Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - NGUYỄN ĐĂNG LUYỆN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN NHƢ HIỂN Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn THÁI NGUYÊN, 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 KHOA CHUN MƠN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TRƢỞNG KHOA PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn THÁI NGUYÊN, 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Đăng Luyện Sinh ngày: 20 tháng năm 1982 Học viên lớp cao học khóa K16 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trung tâm Ứng dụng tiến Khoa học Công nghệ Xin cam đoan luận văn “Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mơ hình máy bay trực thăng” thầy giáo PGS TS Nguyễn Nhƣ Hiển hƣớng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan HỌC VIÊN Nguyễn Đăng Luyện HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa, phịng ban chức năng, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiêp tận tình hƣớng dẫn trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy Khoa Điện, phịng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm nghiên cứu thân cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu xót Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện có ý nghĩa thực tế HỌC VIÊN Nguyễn Đăng Luyện HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ………………………………….…… ………………… LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………… .2 MỤC LỤC …………………………………………………………………… .3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………………………… .5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………………… .6 BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ MỞ ĐẦU ………………………………………………… …… ………… 10 CHƢƠNG I : GIỚI THIỆU MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 1.1 Khái quát lich sử phát triển máy bay trực thăng…………………… 12 1.2 Giới thiệu hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS)…………………… 17 1.2.1 Mơ hình hệ TRMS…………………………………………… 17 1.2.2 Cấu trúc khí hệ TRMS………………………………………… 20 1.3 Kết luận………………………………………………………………………… 20 CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TỐN HỌC CỦA TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 2.1 Giới thiệu chung……………………………………………………… 22 2.2 Xây dựng mơ hình toán TRMS theo phƣơng pháp Newton…………………22 2.3 Xây dựng mơ hình tốn TRMS theo Euler-Lagrange (EL) …………………34 2.3.1 Trục quay tự do……………………………………………… 34 2.3.2 Thanh đối trọng………………………………………… …………….36 2.3.3 Trục quay…….……………………………………….……………… 37 2.4 Kết luận………………………………………………………………………… 42 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 3.1 Giới thiệu chung 43 3.2 Thiết kế điều khiển PID 46 3.2.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 46 3.2.1.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols 46 3.2.1.2 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 47 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -3- Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH 3.2.1.3 Phƣơng pháp số thời gian tổng Kuhn 47 3.2.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 48 3.2.2.1 Nguyên tắc thiết kế 48 3.2.2.1 Thiết kế điều khiển miền tần số 49 3.2.2.2 Nguyên tắc thiết kế 49 3.2.2.3 Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 51 3.2.2.4.Thiết kế điều khiển PID cho mơ hình TRMS 52 3.3 Thiết điều khiển phƣơng pháp mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 52 3.3.1 Khái niệm tập mờ 52 3.3.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 53 3.3.3 Bộ điều khiển mờ 60 3.3.3.1 Bộ điều khiển mờ động 60 3.3.3.2 Điều khiển mờ thích nghi 61 3.3.3.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 62 3.3.4 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 62 3.3.4.1 Phƣơng pháp thiết kế 62 3.3.4.2 Nhận xét 66 3.4 Kết luận chƣơng .66 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 4.1 Đánh giá chất lƣợng hệ thống mô 67 4.1.1 Điều khiển hệ thống PID thƣờng 67 4.1.2 Điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 68 4.1.3 Sơ đồ mô so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định tham số PID .69 4.2 Kết luận chƣơng 72 KẾT LU N V KIẾN NGHỊ Kết luận ……………………………………………………………… 73 Kiến nghị……………………………………………………………… 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….74 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Trực thăng Treremukhin 13 Hình 1.2 : Trực thăng K24 Iacốplép 13 Hình 1.3 : Máy bay trực thăng EC 225 14 Hình 1.4 : Máy bay lên, xuống nhờ cánh quạt chính………………….…… 16 Hình 1.5 : Cánh quạt tạo mô men cân với momen cánh quạt gây lên………………………………………………… …… 17 Hình 1.6 : Hệ thống Twin rotor mimo system: Mơ hình máy bay trực thăng nhƣng đƣợc đơn giản hóa.……………………………… ……… … 17 Hình 1.7 : Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System)…………………… ……………18 Hình 1.8a: Mặt chiếu đứng TRMS ……………………… … … … 19 Hình 1.8b: Mặt chiếu TRMS ……………………………… … 19 Hình 2.1: Các lực tác dụng vào TRMS tạo mômen trọng lƣợng 24 Hình 2.2: Mơmen lực mặt phẳng ngang …………………… ……………29 Hình 2.3: Sơ đồ khối biểu diễn đầu vào đầu hai cánh quạt 32 Hình 2.4: Twin roto mimo system ……………………………….……… 35 Hình 2.5: Hình chiếu đứng hệ thống TRMS với αh=0……………… 35 Hình 2.6: Hình chiếu hệ thống TRMS…… ………………… 36 Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống TRMS……………………….……….… 41 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 43 Hình 3.2: Đồ thị độ 47 Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển……………………………….……… 48 Hình 3.4: Hàm thuộc biến ngơn ngữ …………………………………………… .52 Hình 3.5: Sơ đồ khối điều khiển mờ.… 52 Hình 3.6: Luật hợp thành…………………………………………………………… 53 Hình 3.7: Thực phép suy diễn mờ………………………… 55 Hình 3.8: Thực phép hợp mờ………………….………………… …………….56 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -5- Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH Hình 3.9 Những nguyên lý giải mờ.…… ………………………………………….57 Hình 3.10 Cấu trúc hệ logic mờ……………… 58 Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 59 Hình 3.12: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 59 Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2)…………………………60 Hình 3.14: Phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp…………………………… 60 Hình 3.15: Phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp…………………………… 60 Hình 3.16: Phƣơng pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều ……………… 61 Hình 3.17: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID…………………62 Hình 3.18: Bên điều chỉnh mờ …………………………………………… 62 Hình 3.19: Tập mờ e e‟…………………………………………………………….63 Hình 3.20: Tập mờ ………………………………………………………………….63 Hình 3.21: Tập mờ Kp KD……………………………………………………… 63 Hình 4.1: Cấu trúc mô với PID thƣờng cho hệ thống TRMS 66 Hình 4.2: Kết mơ với PID thƣờng với góc pitch 67 Hình 4.3: Kết mơ với PID thƣờng với góc yaw 67 Hình 4.4: Cấu trúc mơ với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID .68 Hình 4.5: Kết mơ với điều khiển mờ với góc pitch 68 Hình 4.6: Kết mơ với điều khiển mờ với góc yaw 69 Hình 4.7: Cấu trúc mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định 69 Hình 4.8: Kết mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định với góc pitch 70 Hình 4.9: Kết mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định với góc yaw 70 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 để có  KP, KD  HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Nhƣ chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), KD  Trong đó:  A1 A2 A3 -emax Hình 3.19: Tập mờ e e‟ KP; KD Hình 3.21: Tập mờ Kp KD Ở ta thiết kế thành ba điều khiển mờ để chỉnh định tham số, sau đƣợc tích hợp thành chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), KD  Với tập mờ đầu vào (hình 3.19), tập mờ đầu cho biến K P, KD (hình 3.21) tập mờ đầu  (hình 3.20) Triển khai mệnh đề hợp thành theo nguyên tắc Max-prod giải mờ phƣơng pháp độ cao HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH Các luật chỉnh định: * Luật chỉnh định Kp: e e A1 A1 B2 A2 B1 A3 B1 A0 B1 A4 B1 A5 B1 A6 B2 * Luật chỉnh định KD: e e * Luật chỉnh định : HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH 3.3.4.2 Nhận xét - Phƣơng pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để nâng cao chất lƣợng điều khiển PID kinh điển 3.4 Kết luận chƣơng Chƣơng luận văn giải đƣợc số vấn đề sau: Đã tổng quan đƣợc phƣơng pháp điều khiển PID đƣa phƣơng pháp thiết kế điều khiển PID theo phƣơng pháp Ziegler – Nichols cho mơ hình TRMS - Đã tổng quan đƣợc hệ logic mờ đƣa phƣơng pháp thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho hệ thống HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH Chƣơng IV MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 4.1 Đánh giá chất lƣợng hệ thống mô 4.1.1 Điều khiển hệ thống PID thƣờng Sau thiết kế đƣợc mơ hình mơ tính tốn thơng số cho điều khiển PID thƣờng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Chúng ta thực mô cho trƣờng hợp với PID thƣờng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID - Cấu trúc mô điều khiển hệ thống PID thƣờng: Hình 4.1: Cấu trúc mơ với PID thƣờng cho hệ thống TRMS HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH - Kết mô với PID thƣờng cho hệ thống TRMS: Hình 4.2: Kết mơ với PID thƣờng với góc pitch Hình 4.3: Kết mơ với PID thƣờng với góc yaw HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH 4.1.2 Điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Bộ điều khiển mờ chỉnh định PID1 PID2 đƣợc tính tốn thiết kế để chỉnh định tham số KP, KI, KD điều khiển PID1 PID2 để nâng cao chất lƣợng hệ thống - Sơ đồ mô điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Hình 4.4: Cấu trúc mơ với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết mô với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Hình 4.5: Kết mơ với điều khiển mờ với góc pitch HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH Hình 4.6: Kết mơ với điều khiển mờ với góc yaw 4.1.3 Sơ đồ mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định tham số PID Hình 4.7: Cấu trúc mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH - Kết mơ Hình 4.8: Kết mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định với góc pitch Hình 4.9: Kết mơ so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định với góc yaw HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp 4.2 Kết luận chƣơng 4: Để đánh giá chất lƣợng cho hệ thống TRMS, ta xây dựng đƣợc cấu trúc mô sử dụng điều khiển PID thƣờng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Thông qua kết mô phần mềm Matlab simulink có kết luận: - - Hệ thống hoạt động ổn định; - Tín hiệu thực bám với tín hiệu đặt cho tín hiệu đặt biến đổi Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID loại bỏ tƣợng xen kênh Kết so sánh với dùng PID thƣờng tốt sai lệch thời gian tiến tới ổn định HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Trong thời gian nghiên cứu tài liệu nhƣ tìm hiểu thực tế tác giả hồn thành nội dung cơng việc cụ thể luận văn nhƣ sau: Nghiên cứu tìm hiểu trình hình thành phát triển máy bay trực thăng thông qua hệ nhiều vào nhiều TRMS Nội dung luận văn nghiên cứu thiết kế điều khiển PID thƣờng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng thơng qua hệ TRMS Kết điều khiển đƣợc kiểm chứng mô phần mềm Matlab simulink cho ta thấy có chất lƣợng đảm bảo yêu cầu Đặc biệt điều khiển mờ chỉnh định tham số PID làm giảm đáng kể tác động xen kênh hai kênh mà không cần tách kênh Kiến nghị: Việc tính tốn thiết kế điều khiển cho đối tƣợng nhiều vào nhiều có tính phi tuyến cao vấn đề mẻ, việc nghiên cứu nhiều hạn chế Trong luận văn sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số cho mơ hình máy bay trực thăng nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển Tuy nhiên sử dụng nhiều điều khiển khác nhau, có điều kiện tơi tiến hành nghiên cứu thiết kế điều khiển thông minh khác nhƣ điều khiển mờ noron HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Blythe, P.W and Chamitoff, G.: „Estimation of aircrafts aerodynamic coefficients using recurrent neural networks‟, Proceedings of the Second Pacific International Conference on Aerospace Science and Technology, Australia, 1995 [2] Nguyen Duy Cuong, “Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems”, Doctorate dissertation, 2008 [3] Chon, K.H and Cohen, R J.: „Linear and non-linear ARMA model parameter estimation using an artificial neural network‟, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 1997, Vol 44, No 3, pp 168-74 [4] Kim, B.S and Calise, A.J.: „on-linear flight control using neural networks‟, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998, Vol 20, No 1, pp 26-33 [5] link Talebi, H.A., Patel, R.V and Asmer, H.: „Dynamic modeling of flexible- manipulators using neural networks with application to the SSRMS‟, Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Victoria, Canada, 1998 [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 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK TĐH [10] Marek K, Vladimir B, and Petr C, “Adaptive Control of Twin Rotor MIMO System: Polynomial Approach”, IFAC, 2005 [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”, 16 th 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, “H 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 [18] Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phƣớc (2006), “ Lý thuyết điều khiển mờ”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 ... 60 3.3.3.2 Điều khiển mờ thích nghi 61 3.3.3.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 62 3.3.4 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 62 3.3.4.1... 4.1.1 Điều khiển hệ thống PID thƣờng 67 4.1.2 Điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 68 4.1.3 Sơ đồ mô so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định tham số PID .69 4.2 Kết... định tham số PID .68 Hình 4.5: Kết mô với điều khiển mờ với góc pitch 68 Hình 4.6: Kết mô với điều khiển mờ với góc yaw 69 Hình 4.7: Cấu trúc mô so sánh điều khiển PID Mờ chỉnh định