Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng

Dự kiến kết quả đạt được - Xây dựng mô hình toán của đối tượng điều khiển - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cũng như thông số bộ điều khiển - Mô phỏng hệ thống 4.. Trong phạm vi đề

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-o0o -NGUYỄN ĐĂNG LUYỆN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MÔ HÌNH MÁY

BAY TRỰC THĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN ht t p : / / www lrc.tnu e du v n

THÁI NGUYÊN, 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-o0o -LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Tên đ ề t à i :

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MÔ HÌNH

MÁY BAY TRỰC THĂNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Như Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN ht t p : / / www lrc.tnu e du v n

THÁI NGUYÊN, 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN ht t p : / / www lrc.tnu e du v n

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Đăng Luyện

Sinh ngày: 20 tháng 5 năm 1982

Học viên lớp cao học khóa K16 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật CôngNghiệp - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trung tâm Ứng dụng tiến bộ Khoa học và Công nghệ.Xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho môhình máy bay trực thăng” do thầy giáo PGS TS Nguyễn Như Hiển hướng dẫn là côngtrình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ

rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dungtrong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dungcủa luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

HỌC VIÊN

Nguyễn Đăng Luyện

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn củanhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo, gia đình và đồng nghiệp.Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Như Hiển,trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiệnluận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô ở Khoa Điện, phòng thí nghiệmKhoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điềukiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm nghiên cứucủa bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu xót Tác giả rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế

HỌC VIÊN

Nguyễn Đăng Luyện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ……….…… ……… 1

LỜI CẢM ƠN ……… 2

MỤC LỤC ……… 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……… 5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT……… 6

BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ 7

MỞ ĐẦU ……… …… ………… 10

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 1.1 Khái quát về lich sử phát triển máy bay trực thăng……… 12

1.2 Giới thiệu về hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS)……… 17

1.2.1 Mô hình hệ TRMS……… 17

1.2.2 Cấu trúc cơ khí của hệ TRMS……… 20

1.3 Kết luận……… 20

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 2.1 Giới thiệu chung……… 22

2.2 Xây dựng mô hình toán của TRMS theo phương pháp Newton………22

2.3 Xây dựng mô hình toán của TRMS theo Euler-Lagrange (EL) ………34

2.3.1 Trục quay tự do……… 34

2.3.2 Thanh đối trọng……… ……….36

2.3.3 Trục quay…….……….……… 37

2.4 Kết luận……… 42

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 3.1 Giới thiệu chung 43

3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 46

3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 46

3.2.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 46

3.2.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 47

3.2.1.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn 47

3.2.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số 48

3.2.2.1 Nguyên tắc thiết kế 48

3.2.2.1 Thiết kế điều khiển ở miền tần số 49

3.2.2.2 Nguyên tắc thiết kế 49

3.2.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng 51

3.2.2.4.Thiết kế bộ điều khiển PID cho mô hình TRMS 52

3.3 Thiết bộ điều khiển bằng phương pháp mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 52

3.3.1 Khái niệm về tập mờ 52

3.3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ .53

3.3.3 Bộ điều khiển mờ .60

3.3.3.1 Bộ điều khiển mờ động 60

3.3.3.2 Điều khiển mờ thích nghi 61

3.3.3.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 62

3.3.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID .62

3.3.4.1 Phương pháp thiết kế 62

3.3.4.2 Nhận xét 66

3.4 Kết luận chương 3 66

CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4.1 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng 67

4.1.1 Điều khiển hệ thống bằng PID thường 67

4.1.2 Điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 68

4.1.3 Sơ đồ mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định tham số PID 69

4.2 Kết luận chương 4 72

KẾT LU N V KIẾN NGHỊ 1 Kết luận ……… 73

2 Kiến nghị……… 73TÀI LIỆU THAM KHẢO……….74

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Trực thăng của Treremukhin 13

Hình 1.2 : Trực thăng K24 của Iacốplép 13

Hình 1.3 : Máy bay trực thăng EC 225 14

Hình 1.4 : Máy bay lên, xuống nhờ cánh quạt chính……….…… 16

Hình 1.5 : Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra một mô men cân bằng với momen do cánh quạt chính gây lên……… …… 17

Hình 1.6 : Hệ thống Twin rotor mimo system: Mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa.……… ……… … 17

Hình 1.7 : Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System)……… ………18

Hình 1.8a: Mặt chiếu đứng của TRMS ……… … … … 19

Hình 1.8b: Mặt chiếu bằng của TRMS ……… … 19

Hình 2.1: Các lực tác dụng vào TRMS tạo ra mômen trọng lượng 24

Hình 2.2: Mômen các lực trong mặt phẳng ngang ……… ………29

Hình 2.3: Sơ đồ khối biểu diễn đầu vào và đầu ra của hai cánh quạt 32

Hình 2.4: Twin roto mimo system ……….……… 35

Hình 2.5: Hình chiếu đứng của hệ thống TRMS với αh=0……… 35

Hình 2.6: Hình chiếu bằng của hệ thống TRMS…… ……… 36

Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống TRMS……….……….… 41

Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 43

Hình 3.2: Đồ thị quá độ 47

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển……….……… 48

Hình 3.4: Hàm thuộc biến ngôn ngữ ……… 52

Hình 3.5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.… 52

Hình 3.6: Luật hợp thành……… 53

Hình 3.7: Thực hiện phép suy diễn mờ……… 55

Hình 3.8: Thực hiện phép hợp mờ……….……… ……….56

Hình 3.9 Những nguyên lý giải mờ.…… ……….57

Hình 3.10 Cấu trúc một hệ logic mờ……… 58

Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 59

Hình 3.12: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 59

Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2)………60

Hình 3.14: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp……… 60

Hình 3.15: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp……… 60

Hình 3.16: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều ……… 61

Hình 3.17: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID………62

Hình 3.18: Bên trong bộ điều chỉnh mờ ……… 62

Hình 3.19: Tập mờ e và e‟……….63

Hình 3.20: Tập mờ ……….63

Hình 3.21: Tập mờ Kp và KD……… 63

Hình 4.1: Cấu trúc mô phỏng với bộ PID thường cho hệ thống TRMS 66

Hình 4.2: Kết quả mô phỏng với PID thường với góc pitch 67

Hình 4.3: Kết quả mô phỏng với PID thường với góc yaw 67

Hình 4.4: Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 68

Hình 4.5: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ với góc pitch 68

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ với góc yaw 69

Hình 4.7: Cấu trúc mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định 69

Hình 4.8: Kết quả mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định với góc pitch 70

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định với góc yaw 70

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PID Proportional-Integral-Derivative Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân

BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ

V v/h V điện áp trên cực động cơ chính/phụ

U v/h V điện áp điều khiển động cơ chính/phụ trong máy tính

R av/h  điện trở phần ứng của động cơ chính/phụ

L αv/h H điện cảm phần ứng của động cơ chính/phụ

i av/h A dòng điện phần ứng của động cơ chính/phụ

e av/h V sức phản điện động của động cơ chính/phụ

k av/h hằng số sức phản điện động của động cơ chính/phụ

α h rad vị trí trong mặt phẳng ngang

m kg khối lượng

J 1 kgm2 mô men quán tính của thanh ngang

m ts kg khối lượng vành bảo vệ roto phụ

m ms kg khối lượng vành bảo vệ roto chính

r m/ts m bán kính vành bảo vệ rotor chính/phụ

r mm/t m bán kính rotor động cơ chính/phụ

J 2 kgm2 mô men quán tính của thanh đối trọng

m T2 kg tổng khối lượng của thanh đối trọng

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 8

l cb m khoảng cách từ đối trọng đến điểm quay

J 3 kgm2 mô men quá tính của chốt quay

J 4 kgm2 mô men quá tính phần sau của chốt quay

m h1 kg khối lượng phần sau của chốt quay

J mm kgm2 mô men quán tính của rotor động cơ

J m/tp kgm2 mô men quán tính của cánh quạt rotor chính/phụ

ω m/t rad/s tốc độ góc động cơ chính/phụ

J m/tr kgm2 mô men quán tính của rotor chính/phụ

Mv Nm tổng hợp mô men trong mặt đứng(ảnh hưởng tới góc v )

Mh Nm tổng hợp mô men trong mặt bằng(ảnh hưởng tới góc  h )

Mm/t Nm tổng hợp mô men tác động lên rotor chính/phụ

B m/tr kgm2/s hệ số ma sát nhớt của động cơ chính/phụ

B v/h kgm2/s hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt phẳng

đứng/bằng

F v/h Nm ma sát trượt khớp quay trong mặt phẳng đứng/bằng

 m / t Nm mô men điện từ của động cơ chính/phụ

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 9

-MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Lĩnh vực điều khiển tự động đã được xây dựng, phát triển hơn một thế kỷ qua

và ngày càng được hoàn thiện, từ việc đưa ra những mô hình và thuật toán điều khiểnkinh điển nổi tiếng như PID cho các đối tượng điều khiển tuyến tính và đơn giản đếnviệc nghiên cứu, xây dựng các thuật toán hoàn chỉnh hơn để điều khiển cho các môhình điều khiển phi tuyến phức tạp hoặc có thể chưa có mô hình toán học đầy đủ vàchính xác

Trong thời gian gần đây, lĩnh vực khoa học và kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, trảikhắp các ngành: điện tử, viễn thông, điều khiển, công nghệ vi xử lý, máy tính , đã chophép thực hiện các mô hình điều khiển có yêu cầu tính toán phức tạp, tạo điều kiệnthuận lợi để việc giải quyết các bài toán điều khiển cho các đối tượng phi tuyến nhiềungõ vào ra (MIMO: multi input _multi out put) và cũng đặt ra những yêu cầu phảinghiên cứu hoàn thiện hơn các hệ điều khiển nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao củacuộc sống

Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID đểđiều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững đối với sựthay đổi tham số trong quá trình vận hành Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợpcho các đối tượng có tham số không chính xác Việc ứng dụng kỹ thuật mờ xây dựng

bộ điều khiển cho các quá trình có tham số thay đổi là hướng nghiên cứu còn mới mẻ

và có khả năng đáp ứng các yêu cầu chất lượng cao Chính vì vậy chúng em thực hiện

đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trựcthăng” nhằm mục đích tiếp cận với hướng nghiên cứu mới trên

2 Mục tiêu của nghiên cứu

- Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ điều khiển

3 Dự kiến kết quả đạt được

- Xây dựng mô hình toán của đối tượng điều khiển

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

- Mô phỏng hệ thống

4 Phương pháp và phương pháp luận

Trong phạm vi đề tài, để xây dựng thuật toán điều khiển tác giả sử dung các phương pháp sau

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán của mô hình máy bay trực thăng,thiết kế bộ điều khiển

- Mô phỏng kết quả hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm các phần chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu mô hình máy bay trực thăng thông qua hệ twin rotor mimo system

Chương 2: Mô hình toán học của hệ twin rotor mimo system

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

Chương 4: Đánh giá chất lượng hệ thống

Kết luận và kiến nghị

Chương I GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ

THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM1.1 Khái quát về lich 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 nângvào năm 1475 là của Lêôna Đơvanhxi Nhưng do hạn chế về khả năng kĩ thuật và sựmẫu thuẫn với các niềm tin tôn giáo, nên ý định đó đã bị mất đi, chôn vùi trong các tàiliệu của kho lưu trữ Về sau bản vẽ phác và thuyết minh của khí cụ bay đó đã đượcphát 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 rakhí 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 cánhquay 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 họcTre-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 nghiêncứu khí cụ bay dẫn tới thời kì các khí cụ bay nậng hơn không khí có cơ sở lý luận khoahọc sâu sắc Năm 1891, một học trò của Giucốpski là Iurép đã nêu ra 1 dự án có lý lẽvững vàng về trực thăng 1 cánh quay với cánh quạt đuôi cùng những thiết bị điềukhiển tự động nghiêng cánh quay

Hình1.1 Trực thăng của Treremukhin

Sau cánh mạng tháng 10, công nghiệp hàng không của Liên Xô bắt đầu pháttriển, các công trình nghiên cứu về trực thăng liên tiếp được tiến hành Năm 1925, tạitrường đại học thuỷ khí, một nhóm dưới sự lãnh đạo của Iurep đã nghiên cứu hoànthiện trực thăng Kết quả là 1930 đã tạo được trực thăng Xôviết đầu tiên Kĩ sưTreremukhin, người lãnh đạo, đồng thời là người thử nghiệm trực thăng (Hình 1.1) đãlập 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 ấytrực 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 Đếnnăm 1961, động cơ tuabin khí đã được lắp vào trực thăng và được thay thế hàng loạivào vị trí mà trước đây động cơ píttông đảm nhiệm Năm 1971, tại hội chợ HàngKhông và Vũ Trụ quốc tế lần thứ 29 ở Pari, trực thăng không lồ 2 cánh quay Mi12 cóthể 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 kìlàm cho Trực Thăng trở thành khí cụ bay rất cơ động, không phụ thuộc vào sân baycũng như mở rộng thêm giới hạn sử dụng Ngày nay, trực thăng càng được sử dụngrộng rãi, là phương tiện giao thông chính ở những nơi không thể sử dụng các phươngtiện 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 sửchúng ta phải thấy rằng hệ khí động lực học của trực thăng rất phức tạp, đòi hỏi nền cơkhí chế tạo cao Khác với trực thăng, lực nâng của máy bay không trực tiếp tạo ra từcánh quạt, mà thông qua hệ thống cánh nâng và thân vỏ Do đó, có chất lượng khíđộng cao, lực nâng có thể lớn hơn lực đẩy cánh quạt vài lần (điều đó giải thích tại saocùng 1 công suất động cơ, máy bay có trọng tải lớn hơn trực thăng vài lần) Nên bù lạitrực thăng thường có độ kéo dài cánh rất lớn (dễ tạo dao động sóng dọc cánh, mỏi, gãycánh), và việc chế tạo đòi hỏi sử dụng chất liệu có cơ tính đặc biệt, đòi hỏi chính xác

Hình1.3 M y y trực thăng 22

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 bayđứng trong không khí và thậm chí bay lùi Trực thăng có rất nhiều công năng cả trongđời 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 tạophức tạp hơn rất nhiều, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiênliệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn rất nhiều Nhưng bù lại những nhược điểm đó, khảnăng cơ động linh hoạt, khả năng cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay vàtính 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 lớngấp 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 đượcnhư thế, máy bay trực thăng ngày càng phát triển, song hành cùng các loại máy baycánh cố định thông thường và có ứng dụng ngày càng đa dạng: trong lĩnh vực giaothông vận tải nó cùng với các loại máy bay có cánh cố định lập thành ngành Hàngkhông 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 cồngkềnh, siêu trường, siêu trọng vượt quá kích thước khoang hàng bằng cách treo dướithân 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 ứngdụng khác Đặc biệt trong quân sự nó là một thành phần rất quan trọng của lựclượng không quân và quân đội nói chung: vừa là loại máy bay vận tải thuận tiện vừa làloại 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, bayđược nhờ lực nâng khí động học được tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang Cũng nhưđối với máy bay thông thường, lực nâng khí động học được tạo thành khi có chuyểnđộng tương đối của cánh nâng đối với không khí, nhưng khác với máy bay thôngthường là cánh nâng gắn cố định với thân máy bay, trực thăng có cánh nâng là loạicánh quạt quay ngang ( cánh quạt này còn gọi là cánh quạt nâng) và khi cần chuyển

hướng thì trực thăng có cánh quạt ở đuôi (cánh quạt này còn gọi là cánh quạt điềuhướng) Với đặc điểm của cánh nâng như vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảmđược sự chuyển động tương đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khíđộng học trong khi bản thân máy bay không cần chuyển động Vì vậy, máy bay trựcthăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi.

Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay

để nâng nó bay trong không khí Lực nâng được tạo ra nhờ sự tương tác với không khí.Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại khôngkhí tác dụng lên cánh quạt một phạn lực hướng lên trên Do đó, khi không có khôngkhí lực nâng này sẽ không còn, hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực thăng

để bay ra khỏi tầng khí quyển dù công suất của động cơ có lớn đến đâu Vì ngoài tráiđất là chân không

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

Hình1.5 Cánh qu t đuôi sẽ t o ra một mô men cân bằng với

momen do cánh qu t chính gây lên

1.2 Giới thiệu về hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS)

1.2.1 Mô hình hệ TRMS

Hình1.6: Hệ thống Twin rotor mimo system: Mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa.

TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa nhưtrên hình 1.6 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 củarotor Ở máy bay trực thăng thực thì vận tốc roto hầu như không thay đổi và lực đẩyđược thay đổi thông qua việc điều chỉnh các lá cánh rotor

Mô hình thí nghiệm TRMS được biểu diễn trên hình 1.7 Các đặc tính động họcquan trọng nhất ở máy bay trực thăng được thể hiện trong mô hình này Giống nhưmáy bay trực thăng thực, có một hệ thống liên kết chéo quan trọng giữa hai rotor Nếuchúng ta kích hoạt rotor ở vị trí dọc, máy bay trực thăng sẽ nghiêng về phía mặt phẳngngang

Với hai đầu vào (điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc vàngang, các vận tốc góc) Hệ thống TRMS là một hệ thống được thiết kế dưới dạng môhình máy bay hai cánh quạt và được sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiềuluật điều khiển được áp dụng để điều khiển nó Do tính phức tạp của quỹ đạo phituyến, sự ảnh hưởng của các khớp nối giữa các cánh quạt (Hình 1.8a và 1.8b),

Hình 1.7: Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System)

Với hai đầu vào (điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc vàngang, các vận tốc góc) Hệ thống TRMS là một hệ thống được thiết kế dưới dạng mô

Hình 1.8b: Mặt chiếu ằng củ TRMS

1.2.2 Cấu trúc cơ khí của hệ TRMS

Phần cơ khí của TRMS bao gồm hai rotor với một đối trọng cùng được đặt trênmột cần Toàn bộ bộ phận này được gắn với trụ tháp, cho phép ta thí nghiệm điềukhiển một cách an toàn (Hình 1.7)

Phần điện (đặt dưới trụ tháp) đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điềukhiển TRMS Nó cho phép đo các tín hiệu và truyền đến máy tính PC, ứng dụng tínhiệu điều khiển thông qua card I/O Các bộ phận cơ và điện kết hợp tạo thành một hệthống điều khiển được thiết lập hoàn chỉnh

Two Rotor MIMO System (TRMS), là bộ thiết bị được thiết kế để phục vụ chocác thí nghiệm điều khiển Theo khía cạnh chính là hoạt động của nó giống như mộtmáy bay Từ quan điểm điều khiển thì nó là ví dụ điển hình cho hệ phi tuyến bậc caovới các sự ghép chéo đáng kể TRMS bao gồm một dầm chốt quay được đặt trên đếsao cho nó có thể quay tự do trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang Ở cả hai đầucủa 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 đobởi 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 cácmáy phát tốc tạo thành cặp với động cơ truyền động Trong mô hình máy bay đơn giảnthì sức động lực học được điều khiển bằng sự thay đổi góc tới Ở bộ thiết bị thí nghiệmđược xây dựng sao cho góc tới là cố định Do vậy sức động lực học được điều khiểnbởi sự thay đổi tốc độ của các rotor Bởi vậy, các đầu vào điều khiển là điện áp cấpcho động cơ một chiều Thay đổi giá trị điện áp dẫn đến tốc độ góc của cánh quạt thayđổi, sự thay đổi này dẫn đến làm thay đổi vị trí tương ứng của dầm Tuy nhiên, sựghép chéo được quan sát giữa hoạt động của các rotor, mỗi rotor ảnh hưởng đến cả hai

vị trí góc

1.3 Kết luận

Khi nghiên cứu về Twin Rotor MIMO System (TRMS), ta nhận thấy: Đây 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 cácđộng lực học được điều khiển bởi các tốc độ của các động cơ Hiện tượng xen kênhđược quan sát giữa sự hoạt động của các động cơ, mỗi động cơ đều ảnh hưởng đến cảhai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch angle).

Ngoài ra hệ thống này luôn luôn hoạt động với bất định mô hình Tính bất định làkhông có thông tin, có thể không được mô tả và đo lường Tính bất định mô hình cóthể 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, Trong lý thuyếtđiều 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 suấtbám và thậm chí có thể dẫn đến không ổn định Nếu cấu trúc mô hình được giả định làđúng, nhưng hiểu biết chính xác về các thông số đối tượng không rõ, thì điều khiểnthích nghi được áp dụng Trong điều khiển thích nghi, một hoặc nhiều tham số điềukhiển và / hoặc các tham số mô hình được điều chỉnh trực tuyến bằng một thuật toánthích nghi sao cho các động học vòng lặp kín phù hợp với hoạt động của mô hình mẫumong 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 điềukiện là hiệu suất vòng lặp kín ổn định được đảm bảo

Chương II

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOS MIMO SYSTEM

2.1 Giới thiệu chung

Để thiết kế được một bộ điều khiển cho đối tượng, thì cần thiết phải xây dựngđược một mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của đối tượng Mô hình là một hìnhthức 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 giớithực, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự cómặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Mô hình giúp cho việc phân tích kiểmchứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trướckhi đưa giải pháp vào triển khai

Mô hình toán học là hình thức biểu diễn lại những hiểu biết của ta về quan hệgiữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t) của một hệ thống nhằm phục vụ mục đích môphỏng, phân tích và tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống sau này Không thể điềukhiển hệ thống nào đó nếu như không biết gì về nó cả

Mô hình của đối tượng dưới dạng toán học được gọi là mô hình danh định Dovậy, có thể nói rằng, một hệ thống điều khiển danh định là được thể hiện dưới dạngcác phương trình toán học Từ đây, ta nhận thức được rằng mô hình hóa đối tượngdưới dạng các phương trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong phân tích hệthống và thiết kế bộ điều khiển Việc mô tả toán học cho đối tượng càng sát với môhình 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 vớicác đối tượng không ổn định và có tính phi tuyến cao

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

Các lực tác dụng vào hệ thống TRMS là thành phần phi tuyến (dòng điện quarotor, vị trí) Để biểu diễn hệ thống như một hàm truyền (một dạng biểu diễn động lực

học của hệ thống tuyến tính được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển) nó phải được tuyến tính hóa.

Ở hình 1.6, biểu diễn một hệ thống khí động lực học của mô hình máy bay, ởhai đầu của hệ thống gắn hai động cơ một chiều, hai động cơ một chiều có tác dụngđiều 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 dãyphương trình vi phân Ngoài ra, cũng giả thiết rằng ma sát của hệ thống là trơn, nócũng được giải định rằng các khí động lực học do hệ thống cánh quạt không khí gắntrên trục hai động cơ có thể được mô tả phù hợp với các mệnh đề về lý thuyết dòngchảy

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 cánhquạt, chuyển động quay được mô tả như nguyên tắc chuyển động của con lắc

Theo định luật 2 Newton ta có:

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

M v   M iv

J v   J iv

Các momen của trọng lượng tác dụng vào thang ngang để làm nó quay quangtrục được biểu diễn trong hình 2.1.

l t -α v

Động cơ cánh

quạt đuôi

O1 l m Fv(ωv)g(mtr +mts) mt.g

mm.g

Động cơ cánh quạt chính

mb.g

g(mms+mmr)

mcb.g

TRMS

Hình 2.1: c ực t c dụng vào TRMS t o r momen trọng ượng

Ta có momen tương ứng với các trọng lực của các thành phần của hệ thống là:

A  m t 

m m l ; (2.5)

( tr ts ) t2

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

cơ chính

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

lt Chiều dài của phần trục quay tính từ điểm quay đến

trục động cơ đuôi

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

Jv5 = mtr.lt2 (2.19)

l 2

J  m t

(2.20)v6 t

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

M hi i

Để xác định các mômen đặt lên trục quay tự do và làm nó xoay quanh trụcthẳng đứng, được thể hiện trên hình vẽ sau:

Động cơ cánh

quạt đuôi