Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor

    BỘ GIÁO  DỤC VÀ ĐÀO TẠO   BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT  QUÂN SỰ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PHI TUYẾN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUADROR LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018       BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO   BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PHI TUYẾN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUADROR Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐÀO HOA VIỆT TS HOÀNG QUANG CHÍNH HÀ NỘI - 2018       LỜI CAM ĐOAN Tơi Hồng Văn Huy cam đoan luận án là cơng trình nghiên cứu của bản  thân tơi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Đào Hoa Việt và TS Hồng Quang  Chính. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được  cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.     Nghiên cứu sinh         Hoàng Văn Huy     LỜI CẢM ƠN Trước  hết  tơi  xin  bày  tỏ  lòng  kính  trọng  và  biết  ơn  sâu  sắc  nhất  tới:  PGS. TS Đào Hoa Việt và TS Hồng Quang Chính là hai người thầy đã trực  tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập,  nghiên cứu và thực hiện luận án.  Tơi gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cơ giáo của Bộ mơn  Cơ điện tử và Robot đặc biệt, Khoa Hàng khơng Vũ trụ, Học viện Kỹ thuật  Qn sự đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi có  thể hồn thành luận án này.  Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, các anh chị em đồng nghiệp  của  phòng  Đào  tạo  Trường  Cao  đẳng  Công  nghiệp  Thực  phẩm  đã  cử  tôi  đi  học và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt q trình học tập và thực hiện  luận án.   Cuối cùng, tơi vơ cùng cảm ơn bố mẹ, vợ con, người thân và bạn bè,  những người đã ln bên tơi chia sẻ, động viên và giúp đỡ tơi trong cuộc sống  và học tập để hồn thành luận án này.    Hà Nội, ngày   tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh         Hoàng Văn Huy                 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU   3 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR VÀ  HỆ  TRUYỀN  ĐỘNG  ĐIỆN  CHỨA  NHIỀU  ĐỘNG  CƠ CÓ  LIÊN  HỆ  RÀNG BUỘC VỚI NHAU   8 1.1.  Tổng  quan  về  hệ  truyền  động  điện  chứa  nhiều  động  cơ  có  liên  hệ  ràng  buộc với nhau   8 1.1.1. Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng  buộc song song theo tác động nhiễu   10 1.1.2.  Sơ  đồ  chức  năng  của  các  hệ  thống    truyền  động  điện  có  liên  hệ  ràng buộc theo nhiễu cơ bản   11 1.1.3.  Sơ  đồ  chức  năng  của  các  hệ  thống    truyền  động  điện  có  liên  hệ  ràng buộc với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển  . 11 1.2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor   12 1.2.1. Một vài vấn đề về đặc điểm điều khiển chuyển động quadrotor   12 1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quadrotor   15 1.2.3. Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển quadrotor  . 17 1.3. Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor   19 1.3.1. Phương pháp điều khiển PID  . 20 1.3.2. Điều khiển tối ưu toàn phương/Gausian - LQR/G  . 21 1.3.3. Điều khiển chế độ trượt (SMC)   22 1.3.4. Điều khiển Backstepping  . 22 1.3.5. Thuật tốn điều khiển thích nghi   23 1.3.6. Thuật tốn điều khiển bền vững   24 1.3.7. Thuật toán điều khiển tối ưu   24 1.3.8. Tuyến tính hóa phản hồi  . 25 1.3.9. Điều khiển thơng minh (logic mờ và mạng nơron nhân tạo)  . 26 1.4. Tổng quan các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước   27     1.4.1. Các cơng trình nghiên cứu trong nước   27 1.4.2. Các cơng trình nghiên cứu của nước ngồi   28 1.5. Đặt bài tốn nghiên cứu   34 1.6. Kết luận chương 1   35 Chương 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU  TRÚC TỔNG QT CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN  ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH   37 2.1. Mơ hình động lực học quadrotor  . 37 2.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mơ hình động lực học quadrotor  . 37 2.1.2. Xây dựng mơ hình động lực học quadrotor   38 2.2. Mơ hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt  . 44 2.2.1. Mơ hình phần cơ   44 2.2.2. Mơ hình tốn hệ truyền động điện động cơ đồng bộ nam châm vĩnh  cửu (PMSM)   47 2.3. Mơ hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor   49 2.4. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động học động  cơ chấp hành   53 2.5. Đánh giá và nhận xét:   56 2.6. Kết luận chương 2   57 Chương 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM  CHÂM VĨNH CỬU QUAY CÁNH QUẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT  THÍCH  NGHI  ỨNG  DỤNG  TRONG  HỆ  THỐNG ĐIỀU  KHIỂN  QUADROTOR  . 59 3.1.  Xây  dựng thuật tốn tổng hợp điều khiển backstepping trượt  thích  nghi  cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM.   59 3.2. Mơ phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu  theo phương pháp trượt thích nghi   70 3.3. Kết luận chương 3   76 Chương 4: TỔNG HỢP  CÁC  BỘ  ĐIỀU  KHIỂN  GÓC,  ĐIỀU  KHIỂN  TỐC      ĐỘ DÀI  VÀ VỊ TRÍ CỦA QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN ĐỘNG HỌC CỦA  ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH  . 77 4.1. Tổng hợp bộ điều khiển và ổn định trạng thái các góc Euler bằng phương  pháp tuyến tính hóa phản hồi   77 4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ dài C2 của quadrotor  . 90 4.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí C3  . 94 4.4. Tính tốn tham số các bộ điều khiển khiển quadrotor khi kể đến động lực  học động cơ chấp hành   Error! Bookmark not defined 4.4.1. Bảng thơng số của quadrotor sử dụng trong tính tốn các tham số  bộ điều khiển và nghiên cứu mơ phỏng   Error! Bookmark not defined 4.4.2. Tính tốn các thơng số bộ điều khiển ổn định các góc Euler C1Error! Bookm 4.4.3. Tính tốn các thơng số bộ điều khiển tốc độ dài C2   99 4.4.4. Tính tốn các thơng số bộ điều khiển vị trí   99 4.5. Mơ phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ điện đồng  bộ nam châm vĩnh cửu   104 4.6. Khảo sát đánh giá trên mơ hình thực nghiệm với động cơ điện đồng bộ  nam châm vĩnh cửu   131 4.6.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm   131 4.6.2. Các kết quả thực nghiệm   144 4.7. Kết luận chương 4   147 KẾT LUẬN CHUNG   149 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ   152 TÀI LIỆU THAM KHẢO   153 Phụ lục 1: Các sơ đồ chức năng và mơ phỏng hệ điều khiển quadrotor   163 Phụ lục 2: Tham số của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu   168 Phụ lục 3: Chương trình lập trình code trên S_funtion   170 Phụ lục 4: Chương trình lập trình 3D S_funtion   172       DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU Chữ viết tắt Ý nghĩa ADC  Analog to Digital Converter: Bộ biến đổi tương tự số  BĐK  Bộ điều khiển  ĐTĐK  Đối tượng điều khiển  DOF  Degree Of Freedom: Bậc tự do  DC  Direct Current: Dòng điện một chiều  DSP  Digital Signal Processor: Bộ xử lý tín hiệu số  CLF  Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)  FBL  Feedback Linearization: Tuyến tính hóa phản hồi  FLC  Fuzzy Logic Controller: Bộ điều khiển Logic mờ  GPS  Global Positioning System: Hệ thống định vị tồn cầu  IR  InfraRed: Hồng ngoại  IMU  Inertial Measurement Unit: Đơn vị đo lường qn tính  LQR/G Linear  Quadratic  Regulator/Gausian:  Điều  khiển  tối  ưu  tồn  phương/Gausian LQE  Linear Quadratic Estimator: Ước lượng tuyến tính tồn phương   MCU  Micro Controller Unit: Bộ vi điều khiển  MIMO  Multi - Input Multi - Out put: Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra  PD  Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân  PID  Bộ điều khiển tỷ lệ,tích phân và vi phân  PMSM  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor:  Động  cơ  đồng  bộ  nam  châm vĩnh cửu  ROM  Read Only Memory: Bộ nhớ đọc  RC  Remote Controller: Điều khiển từ xa  RF  Radio Frequency: Tần số vô tuyến  SONAR  SOund Navigation And Ranging  SMC Sliding Mode Control: Điều khiển chế độ trượt    SDRE    State  –  Dependent  Riccati  Equation:  Phương  trình  trạng  thái  phụ  thuộc Riccati   VSC  Variable Structure Control: Bộ điều khiển có cấu trúc biến đổi  HTTĐĐ  Hệ thống truyền động điện  Ký hiệu Ý nghĩa i   Tốc độ của các cánh quạt  [rad s 1 ]   Fi   Các lực được tạo ra từ các cánh quạt của quadrotor  [N ]   F1 Lực đẩy của cánh quạt trước của quadrotor  [N ]   F2 Lực đẩy của cánh quạt phải của quadrotor  [N ]   F3 Lực đẩy của cánh quạt sau của quadrotor  [N ]   F4 Lực đẩy của cánh quạt trái của quadrotor  [N ]   Fn Tổng lực cản của các loại nhiễu  [N ]   Mi   Mơ men tạo ra từ các cánh quạt  [ N m]   M Tổng mơ men của các góc roll, pitch, yaw [N m]  M   Mơ men của góc roll  [ N m]   M   Mơ men của góc pitch  [ N m]   M   Mơ men của góc yaw  [ N m]   R   Ma trận quay (roll-pitch-yaw)  Me   Mô men động cơ  [ N m]   Mc   Mô men cản của phụ tải  [ N m]   Mo   Mô men ma sát  [ N m]   M PM   Mô men của cánh quạt trên trục động cơ  [ N m]   MP   Mô men của cánh quạt  [ N m]   M MP   Mô men của động cơ trên trục cánh quạt  [ N m]   Mn Mô men cản của nhiễu  [ N m]   r Bán kính của cánh quạt [m]      b Hệ số lực đẩy [N.s2/rad2]  d Hệ số lực cản [N.s2/rad2]  B Hệ số ma sát nhớt  g Gia tốc trọng trường [m s-2]  l Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm của động cơ [m]   U1   Lực đẩy thẳng tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor  [N ]   U2   Mơ men góc roll tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor   U3   Mơ men góc pitch tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor   U4   Mơ men góc yaw tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor   X  Vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục  xE  trong  hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m]   X   Tốc  độ  chuyển  động  của  khối  tâm  quadrotor  dọc  theo  trục  xE   trong hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m s 1 ]   X   Gia  tốc  chuyển  động  của  khối  tâm  quadrotor  dọc  theo  trục  xE   trong hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m s 2 ]   Y  Vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục  y E  trong  hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m]   Y   Tốc  độ  chuyển  động  của  khối  tâm  quadrotor  dọc  theo  trục  y E   trong hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m s 1 ]   Y   Gia  tốc  chuyển  động  của  khối  tâm  quadrotor  dọc  theo  trục  y E   trong hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m s 2 ]   Z  Vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục  z E  trong  hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m]   Z   Tốc  độ  chuyển  động  của  khối  tâm  quadrotor  dọc  theo  trục  z E   trong hệ tọa độ E gắn với trái đất  [m s 1 ]   168    Phụ lục 2: Tham số động điện đồng nam châm vĩnh cửu %%%%%%%%%%%%%% PMSM Parameters given by Prof TH Kim %%%%%%%%%%%%%%%% pm = 1; % Number of poles R = 12.4; % Resistance of motor [Ohm] Ls = 31.9e-3; % stator phase Inductance of motor [H] Lq = 37.4e-3; % d-axis and q-axis Inductance of motor [H] Ld = 14.5e-3; % d-axis and q-axis Inductance of motor [H] J_PMSM = 2.18e-4; % Inertia of PMSM [kg.m2] J_Brake = 3.17e-4; % Inertia of Brake [kg.m2] JTP = J_PMSM + J_Brake; % Equivalent inertia of PMSM and brake [kg.m2], This is for load %J = J_PMSM ; % Inertia of PMSM [kg.m2], This is for no load B_motor = 0.0001; % Viscous Friction Coefficient B_Brake = 0.00; % B_Brake = J_Brake/time constant = 2.7e-4/0.06 = 0.0045 B = B_motor + B_Brake; % Equivalent Viscous Friction Coefficient lamd = 0.193; % Magnetic Flux (Electrical) [Vsec/rad] kpt = 0.001; Vdc = 310; % DC-Link Voltage (V) fz = 5e3; % PWM Frequency (Hz) Tz = 1/fz; % PWM Period (Seconds) Vmax = 2/3*Vdc; Vmin = -Vmax; %kt = (3*P*Lambdam)/4; % Torque constant (Te = kt*iq) RPM = 1000;%1500; % Speed Reference RPM, Rated speed = 1850 RPM Tstop = 1.01; % Simulation stop time Tload = 0.5 ; % Load torque [N.m], Rated torque = 3.874 [N.m] kk1=3*P*P/2/J/4*lamd; kk2=B/J; k3=P/2/J; k4=r/Lq; k5=lamd/Ls; k6=1/Lq; k7 = r/Ld; k8 = 1/Ld; k9 = Lq/Ld; k10 = 1/k9; k11 = 3*P*P*(Ld-Lq)/8/J; k12 = 4/3/P/lamd; k13 = 2*k12*J/P; k14 = 2*k12*B/P; k15 = -(Lq-Ld)/lamd; k16 = (Ld-Lq)/Ld; %Controller k1 = 1250; k = 0.001; 169    k2 = 0.00002; kd = 50; ksd = 1e4; nuyd = 270; ald = 0.01; kq = 30; ksq = 1e2; nuyq = 130; alq = 0.01; gm1 = 0.067; gm2 = 0.01; gm3 = 0.01; gm1 = 0; gm2 = 0; gm3 = 0; kpt=0.0012 K1=3*P*P/2/J/4*lamd; k2=B/J; M0=0.001 k11 = 3*P*P*(Ld-Lq)/8/J; %z0=1; l2=200;l1=(k2+l2)*(k2+l2)/4/k3/z0/z0; L1=-10e3;%-9.5 cho toc cao, -10 cho toc thap L2 = 51e2; epsa=0.01; epsb=epsa; epsw=epsa;eps0=0.01;                             170    Phụ lục 3: Chương trình lập trình code S_funtion   function [sys,x0,str,ts] = svab_Huy(t,x,u,flag)      switch flag case 0, [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes; case 3, sys = mdlOutputs(t,x,u); case {1,2,4,9} sys = []; otherwise error(['unhandled flag = ',num2str(flag)]); end function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates sizes.NumDiscStates sizes.NumOutputs = 0; = 0; % Khong co bien trang thai gian doan = 4; % sizes.NumInputs = 2;% vsq,vsd sizes.DirFeedthrough = 1;% sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = [];% Khoi tao bien trang thai str = []; ts = [-1 0]; function sys = mdlOutputs(t,x,u) Vdc = 310; va = 2*Vdc/3; vb = va; ts = 1/5e3; a = abs(u(1))+abs(u(2))/sqrt(3); b = abs(u(1))-abs(u(2))/sqrt(3); c = 2*abs(u(2))/sqrt(3); % for case us_alpha