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 tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG VĂN HUY 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đào Hoa Việt TS Hoàng Quang Chính Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số /QĐ-HV, ngày tháng năm 2018 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi 00 ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Hồng Văn Huy, Hồng Quang Chính (2012), Tổng hợp điều khiển tốc độ trượt bền vững cho động đồng nam châm vĩnh cửu; Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ điện tử tồn quốc lần thứ 6, VCM tháng 12 năm 2012, trang 265-271 Hồng Quang Chính, Đào Hoa Việt, Hồng Văn Huy, Phạm Ngọc Sâm (2016), Mô hệ điều khiển độ cao quadrotor dùng động chiều không tiếp xúc, Số 43 trang 65-73, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Viện Khoa học Công nghệ quân Tran Duc Chuyen, Nguyen Thanh Tien, Hoang Van Huy, Dao Hoa Viet (2015), Designing A Synthesizing Adaptive Backstepping Sliding Mode Controller for Drive Systems Tracking Electric Mechanisms Using Synchronous Ac Motors, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, page: 64-72 Volume 5, Issue 3, March 2015 Hoang Van Huy, Hoang Quang Chinh, Dao Hoa Viet (2017), Synthesis of the Quadrotor Control Loop Using Feedback Linearization and Optimum Modulus Methods, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – Học viện Kỹ thuật Quân sự, Số 186 (10-2017) trang 87-99 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu: Hệ truyền động điện cấu chấp hành điều khiển cánh quạt quadrotor hệ thống truyền động nhiều động làm việc có liên hệ ràng buộc với nhau, trình điều khiển quadrotor, việc nghiên cứu đưa thuật toán điều khiển có liên hệ ràng buộc hệ truyền động cánh quạt quadrotor nhằm nâng cao chất lượng điều khiển vấn đề khoa học tính thực tiễn cao Với tính cấp thiết vậy, hướng nghiên cứu luận án lựa chọn “Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động có liên hệ ràng buộc ứng dụng điều khiển quadrotor” Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học quadrotor kể đến động lực học hệ truyền động cánh quạt; nghiên cứu lý thuyết hệ điều khiển trượt, thích nghi ứng dụng điều khiển động chấp hành hệ truyền động cánh quạt quadrotor; tổng hợp điều khiển với cách tiếp cận phương pháp tuyến tính hóa phản hồi tối ưu đối xứng cho mơ hình động lực học quadrotor Đối tượng nghiên cứu robot bay quadrotor với hệ truyền động cánh quạt sử dụng động điện đồng nam châm vĩnh cửu Xây dựng mơ hình động lực học quadrotor có tính đến hệ truyền động điện động cánh quạt Phân tích đánh giá yếu tố có liên hệ ràng buộc tác động đầu vào/ra hệ thống; nghiên cứu tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động cánh quạt quadrotor trường hợp sử dụng động điện PMSM; nghiên cứu, ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi phương pháp tối ưu đối xứng việc tổng hợp vòng điều khiển quadrotor; tiến hành mô hệ điều khiển quadrotor với mơ hình tính đến động chấp hành động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển trượt, thích nghi, thuật tốn điều khiển tuyến tính hóa phản hồi tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ điều khiển quadrotor Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink làm công cụ cho nghiên cứu mô xây dựng mơ hình thực nghiệm điều khiển động chấp 31 hành động điện PMSM Những đóng góp luận án: Xây mơ hình đầy đủ hệ thống điều khiển quadrotor kể đến động chấp hành có liên hệ kênh thơng qua tín hiệu điều khiển, để từ xây dựng cấu trúc hệ điều khiển quy luật điều khiển kể đến hệ truyền động động quay cánh quạt Trên sở phân chia chuyển động, luận án xây dựng phương pháp để thiết kế hệ thống phức tạp chứa nhiều kênh nhiều mối liên hệ ràng buộc, trình tự thiết kế điều khiển thành phần toán thiết kế tổng hợp hệ thống Tổng hợp điều khiển trượt, thích nghi cho hệ truyền động cánh quạt sử dụng động PMSM, có khả làm việc bền vững ổn định cao có thay đổi thơng số quadrotor phụ tải Tính đắn thuật tốn nêu kiểm chứng mơ thực nghiệm Tổng hợp điều khiển quadrotor theo phương pháp tuyến tính hóa phản hồi, trượt thích nghi tối ưu đối xứng kể đến động học động chấp hành quay cánh quạt có mơ hình phi tuyến (động điện PMSM) Cấu trúc luận án: Luận án gồm: Phần mở đầu, bốn chương kết luận, trình bày 151 trang thuyết minh, 113 hình vẽ, đồ thị phần phụ lục: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển quadrotor hệ truyền động điện chứa nhiều động có liên hệ ràng buộc với Chương 2: Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển cấu trúc tổng quát hệ điều khiển quadrotor kể đến động lực học động chấp hành Chương 3: Tổng hợp điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu quay cánh quạt phương pháp trượt thích nghi ứng dụng hệ thống điều khiển quadrotor Chương 4: Tổng hợp hệ điều khiển góc điều khiển vị trí quadrotor kể đến động học động chấp hành hình phi tuyến Kết thực tóm tắt sau: Những nghiên cứu thực luận án Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện cho cấu chấp hành để quay cánh quạt quadrotor với mơ hình đầy đủ bao gồm động chấp hành mơ hình động lực học quadrotor Hệ thống kết hợp điều khiển thành phần thể thống Đây thực hệ thống nhiều kênh có cấu trúc phức tạp, chứa nhiều ràng buộc kênh mà người thiết kế cần phải kể đến trình thiết kế điều khiển cho kênh tổng thể hệ thống, với mục tiêu cuối bảo đảm cho quadrotor điều khiển theo quỹ đạo cho trước Do tính phức tạp hệ thống điều khiển lên việc kiểm chứng phương pháp thiết kế thuật toán thực mô công cụ Matlab Simulink để chứng minh khả làm việc hệ thống với chương trình điều khiển khác Nghiên cứu phản ứng hệ thống điều khiển trường hợp quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng ứng với thay đổi nhiễu, trường hợp đặc trưng quadrotor Nghiên cứu phản ứng hệ thống điều khiển trường hợp quadrotor điều khiển theo chương trình có giai đoạn hạ cánh Nghiên cứu phản ứng hệ thống điều khiển trường hợp quadrotor di chuyển từ vị trí đến vị trí khác cho trước với Một số kiến nghị tồn hướng phát triển luận án Trên sở điều khiển tổng hợp được, tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng điều khiển thực tế Luận án tài liệu tham khảo cho đồng nghiệp để sử dụng giảng dạy, đào tạo đại học sau đại học chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự đơng hóa, điện tử 30 Trường hợp 2: Nghiên cứu q trình ổn định tốc độ, có tác động Mc thay đổi Kết thực nghiệm thực lượng vào tốc độ không đổi với tốc độ đặt 2500 vòng/phút Ta tiến hành thay đổi phụ tải đặt vào động thời điểm t = 0,33s t = 0,73s, ta có kết sau: Chương TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC VỚI NHAU a) b) Hình 4.69 a) Tốc độ đặt d tốc độ thực động  b) dòng điện isd dòng điện isq Trường hợp 3: Nghiên cứu trình ổn định tốc độ hãm động Ta tiến hành thay đổi tốc độ từ 2800 vòng/phút xuống tốc độ 1500 vòng/phút, ta có kết sau: 1.1 Tổng quan hệ truyền động điện chứa nhiều động có liên hệ ràng buộc với 1.2 Sơ đồ khối chức hệ thống điều khiển quadrotor Quadrotor mơ hình với bốn động gắn cấu trúc hình chữ thập, cánh quạt nối với động thông qua hộp số Cánh quạt “trước” cánh quạt “sau” quay ngược chiều kim đồng hồ, cánh quạt bên “phải” bên “trái” quay chiều kim đồng hồ Sơ đồ khối đối tượng điều khiển hình 1.10 Khối liên kết chéo đầu vào Bộ điều khiển Động PMSM …… …… Bộ truyền khí …… …… …… …… …… …… …… X  Khối liên kết chéo đầu Y Quadrotor  Z Hình 1.10 Sơ đồ khối đối tượng điều khiển a) b) Hình 4.70 a) Tốc độ đặt d tốc độ thực động  b) dòng điện isd dòng điện isq Nhận xét: Quan sát kết thực nghiệm trường hợp ta khẳng định thuật toán tổng hợp điều khiển trượt thích nghi tổng hợp chương hoàn toàn đắn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt hệ thống điều khiển quadrotor 4.7 Kết luận chương KẾT LUẬN CHUNG Trong luận án tập trung giải thành cơng tốn tổng hợp hệ điều khiển quadrotor sử dụng động chấp hành có mơ Trong đó: M ei [N.m] mơ men động thứ i; ri [rad.s-1] tốc độ góc động thứ i; ωdi [rad.s-1] tốc độ góc đặt động thứ i; 1d ,  d , 3d ,  d bốn tốc độ đặt cánh quạt U1d ,U d ,U 3d ,U d bốn tín hiệu điều khiển đặt; i [rad.s-1] tốc độ cánh quạt thứ i; X, Y, Z vị trí chuyển động khối tâm quadrotor dọc theo trục xE, yE, zE;  , , góc Euler (roll, pitch, yaw); U1  b(12  22  32  24 ) ; U  lb( 22   42 ) ; U  lb(12  32 ) ; U  lb(12  32 ) ; U  d (12   22  32   42 ) tín hiệu để điều khiển thay đổi độ cao, thay đổi góc roll, góc pitch đổi góc yaw 1.3 Đánh giá chung phương pháp điều khiển quadrotor  29 1.4 Tổng quan cơng trình nghiên cứu ngồi nước 1.5 Đặt tốn nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mơ hình đối tượng điều khiển cấu trúc tổng quát hệ điều khiển quadrotor kể đến động lực học động chấp hành; phân tích vận dụng nguyên lý phân chia chuyển động để tiến hành phân chia hệ thống điều khiển quadrotor thành hệ thống điều khiển với vòng điều khiển lệ thuộc; thực tổng hợp điều khiển phương pháp tuyến tính hóa phản hồi, trượt thích nghi tối ưu đối xứng Mô hệ điều khiển quadrotor kể đến động chấp hành tiến hành xây dựng mơ hình thực nghiệm 1.6 Kết luận chương Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH 2.1 Mơ hình động lực học quadrotor Sử dụng phương pháp Newton - Euler cho mơ hình thực biến đổi ta nhận phương trình động lực học chuyển động tịnh tiến quadrotor sau:  X  (cos cosψsinθ  sin sinψ)U1 / m  K x X  Fn1 / m   (2.16) Y  (cos sinψsinθ  cosψsin )U1 / m  K yY  Fn / m     Z  cos  cos  U1 / m  g  K z Z  Fn / m Phương trình động lực học chuyển động quay quadrotor sau:   (IYY  I ZZ ) / I XX  J P  / I XX  U / I XX  M n1 / I XX       (I ZZ  I XX ) / IYY  J P   / IYY  lbU / IYY  M n / IYY (2.17)         (I XX  IYY ) / I ZZ  dU / I ZZ  M n / I ZZ Trong đó: I XX , IYY , I ZZ mơ men qn tính quadrotor quanh trục X, Y, Z; K x  k1 / m ; K y  k2 / m ; K y  k3 / m số; k1 , k , k3 hệ số lực cản; F1n , F2 n , F3n lực cản loại Hình 4.62 Hình ảnh mơ hình thực nghiệm điều khiển kênh truyền động cho cánh quadrotor 4.6.2 Các kết thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động điện đồng nam châm vĩnh cửu tổng hợp theo phương pháp trượt thích nghi để điều khiển kênh truyền động cho cánh quạt quadrotor, kết thực nghiệm với trường hợp sau: Trường hợp 1: Nghiên cứu trình khởi động, tăng tốc điều khiển động đến tốc độ cho trước Ta tiến hành thay đổi tốc độ từ đến 209 rad/s (1000 vòng/phút) đến 418 rad/s (2000 vòng/phút) Ta có kết sau: a) b) Hình 4.68 a) Tốc độ đặt d tốc độ thực động  b) dòng điện isd dòng điện isq 28 nhiễu; M 1n , M n , M 3n thành phần mơ men cản nhiễu Phương trình trạng thái mơ tả động lực học quadrotor: Hình 4.51 Sai số vị trí theo trục X, Y Z Kết luận chung: Qua mô cho thấy điều khiển động truyền động quạt hệ thống điều khiển quadrotor hoạt động tốt, hạn chế ảnh hưởng ràng buộc kênh điều khiển quadrotor; hạn chế ảnh hưởng nhiễu loạn quadrotor hoạt động, hệ thống làm việc tốt, đáp ứng yêu cầu điều khiển quadrotor, điều thể tính đắn thuật tốn đề 4.6 Khảo sát đánh giá mơ hình thực nghiệm với động điện đồng nam châm vĩnh cửu 4.6.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm điều khiển kênh truyền động cho cánh quạt quadrotor biểu diễn hình 4.62 U1 Fn1   x1  (sinx 6sinx  cosx 6sinx5cosx ) m  K x x1  m   x  (cosx sinx sinx  sinx cosx ) U1  K x  Fn2 6 y  m m  F U  x  g  (cosx cosx )  K x  n3 z  m m  x  x   x5  x8   x6  x9 X  f ( X ,U )   (I  I ) J P x8Ω U2 Mn1    x7  x9 x8 YY ZZ  IXX IXX IXX IXX   U M (I  I ) J x Ω  x8  x9 x7 ZZ XX  P   - n I I I IYY  YY YY YY   x9  x7 x8 (IXX  IYY )  U4  Mn3  IZZ IZZ IZZ   x10  x1  x11  x2   x12  x3 2.2 Mô hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt Phương trình trạng thái mơ tả động lực học động PMSM có dạng sau:  x13   x14   X  f ( X , u )     x15    x16   x14  M 3 pm r x15  pm ( Ld  Lq ) x15 x16  c J TP J TP J TP  Lq u R x15  pm x14 x16  d Ld Ld Ld  uq L R  x16  d pm x14 x15  r pm x14  Ld Lq Ld Lq 2.3 Mơ hình đối tượng điều khiển hệ điều khiển quadrotor Mơ hình đối tượng điều khiển hệ điều khiển quadrotor hình (2.39) 27  x1  (sinx6 sinx4  cosx6 sinx5 cosx4 )U / m  K x x1  Fn1 / m   x2  (cosx4 sinx5 sinx6  sinx4 cosx6 )U / m  K y x2  Fn / m  x3   g  (cosx4 cosx5 )U / m  K z x3  Fn3 / m   x4  x7  x  x   x6  x9   x7   ( IYY  I ZZ ) / I XX  x9 x8  ( J TP / I XX ) x8   U / I XX  M n1 / I XX   x8   I ZZ  I XX ) / IYY  x9 x7  ( J TP / IYY ) x7   U / IYY  M n / IYY  x   ( I  I ) / I  x x  U / I  M / I XX YY ZZ ZZ n3 ZZ   x10  x1   x11  x2  x12  x3   x13  ( R1 / Ld )x13  ( Lq1 / Ld )pm1 x14 x15  (1 / Ld )ud   x14  ( R1 / Ld ) x14  ( Ld / Lq1 ) x13 x15  (r1 / Ld ) x15  (1 / Lq1 )uq1   x15  (3 / J TP1 )pm1r1 x14  (3 / J TP1 )pm1 ( Ld  Lq1 ) x13 X 14  M 01  k1 x15  k pt1 x15  x16  ( R2 / Ld ) x16  ( Lq / Ld ) pm x17 x18  (1 / Ld )ud   x17  ( R2 / Ld ) x17  ( Ld / Lq ) x16 x18  (r / Ld ) x18  (1 / Lq ) uq   x18  (3 / J TP ) pm r x17  (3 / J TP ) pm ( Ld  Lq ) x16 x17  M 02  k2 x18  k pt x18   x19  ( R3 / Ld ) x19  ( Lq / Ld ) pm3 x20 x21  (1 / Ld )ud  x  ( R / L ) x  ( L / L ) x x  ( / L ) x  (1 / L )u d3 20 d3 q3 19 21 r3 d3 21 q3 q3  20  x21  (3 / J TP ) pm3r x20  (3 / J TP ) pm ( Ld  Lq ) x19 x20  M 03  k3 x21  k pt x21   x22  ( R4 / Ld ) x22  ( Lq / Ld ) pm x23 x24  (1 / Ld )ud   x23  ( R4 / Ld ) x23  ( Ld / Lq ) x22 x24  (r / Ld ) x24  (1 / Lq )uq  x  (3 / J ) p  x  (3 / J ) p ( L  L ) x x  M  k x  k x TP m r 23 TP m4 d4 q4 22 23 04 24 pt 24  24 Hình 4.47 Các góc Euler Hình 4.50 Tốc độ chuyển động thẳng quadrotor theo trục tọa độ X, Y, Z Hình 4.48 Tốc độ động ∆n = n1-n3 ∆n = n2 – n4 (2.39) * Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển quadrotor Từ phương trình (2.16) (2.17) Sơ đồ khối mô tả mối liên hệ ràng buộc mơ hình động lực học quadrotor kể đến hệ truyền động chấp hành cánh quạt biểu diễn hình 2.6 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.49 Sự thay đổi tốc độ động 26 Hệ truyền động điện động cánh quạt Hình 4.45 Sai số vị trí theo trục X, Y Z Tình hướng 3: Các hệ số mô men phụ tải động đặt giá trị sau: k = 0,0025; kpt = 0,002; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1; 0.05] Nm; hệ số lực cản khơng khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,07 Tham số động PMSM điều chỉnh thay đổi sau: Mơ men qn tính quy đổi trục động thay đổi đến giá trị 1,5JTP = 5,35.10-4 [kg.m2]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5 Ld =14,50.10-3 [H]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5Lq = 37,36.10-3 [H]; điện trở Stato thay đổi đến giá trị 1,2R = 14,8 [Ω] Các kết mơ thu sau: Hình 2.6 Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc mô hình động học quadrotor kể đến hệ truyền động động chấp hành cánh quạt 2.4 Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor kể đến động học động chấp hành Sử dụng phương pháp phân chia chuyển động [79] để phân chia mơ hình động lực học quadrotor thành hệ sau: - Hệ thứ nhất: Hệ TĐĐ động cánh quạt, đầu vào tốc độ đặt, xác định từ quy luật chuyển động quadrotor - Hệ thứ hai (S1): mô tả động lực học trạng thái góc Euler J  ( I YY  I ZZ ) J  J  J  U  x9 x8  P x8  P x8  P x8  P x8   x7  I XX I XX I XX I XX I XX I XX   ( I ZZ  I XX ) J  J  J  J  U x9 x7  P x7  P x7  P x7  P x7   x8  IYY I YY I YY I YY I YY I YY   x9  ( I XX  I YY ) x7 x8 / I ZZ  U / I ZZ   (2.40) - Hệ thứ (S2): mô tả động lực học điều khiển chuyển động tịnh tiến quadrotor  x1  (sin x6 sin x4  cos x6 sin x5 cos x4 )U / m  K x x1  (2.41)  x2  (cos x4 sin x5 sin x6  sin x4 cos x6 )U / m  K y x2   x3   g  (cos x4 cos x5 )U / m  K z x3 - Hệ thứ 4: hệ phương trình vi phân mơ tả hệ truyền động điện động cánh quạt quadrotor Hình 4.46 Vị trí chuyển động dài quadrotor 25  x13  x14   x14  pm r x15 / J TP  pm x15 x16 ( Ld  Lq ) / J TP  M c / J TP (2.42)   x15   Rx15 / Ld  Lq pm x14 x16 / Ld  ud / Ld  x   Rx / L  L p x x / L   p x / L  u / L 16 d d m 14 15 q r m 14 d q q  16 Cấu trúc phân chia chuyển động biểu diễn hình 2.7  Xd     Yd  Z   d C  X d     Yd   Z   d C  d     d     d C U 2d     U 3d  U   4d   1 d      2d     3d     4d   1     2     3    4 S U 1d             U    U3    U   dt           S  X     Y   Z     dt X    Y  Z   U1 Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor 2.6 Đánh giá nhận xét 2.7 Kết luận chương Đã trình bày việc xây dựng mơ hình động lực học quadrotor tính đến động lực học hệ truyền động điện động cánh quạt động PMSM Phân tích đưa đánh giá, nhận xét mô hình động lực học quadrotor có tính đến động lực học hệ truyền động động cánh quạt phức tạp, cần phải áp dụng nhiều phương pháp tổng hợp đại khác để tổng hợp điều khiển như: tuyến tính hóa phản hồi, trượt, thích nghi tối ưu đối xứng Chương 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 3.1 Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động PMSM Phương trình tốn học động chấp hành PMSM viết dạng không gian trạng thái với bất định tham số viết phương trình (3.7) x  ( f đm ( x )  f ( x))  (h1đm  h1 )ud  (h2 đm  h2 )uq Hình 4.42 Tốc độ động ∆n = n1-n3 ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.43 Sự thay đổi tốc độ động 24 Tình hướng 2: Các hệ số mô men phụ tải động đặt giá trị sau: k = 0,002; kpt = 0,0018; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1; 0.05] Nm; hệ số lực cản khơng khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,06 Các kết mô thu sau: Ở :   Rdmiddm / Lddm  Lqdm pmr iqdm / Lddm    f1dm ( x)       Rdmiqdm / Lqdm  Lddm pmr iddm / Lqdm  rdm pmr / Lqdm  f dm ( x )   f dm ( x )      f ( x)   pm / JTPdm [iqdm rdm  (Lddm  Lqdm )iddm iqdm ]    3dm     (k ptdmr  kdmr  M ) / J TPdm   f1 ( x)  1 / Lddm       ,  , h1dm    h2 dm  1 / Lqdm  f ( x )   f ( x)  ,      f ( x)          1       h1    , h2     0  0      Trong biểu thức trên, giá trị f , h, R, i có thêm số (dm) thành phần danh định biết,  thành phần kể đến sai lệch gây bất định tham số thành phần nhiễu khác, 1 ,  thành phần chưa biết Phương trình (3.7) viết lại sau: (3.11) x  f dm ( x)  h1dm ud  h2 dm uq  G Xd X Yd Y Zd Z Giả thiết G tốc độ cánh quạt r số khơng rõ ràng ước tính xấp xỉ thuật thích nghi Sai số tốc độ dòng điện xác định sau : Hình 4.40 Vị trí chuyển động dài quadrotor e1  d  r ; e2  idd  id (3.14) Bước 1: Xác định luật điều khiển điện áp ud , uq theo phương pháp điều khiển trượt t - Phương trình sq : sq  k1e1  e1  k2  e1dt t - Phương trình Hình 4.41 Các góc Euler Hình 4.44 Tốc độ chuyển động thẳng quadrotor theo trục tọa độ X, Y, Z sd : sd  e2  ksd  e2 dt Ở k1 , k2 số Hàm Lyapunov lựa chọn sau: V  0.5s  0.5s ; Để V  luật điều khiển trượt thiết kế sau: d q ud  Lddm  idd  f1dm  k sd e2  k d sd  G1   d sign(sd )  (3.24) 10 23 uq  Lqdm  k1 d  k1 f 3dm  d  f 3dm N  N1 f1dm  N1ud / Lddm  N f dm  kq sq  k2 e1  N1G1  N 2G2  N3G3  k1G3 q sign(sq )  / N (3.25) Bước 2: Xác định luật thích nghi, cập nhật tham số thay đổi Hàm Lyapunov xây dựng sau: (3.27) V2  V1  0.5G12 /   0.5G 22 /   0.5G 32 /  Ở đây, G  G  Gˆ ; G  G  Gˆ ; G  G  Gˆ  ,  ,  1 2 3 (3.67) số thích nghi Lấy vi phân hàm Lyapunov theo thời gian thay V1 vào ta thu được: - Luật thích nghi tham số viết sau:    Gˆ1   ( sq N1  sd ) ; Gˆ   sq N ; Gˆ   (k1  N3 ) sq Hình 4.36 Tốc độ động - Luật điều khiển chế độ trượt thích nghi ud uq có dạng sau:  ud  Lddm idd  f1dm  Gˆ1  ksd e2  kd sd  d sd / ( sd   d )  (3.79) uq  Lqdm / N  k1 d  k1 f 3dm  d  N1 (f1dm  ud / Lddm )  N f dm  N f 3dm  N1Gˆ1  N 2Gˆ  N 3Gˆ  k1Gˆ  k e1  kq sq  q sq ( sq  q )  Hình 4.37 Sự thay đổi tốc độ động Hệ thống điều khiển tốc độ biểu diễn hình 3.1 Tính tốn bù phụ tải iq iq - iq Động PMSM - r id id Măt trượt id r Luật thích nghi Hình 3.1 Hệ thống tính tốn điều khiển trượt thích nghi Hình 4.39 Sai số vị trí theo trục X, Y Z 22 11 3.2 Mô hệ điều khiển tốc độ động điện đồng nam châm vĩnh cửu theo phương pháp trượt thích nghi Bảng Các tham số mô động điện PMSM Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Tốc độ định mức 3000 V/p ndm Từ thông rotor Hằng số mô men Số đôi cực Điện trở Stato động Điện cảm dọc trục động Điện cảm ngang trục động Xd X Yd Y 1 K pm R Ld Lq 0,0825 Wb 0,776 12,4 9,7.10-3 N.m/A 30, 4.103  H H Mô men quán tính động Kg.m2 J PMSM 1,67.10 4 Hệ số ma sát nhớt B 0,0001 Nmsec Các tham số điều khiển chọn sau: k1  1250 , Zd Z Hình 4.34 Vị trí chuyển động dài quadrotor kd  50 , k sd  104 , d  270 , kq  30 , k sq  102 , q  130 ,   0.067 ,   0.01 ,   0.067 Hình 4.35 Các góc Euler Hình 4.38 Tốc độ chuyển động thẳng quadrotor theo trục X, Y, Z Hình 3.3 Mơ hình mơ điều khiển trượt thích nghi Thực mơ với trường hợp: Khởi động động với dạng tải đặc trưng cho động quay cánh quạt; nghiên cứu khả làm việc hệ thống truyền động điện tốc độ thay đổi; tải 12 21 thay đổi đột biến; tải có dạng mơ men quạt gió; nghiên cứu khả làm việc hệ thống truyền động điện biến đổi tham số động PMSM 3.3 Kết luận chương Tập trung nghiên cứu sở lý thuyết tổng hợp điều khiển trượt, thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động điện PMSM, tiến hành mô hệ điều khiển tốc độ động điện PMSM công cụ Matlab – Simulink Chương TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC, ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ DÀI VÀ VỊ TRÍ CỦA QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH ∆n = n2 – n4 ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.31 Sự thay đổi tốc độ động 4.1 Tổng hợp điều khiển ổn định trạng thái góc Euler C1 phương pháp tuyến tính hóa phản hồi Bước 1: Kiểm tra điều kiện khả tổng hợp điều khiển ổn định góc Euler phương pháp tuyến tính hóa phản hồi Bước 1: Xây dựng phép đổi biến để đưa hệ phi tuyến hệ tuyến tính Các biến đầu vào điều khiển U ,U ,U biến đổi thành biến điều khiển U 2* ,U 2* ,U 4* có dạng phương trình (4.7)  U*2  U  f 20 (x , x ,x )  f 21 (X8 ,Ω1 ,Ω ,Ω ,Ω )  *  U  U  f 30 (x ,x ,x )  f 31 (X ,Ω1 ,Ω ,Ω ,Ω )  *  U  U  f 40 (x ,x ,x ) (4.7) Hình 4.33 Sai số vị trí theo trục X, Y Z Thay biến vào phương trình (2.40) Thực biến đổi tuyến tính hóa hệ điều khiển góc quadrotor ta thu hệ phương trình tuyến tính Bước 3: Tổng hợp điều khiển góc  , θ, ψ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta thu hàm truyền điều khiển có dạng sau: (4.19) Wc  0,5K 22Wdo I XX  ( 0,125) K 23Wdo I XX / s Wc  0,5 K 32Wdo IYY  (0,125) K 33Wdo IYY / s Wc  0,5K 42Wdo I ZZ  (0,125) K 43Wdo I ZZ /s 4.2 Tổng hợp điều khiển tốc độ dài C2 quadrotor (4.20) (4.21) Trường hợp 4: Nghiên cứu phản ứng hệ thống thay đổi thông số quadrotor, động điện PMSM tác động nhiễu Khảo sát quadrotor với ba tình hướng ứng với ba thơng số nhiễu khác nhau: Vị trí chuyển động dài quadrotor theo phương X, Y Z đặt giá trị: Xd = [-15 -10 -10] [m]; Yd = [5 -10 15 15] [m]; Zd = [20 10 30 30] [m] Tình hướng 1: Các hệ số mô men phụ tải động đặt giá trị sau: (4.18) k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05Nm; hệ số lực cản khơng khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729 Các kết mô thu sau: 20 13 Bộ điều khiển tốc độ điều khiển tỷ lệ có dạng (4.24) (4.24) Uˆ  n ( x  x ); Uˆ  n ( x  x ); Uˆ  n ( x  x ) 1 1d 2 2d 3 3d 4.3 Tổng hợp điều khiển vị trí C3 Tổng hợp điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, ta có hàm truyền điều khiển theo tọa độ X, Y, Z sau: (4.32) WđkX  (4T1 X  T2 X ) / 8T12X K X  / 8T12X K X s  4T1 X T2 X / 8T12X K X s Hình 4.32 Tốc độ chyển động thẳng quadrotor theo trục X, Y, Z Hình 4.29 Các góc Euler WđkY  (4T1Y  T2Y ) / 8T1Y2 KY  / 8T1Y2 KY s  4T1Y T2Y / 8T1Y2 KY s (4.33) WđkZ  (4T1Z  T2 Z ) / 8T12Z K Z  / 8T12Z K Z s  4T1Z T2 Z / 8T12Z K Z s (4.34) Bộ điều khiển vị trí theo tọa độ X, Y, Z điều khiển PID 4.4 Tính tốn tham số điều khiển khiển quadrotor kể đến động lực học động chấp hành Để tính tốn tham số điều khiển quadrotor, luận án sử dụng công cụ tốn học mơ thực nghiệm để tính chọn tham số cho điều khiển 4.4.1 Bảng thơng số quadrotor sử dụng tính tốn tham số điều khiển nghiên cứu mô Bảng thông số quadrotor cho bảng Bảng 2: Các tham số mô quadrotor Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số lực nâng b 2,92.10-6 kg.m Hệ số lực kéo d 1,1 10-7 kg m2 Khối lượng Quadrotor m kg Mơmen qn tính trục x IXX 0,85.10-3 kg m2 Mơmen qn tính trục y IYY 0,85.10-3 kg m2 Mơmen qn tính trục z IZZ 1,81.10-3 kg m2 Gia tốc trọng trường g 9,81 m s-2 KC từ tâm Quadrotor đến tâm l 0,2 m động 4.4.2 Tính tốn thơng số điều khiển ổn định góc Euler C1 Hàm truyền điều khiển kênh góc  , , xác định sau: Wc  0,5(  60) 0,85.10 3  (  0,125)(  60)3 0,85.10 3 / s  0,15  2,3 / s Wc  0,5(  80)2 0,85.103  (  0,125)(  80)3 0,85.103 / s  0,28  5,5 / s Hình 4.30 Tốc độ động 14 19 Wc  0,5(  90) 1,81.10 3  (  0,125)(  90)3 1,81.10 3 / s  0,73  16, / s 4.4.3 Tính tốn thơng số điều khiển tốc độ dài C2 Bộ điều khiển tốc độ dài quadrotor có dạng (4.35): Uˆ1  1,5( x1d  x1 ) , Uˆ  0,5( x2 d  x2 ) , Uˆ  0,5( x3d  x3 ) (4.35) 4.4.4 Tính tốn thơng số điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí theo tọa độ X, Y, Z có dạng sau: WđkX  0,5  0,1 / s  0,35s ; WđkY  0,5  0,1 / s  0,35s WđkZ  0,5  0,1 / s  0,35s Đây điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID 4.5 Mơ hệ thống điều khiển quadrotor sử dụng động điện đồng nam châm vĩnh cửu Sơ đồ mô hệ thống điều khiển quadrotor sử dụng động PMSM công cụ Matlab - Smulink hình vẽ 4.13 Hình 4.27 Sai số vị trí theo trục X, Y Z Trường hợp 3: Khảo sát hệ thống điều khiển trường hợp điều khiển quadrotor theo chương trình có giai đoạn hạ cánh Các hệ số mô men phụ tải động đặt giá trị sau: k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05 Nm; hệ số lực cản khơng khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729 Vị trí chuyển động dài quadrotor theo phương X, Y Z đặt giá trị: Xd = [m]; Yd = 15 [m]; Zd = [30 0 ] [m] Các kết mô thu sau: Xd X Yd Y Hình 4.13 Mơ hình mơ hệ thống điều khiển quadrotor phương pháp tuyến tính hóa phản hồi sử dụng động PMSM Việc mô thực có thay đổi nhiễu loạn thay đổi thông số động điện PMSM theo kịch sau đây: Trường hợp 1: Khảo sát hệ thống điều khiển quadrotor trường Zd Z Hình 4.28 Vị trí chuyển động dài quadrotor 18 Hình 4.23 Các góc Euler 15 Hình 4.26 Tốc độ chuyển động thẳng quadrotor theo trục tọa độ X, Y, Z hợp quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng - Các hệ số mô men phụ tải động đặt giá trị sau: Thành phần tỷ lệ với tốc độ cánh quạt k = 0,001; thành phần tỷ lệ với bình phương tốc độ cánh quạt kpt = 0,0012; thành phần mô men cản M0 giữ không đổi 0,05 Nm; hệ số lực cản khơng khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729 - Vị trí chuyển động dài quadrotor theo phương X, Y Z đặt giá trị: Xd = [m]; Yd = [m]; độ cao Zd = 30 [m] Các kết mô thu sau: Xd X Yd Y Zd Z Hình 4.24 Tốc độ động ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Hình 4.25 Sự thay đổi tốc độ động Hình 4.16 Vị trí chuyển động dài quadrotor Hình 4.17 Các góc Euler Hình 4.20 Tốc độ chuyển động thẳng quadrotor theo trục tọa độ X, Y, Z 16 ∆n = n1-n3 17 ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.18 Tốc độ động ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) Hình 4.21 Sai số vị trí theo trục X, Y Z Trường hợp 2: Nghiên cứu khả làm việc điều khiển giúp cho quadrotor chuyển hướng theo phương X đạt vị trí mong muốn Các hệ số mơ men phụ tải động đặt giá trị sau: k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05 Nm ; hệ số lực cản khơng khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729 Trong trường hợp quadrotor thực cất cánh theo phương thẳng đứng (X = 0, Y = 0) tới độ cao Z = 25 [m] Các kết mô thu sau: ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Hình 4.19 Sự thay đổi tốc độ động Xd X Yd Y Zd Z Hình 4.22 Vị trí chuyển động dài quadrotor ... chọn Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động có liên hệ ràng buộc ứng dụng điều khiển quadrotor Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học quadrotor. .. nghiên cứu: Hệ truyền động điện cấu chấp hành điều khiển cánh quạt quadrotor hệ thống truyền động nhiều động làm việc có liên hệ ràng buộc với nhau, trình điều khiển quadrotor, việc nghiên cứu đưa... thống điều khiển quadrotor hệ truyền động điện chứa nhiều động có liên hệ ràng buộc với Chương 2: Xây dựng mơ hình đối tượng điều khiển cấu trúc tổng quát hệ điều khiển quadrotor kể đến động lực