Điều khiển thích nghi bền vững hệ twin rotor MIMO trong không gian biến khớp

i LỜI CAM ĐOAN Tên Đinh Văn Nghiệp, cơng tác Bộ mơn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày tháng năm Tác giả luận án Đinh Văn Nghiệp ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thiện luận án này, tơi nhận hướng dẫn, gi p đ qu báu thầy cô, anh chị, em, bạn tổ chức Với l ng kính trọng biết n sâu sắc xin bày t lời cảm n chân thành tới: an Giám hiệu, Ph ng Đào tạo, Khoa Điện-Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi gi p đ tơi q trình học tập, nghiên cứu hồn thiện luận án Phó giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Như Hiển Giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Dỗn Phước, người thầy kính mến tận tình hướng dẫn, bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho Thầy giáo Nguyễn Ngọc Kiên, trưởng mơn Tự động hóa, người thầy tâm huyết quan tâm, bảo, động viên tạo điều kiện tốt cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tập thể nhà khoa học Bộ mơn Tự động hóa Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động Viện Điện trường đại học ách khoa Hà Nội, có kiến đóng góp qu báu để tơi hồn chỉnh luận án Xin chân thành cảm n bố m , anh chị em, người vợ yêu qu hai bên cạnh động viên gi p đ học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận án Thái Nguyên, ngày tháng năm Tác giả luận án Đinh Văn Nghiệp iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi Các kí hiệu vi Các chữ viết tắt ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi DANH MỤC CÁC ẢNG IỂU xiv MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Đối tượng, phạm vi phư ng pháp nghiên cứu Mục tiêu luận án Những đóng góp mới, nghĩa khoa học thực tiễn luận án ố cục luận án .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR MIMO SYSTEM (TRMS) 1.1 Khái quát chung Twin Rotor MIMO System (TRMS) .5 1.2 Tình hình nghiên cứu giới TRMS 1.3 Tình hình nghiên cứu nước TRMS 17 1.4 Kết luận 18 CHƯƠNG 20 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS 20 iv 2.1 Đặt vấn đề .20 2.2 Xây dựng mơ hình tốn động lực học cho TRMS 20 2.3 Mô ph ng đánh giá chất lượng mô hình .29 2.4 Kết luận 32 CHƯƠNG 33 THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS 33 3.1 Các điều khiển 33 3.2 Đề xuất phư ng pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR .33 3.3 Kết mô ph ng ứng dụng với TRMS 48 3.4 Kết luận 58 CHƯƠNG 59 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 59 4.1 Mục đích 59 4.2 Cấu tr c điều khiển RHC với LQR cho TRMS thực nghiệm 59 4.3 Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm 61 4.4 Hệ thống thí nghiệm thuật tốn điều khiển vị trí 68 4.5 Kết thực nghiệm nhận xét 72 4.6 Kết luận 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 Kết luận 79 Kiến nghị .79 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG Ố LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 88 v Phụ lục Chư ng trình lập trình 88 Phụ lục Cảm biến d ng điện độ nhạy cao .119 Phụ lục Các bước tiến hành thiết lập chạy thực nghiệm 122 Phụ lục Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng điều khiển RHC với LQR .128 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các kí hiệu K hiệu Mơ tả ( nghĩa) v Chuyển vị góc mặt đứng TRMS (Pitch angle) h Chuyển vị góc mặt ngang TRMS (Yaw angle) m Chuyển vị góc cánh quạt t Chuyển vị góc cánh quạt m Vận tốc góc cánh quạt t Vận tốc góc cánh quạt v Vận tốc góc ngang mặt đứng chưa xét ảnh hưởng xen kênh h Vận tốc góc ngang mặt ngang chưa xét ảnh hưởng xen kênh m Từ thơng động c m Từ thơng động c đuôi Bmr Hệ số ma sát nhớt động c Btr Hệ số ma sát nhớt động c đuôi Bv Hệ số ma sát nhớt khớp quay mặt đứng Bh Hệ số ma sát nhớt khớp quay mặt ngang eam Sức phản điện động phần ứng động c eat Sức phản điện động phần ứng động c đuôi eemf m eemf t Sức phản điện động phần ứng động c Sức phản điện động phần ứng động c đuôi ei Véc t đ n vị Fv Ma sát trượt khớp quay mặt đứng Fh Ma sát trượt khớp quay mặt ngang Fv m  Lực đẩy cánh quạt tạo Fh t  Lực đẩy cánh quạt đuôi tạo g Gia tốc trọng trường h chiều dài chốt quay h1 chiều dài phần sau chốt quay vii H Chiều cao từ mặt đế đến chốt quay J1 Mơ men qn tính ngang J2 Mơ men qn tính đối trọng J3 Mơ men qn tính chốt quay J4 Mơ men qn tính chốt quay J mm Mơ men qn tính rotor động c chiều J m ,prop Mô men quán tính cánh quạt J t ,prop Mơ men qn tính cánh quạt J mr Tổng mơ men qn tính động c cánh quạt J tr Tổng mơ men qn tính động c đuôi cánh quạt đuôi Jv Tổng mơ men qn tính mặt đứng Jh Tổng mơ men quán tính mặt ngang kam Hằng số sức phản điện động động c kat Hằng số sức phản điện động động c đuôi kg Hệ số hiệu ứng Gyroscope K Động K1 Động ngang K2 Động đối trọng K3 Động chốt quay K4 Động cánh quạt K5 Động cánh quạt lT Khoảng cách từ trọng tâm đối trọng đến chốt quay lb Chiều dài đối trọng lcb Khoảng cách từ đối trọng đến chốt quay lm Chiều dài phần ngang lt Chiều dài phần đuôi ngang Lcb Chiều dài đối trọng Lm Điện cảm phần ứng động c Lt Điện cảm phần ứng động c iam D ng điện phần ứng động c iat D ng điện phần ứng động c đuôi m Khối lượng viii mT Tổng khối lượng ngang lT Trọng tâm ngang mt Khối lượng phần phía bên cánh quạt ngang mtr Khối lượng động c đuôi mts Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt đuôi mm Khối lượng phần phía bên cánh quạt ngang mmr Khối lượng động c mms Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt mb Khối lượng đối trọng mT Tổng khối lượng đối trọng mcb Khối lượng đối trọng mh khối lượng chốt quay mh1 khối lượng phần sau chốt quay Mv Tổng hợp mô men mặt phẳng đứng (ảnh hưởng tới góc  v ) Mh Tổng hợp mơ men mặt phẳng (ảnh hưởng tới góc  h ) Mm Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt Mt Tổng hợp mơ men tác động lên cánh quạt rms Bán kính vành bảo vệ cánh quạt rts Bán kính vành bảo vệ cánh quạt rmm án kính rotor động c rmt án kính rotor động c rcb Bán kính đối trọng Ram Điện trở phần ứng động c Rat Điện trở phần ứng động c đuôi Sv Vận tốc góc ngang mặt đứng có ảnh hưởng xen kênh Sh Vận tốc góc ngang mặt ngang có ảnh hưởng xen kênh Tmr Hằng số thời gian hệ cánh quạt-động c Ttr Hằng số thời gian hệ cánh quạt-động c m Mơ men điện từ động c t Mô men điện từ động c đuôi uam Điện áp phần ứng động c truyền động cánh quạt uat Điện áp phần ứng động c truyền động cánh quạt đuôi ix um Điện áp điều khiển ứng với động c truyền động cánh quạt ut Điện áp điều khiển ứng với động c truyền động cánh quạt đuôi uvv Điện áp đặt vào phần ứng động c [25] uv Điện áp vào mạch khuếch đại cơng suất cho động c [25] uhh Điện áp đặt vào phần ứng động c đuôi [25] uh Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động c đuôi [25] V Thế V1 Thế ngang V2 Thế đối trọng V3 Thế chốt quay Các chữ viết tắt A/D Analog / Digital AC Alternating Current DC Direct Current DMC Dynamical Matrix Control GA Genetic Algorithm ISS Input-to-State Stable LQG Linear Quadratic Gausian LQR Linear Quadratic Regulator LTI Linear Time - Invariant MBTT Máy bay trực thăng MIMO Multiple Input Multiple Output MPC Model Prediction Control PD Proportional–Derivative PID Proportional–Integral–Derivative PWM Pulse Width Modulation rad radian RHC Receding Horizon Control rpm revolutions per minute s second TRMS Twin Rotor MIMO System x TTL Transistor-Transistor Logic UAV Unmanned Aerial Vehicle VDC Volts Direct Current 118 end for j=1:2*n for k=1:2*n-1 if (real(T(k,k)) > real(T(k+1,k+1))) p=T(k,k+1);q=T(k+1,k+1)-T(k,k); absp=abs(p); if absp==0.0 c=0.0;s=1.0; else nrm=norm([p q]);c=absp/nrm; s=p/absp*(conj(q)/nrm); end G=[c s;-conj(s) c]; T(k:k+1,:)=G*T(k:k+1,:);T(:,k:k+1)=T(:,k:k+1)*G'; U(:,k:k+1)=U(:,k:k+1)*G';T(k+1,k)=0; end end end G=U(1:2*n,1:n)/U(1:n,1:n);X=real(G(n+1:2*n,:n)); Y=-R^-1*B'*X*(x-xs)+us;sys(1)=Y(1,1);sys(2)=Y(2,1); else sys(1)=u(9);sys(2)=u(10); end sys(3)=0.9999999*R1;sys(4)=0.9999999*R2; 119 Phụ lục Cảm biến dòng điện độ nhạy cao Các ứng dụng điển hình bao gồm điều khiển động c , giám sát phát tải, phát d ng hệ thống quản l nguồn thông minh Các cực đường dẫn d ng tải cách ly điện với cảm biến Đặc điểm cho phép cảm biến d ng điện WCS2702 sử dụng ứng dụng yêu cầu cách ly điện mà không dùng cách ly quang kỹ thuật cách ly khác làm cho hệ thống cạnh tranh h n giá thành Sơ đồ khối cảm biến dòng điện WCS2702 Đồ thị đặc tính WCS2702 120 121 122 Phụ lục Các bƣớc tiến hành thiết lập chạy thực nghiệm Thiết lập ban đầu ật công tắc nguồn cho Card DS1103 hộp mở rộng Mặt sau hộp mở rộng chứa Card DS1103 Mở phần mềm ControlDesk từ menu Start Vị trí biểu tượng ControlDesk menu Start Phần mềm ControlDesk cần mở 123 Cửa sổ phần mềm ControlDesk Tìm DS1103 Các bước khơng cần thiết sử dụng hệ Nói chung, bước cần thiết thiết ban đầu cho hệ sau lần mà có lỗi Matlab báo khơng tìm thấy Card “ds1103” “Slave DSP” không xuất cửa sổ “Platform” ControlDesk Cửa sổ Platform trước sau tìm DS1103 124 Chọn “Register” từ menu ControlDesk: Platform ► Initialization ► Register Vị trí Register menu ControlDesk Khi hộp thoại “Register oard” xuất hiện, chọn “DS1103 PPC Controller oard” từ “Type” dropdown menu thiết lập “Port address” 300 Sau chọn n t “Register” Các lựa chọn hộp thoại “Register Board” “DS1103” “slave DSP” báo phát “Platform” ControlDesk 125 “DS1103” “Slave DSP”xuất Platform Mở MATLAB/Simulink Tìm file “.mdl” ổ đĩa kích đ p vào file để mở Thao tác cho phép mở đồng thời MATLA Simulink Chọn n t “RTI1103” hộp thoại “Select dSPACE RTI Platform Support” mà xuất MATLA Chọn thư viện RTI cho DS1103 Biên dịch Download mơ hình Mở “Configuration Parameters”: Simulation ► Configuration Parameters… 126 Mở cửa sổ cấu hình tham số hoạt động Thiết lập tham số yêu mong muốn cửa sổ “Configuration Parameters” Thiết lập thời gian lấy mẫu (“Fixed-step size”) đ ng với giá trị thiết kế cho hệ Để thay đổi thời gian lấy mẫu theo đường dẫn: Solver ► Fixed-step size Sau đó, thiết lập giá trị thời gian lấy mẫu mong muốn với đ n vị giây Cửa sổ cấu hình tham số hoạt động 127 Thiết lập “Real-Time Workshop” chọn “ uild” để biên dịch download mã từ mơ hình Simulink Quá trình tạo mã cửa sổ hình “MATLA Command Window” Phần mền ControlDesk cần mở để bước hồn thành Sẽ có báo lỗi ControlDesk không mở, mục giám sát điều khiển biến không mở tự động Để chắn file tạo đặt đ ng thư mục mong muốn, chọn kích đ p vào thư mục đó, chọn “Change to Working Directory” trước lần biên dịch mã Các thiết lập “Real-Time Workshop”: a System target file: rti1103.tlc b Language: C c Make command: make_rti d Template makefile: rti1103.tmf e Select checkbox for “Generate makefile” Cửa sổ thiết lập “Real-Time Workshop” Sau biên dịch mã download chạy chư ng trình DS1103 128 Phụ lục Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng điều khiển RHC với LQR Bảng Tham số đặc tính card DS1103 129 Tham số ộ xử l Đặc tính Loại Power PC PPC 750GX Xung nhịp CPU GHz ộ nhớ Cache ộ nhớ Timer 32 K mức nhớ lệnh; 32 K mức nhớ liệu; M mức Tần số US 133 MHz Cảm biến nhiệt độ Đo nhiệt độ thực PPC ộ nhớ địa phư ng 32 M SDRAM cho chư ng trình cache ộ nhớ chung 96 M SDRAM cho lưu trao đổi liệu timer mục đích chung đếm lùi 32 bit; Nạp lại phần mềm Độ phân dải 15-ns đếm tiến với ghi so sánh Nạp lại phần mềm; Độ phân dải 30-ns timer cho lấy mẫu đếm thời gian c ộ điều khiển ngắt đếm lùi 32 bit; Nạp lại phần mềm Độ phân dải 30-ns ộ đếm tiến 64 bit; Độ phân dải 30-ns ngắt thời gian; ngắt encoder; ngắt UART ngắt CAN; ngắt DSP tớ; ngắt DSP PWM ngắt chủ; ngắt ộ biến đổi A/D Số kênh 16 kênh dồn với lấy mẫu lưu kênh song song Độ phân dải 16 bit Dải điện áp váo ±10 V ảo vệ điện áp Thời gian biến đổi ±15 V Kênh dồn: µs Kênh song song: 800 ns 130 ộ biến đổi D/A Vào/ra số Sai lệch bù ±5 mV Sai lệch hệ số ±0.25% Trơi bù 40 µV/K Trơi hệ số 50 ppm/K Tỷ lệ tín hiệunhiễu >83 dB Số kênh Độ phân dải 16-bit Dải đầu ±10 V Thời gian ổn định µs (14-bit) Sai lệch bù ±1 mV Sai lệch hệ số ±0.5% Trơi bù 30 µV/K Trơi hệ số 25 ppm/K Tỷ lệ tín hiệunhiễu >83 dB I max ±5 mA CImax 10 nF Số kênh 32 Được xếp thành nhóm bit Mỗi nhóm bit thiết lập vào Giao tiếp encoder số Dải điện áp Mức TTL cho vào/ra Iout, max ±10 mA Số kênh kênh độc lập; Vào TTL RS422 ộ đếm vị trí Độ phân dải 24 bit Tần số lớn 1.65 MHz 6.6 MHz chế độ nhân 131 Reset nạp lại phần mềm Nguồn cấp cho encoder Giao Số kênh tiếp ộ đếm vị trí encoder tư ng tự Giao tiếp CAN Giao tiếp nối tiếp DSP tớ V/1.5 A Dùng chung vao giao tiếp encoder tư ng tự kênh; Tín hiệu sin Độ phân dải < 5°; ộ đếm vị trí 32 bit Tần số lớn đầu vào 0.6 MHz lên đến 2.4 MHz chế độ nhân Đặc tính biến đổi A/D Độ phân dải bit; 10 MSPS Điện áp nguồn cấp encoder V/1.5 A Cấu hình kênh dựa vi điều khiển SA 80C164 Dùng chung vao giao tiếp encoder số Chuẩn tốc độ cao ISO DIS 11898-2 CAN Tốc độ Lớn Mbit/s Cấu hình TL6C550C đ n UART với FIFO PLL điều khiển UART Tư ng thích RS232/RS422 Tốc độ 115.2 kBd (RS232); Mbd (RS422) Loại Texas Instruments TMS320F240 DSP Tốc độ xung nhịp 20 MHz ộ nhớ 64Kx16 nhớ mã hóa 28Kx16 nhớ liệu 4Kx16 nhớ truyền thông 32 K nhớ flash Các kênh vào/ra 16 đầu vào biến đổi A/D; 10 đầu PWM đầu vào ghi liệu; cổng truyền thông Điện áp vào TTL mức vào/ra Đầu vào chuyển đổi A/D: … V 132 D ng điện max Đặc tính Nguồn cung cấp vật l ±13 mA +5 V ±5%, A; +12 V ±5%, 0.75A -12 V ±5%, 0.25A ... thuật Điều khiển Tự động hóa có nhiều cơng trình nghi n cứu phư ng pháp điều khiển cho TRMS Từ quan điểm điều khiển TRMS xem đối tượng điển hình hệ điều khiển chuyển động nhiều vào, nhiều (MIMO) ,... pháp điều khiển Twin Rotor MIMO System (TRMS) Trong chư ng 1, nghi n cứu tổng quan TRMS nhà cung cấp thiết bị; thống kê phân tích ưu nhược điểm phư ng pháp điều khiển đại; cấu tr c điều khiển. .. công bố 1.2.2 Điều khiển TRMS TRMS đối tượng điều khiển phổ biến để kiểm chứng thuật toán điều khiển Giải pháp đ n giản cho toán điều khiển TRMS áp dụng điều chỉnh PID Đã có nhiều nghi n cứu để