Nghiên cứu mô phỏng hệ thống lái máy bay sử dụng hệ thống truyền động điện thủy lực

Tổng quan về hệ thống điều khiển chuyển động máy bay, các hệ thống điều khiển trong buồng lái, phương pháp điều khiển máy bay bằng cơ khí, hệ thống điều khiển điện tử; cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và mô phỏng; kết quả mô phỏng và thảo luận.

VŨ NGUYỄN ANH TÙNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ NGUYỄN ANH TÙNG KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI MÁY BAY SỬ DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN - THỦY LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2018A HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ NGUYỄN ANH TÙNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI MÁY BAY SỬ DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN-THỦY LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN XUÂN BỘ HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi – Vũ Nguyễn Anh Tùng, học viên lớp 18BCLCCKDL khóa CLC2018A Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi dƣới hƣớng dẫn TS Trần Xuân Bộ – Viện Cơ khí Động lực – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 26 tháng năm 2019 Tác giả Vũ Nguyễn Anh Tùng i Xác nhận giáo viên hƣớng dẫn mức độ hoàn thành luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Giảng viên hƣớng dẫn TS Trần Xuân Bộ ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI MÁY BAY SỬ DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN-THỦY LỰC Tóm tắt: Hệ thống truyền động điện - thủy lực đƣợc sử dụng hầu hết hệ thống lái máy bay thƣơng mại máy bay quân lợi khả cung cấp tỉ lệ công suất khối lƣợng lớn so với loại truyền động khác, độ bền cao khả điều khiển tốt điện Tuy nhiên, hệ thống truyền động điện - thủy lực đƣợc biết đến hệ thống phức tạp phi tuyến bậc cao đặc tính phi tuyến van, đặc tính dầu thủy lực lực ma sát xi lanh thủy lực Các đặc tính phi tuyến làm cho việc điều khiển hệ thống lái điện - thủy lực trở nên khó khăn Do đó, việc nghiên cứu động lực học xây dựng phƣơng pháp điều khiển phù hợp hệ thống lái sử dụng hệ truyền động điện-thủy lực cần thiết Hệ thống điều khiển máy bay đƣợc nghiên cứu ứng dụng máy bay nhiều hãng sản xuất Tuy nhiên, kết nghiên cứu hệ thống điều khiển máy bay ứng dụng truyền động điện - thủy lực đƣợc công bố giới nƣớc hạn chế hầu nhƣ khơng có Điều gây khó khăn cho kỹ sƣ nhà nghiên cứu Việt Nam việc sửa chữa, bảo trì thiết kế chế tạo hệ thống lái máy bay Do vậy, Luận văn tập trung vào việc xây dựng mơ hình tốn học lý thuyết xây dựng phƣơng pháp điều khiển cho hệ thống lái máy bay sử dụng hệ thống thống truyền động điện thủy lực để từ khảo sát đặc tính động lực học nhƣ khảo sát khả điều khiển hệ thống lái Luận văn bao gồm chƣơng:  Chƣơng 1: Giới thiệu chung  Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết, mơ hình tốn học mơ  Chƣơng 3: Kết mô thảo luận Chƣơng tập trung vào giới thiệu chung, trình bày lý lựa chọn đề tài, xác định phạm vi nghiên cứu tổng quan hệ thống điều khiển máy bay cánh Chƣơng tập trung vào sở lý thuyết ứng dụng điều khiển máy bay, xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống lái cấu hình máy bay Airbus A320, từ xây dựng điều khiển PID cho hệ thống ứng dụng phần mềm Matlab Simulink để mô hệ thống Chƣơng tập trung vào đánh giá mơ hình toán học điều khiển dựa kết thu đƣợc từ mô Kết đề tài sở nghiên cứu tiến tới hồn thiện mơ hình mơ hệ thống lái máy bay i để từ ứng dụng vào việc nghiên cứu chế tạo, sửa chữa vận hành loại máy bay Việt Nam Đồng thời kết nghiên cứu đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho hƣớng nghiên cứu sau Từ khóa: Hệ thống điều khiển bay, hệ thống điện–thủy lực, Fly-By-Wire, hệ thống servo thủy lực SIMULATION OF FLIGHT CONTROL SYSTEM USING ELECTROHYDRAULIC TRANSMISSION SYSTEM Abstract: Electro-hydraulic transmission is used in most commercial and military aircraft flight control systems due to its ability to provide high power-to-mass ratios compared to other types of transmission However, the electro-hydraulic control system is complex and high-order nonlinear due to the nonlinearity of the valve’s feature, hydraulic oil properties, and friction force in hydraulic cylinders These nonlinear characteristics make it very difficult to control the electro-hydraulic system Therefore, it is necessary to study the dynamics and develop an appropriate control method for the flight control system using electro-hydraulic transmission This project concentrates on building theoretical mathematical models and a flight control model for aircraft control systems using electro-hydraulic transmission systems in order to explore dynamic characteristics and control ability of the flight control system The thesis consists of chapters:  Chapter 1: Introduction  Chapter 2: Theoretical Basis, Mathematical Model and Simulation  Chapter 3: Simulation Results and Discussion Chapter focuses on general introduction, presenting the reasons for chosing the topic, determining the scope of the study and introducing the plane control system Chapter focuses on the theoretical basis of aircraft control, building a mathematical model for the Electro-hydraulic transmission system of the Airbus A320 aircraft configuration, thereby building a PID controller for the system and applying the Matlab Simulink to simulate the system Chapter focuses on evaluating mathematical models and controller based on the results obtained from simulation The result of the project is the base to simulate aircraft control system and it can be applied to the aircraft manufacture and maintenance in Vietnam Keywords: Electro-hydraulic transmission, flight control system… ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập rèn luyện Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, biết ơn kính trọng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến BM Máy tự động thủy khí, Viện Cơ khí động lực nhiệt tình hƣớng dẫn, giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn thạc sĩ khoa học Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Xuân Bộ - ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ trình thực nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện sát, nghiên cứu để hoàn thành đề tài Tuy nhiên điều kiện lực thân hạn chế, luận văn thạc sĩ khoa học chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp để nghiên cứu tơi đƣợc hồn thiện Xin trân trọng cảm ơn! iii MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Tổng quan hệ thống điều khiển chuyển động máy bay 1.2.1 Nguyên lý điều khiển bay 1.2.2 Điều khiển máy bay cánh 1.3 Các hệ thống điều khiển buồng lái 1.3.1 Các hệ thống điều khiển 1.3.2 Các hệ thống điều khiển phụ 1.4 Phƣơng pháp điều khiển máy bay khí 1.5 Phƣơng pháp điều khiển máy bay thủy 11 1.5.1 Các thiết bị cảm nhận tải nhân tạo 14 1.5.2 Nhƣợc điểm hệ thống điều khiển khí hệ thống điều khiển thủy 15 1.6 Các hệ thống điều khiển điện tử (Fly-by-wire) 15 1.7 Tình hình nghiên cứu hệ thống điều khiển máy bay 19 1.8 Lý lựa chọn đề tài 20 1.9 Mục tiêu đề tài 21 1.10 Phạm vi nghiên cứu 21 iv CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ MƠ PHỎNG .22 2.1 Cơ sở lý thuyết 22 2.1.1 Phƣơng trình dịng chảy qua khe hẹp 22 2.1.2 Phƣơng trình van thủy lực 23 2.1.3 Phƣơng trình dịng chảy liên tục 24 2.1.4 Phƣơng trình lực cấu chấp hành 25 2.1.5 Phƣơng pháp điều khiển tuyến tính – tỉ lệ - tích phân .26 2.1.6 Giải phƣơng trình hệ thống, mơ máy tính 28 2.2 Xây dựng mạch điều khiển hệ thống 29 2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu 29 2.2.2 Mơ hình tốn học hệ thống 31 2.2.3 Bộ điều khiển cho hệ thống 35 2.3 Xây dựng chƣơng trình mơ Matlab SIMULINK 35 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Kết mô đặc tính hệ thống truyền động điện-thủy lực cánh lái 43 3.2 Kết mô hệ thống điều khiển 53 KẾT LUẬN 62 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy bay tầng cánh đơn giản Hình 1.2: Hệ trục tọa độ máy bay Hình 1.3: Các cánh điều khiển máy bay Hình 1.4: Cánh lái liệng Hình 1.5: Cánh lái độ cao Hình 1.6: Cánh lái hƣớng Hình 1.7: Các dây cáp điều khiển bánh lái độ cao bánh lái đuôi de Havilland Tiger Moth Hình 1.8: Cơ cấu kéo đẩy 10 Hình 1.9: Cơ cấu dây cáp ròng rọc 10 Hình 1.10: Cơ cấu điều khiển bay thủy 12 Hình 1.11: Cơ chế hoạt động cấu điều khiển thủy tuyến tính 13 Hình 1.12: Cơ cấu chấp hành tuyến tính với tín hiệu điều khiển autopilot 14 Hình 1.13: Buồng lái Airbus A321 sử dụng hệ thống điều khiển điện tử .16 Hình 1.14: Cơ cấu chấp hành hệ thống FBW 17 Hình 2.1: Dịng chảy qua khe ống 22 Hình 2.2: Van thủy lực có độ chờm âm 23 Hình 2.3: Lƣu lƣợng khối lƣợng vào thể tích 24 Hình 2.4: Lực tác động lên cấu chấp hành 26 Hình 2.5: Các thành phần tổn thất lực xi lanh 26 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 27 Hình 2.7: Ảnh hƣởng thành phần PID lên hệ thống 28 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển điện thủy lực cánh liệng máy bay 30 Hình 2.9: Mơ hình sợi nhám 34 Hình 2.10: Chƣơng trình mơ hệ thống điều khiển cánh liệng 36 Hình 2.11: Chƣơng trình mơ hệ thống 36 Hình 2.12: Chƣơng trình mơ liên hệ u xv 37 vi Có thể thấy ban đầu, góc cánh θ nhƣ độ dịch chuyển y pít tơng dao động ổn định biến đổi theo tín hiệu đầu vào u, nhiễu Trong chu kì hàm điều khiển u, tƣợng góc cánh lên đến vị trí θ = 10.1o (y = 8.5mm) u chạm biên dƣơng hàm sin (u=0.001) nhƣng xuống θ = -0.5o (y= -0.1mm) u chạm biên âm (u=-0.001) giải thích tác động áp suất ban đầu khoang xi lanh P10=1.5MPa Áp suất gây áp lực lên pít tơng ngăn cản chuyển động chạy vào pít tơng u âm Ngồi ra, ta thấy góc cánh θ nhƣ độ dịch chuyển y pít tơng có xu hƣớng giảm dần sau chu kì tín hiệu u Có thể giải thích đặc điểm đồ thị tác dụng tải khí động khơng đổi Fw tác dụng lên cánh, làm ngăn cản chuyển động vểnh lên cánh nhƣ chuyển động pít tơng Đồ thị Hình 3.9 biểu diễn áp suất khoang xi lanh u=0.001sin(2ft), thấy hai giá trị P1 P2 có xu hƣớng tăng nhanh ban đầu Sau ổn định, ta thấy áp suất khoang P1 P2 dao động tuần hoàn với tần số tín hiệu góc cánh mong muốn Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn áp suất khoang xi lanh u =0.001sin(2ft), f =0.5 Hz Cho tín hiệu vào van servo u=0.002 A khơng đổi, lực khí động tác dụng lên cánh liệng lần lƣợt Fw= 5000 N, Fw=20000 N Fw=47000 N giữ nguyên 50 thơng số khác hệ thống, ta mô đƣợc đáp ứng cánh liệng nhƣ đồ thị Hình 3.10 Hình 3.10: Đồ thị độ dịch chuyển ngang hai điều kiện ngoại lực tác dụng lên cánh liệng Có thể thấy lực khí động tác dụng lên cánh tăng từ Fw= 5000N lên Fw=20000N Fw=47000N, thời gian cánh liệng quay đến giới hạn (θ=25o) tăng từ 0.8s lên 1.1s 1.5s Kết mơ hợp lí tăng lực khí động tác dụng lên cánh, tải tác dụng lên pít tơng tăng dẫn đến cản trở cánh vểnh lên tăng, pít tơng di chuyển đến vị trí giới hạn chậm tƣơng ứng với cánh liệng vểnh đến vị trí giới hạn lâu Cho lực khí động tác dụng lên cánh Fw= 20000 N khơng đổi, tín hiệu vào van servo lần lƣợt u=0.001A, u=0.002A, u=0.003A giữ nguyên thông số khác hệ thống Ta mơ đƣợc đáp ứng cánh liệng nhƣ đồ thị Hình 3.11 51 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn thay đổi góc lái với đầu vào van servo khác (Fw=20.000 N) Khi tín hiệu điều khiển u vào van servo tăng từ u=0.001A, u=0.002A đến u=0.003A, thời gian cánh liệng quay đến giới hạn (25o) giảm từ t=2.8s xuống t=0.9s, t=0.5s Kết mô hợp lý u = 0, trƣợt van servo giữ ngun vị trí (vị trí 0), áp cấp vào hai buồng xi lanh cân góc lệch cách giữ nguyên vị trí 0o Khi cƣờng độ tín hiệu vào u tăng, trƣợt van servo dịch chuyển khoảng lớn hơn, cấp dầu cao áp nhiều khoang xi lanh đồng thời mở để dầu thủy lực khỏi khoang xi lanh nhanh Vì pít tơng chạy đến vị trí giới hạn nhanh hơn, tƣơng ứng với cánh liệng vểnh đến vị trí giới hạn mau Từ kết mơ đạt đƣợc từ Hình 3.1 đến Hình 3.11, ta có nhận xét mơ hình tốn học đƣợc xây dựng phù hợp hệ thống điều khiển điệnthủy lực cánh liệng máy bay 52 3.2 Kết mô hệ thống điều khiển Trong phần này, kết điều khiển vị trí góc cánh liệng máy bay sử dụng điều khiển PID đƣợc đƣa thảo luận Các góc cánh liệng mong muốn khác đƣợc xem xét mô để đánh giá khả điều khiển điều khiển PID Các thông số điều khiển PID đƣợc lựa chọn nhƣ sau: KP=0.08, KI=0.05 KD=0.05 Giá trị thông số đƣợc xác định dựa phƣơng pháp hiệu chỉnh Ziegler-Nichols [5] Hình 3.12 kết điều khiển góc cánh liệng với đầu vào góc cánh mong muốn θmm=20o Lực khí động tác dụng lên cánh Fw= 5000 N Từ đồ thị Hình 3.12, ta thấy với θmm=20o, góc cánh thực tế θ từ vị trí ban đầu θ=0o chạy đến vị trí θ=20o với thời gian độ t=0.25 s Sau đó, θ ổn định bám sát vị trí mong muốn Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn góc cánh liệng với θmm=20o Từ đồ thị đáp ứng góc cánh liệng, ta thấy khơng có tƣợng vọt lố (overshoot) Thời gian trễ td =0.02s, thời gian tăng tr =0.21s, thời gian đỉnh t p =0.21s, độ vƣợt lớn M p xấp xỉ 0o, thời gian đạt đƣợc độ ổn định (khi sai số nhỏ 53 2%) t s =0.1 Qua thông số đánh giá, ta thấy điều khiển PID với hệ số ba khâu KP = 0.1, KI = 0.01, KD = 0.01 điều khiển cánh liệng tốt với thời gian để cánh ổn định vị trí mong muốn nhỏ (t = 0.21s) Đồ thị đáp ứng góc cánh liệng có tƣợng “overshoot” nhƣng khơng đáng kể ta đặt hệ số khâu tỷ lệ KP thấp, hệ số khâu tích phân KI nhƣ hệ số khâu đạo hàm KD cao Khi giảm KP tăng KI, KD, đồ thị đáp ứng góc cánh chạy đến vị trí mong muốn nhanh ( t s