Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo cho hệ thống twin rotor MIMO tt

MỞ ĐẦU ấ ế đề Hệ thống thí nghiệm khí động học, chuyển động mơ giống chuyển động máy bay trực thăng TRMS đối tượng điều khiển phi tuyến điển hình nhiều đầu vào nhiều đầu ra, có tương tác xen kênh, có tham số bất định có nhiễu tác động Vì vậy, có nhiều cơng trình ngồi nước lấy TRMS làm đối tượng nghiên cứu nhằm phát triển kiểm nghiệm phương pháp khiển mới, đặc biệt cho toán điều khiển bám vị trí xác Mặc dù cơng trình đạt kết dựa tiêu chí, phương pháp xây dựng hệ điều khiển đặt TRMS thách thức không nhỏ nhà nghiên cứu việc áp dụng thuật toán điều khiển để cải thiện chất lượng bám quỹ đạo Do đó, tác giả chọn đề tài luận án “Nghiên cứu thiết kế điều khiển bám quỹ đạo cho hệ thống Twin Rotor MIMO” để có thêm đóng góp có ý nghĩa khoa học nghiên cứu lý thuyết khả ứng dụng vào thực tiễn cho lớp đối tượng phi tuyến ục đích nhiệ ụ đề Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tuyến tính phản hồi kết hợp bợ nhận dạng bất định hiễu áp dụng vào hệ điện tử mơ tả mơ hình Euler Để thực mục tiêu này, đề tài đặt nhiệm vụ Nghiên cứu kỹ thuật cài đặt điều khiển tuyến tính hóa xác cho lớp hệ Bổ sung vào điều khiển thêm chức nhận dạng thành phần bất định hàm điều khiển bù thành phần bất định hàm để mở rộng khả ứng dụng chất lượng điều khiển tuyến tính hóa xác, cho lớp hệ Euler Đối tượ ứ ủ ậ Đối tượng nghiên cứu luận án lớp hệ Euler tuyến, bất định nói chung hệ TRMS nói riêng Với TRMS hệ có gần đầy đủ tính mơ thiết bị bay dạng trực thăng thuộc nhóm hệ điện tử có mơ hình kiểu Lagrange tổng qt Phạm vi nghiên cứu cụ thể đề tài là: Nghiên cứu xây dựng phương pháp điều khiển hệ Euler Lagrange dạng song tuyến, có mơ hình khơng xác, chứa thành phần bất định hàm, để đầu hệ thống, tức biến khớp hệ, bám tiệm cận theo quỹ đạo mẫu mong muốn cho trước Áp dụng phương pháp cho hệ cụ thể TRMS Kiểm chứng chất lượng điều khiển mô thực nghiệm Phương pháp nghiên Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án sử dụng các phươn pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các kiến thức về sai lệch mơ hình tốn hệ Euler Lagrange nói chung hệ TRMS nói riêng, nguyên nhân sai lệch Từ đưa phương pháp điều khiển thích hợp mà cụ thể phương pháp điều khiển thích nghi bù sai lệch mơ hình phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xác phản hồi trạng thái Nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng công cụ Matlab Simulink để mô phỏn g kiểm chứng các nhận định lý thuyết và các thuật toán mà luận án đề xuất Kiểm chứng kết nghiên cứu thực nghiệm sát với điều kiện thực tế, tức tiến hành thí nghiệm để đánh giá chất lượng bền vững điều khiển đề xuất bàn thí nghiệm vật lý hệ TRMS ững đóng góp mới, ý nghĩa khoa họ ự ễ ủ luận án * Luận án có đóng góp cụ thể sau: Xây dựng điều khiển bám quỹ đạo cho hệ Euler song tuyến có mơ hình xác, chứng minh tính ổn định ổn định tiệm cận hệ bám trường hợp khơng có có yếu tố bất định Xây dựng điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ Euler Lagrange song tuyến bất định sở điều khiển tuyến tính hó xác kết hợp nhận dạng thành phần bất định dựa ngun lý tối ưu hóa đoạn sai lệch mơ hình trục thời gian * Ý nghĩa khoa học luận án: Từ điều khiển theo luật PID nhà cung cấp thiết bị cho TRMS, luận án thiết kế điều khiển bù bất định theo nguyên lý tối ưu hóa đoạn sai lệch mơ hình trục thời gian đạt độ xác cao bám quỹ đạo mẫu; Đóng góp phần nhỏ vào phát triển phong phú lý thuyết điều khiển tự động cho hệ phi tuyến có tham số bất định nhiễu tác động * Ý nghĩa thực tiễn luận án: Đa dạng hóa phương pháp điều khiển ứng dụng đào tạo bậc cao học nghiên cứu sinh trường; Từ kết nghiên cứu áp dụng cho phần tử bay ạng khí động học phức tạp ố ụ ủ ậ Nội dung của luận án được trình bày chương và phần kết luận gồm các vấn đề nghiên cứu sau Chương trình bày tổng quan mơ hình hóa phương pháp điều khiển có cho TRMS Từ phân tích ưu nhược điểm phương pháp để đề xuất giải pháp khắc phục nhược điểm, phát huy ưu điểm chúng Chương xây dựng điều khiển tuyến tính hóa xác hệ Chương xây dựng điều khiển bù bất định hàm dựa nguyên lý tối ưu hóa đoạn sai lệch mơ hình trục thời gian Sau kết hợp với điều khiển tuyến tính hóa xác để điều khiển thích nghi bền vững cho hệ TRMS Cuối cùng, chương 4, chất lượng điều khiển tuyến hóa xác kết hợp với cấu nhận dạng bù sai lệch bất định mơ hình kiểm chứng điều kiện thực tế với bàn thực nghiệm vật lý hệ TRMS CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HĨA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Mơ hình hóa hệ T Cấu trúc vật lý hệ TRMS Hình 1.1: Cấu trúc vật lý hệ TRMS Hình 1.1 biểu diễn cấu trúc vật lý hệ thống Twin Rotor (viết tắt TRM System) Đây thí nghiệm thiết kế cho mục đích thực nghiệm Hình 1.2 mô tả chi tiết quan hệ hai phần điện v c h TRMS Động đuôi Vnh động đuôi Vnh động Chốt quay Động Động đuôi máy phát tốc Cánh tay đòn tự Đối trọng Trụ Động m¸y ph¸t tèc TRMS 33-220 Kết cấu điện hệ TRMS Mơ hình hóa phương pháp lý thuyết Phương trình Euler Phương trình Euler Lagrange hệ có cấu trúc sau T T d ỉ ¶L ổ ảL ỗ ữ -ỗ ữ = Ft dt ỗố ảq ữứ ỗố ảq ữứ Cỏc phng trỡnh Lagrange p dng phng trỡnh Euler Động đuôi z Thanh nèi chèt xoay P3 01 d ỉ ¶L ảL = ồMih ỗ ữdt ố ảah ứ ảah i Cánh tay đòn tự ab P2 d ổ ảL ảL = ồMiv ỗ ữdt ố ảav ứ ¶av i -a ry(R 1) v 02 y rx(R 1) Trong đó: P'1 x L = åWđi - åWti i= i= Biểu diễn hai phương trình chung lại với di dng ộJ ờ Động P1 Thanh ®èi träng ( av + J ) av + h mT + mT + J ( h mT lT ( av - mT lT éh mT lT av + mT lT +ê ê ah (J - J ) a v ë av ( ) ) av av + (J ( a v + g mT lT - J )a v a v + mT lT ) , được: av ù éa ù úê hú ú ëa v û (J + J ) û M ih ù av a v ù éå ú ú=êi ú ê åM iv ú av û êë i úû av - mT lT h mT lT ) å M ih = M prop h M fric h Mcable + kmwv i av åMiv = M prop v - M fric v + kt wh + Mgyro i ah : góc đả av ọ wh vận tốc góc rotor [rad/s] wh vận tốc góc rơ to [rad/s] Nhận dạng tham số mơ hình Các bước chi tiết quy trình nhận dạng cho riêng hệ TRMS trình bày cụ thể hai tài liệu u Cơ cấu chấp hành t Cơ hệ q = ah a v T TRMS : Cấu trúc khối tổng thể hệ vật lý Các phương pháp điều khiển có tổng qu Phương trình Euler hệ điện tổng quát M q q +C q q q + g q = F t + n t Áp dụng cho mơ hình TRMS mơ tả phương trình vào phương trình tham số sau: ỉ ah ỉ M prop h ữ q = ỗ a ữ M q = (mij q M ố prop v ứ ố vứ t =ỗ F =I ´ ( gq = g mT lT ) C q q = (cij q q av + mT lT av ) i j= ) T av ỉ -M fric h - Mcable + kmwv n t =ỗ ÷ -M fric v + kt wh + M gyro è ø av + J m q =J m q =m av + h mT + mT + J ( q = h mT lT c q q = av (J - J c q q = avh mT lT c q q = ah (J - J ) ( a v - mT lT av av av ) m q = J +J av ) av + mT lT ) av av vµ c = Điều khiển tuyến tính v Hệ tuyến tính Bộ điều khiển vịng t Hệ TRMS q Hình 1.7: Tuyến tính hóa điều khiển phản hồi Với giả thiết mơ hình hệ – điện (1.40), hay hệ TRMS mô tả mơ hình tốn Tuyệt đối xác, Đủ cấu chấp hành Và không chứa thành phần bất định, tức có n t = điều khiển (vòng trong) làm hệ phản hồi trở thành tuyến tính là: t = M q v +C q q q + g q Ta thấy với điều khiển vịng hệ phản hồi hình 1.7 trở thành tuyến tính (tích phân bậc tách kênh): M q v =M q q v =q M q ma trận khả nghịch (xác định dương) Ngoài ra, ta cịn thấy với điều khiển , hệ khơng tuyến tính cịn tách kênh.Với điều khiển vịng vấn đề điều khiển cịn điều khiển hệ tuyến tính, tách điều khiển tuyến tính (ở vịng ngồi) sa cho tồn hệ kín có chất lượng bám mong muốn, tức để đầu q bám tiệm cận theo vector tín hiệu mẫu r cho trước Điều khiển PID Điều khiển tối ưu LQR Điều khiển phi tuyến Điều khiển theo nguyên lý trượt Điều khiển thích nghi Điều khiển mờ Điều khiển mạng neural Điều khiển dự báo điều khiển trượt dọc trục thời gian Kết luận Ở chương luận án trình bày tổng quan hệ thống Twin đề cập đến vấn đề phi tuyến đối tượng cần nghiên cứu TRMS Nhờ thấy TRMS hệ MIMO phi tuyến có hai đầu vào / hai đầu chịu ảnh hưởng xen kênh, có thơng số bất định nhiễu tác động Qua phân tích đánh giá tổng quan cơng trình nghiên cứu tác giả nước với hướng nghiên cứu điều khiển bám quỹ đạo chuyển động TRMS từ làm rõ tính cấp thiết luận án đề xuất xây dựng điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ – điện song tuyến bất định sở điều khiển tuyến tính hóa nhận dạng thành phần bất định nguyên lý tối ưu hóa đoạn sai lệch mơ hình trục thời gian áp dụng cho TRMS Bộ điều khiển tận dụng ưu điểm điều khiển có, đồng thời tránh nhược điểm chúng Chính vậy, luận án đặt yêu cầu: Vẫn sử dụng ưu đáng tin cậy phương pháp điều khiển tuyến tính, liên tục (khơng cần rời rạc hóa mơ hình để thiết kế điều khiển) Bổ sung thêm cho phương pháp điều khiển tuyến tính miền thời gian liên tục, hay phương pháp tuyến tính hóa đó, khả thích nghi bền vững với thành phần bất định phi tuyến CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC HỆ TRMS Ở chương này, luận án tìm cách xây dựng điều khiển bám quỹ đạo mẫu cho hệ điện có mơ hình Euler tuyến: M q q +C q q q = F éëu + d q t ùû thay cấu trúc gốc ban đầu Có thể thấy so sánh với tương đương, thành phần bất định n t , vector lực ma sát gia tốc trọng trường g q giả thiết thuộc không gian ảnh F n t = Fn t g q = Fg q Khi n t g q d q t có quan hệ: d q t =n t -g q Phương pháp sở: Điều khiển bù trọng trường Phương pháp điều khiển bù trọng trường phương pháp thiết kế điều khiển bám quỹ đạo mẫu trước, ký hiệu r biến khớp q lớp hệ điện đủ cầu chấp hành không chứa thành phần bất định (gọi hệ M q q +C q q q + g q = u u = t , tức ta giả thiết cấu chấp hành giống khâu biến đổi lý tưởng giá trị vật lý r e Bộ điều khiển bám quỹ đạo đặt v Bộ điều khiển tuyến tính hóa xác u Hệ cơ-điện tử (có mơ hình EulerLagrange) q Hình 2.1: Cấu trúc cascade điều khiển bù trọng trường Tuyến tính hóa xác phản hồi Bộ điều khiển tuyến tính hóa phản hồi (điều khiển vịng trong) cho hệ điện tử điều khiển biết trước u = M q v + C q q q + g q với hệ kín vịng trở thành tuyến tính: q = v Hơn nữa, hệ tuyến tính SISO (một vào ra) dạng tích phân bậc 2: gồm n hệ qi = vi i = n n số biến khớp (và số tín hiệu đầu vào) Điều khiển vịng ngồi để bám quỹ đạo mẫu Bộ điều khiển vịng ngồi xác định v= d r de với e = r - q +K e +K dt dt r rad e rad K rad s K rad s Hai ma trận K K chọn cho F = é ê -K ë ù -K úû ma trận Hurwitz Với điều khiển vịng ngồi hệ tuyến trở d e de d r de = +K e +K q =v = +K e +K dt dt dt dt tức trở thành: æe ö æe ö æe ö æe ö ( Ft ) ỗ ữ ỗe ữ = F ỗe ữ ç e ÷ = è ø èe ø è ø è ø e® e® F ma trận Hurwitz Bộ điều khiển chung hai điều khiển chung lại với nhau, ta được: u = M q [r + K e + K e ] + C q q q + g q với e = r - q Phương pháp đề xuất cho hệ tuyến M q q +C q q q = u Bộ điều khiển bám quỹ đạo mẫu Cải biên điều khiển chung phù hợp với dạng song tuyến cho công thức ta có: u = M q [r + K e + K e ] + C q q q với e = r - q d r Bộ điều khiển bám quỹ đạo đặt cho công thức (2.12) »q u Hệ cơ-điện tử dạng song tuyến theo biến khớp (2.11) q Ước lượng giá trị đạo hàm Hình 2.2: Điều ển bám quỹ đạo mẫu cho hệ song tuyến theo biến khớ Định lý Với ma trận K K điều k i >k i > khiển làm cho đầu hệ song tuyến theo biến khớp, mô tả tiệm cận tới tín hiệu mẫu r Chứng minh: Ký hiệu hai ma trn K = ki ổ K Q =ỗ ỗ ố K = ÷ K - K ÷ø k i ổ KK P =ỗ ố K Vi cỏc iu kin xứng xác định dương Tiếp theo -K ưỉ K K ổ FT P + P F = ỗ ữỗ ố I -K ứố K ổ K = -ỗ ỗ K -K è ận K K ÷ø ma trận F cho , ta cú K ổ KK + K ữứ ỗố K ữ = -Q ữ ứ K ửổ K ữỗ øè -K I -K ÷ø Cuối cùng, (2.18) phương trình Lyapunov với Q đối xứng xác định dương có nghiệm P đối xứng xác định dương (thậm chí nhất), F phải ma trận Hurwitz Vì t mục 2.1.2 phương trình (2.9) với e = r q phải có đồng thời e® e® (điều cần phải chứng minh) Đánh giá chất lượng bền vững điều khiển đề xuất cho hệ Euler Lagrange song tuyến bất định Tài liệu có trình bày phương pháp điều khiển bền vững ISS cho hệ bất định dạng tổng quát , đủ cấu chấp hành, tức hệ có mơ hình: M q q +C q q q + g q = u + n t qỴ n Dựa theo kết có tính bám ổn định ISS, luận án đến phát biểu tương tự sau, cho lớp hệ Euler Lagrange song tuyến có thêm thành phần bất định n t , mô tả bởi: M q q +C q q q = u + n t trận K K Định lý Với K = K = ki k i k = =k n =a k = b - >a > chọn u = M q éër - d t + K e + K =k n = ab điều khiển: e ùû +C q q q d t hàm chọn thỏa mãn: d t -M q - n t £ m "t q đưa sai lệch bám e = r - q hệ Euler Lagrange song tuyến chứa thành phần bất định lân cận nhỏ gốc: ì = íp = ợ ee ẻ n cựng o hm ca nú p Ê mỹ ý aỵ e tin v Chng minh Với hai ma trận K K cho hai ma trận P Q định công thức , phần chứng minh định lý 1, ma trận đối xứng xác định dương Hơn chúng thỏa mãn phương trình Lyapunov có ma trận F cho Ngồi ra, hệ kín, gồm đối tượng Euler Lagrange song tuyến điều khiển cịn mơ tả bởi: de de = -K e - K +d t - M q dt dt dp ổ =ỗ dt è -K - nt I ỉ ÷ p + ỗ ữ v = Fp + Bv -K ứ ốI ứ ú: ổe p = ỗ ữ v t =d t èe ø M q nt æ B =ỗ ữ ốI ứ S dng hm xỏc định dương: (e e ) = ( p V p = pT Pp với p = p p n )T với dV = dt é F p + Bv T Pp + pT P F p + Bv ù ë û = é pT FT P + P F p + vT BT P + BT PT p ù ë û = ( -p Qp + T vT BT P p ) ổK = - pT ỗ ỗ ố ö T ÷p + v ( K - K ÷ø ổ T K = -p ỗ ỗ ố T ÷ p + v (K K - K ÷ø n n i= i= = -a å p - ab - a å pn +i + (ap ( æ KK I )ỗ ố K K p K ữứ K )p apn ab - a pn + ab - a p n )v ) £ -a p + a v p £ a m - a p p Như vậy, sai lệch bám p nằm xa gốc, tức cịn có: p Ï cịn có V < p giảm, hay sai lệch bám tiến gốc điều phải chứng minh Cuối cùng, từ định lý ta thấy, áp dụng trực tiếp điều khiển bền vững ISS cho hệ Euler Lagrange bất định , với số a chọn lớn, miền hấp dẫn nhỏ Tuy nhiên thực tế ta chọn a = ¥ để bám ổn định ISS trở thành bám ổn định tiệm cận Do đó, để điều khiển bám ổn định tiệm cận vấn đề cịn lại phải làm để chọn ứng d t thỏa mãn điều kiện bắt buộc với m = Điều luận án giải sau chương Áp dụng cho hệ TRMS kiểm chứng chất lượng điều khiển mô MatLab Tín hiệu mẫu hàm đơn vị T T r = (ahR avR ) = ( ) r = (ahR avR ) = ( T Hai ma trận K K t - c chn l: K = ổỗ ố t ) T ổ ữ K =ỗ ứ ố ÷ ø Hình 2.3: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu dạng bước nhảy đơn vị Hình 2.4: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu dạng bước nhảy đơn vị gq gq Hình 2.5: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu gq Hình 2.6: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu gq ết luận Các kết nghiên cứu luận án thuộc chương gồm có: Đã trình bày tóm tắt lại phương pháp điều khiển truyền thống phương pháp điều khiển bù trọng trường, làm cở cho việc đề xuất xây dựng điều khiển tuyến tính hóa xác luận án, áp dụng cho lớp hệ Lagrange song tuyến, đủ cấu chấp hành không chứa thành phần bất định (được gọi hệ có mơ hình xác) Đã chứng minh chặt chẽ lý thuyết (ở định lý 1) chất lượng bám ổn định tiệm cận theo quỹ đạo mẫu mà điều khiển đề xuất mang lại cho hệ Euler Lagrange song tuyến Về trường hợp hệ Euler Lagrange song tuyế xác, tức tồn thành phần bất định hàm, chương luận án bàn tới khả cải tiến điều khiển đề xuất, để đạt chất lượng bám ổn định ISS (thay bám ổn định tiệm cận) Mặc dù kết bổ sung không luận án tiếp tục sử dụng, song xem khẳng định cho khả ứng dụng điều khiển đề xuất cho lớp rộng hệ Euler hình khơng xác (có sai lệch mơ hình) Bên cạnh việc chứng minh lý thuyết, chất lượng bám ổn định tiệm cận điều khiển đề xuất luận án chứng minh lại lần mơ với mơ hình hệ TRMS dạng Euler Lagrange song tuyến không chứa thành phần bất định CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BÙ BẤT ĐỊNH HÀM THEO NGUYÊN LÝ TỐI ƯU HĨA TỪNG ĐOẠN SAI LỆCH MƠ HÌNH TRÊN TRỤC THỜI GIAN Hiện nhiều phương pháp nhận dạng thành phần bất định hàm cho hệ phi tuyến nói chung áp dụng cho hệ song tuyến x = A x x + B x [u + d x t ] với d x t thành phần bất định hàm, phụ thuộc trạng thái có số chiều tín hiệu điều khiển, tức thành phần bất định hàm thuộc không gian ảnh B x d u thànhphần bất định hàm Cơ cấu chấp hành t Đối tượng điều khiển x trạng thái hệ thống d Ước lượng thành phần bất định hàm 1: Cấu trúc hệ điều khiển bù thành phần bất định hàm đầu vào Có thể thấy sau nhận dạng bù bất định mơ tả hình 3.1 việc thiết kế điều khiển (vịng ngồi) trở nên đơn giản với việc điều khiển hệ tiền định mơ tả hình song tuyến x =A x x +B x u cho đầu y = g x bám tiệm cận theo quỹ đạo mẫu đặt trước r t Đó cơng việc luận án giải từ chương cho hệ TRMS với chương trình điều khiển Thuật tốn nhận dạng thành phần bất định hàm Lớp hệ bất định có mơ hình trạng thái song tuyến Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu cho lớp đối tượng điều khiển phi tuyến, mơ tả mơ hình dạng song tuyến (trong có hệ Khi cấu chấp hành giả thiết lý tưởng, tức có u = t (thuần túy mặt giá trị), khơng có lỗi ( d = ) khơng có nhiễu tác động hệ song tuyến hình có mơ hình lý tưởng cho cơng thức đó: A x B x hai ma trận phụ thuộc trạng thái, u x vector tín hiệu điều khiển trạng thái hệ Như vậy, ta xét thêm ảnh hưởng nhiễu đầu vào lỗi cấu chấp hành, kể có sai lệch mơ hình với giả thiết sai lệch thuộc khơng gian ảnh B x lý tưởng trở thành mơ hình bất định hàm có dạng tổng qt: x = A x x + B x [u + d ] Có thể thấy dạng mơ hình song tuyến bất định đủ để bao quát họ rộng hệ phi tuyến có thực tế, kể hệ Euler Lagrange bất định , đủ thiếu cấu chấp , có hệ TRMS, đối tượng luận án chọn để mô phỏng, đánh giá chất lượng nhận dạng thành phần bất định Thật vậy, sử dụng ký hiệu: æ x ổq x =ỗ ữ=ỗ ữ ố x ứ ốq ứ tr thnh ổ Ax =ỗ ỗ ố vi: I -M q - ỉ ÷÷ B x = çç C qq ø èM q - ÷ F ÷ø Nhận dạng nhiễu theo nguyên tắc cực tiểu hóa đoạn bình phương sai lệch Hình 3.2 mơ tả nguyên lý nhận dạng thành phần bất định hàm d t dọc theo trục thời gian sở cực tiểu hóa sai lệch nhận dạng dk d k- t tk tk Đo trạng thái từ hệ thống x k tk + tk + = x tk Xác định trạng thái mẫu z k Xác định thành phần bất định hàm d k dk nhận dạng thành phần bất định đoạn trục thời gian Thuật toán nhận dạng hần bất định hàm (thuật toán Chọn khoảng dịch chuyển trục thời gian tk = kTs k = Ts với cách Đây thời điểm mà d t ước lượng xấp xỉ thành dãy giá trị d k » d tk Ở ta cần giả thiết ma trận B x hệ song tuyến đủ hạng điểm trạng thái x k = x tk tức có: B x k = n "x k Tùy chọn z x- = k = dĐo x k = x tk từ hệ thống Tính: é x êAk = I +TsA x k ê z êAk = I +Ts A z k êBk = TsB x k ê êz k = Akz z k - + Bk u ê êd k = éBkT Bk ù BkT x k - z k + Akz z k - - Akx x k ë û ë gán k = k + quay Về chất lượng nhận dạng thành phần bất định hàm d t hệ song tuyến bất định thuật toán nhận dạng trên, tài liệu khẳng định chứng minh: “Nếu trạng thái x k = x tk ( ) đo từ hệ thời điểm tk biểu diễn xác mơ hình khơng liên tục: x k = Akx x k - + Bk [u + d tk ] Akx = I +Ts A x k - Bk = TsB x k kết ước lượng nhờ thuật tốn xác, tức có: d k = d tk ” Để tăng tốc độ hội tụ cho thuật tốn nhận dạng trên, ta biến z k + = x k + Ở trường hợp vậy, phép tính dạng cho thay bằng: éAkx = I + Ts A x k ê z êAk = I + Ts A z k ê êBk = Ts B x k êz = Az z + B u k kk ê k êd = éBT B ù - BT x - z + Az z - Ax x k k k k kk kê k ë k kû êz = x k ë k ( thuật toán nhận ) Xây dựng điều khiể quỹ đạo mẫu cho hệ Lagrange song tuyến bất định Ở chương luận án trình bày phương pháp điều khiển bám ổn định tiệm cận cho hệ Lagrange song tuyến có mơ hình Tiếp theo ta bổ sung cho khả nhận dạng bất định điều khiển bù thành phần bất định này, để cịn áp dụng cho lớp hệ Euler Lagrange bất định Trước tiên, chuyển đổi mô hình Euler Lagrange bất định thành dạng Euler Lagrange song tuyến bất định cách đặt thành phần bất định mới: d q t = n t -g q Khi đó, mơ hình Euler Lagrange bất định ban đầu M q q +C q q q = u + d q t trở ỉq èq ø Tiếp theo, s dng ký hiu: x = ỗ ữ s tr thành dạng mơ hình trạng thái song tuyến bất định: ổ x =ỗ ỗ ố I -M q - ổ ữữ x + ỗỗ C qq ứ ốM q = A x x + B x [u + d x t thể æ A x =ỗ ỗ ố I -M q - - ÷÷ éëu + d q t ùû = ø ] ú: ổ ữ B x = ỗỗ C q q ÷ø èM q - ÷÷ ø d x t =d q t dạng mơ hình , thích hợp với thuật tốn nhận dạng bất định trình bày mục 3.1.2 Bộ điều khiển kết hợp điều khiển bám bù bất định Cấu trúc điều khiển kết hợp mơ tả hình 3.3 đây: d r Bộ điều khiển TTH u Hệ EulerLagrange x = col q q d Nhận dạng bất định Hình 3.3: Điều khiển kết hợp tuyến tính hóa xác bù bất định 3.2.2 Kiểm chứng chất lượng mô MatLab với TRMS iệu mẫu hàm bước: r = (ahR avR ) = ( Tín hiệu mẫu hàm sin: T r = (ahR avR ) = ( t t ) T T ) T ổ ổ K =ỗ ữ K =ỗ ữ ố ứ ố ứ Thnh phn bt nh hm c gi nh: ổ n t =ỗ ố t + t + t t ÷ø nhiễu d q t = n t - g q Nhiễu ước lượng dh t mặt ngang tín hiệu mẫu hàm bước Nhiễu ước lượng dv t mặt đứng tín hiệu mẫu hàm bước Hình 3.7: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu ước chưa có khâu bù bất định Hình 3.8: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu hàm bước bất định Hình 3.9: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu hàm bước chưa có khâu bất định Hình 3.10: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu hàm bước có thêm khâu bù bất định Nhiễu ước lượng dh t mặt ngang tín hiệu mẫu Nhiễu ước lượng dv t mặt ngangkhi tín hiệu mẫu l Hình 3.13: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu chưa có khâu bù bất định Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu khâu bù bất định Hình 3.15: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu hưa bù bất định Hình 3.16: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu thêm khâu bù bất định Kết luận Trong chương luận án đạt kết nghiên cứu Xây dựng thuật toán ước lượng thành phần bất định hàm Lagrange song tuyến, phục vụ việc điều khiển Kết hợp điều khiển bù bất định hàm với điều khiển tuyến tính hóa xác chương để có điều khiển bám ổn định tiệm cận tín hiệu mẫu cho hệ Euler Lagrange song tuyến Đánh giá chất lượng điều khiển đề xuất thông qua mô MatLab cho hệ TRMS CHƯƠNG KIỂM CHỨNG CHẤT LƯỢNG BẰNG THỰC NGHIỆM tả bàn thí nghiệm Các thiết bị bàn thí nghiệm 4.1.1.3 Hệ vật lý TRMS Hệ thống tạo nhiễu ngồi Đo lường Điều khiển Hình 4.1: Cấu trúc vật lý thí nghiệm TRMS nghiệm TR 4.1.2 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm TRMS ĐHKTCN Thái Ngun mơ hình bàn thí nghiệm TRMS ấu trúc hệ thống điều khiển hệ thực TRMS thiết kế Simulink Hình 4.14: Cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thực TRMS thiết kế Simulink Kết thí nghiệm đánh giá Tiến hành hí nghiệm Trường hợp tín hiệu mẫu số: ah ® r = av ® r = Trườ ợ ệ ẫ ah ® r = t av ® r = t ộ điề ể ế hai ma trậ K K n ổ K =ỗ ố ổ ữ K =ỗ ứ ố KI wh = KI iah = Kd iah = Kd wh = ần lượ ÷ ø - Thông số điều khiển tốc độ dịng điện cho động wh iah Kp wh = Kp iah = Thông số điều khiển tốc độ dịng điện cho động wv K p wv = iav K p im = KI iav KI w = v = Kd Kết đ Kd iav wv = = ất lượn Hình 4.25: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu hàm bước lệch có nhiễu quạt gió t =( ¸ )s Hình 4.26: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu hàm bước lệch có nhiễu quạt gió Nhiễu ước lượng dh t mặt ngang ứng với tín hiệu mẫu bước có nhiễu quạt gió Hình 4.28: Nhiễu ước lượng dv t mặt đứng ứng với tín hiệu mẫu bước có nhiễu quạt gió t =( ¸ )s t =( t =( ¸ ¸ )s )s Hình 4.29: Đáp ứng góc đảo lái ứng với tín hiệu mẫu có nhiễu quạt gió t = ( ¸ )s Hình 4.30: Đáp ứng góc chao dọc ứng với tín hiệu mẫu hàm sin có nhiễu quạt gió với t = ( ¸ )s Nhiễu ước lượng dh t ứng với tín hiệu mẫu n hiệu mẫu có nhiễu quạt gió với t =( ¸ )s Nhiễu ước lượng dv t ứng với hiệu mẫu tín hiệu mẫu có nhiễu quạt gió với t =( ¸ )s Kết luận Ở chương giải công việc sau: Đã tiến hành thiết kế, lắp đặt cài đặt tiến hành thực nghiệm đối tượng TRMS phịng thí nghiệm với điều khiển tuyến tính hóa xác kết hợp với cấu ước lượng nhiễu bù nhiễu ộ điều khiển tuyến tính hóa điều khiển mơ men để chạy thực nghiệm hệ thống cần bổ xung thêm hai mạch : mạch vòng tốc độ mạch vòng dòng điện Kết thực nghiệm bàn thí nghiệm TRMS phù hợp với lý thuyết chất lượng điều khiển khẳng định chương Nó chứng minh tính đắn thuật tốn ước lượng nhiễu bù nhiễu mơ hình đối tượng bất định chịu ảnh hưởng nhiễu, tăng cường khả kháng nhiễu để cải thiện chất lượng điều khiển KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT LUẬN Kết nghiên cứu luận án có số đóng góp sau: Xây dựng điều khiển bám quỹ đạo cho hệ điện song tuyến, chứng mịnh tính ổn định ổn định tiệm cận hệ bám trường hợp khơng có có yếu tố bất định Dựa phương pháp điều khiển truyền thống phương pháp điều khiển bù trọng trường, làm cở cho việc đề xuất xây dựng điều khiển tuyến tính hóa xác luận án, áp dụng cho lớp hệ Euler tuyến, đủ cấu chấp hành không chứa thành phần bất định (được gọi hệ có mơ hình xác) Đã chứng minh chặt chẽ lý thuyết (ở định lý 2) chất lượng bám ổn định tiệm cận theo quỹ đạo mẫu mà điều khiển đề xuất mang lại cho hệ Euler Lagrange song tuyến; Xây dựng điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ – điện song tuyến bất định sở điều khiển tuyến tính hóa nhận dạng thành phần bất định theo nguyên lý tối ưu hóa đoạn sai lệch mơ hình trục thời gian Dựa việc xây dựng thuật toán ước lượng thành phần bất định hàm mơ hình Lagrange song tuyến, phục vụ việc điều khiển bù Kết hợp điều khiển bù bất định hàm với điều khiển tuyến tính hóa xác chương để có điều khiển bám ổn định tiệm cận tín hiệu mẫu cho hệ Euler Lagrange song tuyến II KIẾN NGHỊ Nghiên cứu mơ hình TRMS, áp dụng điều khiển khác nhau, ứng dụng đào tạo bậc cao học nghiên cứu sinh trường; Từ kết nghiên cứu áp dụng cho phần tử bay có dạng khí động học phức tạp như: UAV nghiên cứu thêm phương pháp điều khiển phi tuyến khác ứng dụng cho TRMS  ... cơng trình nghiên cứu tác giả nước với hướng nghiên cứu điều khiển bám quỹ đạo chuyển động TRMS từ làm rõ tính cấp thiết luận án đề xuất xây dựng điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ – điện... 3.1.2 Bộ điều khiển kết hợp điều khiển bám bù bất định Cấu trúc điều khiển kết hợp mơ tả hình 3.3 đây: d r Bộ điều khiển TTH u Hệ EulerLagrange x = col q q d Nhận dạng bất định Hình 3.3: Điều khiển. .. đầu q bám tiệm cận theo vector tín hiệu mẫu r cho trước Điều khiển PID Điều khiển tối ưu LQR Điều khiển phi tuyến Điều khiển theo nguyên lý trượt Điều khiển thích nghi Điều khiển mờ Điều khiển