Điều khiển trượt thích nghi

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN MINH THÂN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Chun ngành: Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Họ tên học viên : PHAN MINH THÂN Phái : Nam Nơi sinh Ngày tháng năm sinh : 19-10-1980 : Bến Tre Chuyên ngành : Tự Động Hóa Tên đề tài MSHV : 01507728 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Nội dung Chương : TỔNG QUAN Chương : MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG Chương : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Chương : KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN Chương : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Ngày giao đề tài…………… ngày……tháng……năm……… Ngày hoàn thành đề tài…… .ngày……tháng……năm……… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUN NGÀNH PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH TRƯỞNG PHÒNG ĐT_SĐH TRƯỞNG KHOA QL_CN LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin chân thành tri ân đến tất quý thầy cô thuộc môn Điều Khiển Tự Động, khoa Điện-Điện tử, Trường đại học Bách Khoa TPHCM nhiệt tình trang bị kiến thức quý báo phương pháp nghiên cứu giúp đở tơi q trình học tập để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, ban quản lý môn Tự Động Hóa khoa Điện, Trường đại học Cơng Nghiệp TPHCM tạo điều kiện thuận lợi suốt trình công tác học tập Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Kari Unneland, tác giả báo nghiên cứu máy bay trực thăng hai bậc tự thông số kỹ thuật hãng Quanser cung cấp Song song tơi gửi lời cảm ơn đến tất bạn học viên cao học K18 giúp đỡ chia khó khăn học tập thời gian thực luận văn Đặc biệt xin chân thành tri ân sâu sắc đến thầy PGS.TS.Dương Hồi Nghĩa (Phó trưởng khoa Điện-Điện tử trường đại học Bách Khoa TPHCM) tận tình hướng dẫn, quan tâm suốt trình làm luận văn Cuối biết ơn sâu sắc đến tất người thân gia đình tơi, khơng ngừng động viên q trình học tập, thơng cảm giúp đở tơi sống để tơi an tâm q trình học tập nghiên cứu trường đại học Bách khoa TPHCM TP_HCM, ngày…… tháng………năm 2009 Học viên Phan Minh Thân TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Điều khiển trượt đời năm 1960 Lý thuyết điều khiển trượt nhiều nhà khoa học nghiên cứu quan tâm, với ưu điểm trạng thái ổn định tính bền vững giúp hệ thống ổn định có tín hiệu nhiễu từ mơi trường tác động vào hệ thống, hay thông số đối tượng thay đổi theo thời gian Bên cạnh việc thiết kế điều khiển trượt cần biết xác mơ hình tốn học đối tượng Trong thực tế, mơ hình động học đối tượng đơi lúc khơng thể biết xác, đồng thời biên độ luật điều khiển trượt lớn làm cho quỹ đạo pha hệ thống dao động quanh mặt trượt Điều gây nhiều hạn chế, điển cấu khí bị mài mịn gây sai số cấu trúc lớn theo thời gian, làm nóng mạch điện tử (tiêu tốn cơng suất vơ ích linh kiện) Để khắc phục hạn chế trên, người ta kết hợp luật điều khiển trượt với luật điều khiển thích nghi sử dụng hệ mờ mạng neuron hàm sở xuyên tâm RBFNN ( Radial Basis Function Neural Network ) nhận dạng luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa, để ước lượng hàm phi tuyến sở lý thuyết ổn định Lyapunov cho đối tượng Giải thuật điều khiển trượt thích nghi áp dụng điều khiển mơ hình máy bay trực thăng hãng Quanser cung cấp Đối tượng hệ phi tuyến MIMO tương đối phức tạp, thơng số mơ hình thay đổi, điển hình khối lượng máy bay tăng hay giảm theo thời gian Kết điều khiển kiểm chứng với phần mềm mô Matlab ABSTRACT SMC (Sliding Mode Control) appeared in 1960 The controller was rapidly interested in and developed by researchers all over the word because of the stability and robustness against disturbances and the change of parameters of the system However to design SMC, the exact models of plants has to be known In reality, mathematical models of complex plants not specify exactly Moreover the SMC may create chattering phenomenon around sliding surface This restriction are the main reason to cause unwanted effects such as making mechanical structures error and increasing temperature on the components of electronic circuits To solve the these problems, the different controller is proposed with combining sliding mode law and adaptive law based on fuzzy logic or RBFNN ( Radial Basis Function Neural Network ) to indentify linear feedback control law and estimate nonlinear functions Lyaponov stable theory is used to design this controller In the thesis, adaptive sliding mode control algorithm is applied to control a two degree of freedom helicopter which is a complex MIMO nonlinear system of Quanser provider Adaptive law is used when the mass of helicopter changed The adaptive sliding mode controller is simulated to check on the stability of the controller MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Đối tượng điều khiển 1.2.1 Phần cứng mơ hình máy bay trực thăng 1.2.2 Kết cấu phần cứng 1.2.3 Kết nối board điều khiển 1.2.4 Kết nối khuếch đại công suất 1.3 Mạch điều khiển mạch động lực 10 1.3.1 Board Quanser MultiQ PCI 10 1.3.2 Giới thiệu Wincon 4.1 11 1.4 Bài toán điều khiển 17 1.5 Mục tiêu luận văn 19 CHƯƠNG MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG 2.1 Đặc tính động máy bay trực thăng 20 2.1.1 Phân tích lực moments tác động lên hệ thống 20 2.1.2 Mơ hình đơn giản hệ thống 21 2.2 Ảnh hưởng ngoại lực tác động lên hệ thống 24 2.2.1 Ma trận chuyển đổi 25 2.2.2 Ảnh hưởng trọng lực lên tâm khối hệ thống 26 2.2.3 Năng lượng động 27 2.2.4 Moment quay tác động lên hệ thống 29 2.3 Phương trình tốn mơ tả hệ thống 31 2.3.1 Phương trình Euler – Lagrange 31 2.3.2 Ma trận quán tính hệ thống 31 2.3.3 Giải phương trình Euler – Lagrange 32 2.3.4 Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống 34 2.4 Các thông số máy bay trực thăng 35 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 3.1 Giới thiệu 38 3.2 Lý thuyết điều khiển trượt 39 3.3 Phương pháp chọn mặt trượt tượng dao động 41 3.3.1 Phương pháp chọn mặt trượt 41 3.3.2 Hiện tượng dao động quanh mặt trượt 41 3.4 Xây dựng điều khiển trượt bám 43 3.4.1 Mơ hình vật lý máy bay trực thăng 43 3.4.2 Bộ điều khiển trượt 46 3.5 Xây dựng điều khiển trượt bám thích nghi 55 3.5.1 Lý thuyết điều khiền thích nghi 59 3.5.2 Thiết kế điều khiển trượt thích nghi gián tiếp 61 3.5.3 Thiết kế điều khiển trượt thích nghi trực tiếp 65 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mô điều khiển trượt bám 72 4.1.1 Khi thông số điều khiển mơ hình khơng đổi 73 4.1.2 Ảnh hưởng thông số điều khiển 75 4.1.3 Ảnh hưởng thơng số mơ hình 82 4.2 Mô điều khiển trượt bám thích nghi 84 4.2.1 Khi thông số điều khiển thay đổi 84 4.2.2 Khi thơng số mơ hình thay đổi 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận 88 5.2 Phương hướng phát triển 89 Tài liệu tham khảo 90 Phụ lục Chương trình M-file sơ đồ Simulink 92 _ Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Từ kỷ 20, nhân loại chứng kiến cách mạng khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ toàn giới Đặc trưng cách mạng khoa học kỹ thuật kỹ thuật máy tính, cơng nghệ thơng tin cơng nghệ tự động hóa Trong cơng nghệ tự động hố ln coi trọng, ứng dụng phát triển Việc ứng dụng cơng nghệ tự động hố mang lại lợi ích to lớn nhiều mặt đảm bảo nâng cao chất lượng sản phẩm , tiết kiệm nguyên vật liệu, nâng cao suất hiệu sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc người lao động, đóng vai trị tích cực việc giữ gìn bảo vệ mơi sinh … Bước sang kỷ 21, kỹ thuật tự động hoá tiếp tục phát triển theo hướng tối ưu hóa với việc dần chuyển sang ứng dụng lý thuyết điều khiển thông minh vào công nghiệp đời sống Ngày nhiều Robot thơng minh có khả độc lập hoạt động với nhiều mục đích chuyên biệt khác đời đáp ứng nhu cầu ngày cao sống từ Robot bán hàng tự động, Robot lau nhà đến Robot y tá làm việc bệnh viện hay Robot hỗ trợ người tàn tật…Khơng thế, ứng dụng lĩnh vực quân sự, quốc phòng đặc biệt ngành khoa học vũ trụ hệ thống điều khiển tên lửa đạ đạo, máy bay không người lái, điều khiển tàu vũ trụ, điều khiển Robot tự hành thám hành tinh…mở chân trời cho loài người Tất áp dụng từ giải thuật điều khiển thơng minh đại CBHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân ... điều khiền thích nghi 59 3.5.2 Thiết kế điều khiển trượt thích nghi gián tiếp 61 3.5.3 Thiết kế điều khiển trượt thích nghi trực tiếp 65 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mô điều khiển trượt. .. luận án nghi? ?n cứu lý thuyết điều khiển trượt thích nghi Có thể kể đến vài cơng trình là: Điều khiển nhiệt độ, điều khiển arcrobot, điều khiển hệ cần cẩu, điều khiển máy bay trực thăng, điều khiển. .. tài MSHV : 01507728 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Nội dung Chương : TỔNG QUAN Chương : MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG Chương : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Chương : KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN Chương : KẾT LUẬN