Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ twin rotor mimo

`i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THÀNH LONG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TWIN ROTOR MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên – 2018 `ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thành Long Sinh ngày: 20 tháng 11 năm 1988 Học viên lớp cao học khóa K18 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ Twin Rotor Mimo” cô giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu giáo viên hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan HỌC VIÊN Nguyễn Thành Long `iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm giúp đỡ nhà trường, khoa, phịng ban chức năng, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hương thầy giáo Đinh Văn Nghiệp, trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm nghiên cứu thân hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu xót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tế HỌC VIÊN Nguyễn Thành Long `iv MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TWIN ROTOR MIMO SYSTEM (TRMS) 1.1 Mơ hình hệ TRMS 1.2 Cấu trúc khí hệ TRMS .3 1.3 Các khó khăn thiết kế điều khiển cho TRMS 1.3.1 Tính phi tuyến tượng xen kênh 1.3.2 Tính bất định mơ hình 1.4 Giới thiệu máy bay trực thăng CHƯƠNG II: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TWIN ROTOR MIMO SYSTEM 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Xây dựng mô hình tốn TRMS theo phương pháp Newton 11 Đặc tính động .20 2.3 Xây dựng mơ hình toán TRMS theo Euler – Lagrange (EL) 22 2.3.1 Trục quay tự 22 2.3.2 Thanh đối trọng 24 2.3.3 Trục Quay .25 2.4 Kết luận 29 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRMS 3.1 Điều khiển hệ Euler- Lagrange 31 Khái niệm hệ Euler- Lagrange 31 Phân tích tính ổn định Lyapunov tính thụ động .33 Điều khiển ổn định tiệm cận 34 Điều khiển tuyến tính hóa xác .35 Nâng cao chất lượng nhờ điều khiển thích nghi giả định rõ mơ hình ngược .37 `v Phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine 3.2 Phương trình Euler-Lagrange chuyển độ 3.3 Thiết kế điều khiển 3.4 Kết Luận CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 4.1 Cấu trúc điều khiển 4.2 Kết mô 4.2.1 Vị trí góc tr 4.2.2 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 4.2.3 Vị trí góc tr 4.2.4 Vị trí góc tr 4.2.5 Vị trí góc tr 4.2.6 Vị trí góc tr 4.2.7 Vị trí góc tr 4.3 Đánh giá kết 4.4 Giới thiệu hệ thống TRMS KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Kiến Nghị `vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Hệ thống Twin Rotor Mimo System Hình 2: Hệ TRMS Hình 3: Mặt chiếu đứng TRMS Hình 4: Trực thăng Hoa Kỳ Hình 5: Máy bay lên xuống nhờ cánh quạt Hình 6: Trực thăng Ka- 52 sử dụng tầng cánh quạt .8 Hình 7: Các lực tác dụng vào TRMS tạo ram omen trọng lượng 12 Hình 8: Momen lực mặt phẳng ngang 17 Hình 9: Sơ đồ khối biểu diễn đầu vào đầu cánh quạt 20 Hình 10: Twin Rotor Mimo System 23 Hình 11: Hình chiếu đứng hệ thống 23 Hình 12: Hình chiếu hệ thống 24 Hình 13: Sơ đồ khối hệ thống TRMS 29 Hình 14: Cho định lý 3.2 .35 Hình 15: Điều khiển tuyến tính hóa xác 36 Hình 16: Điều khiển vịng ngồi 37 Hình 17: Điều khiển bám ổn định thích nghi 40 Hình 18: Điều khiển thích nghi Li-Slotine 50 Hình 19: Cấu trúc mơ điều khiển TRMS 54 Hình 20 55 Hình 21 55 Hình 22 56 Hình 23 56 Hình 24 56 Hình 25 57 Hình 26 57 Hình 27: Hệ thống thực nghiệm 58 Hình 28: Card kết nối MPI 59 `vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt TRMS SISO MIMO EL `viii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Bảng2.1 Bảng 4.1 Ký hiệu Vv/h Uv/h Rav/h Lαv/h iav/h φv/h eav/h kav/h αh αv g m K P K1 J1 mT1 lT1 P1 mt mtr mts mm mmr mms lt lm rm/ts rmm/t K2 P2 J2 mb mT2 mcb lT2 lb lcb rcb Lcb K3 P3 J3 J4 mh mh1 h h1 K4/5 Jmm Jm/tp ei ωm/t Jm/tr H `51 3.4 Kết Luận TRMS hệ phi tuyến mạnh, nhiều vào nhiều có tác động xem kênh mạnh, tính phức tạp quỹ đạo phi tuyến, ảnh hưởng khớp nối cánh quạt, thay đổi khí động học tác dụng lên cánh quạt Do đó, để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS, ta sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine với ma trận phù hợp Trong nghiên cứu tiếp ta tiến hành mô để đánh giá chất lượng hệ thống `52 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 4.1 Cấu trúc điều khiển Để kiểm chứng đánh giá hiệu điều khiển thiết kế cho TRMS tiến hành mô hệ thống sử dụng matlab-simulink, mơ hình điều khiển đối tượng viết dạng S-Function Để đơn giản tác giả lập trình điều khiển vịng vịng ngồi S-Function Vị trí góc đầu hệ αv/h=av/h (αv=pitch angle, αh=yaw angle), vị trí đặt tương ứng q1r  [avr ahr] Chạy mô đồng thời bậc tự với tín hiệu đặt đầu vào Chọn K1=1, K2= 100.I với thông số bảng 4.1 lt lm lb lcb rms rts mtr mmr mcb mm mt mb `53 mts mms Jmr Bmr ktv Bv Bh Cc Hình 19: Cấu trúc mô điều khiển TRMS vi tri avrdat (rad ) pitch du /dt Derivative Derivative du /dt controllerTRMS TRMS nonlinea r m odel _S -Function av ah `54 4.2 Kết mô Kết mô cho đáp ứng đầu sau: pitch angle(rad) 4.2.1 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: yaw angle(rad) 4.2.2 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: pitch angle(rad) 4.2.3 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.25 sin (1.9t) yaw angle(rad) 4.2.4 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.5 sin (0.2t) yaw angle(rad) 4.2.5 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: sin (0.5t) pitch angle(rad) 4.2.6 Vị trí góc mặt phẳng đứng với tín hiệu đặt: 0.2 sin (4t) pitch angle(rad) 4.2.7 Vị trí góc mặt phẳng với tín hiệu đặt: 0.2 sin (4t) `58 4.3 Đánh giá kết Trong luận văn này, chuyển động theo hai bậc tự TRMS xét đến Mơ hình tốn học TRMS dạng Euler-Lagrange thiết kế sử dụng MATLAB/SIMULINK Bộ điều khiển thiết kế để điều khiển chuyển động hai mặt hệ Đặc tính điều khiển thiết kế kiểm chứng với tín hiệu đặt Kết cho thấy TRMS bám theo quỹ đạo yêu cầu cách xác hiệu 4.4 Giới thiệu hệ thống TRMS Cấu hình thí nghiệm TRMS giới thiệu hình 27, hệ thống điều khiển TRMS Phịng thí nghiệm Điện – Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên dùng để nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển với nguyên lý Hình 27: Hệ thống thực nghiệm `59 Hình 28: Card kết nối MPI Hệ thống có thành phần: MPI card: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) giao tiếp với máy tính; Hệ TRMS; Máy tính Cấu trúc điều khiển hệ thống: Hình 29: Cấu trúc điều khiển mơ hình thực `60 Việc điều khiển chuyển động bám xác cho hệ thống thực qua điều khiển vị trí, việc thực qua điều khiển hai động Tín hiệu hệ thống TRMS bám xác theo tín hiệu đặt, có sai lệch, tín hiệu hệ thống qua encoder gửi so sánh với giá trị đặt điều khiển, từ điều khiển gửi tín hiệu để điều khiển động cho tín hiệu bám chặt theo tín hiệu đặt Hệ thống cho phép thực điều khiển kiểu hai đầu vào hai đầu `61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Luận văn tập trung nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ TRMS phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine Mơ đáp ứng đầu với tín hiệu đặt khác Kết nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển, cải thiện chất lượng điều khiển cho hệ TRMS Mô cho thấy TRMS bám theo quỹ đạo xác Kiến Nghị Hiện tại, phịng thí nghiệm Điện- Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Ngun có hệ thống TRMS dùng để nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển với nguyên lý Do thời gian làm luận văn có hạn, tác giả chưa dành nhiều thời gian nghiên cứu kiểm chứng thực tế Vì hướng phát triển đề tài thực nghiệm phương pháp điều khiển thiết bị TRMS phịng thí nghiệm `62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Feedback Instruments Ltd (2010), Twin Rotor Mimo System Advanced Teaching Manual 33-007-4M5 [2] Nguyễn Như Hiển, Đinh Văn Nghiệp, Mơ hình động học hệ thống twin rotor MIMO Tạp chí tự động hóa ngày nay, Tháng 12/2014 [3] Nguyễn Dỗn Phước, Phân tích điều khiển Hệ Phi Tuyến [4] Vũ Thị Thùy Linh, Thiết kế điều khiển hệ chuyển động nhiều trục [5] Tạ Quang Duy, Thiết kế điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho hệ thống Twin Rotor Mimo System [6] Lyshevski, S.E.: ‘Identification of non-linear flight dynamics: theory and practice’, IEEE Trans on Aerospace and Electronics Systems, 2000, Vol 36 No 2, pp 383-92 [7] Bruce, P.D and Kellet, M.G.: ‘Modeling and identification of non- linear aerodynamic functions using b-splines’, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2000, Vol 214 (Part G), pp 27-40 [8] Lammerts, Ivonne M M., 1993, “Adaptive Computed Reference Computed Torque Control of Flexible Manipulators”, PhD thesis, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands [9] Shaheed, M.H and Tokhi, M.O.: ‘Dynamic modeling of a single-link flexible manipulator: parametric and non-parametric approaches’, Robotics, 2002, Vol 20, pp 93-109 [10] Marek K, Vladimir B, and Petr C, “Adaptive Control of Twin Rotor MIMO System: Polynomial Approach”, IFAC, 2005 `63 [11] Peng W and Te W L, “Decoupling Control of a Twin rotor MIMO System using Robust Deadbeat Control Technique”, 2007 [12] Akbar R, Shaheed M H, and Abdulrahman H B, “Adaptive Nonlinear Model Inversion Control of a Twin Rotor System Using Artificial Intelligence”, 16th IEEE International Conference on Control Applications, Singapore, 2007 [13] Belkheiri Mohammed; Rabhi A; Boudjema F; El Hajjaji A; Bosche J, “Model Parameter Identification and Nonlinear Control of a Twin Rotor MIMO System – TRMS System Identification” 15th IFAC Symposium on System Identification, 2009 [14] Jih G J & Kai T T, “Design and realization of a hybrid intelligent controller for a twin rotor mimo system”, Journal of Marine Science and Technology, Vol 21, No.3, pp 333-341, 2013 [15] Usman A, Waquas A, and Syed Mahad A B, “H2 and H∞ Controller Design of Twin Rotor System”, Intelligent Control and Automation, 2013 [16] Maryam J and Mohammad F, “Adaptive Control of Twin rotor MIMO System Using Fuzzy Logic”, Journal of Iran University of Science and Technology [17] “Twin Rotor MIMO”, Feedback, Engineering Teaching Solutions ... tài ? ?Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ Twin Rotor Mimo? ?? Với mục đích thiết kế điều hệ TRMS, nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng. .. (SISO) mà điều khiển hệ nhiều vào nhiều (MIMO) Các năm gần có nhiều cơng trình nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ Twin Rotor Mimo (TRMS), hệ chuyển động nhiều trục điển hình nhà nghiên cứu giới... lớp cao học khóa K18 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn ? ?nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ Twin Rotor