(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp

(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐINH VĂN NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - NĂM 2018 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐINH VĂN NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN ROTOR MIMO TRONG KHƠNG GIAN BIẾN KHỚP Chuyên ngành: Kỹthuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Như Hiển GS.TS Nguyễn Doãn Phước THÁI NGUYÊN - NĂM 2018 iii 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 2018 Tác giả luận án Đinh Văn Nghiệp iv LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận án này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị, em, bạn tổ chức Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng 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 giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu hồn thiện luận án Phó giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Như Hiển Giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Doãn Phước, người thầy kính mến tận tình hướng dẫn, bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho Thầy giáo Nguyễn Ngọc Kiên, trưởng môn Tự động hóa, người thầy tâm huyết ln quan tâm, bảo, động viên tạo điều kiện tốt cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tập thể nhà khoa học Bộ môn Tự động hóa Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động Viện Điện trường đại học Bách khoa Hà Nội, có ý kiến đóng góp quý báu để tơi hoàn chỉnh luận án Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em, người vợ yêu quý hai bên cạnh động viên giúp đỡ tơi học tập, nghiên cứu hồn thiện luận án Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đinh Văn Nghiệp v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii Các kí hiệu viii Các chữ viết tắt xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xvi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Mục tiêu luận án Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Bố 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 19 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS 19 vi 2.1 Đặt vấn đề .19 2.2 Xây dựng mơ hình tốn động lực học cho TRMS 19 2.3 Mô phỏng đánh giá chất lượng mơ hình .28 2.4 Kết luận 31 CHƯƠNG 32 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS 32 3.1 Các điều khiển 32 3.2 Đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR .32 3.3 Kết mô phỏng ứng dụng với TRMS 47 3.4 Kết luận 57 CHƯƠNG 58 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 58 4.1 Mục đích 58 4.2 Cấu trúc điều khiển RHC với LQR cho TRMS thực nghiệm 58 4.3 Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm 60 4.4 Hệ thống thí nghiệm thuật tốn điều khiển vị trí 67 4.5 Kết thực nghiệm nhận xét 71 4.6 Kết luận 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 Kết luận 78 Kiến nghị .78 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 87 vii Phụ lục Chương trình lập trình 87 Phụ lục Cảm biến dòng điện độ nhạy cao .118 Phụ lục Các bước tiến hành thiết lập chạy thực nghiệm 121 Phụ lục Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng điều khiển RHC với LQR .127 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các kí hiệu Ký hiệu Mơ tả (ý 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 m Từ thơng động đuôi B mr Hệ số ma sát nhớt động B tr Hệ số ma sát nhớt động 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 eat Sức phản điện động phần ứng động đuôi eem f m eemf t Sức phản điện động phần ứng động Sức phản điện động phần ứng động đuôi ei Véc tơ đơn 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 ix H Chiều cao từ mặt đế đến chốt quay J1 Mơ men qn tính ngang J Mơ men qn tính đối trọng J3 Mơ men qn tính chốt quay J Mơ men qn tính chốt quay J mm Mơ men qn tính rotor động chiều J m ,prop Mơ men qn tính cánh quạt J t ,prop Mơ men qn tính cánh quạt J mr Tổng mơ men qn tính động cánh quạt J tr Tổng mơ men qn tính động cánh quạt Jv Tổng mơ men qn tính mặt đứng Jh Tổng mơ men qn tính mặt ngang kam Hằng số sức phản điện động động kat Hằng số sức phản điện động động 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 đuôi 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 L t Điện cảm phần ứng động đuôi iam Dòng điện phần ứng động iat Dòng điện phần ứng động đuôi m Khối lượng x mT Tổng khối lượng ngang lT Trọng tâm ngang mt Khối lượng phần phía bên cánh quạt đuôi ngang m tr Khối lượng động đuôi m ts Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt mm Khối lượng phần phía bên cánh quạt ngang m mr Khối lượng động m ms Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt mb Khối lượng đối trọng mT Tổng khối lượng đối trọng m cb Khối lượng đối trọng mh khối lượng chốt quay m h1 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 Bán kính rotor động rm t Bán kính rotor động rcb Bán kính đối trọng Ram Điện trở phần ứng động R at Điện trở phần ứng động 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 Ttr Hằng số thời gian hệ cánh quạt-động đuôi m Mô men điện từ động t Mơ men điện từ động uam Điện áp phần ứng động truyền động cánh quạt u at Điện áp phần ứng động đuôi truyền động cánh quạt đuôi 117 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; 118 Phụ lục Cảm biến dòng điện độ nhạy cao Các ứng dụng điển hình bao gồm điều khiển động cơ, giám sát phát tải, phát dòng hệ thống quản lý nguồn thông minh Các cực đường dẫn dòng tải cách ly điện với cảm biến Đặc điểm cho phép cảm biến dòng 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 giá thành Sơ đồ khối cảm biến dòng điện WCS2702 Đồ thị đặc tính WCS2702 119 120 121 Phụ lục Các bước tiến hành thiết lập chạy thực nghiệm Thiết lập ban đầu Bật 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 122 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 123 Chọn “Register” từ menu ControlDesk: Platform ► Initialization ► Register Vị trí Register menu ControlDesk Khi hộp thoại “Register Board” xuất hiện, chọn “DS1103 PPC Controller Board” từ “Type” dropdown menu thiết lập “Port address” 300 Sau chọn nút “Register” Các lựa chọn hộp thoại “Register Board” “DS1103” “slave DSP” báo phát “Platform” ControlDesk 124 “DS1103” “Slave DSP”xuất Platform Mở MATLAB/Simulink Tìm file “.mdl” ổ đĩa kích đúp vào file để mở Thao tác cho phép mở đồng thời MATLAB Simulink Chọn nút “RTI1103” hộp thoại “Select dSPACE RTI Platform Support” mà xuất MATLAB Chọn thư viện RTI cho DS1103 Biên dịch Download mô hình Mở “Configuration Parameters”: Simulation ► Configuration Parameters… 125 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”) đúng 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 đơn vị giây Cửa sổ cấu hình tham số hoạt động 126 Thiết lập “Real-Time Workshop” chọn “Build” để biên dịch download mã từ mơ hình Simulink Quá trình tạo mã cửa sổ hình “MATLAB 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 chắc chắn file tạo đặt đúng thư mục mong muốn, chọn kích đúp 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 chương trình DS1103 127 Phụ lục Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng điều khiển RHC với LQR Bảng Tham số đặc tính card DS1103 128 Tham số Đặc tính Bộ xử lý Loại Power PC PPC 750GX Bộ nhớ Timer Xung nhịp CPU GHz Bộ nhớ Cache 32 KB mức nhớ lệnh; 32 KB mức nhớ liệu; MB mức Tần số BUS 133 MHz Cảm biến nhiệt độ Đo nhiệt độ thực PPC Bộ nhớ địa phương 32 MB SDRAM cho chương trình cache Bộ nhớ chung 96 MB 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 lùi 32 bit; Nạp lại phần mềm đếm thời gian Bộ đếm tiến 64 bit; Độ phân dải 30-ns Bộ điều khiển ngắt Độ phân dải 30-ns ngắt thời gian; ngắt encoder; ngắt UART ngắt CAN; ngắt DSP tớ; ngắt DSP PWM ngắt chủ; ngắt Bộ 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 Bảo vệ điện áp ±15 V Thời gian biến đổi Kênh dồn: µs Kênh song song: 800 ns 129 Bộ 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 sắp 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 Bộ đếm vị trí Độ phân dải 24 bit Tần số lớn 1.65 MHz 6.6 MHz chế độ nhân 130 Reset nạp lại phần mềm Nguồn cấp cho encoder Giao Số kênh tiếp encoder Bộ đếm vị trí tương tự Giao tiếp CAN Giao tiếp nối tiếp DSP tớ V/1.5 A Dùng chung vao giao tiếp encoder tương tự kênh; Tín hiệu sin Độ phân dải < 5°; Bộ 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 SAB 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 đơn UART với FIFO PLL điều khiển UART Tương thích RS232/RS422 Tốc độ 115.2 kBd (RS232); Mbd (RS422) Loại Texas Instruments TMS320F240 DSP Tốc độ xung nhịp 20 MHz Bộ nhớ 64Kx16 nhớ mã hóa ngồi 28Kx16 nhớ liệu ngồi 4Kx16 nhớ truyền thông 32 KB 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 131 Dòng điện max Đặc tính Nguồn cung cấp vật lý ±13 mA +5 V ±5%, A; +12 V ±5%, 0.75A -12 V ±5%, 0.25A ... CÔNG NGHI P ĐINH VĂN NGHI P ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP Chuyên ngành: Kỹthuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN... công bố 1.2.2 Điều khiển TRMS TRMS đối tượng điều khiển phổ biến để kiểm chứng thuật toán điều khiển Giải pháp đơn giản cho toán điều khiển TRMS áp dụng điều chỉnh PID Đã có nhiều nghi n cứu để... thuật Điều khiển Tự động hóa có nhiều cơng trình nghi n cứu phương 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) ,