Tóm tắt: Luận văn này đề cập đến việc điều khiển các góc của hệ đa biến Twin Rotor bám theo tín hiệu đặt trước bằng cách phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp cho hệ phi tuyến. Để áp dụng lý thuyết này, mô hình toán của hệ MIMO Twin Rotor được viết bằng phương pháp Euler Lagrange với các tham số đầu vào là không biết. Các thông số không biết đó là khối lượng của các thành phần của TRMS, nhiễu đầu vào do lực ma sát, lực xoắn của dây và sự ảnh hưởng của tốc độ động cơ chính theo góc ngang lên góc xoay của động cơ đuôi theo chiều dọc. Sử dụng mô hình toán của TRMS, tôi đã thiết kế bộ điều khiển thích nghi để ổn định góc xoay, làm giảm các ảnh hưởng của các tham số không chắc chắn đến các góc của TRMS. Sự ổn định của hệ thống được thể hiện bằng sự ổn định của các góc, mô phỏng và các kết quả thực nghiệm giúp chứng minh tính đúng đắn của phương pháp được đề xuất
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MINH PHI ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TWIN ROTOR Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều Khiển Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP.HỒ CHÍ MINH, ngày 13 tháng 07 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐẠI HỌC QUỐC GIA-TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa hoc: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Cán chấm nhận xét 1: TS Phạm Việt Cường Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Đức Thành Luận văn bảo vệ Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh ngày 13 tháng 07 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: Chủ tịch hội đồng: PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh Thư ký: TS Nguyễn Trọng Tài Phản biện 1: TS Phạm Việt Cường Phản biện 2: TS Nguyễn Đức Thành ủy viên: TS Hồng Minh Trí CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: Nguyễn Minh Phi MSHV: 13151142 Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1990 Nơi sinh: Đăklăk Chuyên ngành: Kỹ thuật điều Khiển & tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 I TÊN ĐỀ TÀI: “ĐIỀU KHIÊN THÍCH NGHI HỆ TWIN ROTOR” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Trình bày ngắn gọn cấu nguyên lý chức máy bay trực thăng; ttình bày đối tượng nghiên cứu, phạm vi mục tiêu nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu ừên giới - Trình bày sở lý thuyết điều khiển thích nghi - Trình bày việc xây dựng mơ hình tốn học hệ thống MIMO Twin Rotor phương pháp Euler-Lagrange - Xây dựng điều khiển thích nghi cho hệ thống MIMO Twin Rotor - Thiết kế, xây dựng mơ hình mơ hệ thống MIMO Twin Rotor thực điều khiển thích nghi mơ Matlab/Simulink - Thiết kế, xây dựng mơ hình khí hệ thống MIMO Twin Rotor thực điều khiển thích nghi mơ hình thực nghiệm - Đánh giá kết trình bày hướng phát hiển III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/08/1016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: từ 19/07/2017 đến 28/07/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Tp HCM, ngày 13 tháng 07 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Em xin cảm ơn thầy ương tổ mơn Tự động hóa thầy cô giảng dạy trường Đại học Bách khoa TP.HỒ Chí Minh, đặc biệt thầy hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Trong suốt trình học tập thực đề tài nhận động viên bạn bè, đồng nghiệp người thân gia đình Tơi xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Minh Phi TÓM TÁT LUẬN VĂN THẠC SỸ Đề tài: ĐIỀU KHIẾN THÍCH NGHI HỆ TWIN ROTOR Tác giả luận văn: Nguyễn Minh Phi Khóa: 2013 Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Thái Hồng Nội dung tóm tắt: Bằng Tiếng Việt Luận vãn đề cập đến việc điều khiển góc hệ đa biến Twin Rotor bám theo tín hiệu đặt trước cách phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp cho hệ phi tuyến Để áp dụng lý thuyết này, mơ hình tốn hệ MIMO Twin Rotor viết phương pháp EulerLagrange với tham số đầu vào Các thơng số khơng biết khối lượng thành phần TRMS, nhiễu đầu vào lực ma sát, lực xoắn dây ảnh hưởng tốc độ động theo góc ngang lên góc xoay động đuôi theo chiều dọc Sử dụng mơ hình tốn TRMS, tơi thiết kế điều khiển thích nghi để ổn định góc xoay, làm giảm ảnh hưởng tham số không chắn đến góc TRMS Sự ổn định hệ thống thể ổn định góc, mơ kết thực nghiệm giúp chứng minh tính đắn phương pháp đề xuất Bằng Tiếng Anh This dissertation proposes the angle hacking conttol method for twin rotor multiinput multiple-output system (TRMS) using indừect adaptive control method for nonlinear systems To apply this theory, the model of TRMS is rewritten by an Euler- Lagrange forced model with uncertain parameters The uncertain parameters are the potential energies depended on the mass of TRMS’parts and the input disturbances are the considered friction force, flat cable force, and effects of the speed of the main rotor on the horizontal movement and the speed of tail rotor to the vertical movements Using modificated model of TRMS, we designed the indirect adaptive conttoller for angle stabilization to attenuate the influences of uncertain parameters to the angles of TRMS The robustness of the closed system is shown by the stabilization of the angles with the yaw and pitch external disturbances, the simulation and experimental results help to proof the rightness of proposed method LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực Các số liệu, kết phân tích luận vãn hồn tồn trung thực chưa tùng cơng bố ưong cơng trình nghiên cứu trước TP Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 07 năm 2017 Nguyễn Minh Phi MỤC LỤC Chương GIỚI THIỆU .12 Đối tượng nghiên cứu 12 Tổng quan tình hình nghiên cứu 19 Phạm vi nghiên cứu 21 Mục tiêu nghiên cứu .21 Công việc thực .21 Cấu trúc luân văn 22 Chương ĐIỀU KHIÊN THÍCH NGHI 23 Giới thiệu .23 Hồi tiếp tuyến tính hóa hệ phi tuyến 28 Điều khiển thích nghi gián tiếp 33 Chương MÔ HÌNH HĨA HỆ MIMO TWIN ROTOR 39 Giới thiệu .39 Mô tả hệ MIMO Twin Rotor 40 Mơ hình tốn học hệ MIMO Twin Rotor .41 Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN THÍCH NGHI GIÁN TIẾP CHO HỆ MIMO TWIN ROTOR 52 Thiết kế điều khiển thích nghi cho góc ngang (horizontal) 52 Thiết kế điều khiển thích nghi cho góc dọc (vertical) 60 Chương MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIÊN ĐỐI TUỢNG MIMO TWIN ROTOR .63 10 Thông số vật lý hệ MIMO Twin Rotor sử dụng mô 63 Mô hình mơ hệ MIMO Twin Rotor 66 Thiết kế điều khiển thích nghi cho hệ MIMO Twin Rotor 70 Chương MƠ HÌNH THựC NGHIỆM ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIÊN MIMO TWIN ROTOR 77 Mơ hình phần cứng hệ MIMO Twin Rotor 77 Kết thực nghiệm với điều khiển thích nghi gián tiếp (IAC) 78 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 76 Hình 5.11 kết điều khiển hệ MIMO Twin Rotor với tín hiệu đặt sóng sine với tần số f - 0.01(Hz) cho hai góc ngang góc dọc 2: — I -2’ - -LThoi gian [s] Hình 5.11 Đáp ứng hệ với tín hiệu tham chiếu hình sine Kết luận: Từ mơ hên ta phải khoảng thời gian ban đầu để điều khiển thích nghi chạy ổn định sau góc dọc góc ngang hệ MIMO Twin Rotor bám theo tín hiệu đặt, ta kết luận điều khiển thích nghi gián tiếp (IAFC) điều khiển đối tượng MIMO Twin Rotor Chương MƠ HÌNH THựC NGHIỆM ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MIMO TWIN ROTOR 77 Mơ hình phần cứng hệ MIMO Twin Rotor Hình 6.1 Mơ hình khí hệ thống ngồi thực tế (1: Động cánh quạt đi; 2: Động cánh quạt chính; 3: cảm biến góc dọc; 4: Cảm biến góc ngang; 5: Đối ttọng) Mơ hình khí hệ thống MIMO Twin Rotor thiết kế thực tế thể ừong hình 6.1 Hệ thống bao gồm khâu nằm ngang nối với bệ qua khớp quay khâu vng góc với khâu nằm ngang nối qua khớp quay khác với cánh quạt hai đầu Chuyển động ttong mặt phẳng đứng hệ động - cánh quạt tạo cho phép nâng hạ xoay theo chiều dọc, chuyển động mặt phẳng nằm ngang động - cánh quạt đuôi tạo dùng để quay xoay sang bên trái phải Trên khớp quay có gắn cảm biến để đo góc ngẩng (cảm biến ngang) góc phương vị (cảm biến dọc) xoay Sơ đồ điều khiển hệ thống MIMO Twin rotor dùng luận văn trình bày hình 6.2 Trong đó: 78 - Khối Computer: Khối có nhiệm vụ nhận liệu thu thập từ vi điều khiển ARM (STM F407VG) - Kit STM F4xx Discovery: Khối có nhiệm vụ đọc thơng tin từ cảm biến đo góc mơ hình MIMO Twin Rotor, tính tốn luật điều khiển xuất tín hiệu điều khiển tốc độ quay động cánh quạt đến khối mạch công suất - Khối mạch công suất (ESC): Khối có nhiệm vụ điều khiển hoạt động hai động có gắn cánh quạt hai đầu xoay Hình 6.2 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Kết thực nghiệm vói điều khiển thích nghỉ gián tiếp (IAC) Khảo sát đáp ứng hệ với điều khiển thích nghi gián tiếp (IAC) qua số trường hợp tín hiệu tham chiếu khác cho trục trục với tín hiệu hàm bước cố định với biên độ 0.2 rad, tín hiệu sóng vng, tín hiệu vào xung tam giác Mỗi trường hợp tín hiệu tham chiếu khảo sát ttong 120s Chương trình điều khiển viết cơng cụ Waijung (do Amagi cung cấp nhằm hỗ trợ kit STM 79 F4xx Discovery simulink) Sơ đồ chưong trinh điều khiển trình bày hình 6.3 Hình 6.3 Sơ đồ khối dùng để điều khiển hệ MIMO Twin Rotor Trong đó: 80 - Khối Encoder: Khối đọc giá trị Encoder dùng để xác định góc quay góc ngang (horizontal) góc dọc (vertical) (TIMER!, I/O PE9,PE11 cho encoder đọc góc dọc TIMER2, vo PA5,PA1 cho encoder đọc góc ngang) - Khối USART khối truyền liệu máy tính (USART6, I/O PC6 PC7 vi xử lý STM32F407VG) - Khối PWM xuất tín hiệu điều khiển cho khối công suất (ESC) để điều khiển động (I/O PD13 PD14 vi xử lý STM32F407VG) - Khối vert_control: Khối điều khiển thích nghi cho góc dọc (vertical) có cấu trúc giống hình bày hình 4.13 đến 4.17.Với: - • Khối [Tracking Error] có thơng số sau: =3,77 =0.8 • Khối [Indirect Adaptive Control] có thơng số Qa = 1.25Z Qb =0.0757 Khối ym_vert: Khối mơ hình chuẩn tuyến tính ———r *(s) (2s + l)2 - Khối PID Controler: điều khiển PID cho góc ngang (horizontal) hong đó: P = 0.02, I -0.0475, D O 81 Đáp ứng hệ vói tín hiệu tham chiếu hàm nấc Hình 6.4 kết điều khiển hệ MIMO Twin Rotor với điều khiển hình bày hình 6.3 với tín hiệu đặt hàm nấc có giá trị đặt rv = 0.2(rad) rh = oịrad} Hình 6.4 Đáp ứng hệ MIMO Twin Rotor với tín hiệu tham chiếu hàm nấc 82 Đáp ứng hệ vói tín hiệu tham chiếu xung vng Hình 6.5 kết điều khiển hệ MIMO Twin Rotor với tín hiệu đặt xung vng cho góc dọc (ớ) rh cho góc ngang (ớfc) Hình 6.5 Đáp ứng hệ MIMO Twin Rotor với tín hiệu tham chiếu xung vng 83 Đáp ứng hệ vói tín hiệu tham chiếu xung tam giác Hình 6.6 kết điều khiển hệ MIMO Twin Rotor với tín hiệu đặt xung tam giác cho góc dọc (ớ) rh ~o(rad^ cho góc ngang (ớfc) ——— thetah r(t) 1r 50 100 150 Hình 6.6 Đáp ứng hệ MIMO Twin Rotor với tín hiệu tham chiếu xung tam giác Kết luận: Từ kết thực nghiệm ta thấy góc dọc (vertical) (ớr) thời điểm ban đầu chưa bám theo tín hiệu đặt sau khoảng thời gian bám tốt theo theo tín hiệu đặt, góc xoay ngang (ớfc) bị ảnh hưởng mạnh góc ngẩng (ớv) tăng mạnh từ vị trí ban đầu (X = -59°) sau bám theo tín hiệu đặt 84 85 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn cao học tập trung tìm hiểu áp dụng thuật tốn điều khiển thích nghi cho hệ đa biến nhiều ngõ vào ngõ có thơng số chưa xác định ta phân tích mơ hình tốn hệ, ứng dụng điều khiển cho mơ hình MIMO Twin Rotor Các nội dung triển khai mô thực nghiệm cho kết tốt Luận văn trình bày phương pháp thiết ke điều khiển thích nghi gián tiếp IAFC cho hệ MIMO Twin Rotor Các kết mô cho thấy rằng, thuật tốn điều khiển thích nghi khơng đơn giản ừong lập ttình, tránh xử lý phức tạp việc mã hóa giải mã, mà giúp cho cải thiện chất lượng hệ thống Tuy nhiên, kết nghiên cứu dừng lại việc sử dụng điều khiển thích nghi cho góc dọc (ớ) hệ MIMO Do cần có giải pháp để giải vấn đề này, hướng mở cho nghiên cứu Twin Rotor Bên cạnh luận vãn có số thiếu sót sau: - Chưa điều khiển thích nghi cho góc ngang nên phải thay điều khiển PID - Sử dụng thuật toán điều khiển thích nghi nên hiệu điều khiển chưa cao cần chọn thông số cho điều khiển thích nghi, cần kết hợp thêm số cải tiến nhằm tìm thơng số thích hợp cho hệ thống - Cải tiến mơ hình khí, khắc phục tình trạng dây cấp nguồn cho động cánh quạt cảm biến góc gây nhiễu Đây hạn chế lớn ừong việc đảm bảo tính xác kết nghiên cứu - Thay đổi động cánh quạt có moment lớn để có đáp ứng nhanh tốt - Sử dụng encoder có độ phân giải cao để giảm sai số Từ nghiên cứu ừong luận văn ta cỏ thể phát triển theo số hướng sau: 86 - Ket hợp điều khiển tìm thơng số thích họp cho điều khiển thích nghi - Nghiên cứu sơ đồ điều khiển thích nghi cho hệ MIMO thay sử dụng sơ đồ điều khiển thích nghi cho hệ SISO - Nghiên cứu điều khiển phi tuyến thông minh khác cho đối tượng MIMO Twin Rotor để nâng cao chất lượng đáp ứng tính bền vững hệ thống 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO TRMS 33-220 User Manual, 3-000M5, Feedback Company, E Sussex, U.K 1998 Quanser 2-DOF Helicopter User Manual, Quanser Inc 2011 Quanser 2-DOF Helicopter Reference Manual, Quanser Inc 2011 Pett Chalupa, Jan Prikryl, “Adaptive control of Twin ROTOR MIMO system ”, 2015 IEEE International Conference, 2015 Akbar Rahideh, M Hasan Shaheed,” Adaptive NonlinearModel Inversion Control of a T win Rotor System Using Artificial Intelligence”,2ữữ1 IEEE International Conference, pp 889903,2007 Huỳnh Thái Hồng, “Hệ thống điều khiển thơng minh”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, pp 307-327, 2014 Ramalakshmi A.P.S., Manoharan P.S., “Non-linear modeling and PID control of twin rotor MIMO system,” Advanced Communication Control and Computing Technologies (ICACCCT), 2012 IEEE International Conference, pp 366-369, 2012 Sahu p., Pradhan S.K., “Multi variable self tuning PID control of a Twin Rotor MIMO system,” Advanced Communication Conttol and Computing Technologies (ICACCCT), 2014 IEEE International Conference, pp 381-385, 2014 Wen p., Lu T.W., “Decoupling control of a twin rotor MIMO system using robust deadbeat control technique,” IET Control Theory Application, vol.2, no 11, pp 999- 1007, 2008 10 Pratap, B., Agrawal A., Purwar s., “Optimal control of twin rotor MIMO system using output feedback,” Power, Control and Embedded Systems (ICPCES), 2012 2nd International Conference, pp 1-6, 2012 11 Phillips A., Sahin F., “Optimal control of a twin rotor MIMO system using LQR with integral action,” World Automation Congress (WAC), 2014, pp.l 14-119, 2014 88 12 John L., Mija S.J., “Robust H control algorithm for Twin Rotor MIMO System,” Advanced Communication Conttol and Computing Technologies (ICACCCT), 2014 International Conference, pp 168-173, 2014 13 Saroj D.K., Kar I., Pandey V.K., “Sliding mode controller design for Twin Rotor MIMO system with a nonlinear state observer,” Automation, Computing, Communication, Control and Compressed Sensing (iMac4s), 2013 International MultiConference, pp 668-673, 2013 14 Islam B.U., Ahmed N., Bhatti D.L., Khan s., “Controller design using fuzzy logic for a twin rotor MIMO system,” Multi Topic Conference, 2003 INMIC 2003 7th International, pp 264268, 2003 15 Saroj D.K., Kar I., “T-S fuzzy model based controller and observer design for a Twin Rotor MIMO System,” Fuzzy Systems (FUZZ), 2013 IEEE International Conference, pp 1-8, 2013 16 Mahmoud T.S., Marhaban M.H., Hong T.S., Ng, s., “ANFIS Controller with Fuzzy Subtractive Clustering Method to Reduce Coupling Effects in Twin Rotor MIMO System (TRMS) with Less Memory and Time Usage,” Advanced Computer Conttol, 2009 ICACC '09 International Conference, pp 19-23, 2009 17 Biswas p., Maiti R., Kolay A., Sharma K.D., Sarkar G., “PSO based PID controller design for twin rotor MIMO system,” Control, Instrumentation, Energy and Communication (CIEC), 2014 International Conference, pp.56-60, 2014 18 Allouani F., Boukhetala D., Boudjema F., “Particle swarm optimizationbased fuzzy sliding mode controller for the Twin Rotor MIMO system” Electrotechnical Conference (MELECON), 2012 16th IEEE Mediterranean, pp 1063-1066, 2012 19 Ahmed El-Sayed M., Ismail Mohamed M., “PID controller tunning scheme for TRMS using Al techniques,” Computer Engineering Conference (ICENCO), 2012 8th International, pp 3742, 2012, 20 Toha S.F., Tokhi M.O., “Multi-objective PSO based augmented control of a twin rotor 89 system,” Mcchatronics (ICOM), 4th 2011 International Conference, pp 1-6, 2011 21 Jakia Afruz and MS Alam “Non-linear Modeling of a Twin Rotor System Using Particle Swarm Optimization,” Computer Symposium (ICS), 2010 International Conference, 2010, pp 1026-1032, 2010 22 Theja B.S., Rajasekhar A., Kothari D.P., Das, s., “Design of PID controller based power system stabilizer using Modified Philip-Heffron's model: An artificial bee colony approach,” Swarm Intelligence (SIS), Symposium on 2013 IEEE, pp 228-234, 2013 90 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Minh Phi Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1990 Nơi sinh: Đăklăk Địa liên lạc: nguyenminhphil610@gmail.com QUA TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2008-2013 Sinh viên Đại học trường Đại học Cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh Từ 2013-2017 Học viên Cao học trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 03/2013-05/2013 Làm việc cơng ty cổ phần bóng đèn điện quang ... vào việc nghi n cứu điều khiển giữ ổn định góc dọc (vertical) hướng cho hệ MIMO Twin Rotor điều khiển thích nghi gián tiếp cụ thể điều khiển thích nghi gián tiếp để điều khiển hệ Twin Rotor bám... điều khiển hệ MIMO Twin Rotor người ta áp dụng mộtsố lý thuyết tiêu biểu như: điều khiển PID, điều khiển LQR, điều khiển trượt, thích nghi, mạng nơron nhân tạo, điều khiển mờ số phương pháp điều. .. thi điều khiển phức tạp điều khiển thích nghi, điều làm gia tăng quan tâm nghi n cứu ứng dụng điều khiển thích nghi Có thể nói giai đoạn năm 1970 thời kỳ phát triển mạnh mẽ điều khiển thích nghi,