Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ twin rotor mimo

`i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THÀNH LONG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TWIN ROTOR MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên – 2018 `ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thành Long Sinh ngày: 20 tháng 11 năm 1988 Học viên lớp cao học khóa K18 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ Twin Rotor Mimo” cô giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu giáo viên hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan HỌC VIÊN Nguyễn Thành Long `iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm giúp đỡ nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hương thầy giáo Đinh Văn Nghiệp, trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm nghiên cứu thân hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu xót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tế HỌC VIÊN Nguyễn Thành Long `iv MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TWIN ROTOR MIMO SYSTEM (TRMS) 1.1 Mơ hình hệ TRMS 1.2 Cấu trúc khí hệ TRMS 1.3 Các khó khăn thiết kế điều khiển cho TRMS 1.3.1 Tính phi tuyến tượng xen kênh 1.3.2 Tính bất định mơ hình 1.4 Giới thiệu máy bay trực thăng CHƯƠNG II: MƠ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOR MIMO SYSTEM 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Xây dựng mơ hình tốn TRMS theo phương pháp Newton 11 Đặc tính động 20 2.3 Xây dựng mơ hình tốn TRMS theo Euler – Lagrange (EL) 22 2.3.1 Trục quay tự 22 2.3.2 Thanh đối trọng 24 2.3.3 Trục Quay 25 2.4 Kết luận 29 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRMS 3.1 Điều khiển hệ Euler- Lagrange 31 Khái niệm hệ Euler- Lagrange 31 Phân tích tính ổn định Lyapunov tính thụ động 33 Điều khiển ổn định tiệm cận 34 Điều khiển tuyến tính hóa xác 35 Nâng cao chất lượng nhờ điều khiển thích nghi giả định rõ mơ hình ngược 37 `v Phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine 41 3.2 Phương trình Euler-Lagrange chuyển động 44 3.3 Thiết kế điều khiển 46 3.4 Kết Luận 51 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 4.1 Cấu trúc điều khiển 52 4.2 Kết mô 55 4.2.1 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 55 4.2.2 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 55 4.2.3 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.25 sin (1.9t) 56 4.2.4 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.5 sin (0.2t) 56 4.2.5 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: sin (0.5t) 56 4.2.6 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.2 sin (4t) 57 4.2.7 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.2 sin (4t) 57 4.3 Đánh giá kết 58 4.4 Giới thiệu hệ thống TRMS 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận 61 Kiến Nghị 61 `vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Hệ thống Twin Rotor Mimo System Hình 2: Hệ TRMS Hình 3: Mặt chiếu đứng TRMS Hình 4: Trực thăng Hoa Kỳ Hình 5: Máy bay lên xuống nhờ cánh quạt Hình 6: Trực thăng Ka- 52 sử dụng tầng cánh quạt Hình 7: Các lực tác dụng vào TRMS tạo ram omen trọng lượng 12 Hình 8: Momen lực mặt phẳng ngang 17 Hình 9: Sơ đồ khối biểu diễn đầu vào đầu cánh quạt 20 Hình 10: Twin Rotor Mimo System 23 Hình 11: Hình chiếu đứng hệ thống 23 Hình 12: Hình chiếu hệ thống 24 Hình 13: Sơ đồ khối hệ thống TRMS 29 Hình 14: Cho định lý 3.2 35 Hình 15: Điều khiển tuyến tính hóa xác 36 Hình 16: Điều khiển vòng ngồi 37 Hình 17: Điều khiển bám ổn định thích nghi 40 Hình 18: Điều khiển thích nghi Li-Slotine 50 Hình 19: Cấu trúc mơ điều khiển TRMS 54 Hình 20 55 Hình 21 55 Hình 22 56 Hình 23 56 Hình 24 56 Hình 25 57 Hình 26 57 Hình 27: Hệ thống thực nghiệm 58 Hình 28: Card kết nối MPI 59 `vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt TRMS Twin Roto MIMO System SISO Single In – Single Out Hệ vào - MIMO Multi Input – Multi Output Hệ nhiều vào - nhiều EL Euler-Lagrange Euler-Lagrange Hệ Twin Roto nhiều vào nhiều `vii iviii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Nội dung Bảng ký hiệu thông số Bảng2.1 Bảng 4.1 Ký hiệu ý nghĩa thông số mơ hình TRMS Thơng số mơ TRMS Trang viii 13 52 `ix BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Vv/h V điện áp cực động chính/phụ Uv/h V điện áp điều khiển động chính/phụ máy tính Rav/h  điện trở phần ứng động chính/phụ Lαv/h H điện cảm phần ứng động chính/phụ iav/h A dòng điện phần ứng động chính/phụ φv/h Wb eav/h V kav/h từ thơng động chính/phụ sức phản điện động động chính/phụ số sức phản điện động động chính/phụ αh rad vị trí mặt phẳng ngang αv rad vị trí mặt phẳng đứng g m/s2 gia tốc trọng trường m kg khối lượng K J động P J K1 J động ngang J1 kgm2 mT1 kg tổng khối lượng ngang lT1 m trọng tâm ngang P1 J ngang mt kg khối lượng phần phụ ngang mtr kg khối lượng động phụ mts kg khối lượng vành bảo vệ roto phụ mm kg khối lượng phần ngang mmr kg khối lượng động mms kg khối lượng vành bảo vệ roto lt m chiều dài phần phụ ngang mơ men qn tính ngang `x lm m chiều dài phần ngang rm/ts m bán kính vành bảo vệ rotor chính/phụ rmm/t m bán kính rotor động chính/phụ K2 J động đối trọng P2 J đối trọng J2 kgm2 mb kg khối lượng đối trọng mT2 kg tổng khối lượng đối trọng mcb kg khối lượng đối trọng lT2 m trọng tâm đối trọng lb m chiều dài đối trọng lcb m khoảng cách từ đối trọng đến điểm quay rcb m bán kính đối trọng Lcb m chiều dài đối trọng K3 J động chốt quay P3 J chốt quay J3 kgm2 mơ men q tính chốt quay J4 kgm2 mơ men q tính phần sau chốt quay mh kg khối lượng chốt quay mh1 kg khối lượng phần sau chốt quay h m chiều dài chốt quay h1 m chiều dài phần sau chốt quay K4/5 J động rotor chính/phụ Jmm kgm2 mơ men qn tính rotor động Jm/tp kgm2 mơ men qn tính cánh quạt rotor chính/phụ ei mơ men qn tính đối trọng véc tơ đơn vị ωm/t rad/s tốc độ góc động chính/phụ Jm/tr kgm2 H m mơ men qn tính rotor chính/phụ chiều cao từ mặt đế đến chốt quay q1r tín hiệu đặt đầu vào,   diag   j  ma trận đường chéo xác định dương tùy chọn e1  q1r  q1 sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu ra, hệ kín bao gồm đối tượng điều khiển thỏa mãn: D q1 + Cq1 + ϕ D= dv  Cv    K  v  z  dt (3.27) Khi TRMS có tham số bất định, mơ tả bở mơ hình Khi điều khiển chứa tham số bất định này, nên không sử dụng Ta thay tham số bất định p(t) :   Dˆ dv  Cˆ v  ˆ  K dt  v  z (3.28) xây dựng thêm cấu chỉnh định cho p(t) để có điều kiện bám ổn định e1  Lúc hệ kín, bao gồm đối tượng bất định điều khiển có mơ hình: dv D q1 + Cq1 + ϕD=ˆ  Cˆ v  ˆ  K3  v  z  dt D (3.29) d  v r  dv  C  v  r     D ˆ  Cv ˆ ˆ  K3 dt dt dq Vì r  v  z z  dt v  z   D dr  Cr  K r  D  D dv  C  C v     ˆ ˆ ˆ dt dt dv   dq  F q , , v,  p B   h  dt dt    C22 q + φ − M M −1 ( C q + φ     ) 0 dv   dq 1  F  q1 , , v,   M22 M12    dt dt  h  v dq1r  e1 dt Để xây dựng cấu chỉnh định tham số p(t), ta sử dụng hàm xác định dương: T T V  r   r Dr    p  E  B h B h 2  p có tính đối xứng lệch hệ EL: dV dt r T T dD dp T  r r   Bh  p  E dt dt dt dp T F p  B  Cr  K r  r T dD r  B  p E T r D dr   h   dt  h  dt T  T T dp   rT  dD  r K 3r   Bh  p   F r  E  2C r   dt dt    T  T T dp   r K 3r   Bh  p   F r  E  dt   Bởi vậy, chọn cấu chỉnh định: dp  1 T 1 T  de  E F r  E F   e 1 dt  dt (3.30) E ma trận đối xứng xác định dương tùy chọn, chọn E= (có thể chọn số dương tùy ý) ta tính xác định âm của: dV T  r K r3 dt Là điều kiện để đảm bảo có r  , tức có điều kiện bám ổn định e1  Hình 18: Điều khiển thích nghi Li-Slotine 3.4 Kết Luận TRMS hệ phi tuyến mạnh, nhiều vào nhiều có tác động xem kênh mạnh, tính phức tạp quỹ đạo phi tuyến, ảnh hưởng khớp nối cánh quạt, thay đổi khí động học tác dụng lên cánh quạt Do đó, để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS, ta sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine với ma trận phù hợp Trong nghiên cứu tiếp ta tiến hành mô để đánh giá chất lượng hệ thống CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 4.1 Cấu trúc điều khiển Để kiểm chứng đánh giá hiệu điều khiển thiết kế cho TRMS tến hành mơ hệ thống sử dụng matlab-simulink, mơ hình điều khiển đối tượng viết dạng S-Functon Để đơn giản tác giả lập trình điều khiển vòng vòng ngồi S-Function Vị trí góc đầu hệ αv/h=av/h (αv=pitch angle, αh=yaw angle), vị trí đặt tương ứng q1r  [avr ahr] Chạy mô đồng thời bậc tự với tín hiệu đặt đầu vào Chọn K1=1, K2= 100.I với thông số bảng 4.1 lt 0.282 m kg 0.05 lm 0.254 m h 6e-2 m lb 0.265 m h1 0.02 m lcb 0.25 m mh1 0.05 kg rms 0.155 m mh 0.09 kg rts 0.1 m g 9.81 m/s2 mtr 0.221 kg Lc 3e-2 m mmr 0.236 kg rcb 1e-2 m mcb 0.068 kg H 0.5 m mm 0.014 kg rmt 0.007 m mt 0.015 kg rmm 0.007 m mb 0.022 kg mmrr 0.042 kg mts 0.119 kg mtrr 0.016 kg mms 0.219 kg kchp 0.00854 Jmr 21.624e-5 kgm2 Jtr 3.1432e-5kgm2 Bmr 4.5e-5 kgm2/s Btr 2.3e-5 kgm2/s ktv 23.03e-6 kth 10e-6 Bv 0.6e-2 Nms/rad Fv 0.1e-2 Nms/rad Bh 0.1 Nms/rad Fh 0.01 Nms/rad Cc 0.016 Nm/rad αh0 -0.4602 rad du /dt du /dt Derivative Derivative avr vi tri dat (rad ) du /dt av controllerTRMS Derivative du /dt yaw ahr vi tri dat (rad ) `54 Hình 19: Cấu trúc mơ điều khiển TRMS pitch Derivative ah Controller in S -Function TRMS nonlinear model _S-Function `55 4.2 Kết mô Kết mô cho đáp ứng đầu sau: 4.2.1 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.09 sin (0.6283t) + 0.09 sin (0.3142t) 0.2 av avr 0.15 0.1 pitch angle(rad) 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 10 15 20 25 30 35 40 45 50 time(s) Hình 20 4.2.2 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.12 sin (0.6283t) + 0.45 sin (0.3142t) 0.2 ah ahr 0.15 0.1 yaw angle(rad) 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 10 15 20 25 30 Hình 21 35 40 45 50 time(s) 4.2.3 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.25 sin (1.9t) 0.3 av avr 0.2 pitch angle(rad) 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 time(s) Hình 22 4.2.4 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.5 sin (0.2t) 0.6 ah ahr 0.4 yaw angle(rad) 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 10 15 20 25 30 35 40 45 50 time(s) Hình 23 4.2.5 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: sin (0.5t) ah ahr 0.8 0.6 0.4 yaw angle(rad) 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 10 15 20 25 30 Hình 24 35 40 45 50 time(s) 4.2.6 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.2 sin (4t) 0.25 av avr 0.2 0.15 0.1 pitch angle(rad) 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 10 15 20 25 30 35 40 45 50 time(s) Hình 25 4.2.7 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.2 sin (4t) 0.25 av 0.2 avr 0.15 0.1 pitch angle(rad) 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 10 15 20 25 30 Hình 26 35 40 45 50 time(s) 4.3 Đánh giá kết Trong luận văn này, chuyển động theo hai bậc tự TRMS xét đến Mơ hình toán học TRMS dạng Euler-Lagrange thiết kế sử dụng MATLAB/SIMULINK Bộ điều khiển thiết kế để điều khiển chuyển động hai mặt hệ Đặc tính điều khiển thiết kế kiểm chứng với tín hiệu đặt Kết cho thấy TRMS bám theo quỹ đạo yêu cầu cách xác hiệu 4.4 Giới thiệu hệ thống TRMS Cấu hình thí nghiệm TRMS giới thiệu hình 27, hệ thống điều khiển TRMS Phòng thí nghiệm Điện – Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên dùng để nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển với nguyên lý Hình 27: Hệ thống thực nghiệm Hình 28: Card kết nối MPI Hệ thống có thành phần: MPI card: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) giao tiếp với máy tính; Hệ TRMS; Máy tính Cấu trúc điều khiển hệ thống: Hình 29: Cấu trúc điều khiển mơ hình thực Việc điều khiển chuyển động bám xác cho hệ thống thực qua điều khiển vị trí, việc thực qua điều khiển hai động Tín hiệu hệ thống TRMS bám xác theo tín hiệu đặt, có sai lệch, tín hiệu hệ thống qua encoder gửi so sánh với giá trị đặt điều khiển, từ điều khiển gửi tín hiệu để điều khiển động cho tín hiệu bám chặt theo tín hiệu đặt Hệ thống cho phép thực điều khiển kiểu hai đầu vào hai đầu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Luận văn tập trung nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ TRMS phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine Mơ đáp ứng đầu với tín hiệu đặt khác Kết nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển, cải thiện chất lượng điều khiển cho hệ TRMS Mô cho thấy TRMS bám theo quỹ đạo xác Kiến Nghị Hiện tại, phòng thí nghiệm Điện- Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên có hệ thống TRMS dùng để nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển với nguyên lý Do thời gian làm luận văn có hạn, tác giả chưa dành nhiều thời gian nghiên cứu kiểm chứng thực tế Vì hướng phát triển đề tài thực nghiệm phương pháp điều khiển thiết bị TRMS phòng thí nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Feedback Instruments Ltd (2010), Twin Rotor Mimo System Advanced Teaching Manual 33-007-4M5 [2] Nguyễn Như Hiển, Đinh Văn Nghiệp, Mơ hình động học hệ thống twin rotor MIMO Tạp chí tự động hóa ngày nay, Tháng 12/2014 [3] Nguyễn Dỗn Phước, Phân tích điều khiển Hệ Phi Tuyến [4] Vũ Thị Thùy Linh, Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục [5] Tạ Quang Duy, Thiết kế điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ thống Twin Rotor Mimo System [6] 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 [7] Bruce, P.D and Kellet, M.G.: ‘Modeling and identification of nonlinear aerodynamic functons using b-splines’, Proceedings of the Insttution of Mechanical Engineers, 2000, Vol 214 (Part G), pp 27-40 [8] Lammerts, Ivonne M M., 1993, “Adaptive Computed Reference Computed Torque Control of Flexible Manipulators”, PhD thesis, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands [9] 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 93-109 [10] Marek K, Vladimir B, and Petr C, “Adaptive Control of Twin Rotor MIMO System: Polynomial Approach”, IFAC, 2005 [11] Peng W and Te W L, “Decoupling Control of a Twin rotor MIMO System using Robust Deadbeat Control Technique”, 2007 [12] Akbar R, Shaheed M H, and Abdulrahman H B, “Adaptive Nonlinear Model Inversion Control of a Twin Rotor System Using Artficial Intelligence”, 16th IEEE International Conference on Control Applicatons, Singapore, 2007 [13] 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 [14] 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 [15] Usman A, Waquas A, and Syed Mahad A B, “H2 and H∞ Controller Design of Twin Rotor System”, Intelligent Control and Automaton, 2013 [16] Maryam J and Mohammad F, “Adaptive Control of Twin rotor MIMO System Using Fuzzy Logic”, Journal of Iran University of Science and Technology [17] “Twin Rotor MIMO”, Feedback, Engineering Teaching Solutions ... tài Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ Twin Rotor Mimo Với mục đích thiết kế điều hệ TRMS, nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng. .. (SISO) mà điều khiển hệ nhiều vào nhiều (MIMO) Các năm gần có nhiều cơng trình nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ Twin Rotor Mimo (TRMS), hệ chuyển động nhiều trục điển hình nhà nghiên cứu giới... lớp cao học khóa K18 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ Twin Rotor