Cấu trúc luận văn gồm 3 chương: Chương 1 - Hệ thống điều khiển chuyển động của xe đi dưới nước và mô hình hóa. Chương 2 - Tìm hiểu điều khiển trượt và các phương pháp hạn chế hiện tượng rung. Chương 3 - Phương pháp đề nghị hạn chế hiện tượng rung của đề tài và ứng dụng điều khiển chuyển động của xe đi dưới nước. Chương 4 - Mô phỏng điều khiển chuyển động xe đi dưới nước và đánh giá kết quả đạt được Mời các bạn tham khảo!
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG ANH ĐỨC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐI DƯỚI NƯỚC Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MINH TRÍ Phản biện 1: TS NGUYỄN HỒNG MAI Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH KHƠI QUỐC Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Xe nước không người lái phát triển nổ lực nghiên cứu biển Làm việc môi trường biển thách thức lớn với nhiều lý Mơi trường biển có nhiều rối loạn gió, sóng, dòng chảy, lực thủy động học thủy tĩnh nên ảnh hưởng làm gián đoạn đến hoạt động nghiên cứu người Kết hoạt động có xu hướng diễn biến phức tạp tốn thời gian Vì xe nước phương tiện tối ưu, giải pháp cho việc đạt mục tiêu mong muốn môi trường biển Hoạt động quân sự, thăm dò đáy biển, nghiên cứu môi trường… đạt hiệu cao nhờ phát triển xe nước tự hành Theo ứng dụng khác nên phần điện khí xe thiết kế khác Ví dụ xe sử dụng để thăm dò đáy biển sâu cần phải thiết kế nhỏ gọn linh hoạt chuyển động để đến không gian nhỏ dễ dàng Xe nước có mơ hình tốn phi tuyến, phức tạp, có nhiều xáo trộn tham số không chắn Trong nội dung luận văn này, giới thiệu mơ hình tổng qt xe nước với sáu bậc tự Nghiên cứu tách mơ hình với bậc tự điều khiển chuyển động phía trước xe nước Khi điều khiển chuyển động xe nước, việc thiết kế điều khiển cần có độ bền vững, bị ảnh hưởng nhiễu mơ hình Điều khiển trượt (SMC) phương pháp điều khiển bền vững để đối phó với vấn đề không chắn tham số rối loạn hệ thống phi tuyến nói chung mơ hình xe nước nói riêng Vì tơi chọn đề tài nhằm thiết kế điều khiển trượt ứng dụng điều khiển chuyển động xe nước Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động xe nước mơ hình hóa - Nghiên cứu ứng dụng điều khiển trượt điều khiển chuyển động xe nước - Nghiên cứu phương pháp hạn chế tượng rung điều khiển trượt ứng dụng Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đơn giản hóa mơ hình tốn học xe nước - Đánh giá điều khiển trượt điều khiển chuyển động xe nước - Ứng dụng phương pháp hạn chế tượng rung cách thay hàm dấu hàm liên tục khác Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương Hệ thống điều khiển chuyển động xe nước mơ hình hóa Hệ thống điều khiển chuyển động xe nước Mơ hình hóa Chương Tìm hiểu điều khiển trượt phương pháp hạn chế tượng rung Tổng quan điều khiển trượt Các phương pháp hạn chế tượng rung nghiên cứu ứng dụng Chương Phương pháp đề nghị hạn chế tượng rung đề tài ứng dụng điều khiển chuyển động xe nước Trình bày vấn đề Phương pháp hạn chế tượng rung đề tài Ứng dụng điều khiển chuyển động xe nước Chương Mô điều khiển chuyển động xe nước đánh giá kết đạt Mô chuyển động xe nước Đánh giá kết đạt Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐI DƯỚI NƯỚC VÀ MƠ HÌNH HĨA 1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE ĐI DƯỚI NƯỚC 1.1.1 Giới thiệu Các mơ hình thực tế hầu hết phương tiện nước hàm phi tuyến ̇ 1.1.2 (1.1) Các véc tơ không gian trạng thái xe nước 1.1.3 Động học xe nước 1.2 MƠ HÌNH HĨA 1.2.1 Mơ hình động lực học tổng quát xe nước Theo [Fossen, 1994], mơ hình động lực học phi tuyến tổng quát xe nước sáu bậc tự là: ̈ ̇ ̇ ̇ ̇ (1.8) Phương trình (1.8) bỏ qua nhiễu loạn mơi trường, ví dụ dòng chảy ngầm 1.2.2 Ma trận khối lượng quán tính (1.9) 1.2.3 Ma trận Coriolis lực hướng tâm ̇ 1.2.4 ̇ ̇ (1.12) Thủy động lực học ̇ ̇ ̇ 1.2.5 Trọng lực lực 1.2.6 Lực mô men điều khiển đầu vào (1.19) Hình 1.4 Mơ hình vật lý xe nước 1.2.7 Xây dựng mơ hình tốn điều khiển chuyển động phía trước cho xe nước a Các giả định cho xe nước Các giả định sau thực hiện: o Tốc độ xe thấp, lực nâng thủy động học bỏ qua o Xe nước hoạt động với tốc độ tương đối thấp, tối đa m/s Vì lực nâng thủy động học bỏ qua o Xe nước đối xứng theo ba mặt phẳng o Các xe nước đối xứng qua mặt phẳng x-z gần đối xứng qua mặt phẳng y-z Mặc dù xe không đối xứng qua mặt phẳng x-y giả định đối xứng qua mặt phẳng này, đơn giản việc tách bậc tự Xe nước giả định đối xứng qua ba mặt phẳng xe hoạt động tốc độ tương đối thấp o Mô men đảm bảo ổn định theo phương ngang Xe nước gần ổn định theo phương ngang thí nghiệm chúng nước [Vervoort, 2008] o Gốc xoay theo phương chuyển động phía trước (Roll) gốc xoay theo phương ngang (Pitch) bỏ qua Các bậc tự xoay theo phương chuyển động phía trước xoay theo phương ngang xe nước điều khiển bỏ qua xe đạt đến ổn định theo mặt phẳng ngang Vì thông số tương ứng không cần phải xác định o Hệ quy chiếu thân xe trung tâm lực hấp dẫn o Mơ hình khơng có rối loạn mơi trường Xe ngập sâu nước thường chịu tác động rối loạn mơi trường dòng chảy ngầm Dòng chảy ngầm biến đổi chậm dẫn đến chuyển động xe nước (AUV) theo phương ngang Chuyển động khó kiểm sốt giả thiết khơng có tác động dòng hải lưu o Các bậc tự xe tách riêng Giả định tách chuyển động dọc theo bậc tự không ảnh hưởng đến bậc tự khác Việc tách phù hợp với mơ hình xe nước đối xứng không phụ thuộc vào dòng chảy đại dương Các thành phần tác động thủy động lực học không đáng kể tốc độ thấp Khi bậc tự tách riêng ma trận Coriolis lực hướng tâm trở nên khơng đáng kể bỏ qua Kết mơ hình động lực học xe theo (1.8) viết lại sau: ̈ ̇ ̇ (1.20) b Mơ hình tốn điều khiển chuyển động phía trước xe nước Với mơ hình tốn định nghĩa (1.8) đơn giản hóa theo (1.20) tách riêng bậc tự do, viết lại cho bậc tự sau: ̇ Thành phần ̇ ̈ ̇ ̇ ̇| ̇| ̇| ̇| ̇ (1.21) ̇ tham số trọng lực lực không bậc tự chuyển động phía trước chuyển động theo phương ngang thân xe Đồng thời điều khiển chuyển động phía trước (surge) thành phần tuyến tính bậc hai ̇| ̇| ̇ nhỏ so với thành phần tác động thủy động lực học ̇ bỏ qua theo tài liệu [Hoerner, 1992] Do đó, (1.21) viết lại: ̇ ̈ ̇| ̇| ̇| ̇| ̇ (1.22) Phương trình (1.22) mơ tả tốn học điều khiển chuyển động phía trước xe nước CHƯƠNG TÌM HIỂU ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG RUNG 2.1 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.1.1 Đối tượng điều khiển 2.1.2 Mặt trượt 2.1.3 Động lực học tương đương Filippov 2.1.4 Luật điều khiển trượt 2.1.5 Đặc điểm điều khiển trượt 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG RUNG ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 2.2.1 Phương pháp tiếp cận lớp biên 2.2.2 Phương pháp dùng hàm tích phân - bão hòa 2.2.3 Phương pháp điều chỉnh độ rộng lớp biên 10 Lựa chọn luật điều khiển là: ̂ ̃̇ ̈ với (3.9) Thỏa mãn điều kiện (3.6) Chứng minh: Các điều kiện trượt sau: ̇ ̇ ( ̃̇ ̃) ̈ ̂ ( ̃ ) Theo (3.6) ta có: ̇ ̇ (3.10) Do đó: (3.11) Phát biểu 2: Đối với hệ phi tuyến bậc hai cho phương trình: ̈ (3.12) với Lựa chọn luật điều khiển với: ̂ ̂ (3.13) Trong đó: ̂ ̂ ̃̇ ̈ (3.14) 11 ̂ (3.15) √ ̂ (3.16) √ (3.17) Thỏa mãn điều kiện (3.6) Chứng minh: Với s ̂ định nghĩa theo (3.3) (3.14) , sử dụng (3.13) biểu thức ̇ : ̇ ̂ ̂ ( ̂) ( ̃̇ ̈ ) ̂ (3.18) ̈ )} (3.20) Theo giả thiết 1, ta có: ̂ {̂ (̂ ̃̇ )( ̂ Do đó: Vậy (3.12) thỏa mãn (3.6) Nhận xét 2: Từ (3.15) ta thấy, k không xác định , nhiên xác định tín hiệu điều khiển u(t) Bởi mẫu số s phương trình (3.11) (3.15) hạn chế việc nhân với s biểu thức tín hiệu điều khiển u(t) 3.3 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO XE ĐI DƯỚI NƯỚC 3.3.1 Thiết kế điều khiển trượt điều khiển chuyển động xe nước 12 a Các thông số xe nước ; ̇ ̇| ̇| b Thiết kế điều khiển trượt thông thường ̂ ̂ ̃̇ ) ̂ ̇( ̈ ̂ ̇| ̇| ̇| ̇| ̇| ̃̇ )| ( ̈ (3.22) Tính tốn ước lượng tham số, ta có: ̂ ̇| ̇| √ ; ̂ √ 3.3.2 ; ̂ ̇ ̇ | ̇ |; ̇| ̇| Hạn chế tượng rung theo phương pháp tiếp cận lớp biên Bộ điều khiển trượt tiếp cận lớp biên với thành phần sau: ̂ |̂ ̇| ̇| ̃̇ ) |̂ ̂ ̇( ̈ ̇| ̇|| ̇ ̂ ̇| ̇| || ̈ ̇ ̇| ̇| ̇ ̃̇ | ̇ ̇ ̅ ̇ ̃̇ 3.3.3 ̅ ̂ { ̃ Hạn chế tượng rung điều khiển trượt theo đề xuất đề tài ̂ ̂ ̇ (3.33) ̂ ̂ ̂ ̂ ̃̇ ̈ ̇| ̇| ; 13 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Bảng 4.1 Các thông số mô Thông số Giá trị 35 4.1.1 Mô điều khiển trượt thông thường 4.1.2 Mô điều khiển trượt tiếp cận lớp biên 4.1.3 Mô điều khiển trượt theo đề xuất 4.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.2.1 Kết mô với u thông thường a Đáp ứng đầu x Dap ung voi bo dieu khien thong thuong Tin hieu dat Tin hieu 1.5 Dap ung 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 Thoi gian (s) 10 Hình 4.6 Tín hiệu x với điều khiển thơng thường 14 b Tín hiệu điều khiển u Bo dieu khien truot thong thuong 40 35 30 Tin hieu dieu khien u 25 20 15 10 -5 -10 Thoi gian (s) 10 Hình 4.7 u điều khiển trượt thông thường c Sai lệch tĩnh Sai lech tinh bo dieu khien thong thuong 0.2 0.15 error 0.1 0.05 X: 5.24 Y: 0.01076 -0.05 -0.1 Thoi gian (s) 10 Hình 4.9 Sai lệch tĩnh với điều khiển thông thường 4.2.2 Kết mô với điều khiển hạn chế tượng rung theo phương pháp tiếp cận lớp biên a Tín hiệu x ( ) 15 Dap ung voi bo dieu khien tiep can lop bien Tin hieu dat Tin hieu 1.5 X: 5.03 Y: 1.049 Dap ung 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 Thoi gian (s) 10 Hình 4.10 Đáp ứng với điều khiển lớp biên b Tín hiệu điều khiển u Bo dieu khien truot tiep can lop bien 40 35 Tin hieu dieu khien u 30 25 20 15 10 -5 -10 10 Thoi gian (s) Hình 4.11 Bộ điều khiển trượt tiếp cận lớp biên c Sai lệch tĩnh Sai lech tinh 0.2 0.15 0.1 error X: 5.29 Y: 0.05446 0.05 -0.05 -0.1 Thoi gian (s) 10 Hình 4.13 Sai lệch tĩnh với điều khiển lớp biên 16 4.2.3 Kết mô với điều khiển trượt đề xuất a Đáp ứng tín hiệu x Dap ung voi bo dieu khien de xuat 1.5 Tin hieu dat Tin hieu X: 4.98 Y: 1.064 Dap ung 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 Thoi gian (s) 10 Hình 4.14 Tín hiệu với điều khiển đề xuất b Tín hiệu điều khiển u Bo dieu khien truot de xuat 40 35 30 Tin hieu dieu khien u 25 20 15 10 -5 -10 Thoi gian (s) 10 Hình 4.15 Bộ điều khiển trượt đề xuất c Sai lệch tĩnh 17 Sai lech tinh bo dieu khien de xuat 0.2 0.15 error 0.1 X: 5.18 Y: 0.07088 0.05 -0.05 -0.1 Thoi gian (s) 10 Hình 4.17 Sai lệch tĩnh với điều khiển đề xuất 4.2.4 So sánh đánh giá kết đạt a So sánh điều khiển trượt lớp biên đề xuất So sánh tín hiệu Hình 4.18 So sánh tín hiệu hai điều khiển Theo lý thuyết nghiên cứu, điều khiển trượt tiếp cận lớp biên làm cho tín hiệu điều khiển mềm hơn, biên độ dao động nhỏ Tuy nhiên, để đạt điều chất lượng điều khiển bị hạn chế Độ điều chỉnh tín hiệu lớn hơn, sai lệch lớn Bảng 4.2 So sánh độ điều chỉnh điều khiển tiếp cận lớp biên điều khiển đề xuất 18 Tín hiệu điều khiển Độ điều chỉnh PO (%) Tiếp cận lớp biên 4.9 Đề xuất 6.5 So sánh tín hiệu điều khiển Hình 4.20 So sánh u lớp biên u đề xuất Từ hình vẽ 4.20 cho kết điều khiển trượt đề xuất điều khiển trượt tiếp cận lớp biên Sai lệch tĩnh điều khiển so sánh hình vẽ 4.23 tổng hợp bảng 4.3 Hình 4.21 So sánh sai lệch tĩnh điều khiển 19 Bảng 4.3 Sai lệch tĩnh xác lập điều khiển Bộ điều khiển trượt Sai lệch tĩnh Thông thường 0.012 Tiếp cận lớp biên 0.054 Đề xuất 0.070 b Nhận xét điều khiển trượt đề xuất thay đổi giá trị Mô với giá trị ; ; Tín hiệu Tin hieu thay doi lamda 1.5 lambda=20 lambda=35 lambda=50 0.5 -0.5 -1 -1.5 Hình 4.22 Kết mơ với Bộ điều khiển đề xuất 10 thay đổi Tin hieu thay doi lamda 40 lambda=20 lambda=35 lambda=50 30 20 10 -10 -20 Hình 4.23 Tín hiệu điều khiển với 10 thay đổi 20 Từ kết mô hình vẽ 4.22 4.23 ta thấy rằng, với giá trị bé độ điều chỉnh lớn biên độ tín hiệu điều khiển lớn Do đó, chọn phù hợp để ta đạt yêu cầu đặt ra, kết mô đề tài sử dụng giá trị c Đánh giá kết đạt Từ kết đạt ta thấy rằng, tín hiệu với điều khiển đề xuất có độ điều chỉnh sai lệch tĩnh lớn, lớn so với điều khiển trượt tiếp cận lớp biên Tuy nhiên, số nằm giới hạn cho phép có tính khả thi Hình 4.24 So sánh u ba điều khiển Từ hình vẽ 4.24 điều khiển trượt đề xuất hạn chế tượng rung tín hiệu điều khiển mềm so với điều khiển trượt thông thường tiếp cận lớp biên Đây ưu điểm lớn điều khiển đề xuất đề tài Như vây, kết mô thu hoàn toàn phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết, điều chứng tỏ thuật toán cách thức xây dựng điều khiển trượt đắn xác Sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh tốt 21 4.3 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐI DƯỚI NƯỚC VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT Sơ đồ khối mô Kết mô Dieu khien vi tri xe di duoi nuoc 1.5 Vi tri (m) 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 Thoi gian (s) 10 Hình 4.26 Vị trí xe nước x=1 m Van toc cua xe di duoi nuoc Van toc (m/s) -1 -2 Thoi gian (s) 10 Hình 4.27 Vận tốc xe nước Sai lech tinh 0.2 0.15 0.1 e 4.3.1 4.3.2 0.05 -0.05 -0.1 Thoi gian (s) Hình 4.28 Sai lệch tĩnh 10 22 Tin hieu dieu khien 100 80 u 60 40 20 -20 Thoi gian (s) 10 Hình 4.29 Tín hiệu điều khiển u Nhận xét Bộ điều khiển trượt đề xuất sử dụng để điều khiển chuyển động xe nước Với tín hiệu đặt 1m, điều khiển cho đáp ứng vị trí mong muốn, sai lệch tĩnh độ điều chỉnh giới hạn cho phép Cụ thể, sai lệch tĩnh 4.4 %, độ điều chỉnh 7.5 % Mặt khác, điều khiển trượt đề xuất hạn chế tượng rung, mềm so với điều khiển trượt thông thường Đây kết phù hợp với lý thuyết nghiên cứu 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Mơ hình động học động lực học xe nước nghiên cứu đề tài có phạm vi hoạt động với sáu bậc tự Tuy nhiên, với nội dung đề tài điều khiển với bậc tự điều khiển chuyển động phía trước Các giả định thực cho mơ hình động lực học xe là: xe di chuyển với tốc độ tương đối thấp, có tính đối xứng theo ba mặt phẳng, tác động mô men đảm bảo ổn định ngang, bậc tự xoay theo ba trục tọa độ bỏ qua hệ quy chiếu thân xe đặt trọng tâm xe Với giả định nên tách bậc tự do, mà có bậc tự chuyển động phía trước điều khiển Xe nước với mơ hình tách riêng bậc tự cần phải ước tính khối lượng/qn tính tác động khơng mong muốn thủy động lực học Sự tác động thủy động học qn tính xe khơng rõ khó để ước lượng, phương pháp lựa chọn tham số sử dụng để thay Luận văn đơn giản hóa mơ hình động lực học xe nước với bậc tự điều khiển Thiết kế điều khiển trượt điều khiển chuyển động phía trước xe nước Bộ điều khiển làm cho chất lượng bám tín hiệu đặt tốt mơ hình, độ q điều chỉnh sai lệch nhỏ Bộ điều khiển nghiên cứu luận văn hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển cho xe nước có khả ứng dụng vào thực tế điều khiển 24 Trong thiết kế điều khiển, luận văn đề xuất phương pháp hạn chế tượng rung cho điều khiển trượt Khi tượng rung điều khiển trượt thông thường xuất hàm dấu sgn(s) gây ra, luận văn thiết kế điều khiển cách thay hàm dấu hàm liên tục Lúc này, điều chỉnh điều kiện trượt bắt buộc để xác minh hiệu suất điều khiển trượt đề xuất Trong kết mơ phỏng, xác nhận điều khiển trượt đề xuất có hiệu suất tốt điều khiển trượt thông thường, tốt điều khiển trượt hạn chế tượng rung phương pháp tiếp cận lớp biên, hạn chế hoàn toàn tượng rung Trong thực tế, điều khiển thiết kế nhỏ so với hiệu suất điều khiển tương tự điều khiển sử dụng lượng Do đó, tín hiệu điều khiển nhỏ làm cho hiệu lượng tốt Như vậy, điều khiển trượt đề xuất hạn chế tượng rung vốn khiếm khuyết điều khiển trượt truyền thống có hiệu suất tốt Tuy nhiên khiếm khuyết điều khiển đề xuất làm cho sai lệch tĩnh lớn so với phương pháp tiếp cận lớp biên Kiến nghị hướng nghiên cứu - Thiết kế điều khiển trượt điều khiển chuyển động xe nước với sáu bậc tự - Thiết kế ứng dụng điều khiển trượt đề xuất cho đối tượng điều khiển ... đi u khiển chuyển động phía trước xe nước Khi đi u khiển chuyển động xe nước, việc thiết kế đi u khiển cần có độ bền vững, bị ảnh hưởng nhiễu mơ hình Đi u khiển trượt (SMC) phương pháp đi u khiển. .. hình xe nước nói riêng Vì chọn đề tài nhằm thiết kế đi u khiển trượt ứng dụng đi u khiển chuyển động xe nước Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống đi u khiển chuyển động xe nước. .. 4.29 Tín hiệu đi u khiển u Nhận xét Bộ đi u khiển trượt đề xuất sử dụng để đi u khiển chuyển động xe nước Với tín hiệu đặt 1m, đi u khiển cho đáp ứng vị trí mong muốn, sai lệch tĩnh độ đi u chỉnh