho trực thăng trở thành khí cụ bay động linh hoạt mà khơng có loại máy bay khác thay đƣợc Để thử nghiệm áp dụng thuật toán điều khiển máy bay trực thăng cơng cụ thƣờng đƣợc sử dụng : Twin Rotor MIMO System – TRMS, mơ hình thí nghiệm máy bay trực thăng đƣợc đơn giản hóa, đƣợc phát triển Feedback Instrument Ltd (Feedback Co., 1998), TRMS có mơ tả động học gần giống với động học máy bay trực thăng thực tế, hệ thống đƣợc sử dụng phòng thí nghiệm kỹ thuật để phục vụ cho việc nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển cho máy bay trực thăng nói riêng hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) nói chung GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -9- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS I.2 Cấu tạo TRMS Phần khí TRMS bao gồm dầm (còn gọi tự do) gắn với chốt quay, chốt quay gồm hai khớp quay đƣợc đặt đế cho quay tự mặt phẳng đứng mặt phẳng ngang Ở hai đầu dầm hai rotors (rotor rotor phụ) có gắn hai cánh quạt, cánh quạt chuyển động theo phƣơng thẳng đứng cánh quạt phụ (hay cánh quạt đuôi) chuyển động theo phƣơng ngang, viền ngồi hai cánh quạt có chắn bảo vệ Cần đối trọng (bao gồm đối trọng gắn đối trọng) đƣợc gắn cố định với dầm chốt quay Tất phận đƣợc gắn trụ tháp có chân đế Hình 1.3: Mặt chiếu đứng TRMS GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 10 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Từ kết mô ta thấy tác động nhiễu phi tuyến xen kênh có ảnh hƣởng lớn đến rotor TRMS, áp dụng điều khiển PID chất lƣợng đáp ứng đầu αv khơng đạt yêu cầu Khi áp dụng cấu trúc điều khiển đề xuất: điều khiển phàn hồi PID kết hợp truyền thẳng LFFC sở MRAS chất lƣợng điều khiển đƣợc nâng cao:  Đáp ứng đầu (góc αv αh) bám tín hiệu đặt đầu vào với sai lệch nhỏ  Tham số thích nghi LFFC hội tụ;  Tín hiệu bù đƣợc tạo LFFC sở MRAS có biên dạng tính chu kỳ gần giống với tín hiệu nhiễu phi tuyến xen kênh KẾT LUẬN CHƢƠNG III Với mục tiêu nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS, nội dung chƣơng III trình bày giải pháp điều khiển phản hồi (PID sở GA) kết hợp điều khiển truyền thẳng (LFFC sở MRAS), điều kiện đặc tính phi tuyến xen kênh nhƣ cấu trúc mơ hình đối tƣợng đƣợc giữ ngun thay tuyến tính hóa Kết đạt đƣợc cho thấy cấu trúc điều khiển cải thiện đáng kể chất lƣợng điều khiển cho TRMS: Đáp ứng đầu (góc αv αh cánh quạt đi) bám tín hiệu đặt đầu vào, tham số thích nghi hội tụ, tín hiệu bù đƣợc tạo LFFC có biên dạng tính chu kỳ gần giống với tín hiệu nhiễu phi tuyến xen kênh Dựa sở mơ kết hợp với q trình hiệu chỉnh tham số ta đƣa cấu trúc điều khiển vào hệ thống TRMS thực để khảo sát chất lƣợng điều khiển thực nghiệm GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 60 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS CHƢƠNG IV KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM IV.1 Hệ thống TRMS thực nghiệm Hình 4.1: Hình ảnh hệ thống TRMS thực phòng thí nghiệm ( Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao kỹ thuật công nghiệp – TNUT) Thiết bị thực nghiệm bao gồm ba thành phần chính:  Twin Rotor MIMO System (TRMS)  Bộ điều khiển dSPACE – DS1103  Máy tính PC  Ta có sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho TRMS (với khối nguồn mạch công suất nằm hộp chân đế thiết bị TRMS): Máy tính DI Matlab/Simulink Control Desk GND +VCC Khối nguồn Mạch Công Suất DAC port Rotors TRMS dSPACE DO Sensors ADC port Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho TRMS GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 61 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS a Twin Rotor MIMO System: Thiết bị công ty Feedback Instruments Ltd sản xuất, mơ hình đơn giản hóa máy bay trực thăng có đặc điểm cấu tạo (nhƣ nêu mục I.2) kích thƣớc khí (phần phụ lục) TRMS đƣợc kết nối với máy tính PC thông qua điều khiển dSPACE 1103 Thiết bị nhận tín hiệu điều khiển uđk từ - 2.5V đến 2.5V b Bộ điều khiển dSPACE – DS1103 (dSPACE DS1103 PPC Controller) Bộ điều khiển dSPACE – DS1103 tích hợp chip điều khiển tốc độ cao DSP, phần mềm giao diện vào đơn giản, có vai trò cài đặt trực tiếp thuật tốn từ MATLAB/ SIMULINK máy tính vào thiết bị TRMS ngƣợc lại, đọc giá trị đo từ hai cảm biến vị trí TRMS đƣa vào máy tính Các tài nguyên điều khiển dSPACE – DS1103 bao gồm:  20 đầu vào tƣơng tự ADC với chân cắm trực tiếp vỏ hộp điều khiển mở rộng thêm 16 ADC khác Những ADC để đọc giá trị đo từ cảm biến hệ thống điều khiển  encoder cắm trực tiếp vỏ hộp điều khiển để đo vị trí trục động  ngắt ngồi (External interrtupt) đƣợc sử dụng để tạo thêm encoder  đầu tƣơng tự DAC với chân cắm trực tiếp vỏ hộp điều khiển Đầu DAC điện áp đƣa tới khuếch đại công suất (Driver) để điều khiển động  Số lƣợng đầu vào số (Digital I/O) cố định 32 mở rộng thêm 18 Digital I/O khác (những I/O bị chia sẻ tài nguyên với giao diện khác, nghĩa sử dụng làm I/O, ADC, PWM ngắt)  PWM pha PWM ba pha Những PWM đƣợc sử dụng để điều khiển động Nhƣ với 8DAC PWM, dSPACE 1103 điều khiển tới 12 động  Với ngắt ngồi (External interrtupt) đƣợc sử dụng để tạo thêm encoder  định thời gian (Timer) kết hợp với I/O để tạo thêm nhiều giao diện encoder khác  Với cổng RS232 cổng RS422 giao tiếp với máy tính điều khiển khác cách dễ dàng GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 62 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS (a) (b) Hình 4.3: Hình ảnh thực tế TRMS (hình a) dSPACE – DS1103 (hình b) c Máy tính Máy tính đƣợc cài đặt phần mềm MATLAB ControlDesk có vai trò điều khiển trung tâm Phần mềm MATLAB/ SIMULINK đƣợc sử dụng để thiết kế điều khiển cho TRMS Control Desk phần mềm kèm dùng để giao tiếp với điều khiển dSPACE 1103, biến chƣơng trình điều khiển đƣợc lƣu vào file thƣ mục làm việc sau dịch chƣơng trình từ Matlab/Simulink xuống dSPACE Hình 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển cho TRMS phần mềm Matlab/Simulink GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 63 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 4.5: Giao diện điều khiển hiển thị thông số phần mềm ControlDesk IV.2 Các kết thực nghiệm hệ thống a Trường hợp 1: 𝛼𝑣𝑅 = 0.3sin(0.04𝜋𝑡) ; 𝛼𝑕𝑅 = 0.3sin(0.02𝜋𝑡) + 0.4sin(0.04𝜋𝑡) Hình 6: Đáp ứng đầu góc góc αv góc αh trƣờng hợp GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 64 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 7: Các tham số thích nghi điều khiển LFFC sở MRAS b Trường hợp 2: So sánh chất lƣợng điều khiển điều khiển PID kết hợp LFFC sở MRAS điều khiển PID Ta tiến hành ngắt tín hiệu bù từ khối LFFC_v (Hình 4.4) để khảo sát chất lƣợng điều khiển có điều khiển PID (a) (b) Hình 8: Đáp ứng góc αv có điều khiển PID (hình a) PID kết hợp LFFC (hình b) GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 65 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Ta đƣa điều khiển PID kết hợp LFFC cho Rotor Rotor phụ điều khiển điều khiển PID, nhiên ngắt tín hiệu bù từ khối LFFC_v cho động đáp ứng đầu góc αh có bị tác động nhƣng khơng ảnh hƣởng lớn: (a) (b) Hình 9: Đáp ứng góc αh có điều khiển PID (hình a) PID kết hợp LFFC (hình b) Nhận xét: Nếu hệ thống sử dụng điều khiển PID đáp ứng đầu góc αv có biên dạng nhƣ tín hiệu đặt nhƣng có lƣợng q điều chỉnh lớn, chu kỳ đầu tín hiệu bị dao động xung quanh điểm đặt Khi thực đƣa thêm tín hiệu bù từ điều khiển LFFC sở MRAS chất lƣợng đáp ứng đầu đƣợc cải thiện rõ rệt: Khi tín hiệu đặt đầu vào biến đổi, sau thời gian độ tqđ = (15 ÷ 20)s tín hiệu bám tín hiệu đặt với sai lệch biên độ nhỏ (12%) Các tham số điều khiển LFFC sở MRAS hội tụ có thay đổi tín hiệu đầu vào GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 66 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Với góc αh ngắt tín hiệu bù từ khối LFFC_v cho động đáp ứng đầu góc αh có bị tác động nhƣng không ảnh hƣởng lớn Đáp ứng đầu góc αh bám tín hiệu đặt đầu vào với sai lệch nhỏ (8%) Các kết cho thấy góc αv cánh quạt chịu ảnh hƣởng lớn nhiễu xen kênh phi tuyến so với góc αh cánh quạt điều khiển LFFC sở MRAS có khả triệt tiêu đƣợc nhiễu xen kênh phi tuyến hệ thống c Trường hợp 3: Tác động nhiễu ngẫu nhiên vào hệ thống Tác động nhiễu ngẫu nhiên Hình 10: Tác động nhiễu ngẫu nhiên lên hệ thống TRMS Nhận xét: Hệ thống làm việc tin cậy ổn định: có khả khử đƣợc tác động nhiễu ngẫu nhiên với thời gian tác động nhiễu nhỏ phần hai chu kỳ đáp ứng đầu GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 67 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS IV.3 Đánh giá kết thực nghiệm Từ kết thực nghiệm ta thấy điều khiển PID kết hợp điều khiển LFFC sở MRAS triệt tiêu đƣợc nhiễu phi tuyến xen kênh hệ thống, từ cho đáp ứng đầu TRMS có chất lƣợng tốt: Khi thơng số đối tƣợng thay đổi tín hiệu bám tín hiệu đặt đầu vào, với sai số biên độ nhỏ (nhỏ 15%) tham số thích nghi hội tụ Hệ thống có khả khử đƣợc tác động nhiễu ngẫu nhiên (với thời gian tác động nhiễu nhỏ phần hai chu kỳ đáp ứng đầu ra) Nhƣ vậy, hệ thống TRMS với điều khiển mà luận văn đề xuất có chất lƣợng điều khiển tốt hoạt động ổn định, đáp ứng đƣợc mục tiêu nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS đặt Tuy nhiên, trong làm việc hệ thống xảy tƣợng rung lắc (do tác động tƣợng cộng hƣởng tần số) GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 68 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận chung Với mục tiêu nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS, luận văn đƣa phƣơng pháp sử dụng điều khiển phản hồi (PID sở giải thuật di truyền GA) kết hợp điều khiển truyển thẳng (LFFC sở MRAS) theo phƣơng pháp bù tổng hoàn thành mục tiêu đặt ra:  Tìm hiểu lựa chọn mơ hình tốn TRMS dựa theo Euler – Lagrange, mơ hình tốn có tính phi tuyến, thể tác động xen kênh mạnh  Xây dựng đƣợc cấu trúc điều khiển mô cho hệ thống điều kiện đặc tính phi tuyến, xen kênh cấu trúc mơ hình đối tƣợng đƣợc giữ ngun thay tuyến tính hóa  Tiến hành chạy thực nghiệm thành công hệ thống TRMS phòng thí nghiệm Từ kết đạt đƣợc luận văn, ta rút đƣợc ƣu nhƣợc điểm điều khiển phản hồi (PID sở giải thuật di truyền GA) kết hợp điều khiển truyển thẳng (LFFC sở MRAS) cho TRMS nhƣ sau: Ưu điểm:  Bộ điều khiển đề xuất triệt tiêu đƣợc nhiễu phi tuyến xen kênh hệ thống, từ cho đáp ứng đầu có chất lƣợng tốt: sau thời gian độ tqđ = (10 ÷ 20)s tín hiệu đầu ln bám tín hiệu đặt đầu vào với sai lệch biên độ nhỏ  Hệ thống làm việc tin cậy ổn định: có khả khử đƣợc tác động nhiễu ngẫu nhiên Nhược điểm:  Hệ thống với điều khiển đề xuất đáp ứng tốt với tín hiệu đặt có tần số dao động nhỏ: f ≤ 0.1Hz (chu kỳ dao động lớn 10s)  Trong làm việc hệ thống xảy tƣợng rung lắc (do tác động tƣợng cộng hƣởng tần số) Hƣớng phát triển đề tài Tiếp tục nghiên cứu để hệ thống có đáp ứng tốt với tín hiệu đầu vào có tần số dao động lớn, có biện pháp giảm rung lắc cho hệ thống tìm hiểu thêm phƣơng pháp kỹ thuật nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 69 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Nguyen Duy Cuong, “Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems”, Doctorate dissertation, 2008 [2] Akbar Rahideh, “Model Identification and Robust Nonlinear Model Predictive Control of a Twin Rotor MIMO System”, 2009 [3] Blythe, P.W and Chamitoff, G.: „Estimation of aircrafts aerodynamic coefficients using recurrent neural networks‟, Proceedings of the Second Pacific International Conference on Aerospace Science and Technology, Australia, 1995 [4] Chon, K.H and Cohen, R J.: „Linear and non-linear ARMA model parameter estimation using an artificial neural network‟, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 1997, Vol 44, No 3, pp 168-74 [5] Kim, B.S and Calise, A.J.: „on-linear flight control using neural networks‟, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998, Vol 20, No 1, pp 26-33 [6] Talebi, H.A., Patel, R.V and Asmer, H.: „Dynamic modeling of flexible-link manipulators using neural networks with application to the SSRMS‟, Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Victoria, Canada, 1998 [7] Lyshevski, S.E.: „Identification of non-linear flight dynamics: theory and practice‟, IEEE Trans on Aerospace and Electronics Systems, 2000, Vol 36 No 2, pp 383-92 [8] Bruce, P.D and Kellet, M.G.: „Modeling and identification of non-linear aerodynamic functions using b-splines‟, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2000, Vol 214 (Part G), pp 27-40 [9] Lammerts, Ivonne M M., 1993, “Adaptive Computed Reference Computed Torque Control of Flexible Manipulators”, PhD thesis, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands [10] Shaheed, M.H and Tokhi, M.O.: „Dynamic modeling of a single-link flexible manipulator: parametric and non-parametric approaches‟, Robotics, 2002, Vol 20, pp 93109 [11] Marek K, Vladimir B, and Petr C, “Adaptive Control of Twin Rotor MIMO System: Polynomial Approach”, IFAC, 2005 [12] Peng W and Te W L, “Decoupling Control of a Twin rotor MIMO System using Robust Deadbeat Control Technique”, 2007 GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 70 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS [13] Akbar R, Shaheed M H, and Abdulrahman H B, “Adaptive Nonlinear Model Inversion Control of a Twin Rotor System Using Artificial Intelligence”, 16th IEEE International Conference on Control Applications, Singapore, 2007 [14] Belkheiri Mohammed; Rabhi A; Boudjema F; El Hajjaji A; Bosche J, “Model Parameter Identification and Nonlinear Control of a Twin Rotor MIMO System – TRMS System Identification” 15th IFAC Symposium on System Identification, 2009 [15] Jih G J & Kai T T, “Design and realization of a hybrid intelligent controller for a twin rotor mimo system”, Journal of Marine Science and Technology, Vol 21, No.3, pp 333-341, 2013 [16] Usman A, Waquas A, and Syed Mahad A B, “H2 and H∞ Controller Design of Twin Rotor System”, Intelligent Control and Automation, 2013 [17] Maryam J and Mohammad F, “Adaptive Control of Twin rotor MIMO System Using Fuzzy Logic”, Journal of Iran University of Science and Technology [18] Wubbe Jan Roelf Velthuis, “Learning Feed-forward Control: Theory, Design and Applications”, University of Twente, Faculty of Electrical Engineering, 2000 [19] Kwok, D.P and P Wang, “Fine-tuning of classical PID Controllers based on Genetic Algorithms” IEEE Inter Workshop on Emerging Technologies and Factory Automation, pp 37-43, 1992 [20] Van Amerongen, J., Intelligent Control (part 1) – MRAS, Lecture notes, University of Twente, The Netherlands, March 2004 Tiếng Việt [21] Đàm Bảo Lộc, Đặng Văn Huyên, Nguyễn Duy Cƣơng, “Thiết kế điều khiển Feedback kết hợp Feed-forward hệ thống Twin Rotor”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Qn - Vol 3, No Đặc san ACMEC - ĐH KTCN TN, 2016 [22] Nguyễn Nhƣ Hiển, Đinh Văn Nghiệp, “Giới thiệu Twin Rotor MIMO System”, Hội thảo khoa học kỷ niệm 42 năm thành lập khoa Điện – TNUT, 2014 [23] Nguyễn Chí Ngơn, “Tối ưu hóa điều khiển PID giải thuật di truyền”, Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, số 2008:9 241-248 [24] Trần Kim Hƣơng, Nguyễn Thị Ngọc Chi, “Giải thuật di truyền (Gas) ứng dụng” Hội nghị nghiên cứu khoa học khoa sƣ phạm toán – tin, Đại học Đồng Tháp, 2015 GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 71 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS PHỤ LỤC Các thông số điều kiện đầu q trình mơ cho đối tƣợng TRMS %Dieukiendau Sets up necessary parameters for optimization of optsim.mdl % Documentation example % Copyright The MathWorks, Inc %=============== TRMS parameters=============== lt = 0.282; % Length of tail beam part (m) lm = 0.246; % Length of main beam part (m) lb = 0.29; % Length of counterweigth beam (m) lcb = 0.276; %Distance between counterweigth and joint (m) rms = 0.155; % Radius of main shield (m) rts = 0.10; %Radius of tail shield (m) mtr = 0.2213; % Mass of tail DC motor (kg) mmr = 0.2357; % Mass of main DC motor (kg) mcb = 0.0688; % Mass of counterweigth (kg) mt = 0.0155; % Mass of tail beam (kg) mm = 0.0145; % Mass of main beam (kg) mb = 0.022; % Mass of counterweigth beam (kg) mts = 0.1193; % Mass of tail shield (kg) mms = 0.2187; % Mass of main shield (kg) mh=0.014; mT1=mt+mtr+mts+mm+mmr+mms; mT2=mb+mcb; lT1=(((mm/2)+mmr+mms)*lm-((mt/2)+mtr+mts)*lt)/mT1; lT2=((mb/2)*lb+mcb*lcb)/mT2; h=0.06; % Length (m) J1=((mt/3)+ mtr+mts)*(lt^2)+((mm/3)+mmr+mms)*(lm^2)+(mms/2)*(rms^2)+mts*(rts^2); J2=(mb/3)*(lb^2)+mcb*(lcb^2); J3=(mh/3)*(h^2); %============== Moment of inertia in vertical plane (kg.m^2) Jvl = mtr*(lt^2); Jv2 = mcb*(lcb^2); Jv3 = mmr*(lm^2); Jv4 = mt*(lt^2)/3; Jv5 = mm*(lm^2)/3; Jv6 = mb*(lb^2)/3; Jv7 = (mms/2)*(rms^2)+mms*(lm^2); Jv8 = mts*(rts^2)+ mts*(lt^2); Jv = Jvl+Jv2+Jv3+Jv4+Jv5+Jv6+Jv7+Jv8; %==========Jh=D*(cos(av))^2+E*(sin(av))^2+F=========== D= ((mm/3)+mmr+mms)*(lm^2)+((mt/3)+mtr+mts)*(lt^2); E= (mb/3)*lb^2+mcb*lcb^2; GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 72 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS F= mms*(rms^2)+(mts/2)*(rts^2); %===============Mvl=g((A-B)*cos(av)-C*sin(av))================ g=9.81; A= ((mt/2)+mtr+mts)*lt; B= ((mm/2)+mmr+mms)*lm; C= (mb/2)*lb+mcb*lcb; %============== Mv3=-OMEGAh^2*H*sin(av)*cos(av)========== H= A*lt+B*lm-(mb/2)*(lb^2)-mcb*(lcb^2); %========Tail rotor parameters================ Jtr = 3.1432e-5; % Moment of inertia of tail motor/load (kg m^2) Rah = 8; % Armature resistance (ohm) Lah = 0.86e-3; %Armature inductance (H) kthp = 0.5e-7; % TLh=kthp*sign(wh)*wh^2 kthn = 0.42e-7; % TLh=kthn*sign(wh)*wh^2 Btr = 2.3e-5; % Viscous friction coefficient of tail rotor %=========Main rotor parameters================ Jmr = 2.1624e-4; % Moment of inertia of main motor/load (Kg m^2) Rav = 8; % Armature resistance (ohm) Lav = 0.86e-3; % Armature inductance (H) ktvp = 5.6e-7; % TLv=ktvp*sign(wv)*wv^2 ktvn = 5.1e-7; %TLv=ktvn*sign(wv)*wv^2 Bmr = 4.5e-5; % Viscous friction coefficient of main rotor %=========== Propelling force coefficients======== kfhp = 1.8377e-6; % Fh(wh)=kfhp*sign(wh)*wh^2 kfhn = 2.2040e-6; % Fh(wh)=kfhn*sign(wh)*wh^2 kfvp = 1.5691e-5; % Fv(wv)=kfvp*sign(wv)*wv^2 kfvn = 0.82682e-5; % Fv(wv)=kfvn*sign(wv)*wv^2 %============Friction coefficients================== kvfh = 0.0047; % Horizontal viscous friction coefficient kcfh = 3.96e-5; % Horizontal Coulomb friction coefficient FRhi = [-1 -0.0001 -0.00005 0.00005 0.0001 1]; FRho = [-kvfh-kcfh -0.0001*kvfh-kcfh -0.00012*kvfh-kcfh 0.00012*kvfh+kcfh 0.0001*kvfh+kcfh kvfh+kcfh]; kvfv = 0.00131; % Vertical viscous friction coefficient kcfv = 1.5e-4; % Vertical Coulomb friction coefficient FRvi = [-2 -0.0007 -0.0005 0.0005 0.0007 2]; FRvo = [-2*kvfv-kcfv -0.0007*kvfv-kcfv -0.0008*kvfv-kcfv 0.0008*kvfv+kcfv 0.0007*kvfv+kcfv 2*kvfv+kcfv]; %============ Coefficients of the horizontal cable force ===== kchp = 0.00854; kchn = 0.00854; CFi = [-4.2 -1 1.5]; CFo = [-3.5*kchn -kchn 1.5*kchp]; %===========Mutual effect coefficients========= km = 0.0002; % Effect of main rotor on the horizontal angle kt = 0.000026; % Effect of tail rotor on the vertical angle kg = 0.2; % Gyroscopic force coefficient TC = 0.0202; % Torque constant (kav*phiv or kah*phih) GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 73 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS av0 = atan2((A-B), C); % Initial vertical angle %================= Interface circuit tables % Horizontal ICThi = [-2.5 -2.4 -2.3 -2.2 -2.1 -2 -1.9 -1.8 -1.7 -1.6 -1.5 -1.4 -1.3 -1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.08 0.03 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5]; ICTho = [-15.381 -14.844 -14.291 -13.744 -13.194 -12.648 -12.098 -11.544 -10.986 -10.429 -9.871 -9.318 -8.754 -8.188 -7.616 -7.055 -6.482 -5.9 -5.309 -4.706 -4.086 -3.443 -2.722 -1.848 -0.789 0 1.271 2.24 3.021 3.695 4.331 4.935 5.531 6.115 6.695 7.266 7.835 8.398 8.962 9.521 10.08 10.628 11.184 11.737 12.287 12.84 13.396 13.944 14.493 15.041 15.595]; % Vertical ICTvi = [-2.5 -2.4 -2.3 -2.2 -2.1 -2 -1.9 -1.8 -1.7 -1.6 -1.5 -1.4 -1.3 -1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5]; ICTvo = [-20.44 -20.02 -19.316 -18.525 -17.742 -16.977 -16.197 -15.427 -14.656 -13.873 -13.093 -12.33 -11.554 -10.776 -9.998 -9.205 -8.416 -7.625 -6.825 -6.019 -5.198 -4.35 -3.46 -2.46 -1.13 0.35 1.8 3.8 4.8 5.621 6.425 7.222 8.013 8.801 9.594 10.355 11.162 11.932 12.707 13.491 14.275 15.064 15.874 16.689 17.5 18.324 19.064 19.69 19.9 20.13]; % kl = 8.5; %Linearised vertical interface gain % k2 = 6.5; % Linearised horizontal interface gain GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 74 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa ... Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS CHƢƠNG III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG Nội dung chương III bao gồm:  Chiến lƣợc điều khiển  Cơ sở lý thuyết tối ƣu hóa điều khiển. .. truyền (GA) điều khiển LFFC sở MRAS  Thiết kế điều khiển cho hệ thống  Kết mô hệ thống  Kết luận III.1 Chiến lƣợc điều khiển Chiến lƣợc điều khiển đặt cho luận văn thiết kế điều khiển phản... cho TRMS, tác giả lựa chọn đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho Twin Rotor MIMO System sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi (Feedback) kết hợp điều khiển truyển thẳng (Learning Feed