Điều khiển bền vững hệ cân bằng quán tính hai trục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGU N Đ NH HU N ĐI U KHI N B N V NG H C N B NG QUÁN T NH HAI TR C Chuyên ngành : t u t M s : 60520216 u nv T n LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, t án 12 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH HOA –ĐHQG –HCM Cán b ướn dẫn o ọc : TS NGU N VĨNH HẢO (G rõ ọ, tên, ọc m, ọc vị v c ữ ý) Cán b c ấm n n xét : TS V C NG PHƯ NG (G rõ ọ, tên, ọc m, ọc vị v c ữ ý) Cán b c ấm n n xét : TS NGU N TRỌNG T I (G rõ ọ, tên, ọc m, ọc vị v c ữ ý) Lu n văn t ạc s ược bảo vệ tạ Trườn Đạ 15 tháng năm 2018 ọc Bác ho , ĐHQG Tp HCM ngày T n p ần H ồn án lu n văn t ạc s ồm: (G rõ ọ, tên, ọc m, ọc vị củ H ồn c ấm bảo vệ lu n văn t ạc s ) PGS TS Hu n T Ho n TS P ạm V ệt Cườn TS Võ C n P n TS N uy n Trọn T TS Trần N ọc Huy Xác n n củ C ủ tịc H ồn án LV v Trưởn s u lu n văn ược sử c ữ (nếu c ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG o quản lý c uyên n n TRƯỞNG KHOA ĐI N-ĐI N T ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VI T NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHI M V LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên ọc v ên: N uy n Đ n Hu n MSHV: 1670027 N y, t án , năm s n : 20/11/1993 N t u t Chuyên ngành: I TÊN Đ T I: Đ u nv T h n n n n h c n s n : TP Hồ C M s : 60520216 n q n nh h r c II NHI M V V NỘI DUNG: - T m u l t uyết p n p áp v cấu tr c b u n c n b n quán t n tr c - T ết ế v m p - T c ện b mon mu n - T ết ế v t v n tron n , so sán b u c u n c n b n quán t n v ện b u u n b n vữn n c n b n quán t n án n bám v n n o III NG GIAO NHI M V : 8/2017 IV NG HO N TH NH NHI M V : 12/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGU Mn ás s , t ến ết ợp vớ b ạt ược ết u nc nb n N VĨNH HẢO Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên v c ữ ý) CHỦ NHI M BỘ M N Đ O TẠO (Họ tên v c ữ ý) TRƯỞNG KHOA (Họ tên v c ữ ý) LỜI CẢM ƠN Đầ Em xin gởi ến thầ V tận tình Thầy suốt thờ Những lời nhậ ú é ã ó óp ý Đồng thời, em xin trân trọng Đ ện – Đ ện Tử ó Những lời giảng Thầy Cơ bục giả í ũ Cu ê ữ ý c ot Thạ Sĩ ã úp ó ộ ịnh ề tài T ầy Cô củ T ê Đại Học Bách Khoa ã dạy dỗ em suốt thời gian qua ã bị cho em kiến thức giúp ởng hay bổ ích c n , x n lờ cảm n ến bạn ọc t p Các bạn ớng dẫn bảo ể thực hiệ ớng dẫn Thầ ắn suốt trình thực hiệ nói chung củ n u lờ uyên b 11 c tron ồn n c n em ườn ọc t p c n n cu c s n TPHCM, ngày 14 tháng 12 năm 2017 Thân Học viên NGU N Đ NH HU N b b p S b p p p b d d b gimbal b d d p p p 2, H∞ p b p b d b p pd p b b p p p T Đ b b ABSTRACT Two-axis inertially stabilized platform is a device used to maintain line-of-sight vector in the presence of external disturbance, it has many applications in reality This thesis presents procedure for designing controller of two-axis gimbal system Dynamics model of two-axis gimbal system is derived, parameters of the model are identified using grey box method Factors that affect control performance d ’ p s, uncertainty and disturbance are analyzed Different controllers including PI, H2, H∞, and µ synthesis are designed and simulated From the simulation results, the most effective controller is selected to implement in the microcontroller In addition, to verify effectiveness of the inner stabilizing loop, we design and implement an outer tracking loop based on image processing algorithm T d d d d p T b d ƯƠ 1: 1.1 T b .1 1.2 T b 1.2.1 b b 1.2.2 p 1.3 d .9 1.4 ƯƠ 2: Ư 10 2.1 10 2.1.1 S 10 2.1.2 Đ 11 2.1.3 b 12 2.1.4 b 2.1.5 13 2.2 b 13 2.2.1 13 2.2.2 ng 14 2.2.3 18 2.2.4 18 2.2.5 2.3 12 b d 2.3.1 X 20 b d 21 21 2.3.2 X ƯƠ 25 3: Ư 27 3.1 b 3.2 p 27 p p b ng 28 3.2.1 b 3.2.2 2/H∞ d b T 28 30 3.2.3 T b 2/H∞ 33 3.2.4 T b p 33 3.2.5 b 34 3.3 T b 34 3.3.1 2/H∞ 34 3.3.2 b 37 3.3.3 p 38 3.4 d b b 39 3.4.1 d 39 3.4.2 b 40 3.5 T b 41 3.6 Anti-windup 43 3.7 p p b b d p 44 3.7.1 44 3.7.2 b 3.8 ƯƠ 46 p 4: b 47 49 4.1 49 4.2 T b b 50 4.3 b 52 ƯƠ 5: 53 5.1 T 53 5.2 Đ 54 5.2.1 T 55 5.2.2 T p 5.2.3 T 59 61 5.3 Đ b 5.4 Đ 64 66 5.5 p 66 5.5.1 66 5.5.2 67 5.5.3 p 67 d d p b t Sai s đ|nh gi| c a trục yaw iên độ đỉnh-đỉnh c a tích ph}n gyro trục z/2 : ng 5.1 Sai s thí nghiệm ch ng rung trục yaw (đơn vị độ) Chuy ng PID H∞_ H∞_ Hz ± 0.6 ± 0.4 ± 0.3 0.5 Hz ± 0.4 ± 0.2 ± 0.15 0.2 Hz ± 0.2 ±0.1 ±0.1 S p 56 0.5 Hz 0.2 Hz Hz Hình 5.3 Kết qu sai s ứng với c|c dao động tần s kh|c c a bộ điều khiển PID cho trục yaw (thí nghiệm 1a) S Đ d p b b b (2.35) b p p 57 b [17] 0.2 Hz 0.5 Hz Hz Hình 5.4 Kết qu sai s ứng với c|c dao động tần s kh|c c a bộ điều khiển H∞ với thông sô mô phỏng cho trục yaw (thí nghiệm 1b) S Đ d 58 0.2 Hz 0.5 Hz Hz Hình 5.5 Kết qu sai s ứng với c|c dao động tần s kh|c c a bộ điều khiển H∞ c i tiến cho trục yaw(thí nghiệm 1c) :S p 0.2 Hz d b p d p d 5.2.2 b b p : b p b T 59 d p Sai s đ|nh gi| c a trục pitch iên độ đỉnh-đỉnh c a tích ph}n gyro trục y/2 : ng 5.2 Sai s thí nghiệm ch ng rung trục pitch (đơn vị độ) Chuy ng PID H∞ Hz ±0.5 ±0.2 0.5 Hz ±0.3 ±0.1 0.2 Hz ±0.2 ±0.1 S p 0.2 Hz 0.5 Hz Hz Hình 5.6 Kết qu sai s ứng với c|c dao động tần s kh|c c a bộ điều khiển PID cho trục pitch (thí nghiệm 2a) 60 S p Đ 0.2 Hz 0.5 Hz Hz Hình 5.7 Kết qu sai s ứng với c|c dao động tần s kh|c c a bộ điều khiển H∞ cho trục pitch (thí nghiệm 2b) S p 5.2.3 b b b :L b p p p Sai s đ|nh gi| c a trục yaw iên độ đỉnh-đỉnh c a tích ph}n gyro trục z/2 Sai s đ|nh gi| c a trục pitch iên độ đỉnh-đỉnh c a tích ph}n gyro trục y/2 61 : ng 5.3 Sai s thí nghiệm ch ng rung hai trục đồng thời (đơn vị độ) Chuy ng PID H∞ Yaw Pitch Yaw Pitch Hz ±0.6 ±0.5 ±0.3 ±0.2 0.5 Hz ±0.4 ±0.35 ±0.2 ±0.15 0.2 Hz ±0.2 ±0.2 ±0.15 ±0.1 d ă b p Đ b ∞ p b p p d 62 0.2 Hz 0.5 Hz Hz Hình 5.8 Kết qu đ|nh gi| sai s hai trục c a bộ điều khiển PID (thí nghiệm 3a) 63 0.2 Hz 0.5 Hz Hz Hình 5.9 Kết qu đ|nh gi| sai s hai trục c a bộ điều khiển H∞ (thí nghiệm 3b) 5.3 ă b b : b b d ∞ cho 64 T b ∞ cho p T b b b b 3.5 : d Hình 5.10 ên tr|i |p ứng c a bộ điều khiển trục yaw với tín hiệu đặt dạng xung vuông ±90 độ/s bên ph i phóng to đ|p ứng thời điểm 2-2.2s Hình 5.11 ên tr|i |p ứng c a bộ điều khiển trục pitch với tín hiệu đặt dạng xung vuông ±90 độ/s bên ph i phóng to đ|p ứng thời điểm 66-1.8s - b -T b pb b p 50 65 b 5.4 b b b b b T b d T pd : Đ p d g p Hình 5.12 Kết qu tracking v t T d b p b 5.5 5.5.1 -X d b -T p b b b 2, p -T b b d - b 1.1 66 H∞ ng 5.4 ng đ|nh gi| kết qu đề t{i STT Tiêu chí T T p ộ b S b ộ p S 5.5.2 - d p p - N= b S d d p b d b b -V S b 5.5.3 -T b b -Đ d d d p -T b S p d b FOG) -X p d b p d b p 67 [1] d “ - b ” IEEE Trans Aerosp Electron Syst., vol 37, no 3, pp 1083–1091, 2001 [2] “ T TS S” b pp 26–46, 2008 [3] “ b d p p ” IEEE Control Syst Mag., vol 28, no 1, pp 47–64, 2008 [4] S S dY “ b b -axis gimbaled sensor db ” IET Control Theory Appl., vol 4, no 4, p 539, 2010 [5] “S p d p - b d ” pp 119–126, 1998 [6] W “ d dT p ” Am Control Conf., vol 6, no 2, pp 3758–3769, 2004 [7] S d W S b [8] S b W “ dS ” pp d the technique of mu- ” “T d ∞ –700, 2011 -gimbal electro-optical platform by Chinese Control Conference, 2010, pp 3447– 3452 [9] W d V S p “ S b Systems Using Robust Inverse Dynamics Control and Sliding Mode Con ” The 6th International Conference on Automotive Engineering, 2010 [10] d d “S -tuning controller for nonlinear inertial stabilization ” IEEE Trans Control Syst Technol., vol 6, no 3, pp 428–434, 1998 [11] M Re dZ p “V b b d dd b b d ” Proc IEEE Int Conf Control Appl., pp 363–368, 2011 68 [12] “ b d ” Ph.D Program Electr., no October 2013, p 169, 2013 [13] D.-W Gu, P H Petkov, and M M Konstantinov, Robust Control Design with MATLAB® 2005 [14] P Apkar d “ S ” IEEE Trans Automat Contr., vol 51, no 1, pp 71–86, 2006 [15] M Spong, M., Hutchinson, S y Vidyasagar, Robot Modeling and Control, First Edition, no December Wiley, 2005 [16] J F Henriques, R d d “ -Speed Tracking with ” IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell., vol 37, no 3, pp 583–596, Mar 2015 [17] T “ T dT 69 ” d d 95 T Đ p Đ T 01687083645 Email: ndhuan93@gmail.com - Đ T T 2016-2018 Đ T T - p d Đ 70 T ... v cấu tr c b u n c n b n quán t n tr c - T ết ế v m p - T c ện b mon mu n - T ết ế v t v n tron n , so sán b u c u n c n b n quán t n v ện b u u n b n vữn n c n b n quán t n án n bám v n n... Cấu hình gimbal hai trục T d gimb p b p b T Đ p p p p b Đ p - b p d b b kh p - b b b b Đ U d b T b U b b Đ b p p b T d b p p p b b b - b b b 1.2 1.2.1 b d p p b p b p cân b p [1], [2], [3]... 2.1 2.1.1 Hình 2.1 Mô hình gimbal hai trục yaw-pitch Hình 2.2 Sơ đồ kết n i hệ th ng 10 S 2.1 d 2.2, p : Hình 2.3 Hình nh thực tế hệ gimbal hai trục 2.1.2 V d -14D-6002-E100AL W