Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO system (Luận văn thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
Sinh ngày 07 tháng 01 năng 1990
Học viên lớp cao học khóa 18 – Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
– Trƣờng đại học Kỹ thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên
Hiện nay tôi đang công tác tại Khoa Điện tử – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công
Nghiệp – Đại học Thái Nguyên
Xin cam đoan luận văn “Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin
Rotor MIMO System” do thầy giáo PGS.TS Nguyễn Duy Cương hƣớng dẫn là
công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc,
xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
của đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung
của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày….. tháng..... năm 2017
Học viên

Nguyễn Thị Tuyết Hoa

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn chỉ bảo
tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “ Nâng cao
chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System” đã hoàn thành.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn và
giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn.
Các thầy giáo, cô giáo của Khoa Điện – Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp
và các đồng nghiệp của Khoa Điện tử đã động viên khuyến khích, giúp đỡ tác giả

trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện nghiên cứu phát triển
công nghệ cao về kỹ thuật công nghiêp đã cung cấp thiết bị để tác giả hoàn thành
các nghiên cứu thực nghiệm.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế
của bản thân còn hạn chế, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vây, tác
giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….. tháng..... năm 2017
Học viên

Nguyễn Thị Tuyết Hoa

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................................. vi
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 7
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM ............................... 8
I.1

Giới thiệu về máy bay trực thăng và Twin Rotor MIMO System .......................... 8

I.2

Cấu tạo của TRMS ................................................................................................ 10

I.3

Các đặc điểm của bộ điều khiển TRMS ............................................................... 11

I.3.1. Tính phi tuyến và hiện tƣợng xen kênh .............................................................. 12
I.3.2. Tính bất định mô hình ......................................................................................... 12
I.4

Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về TRMS .................................. 12

I.4.1 Nhận dạng hệ thống ............................................................................................ 12
I.4.2 Chiến lƣợc điều khiển của các các nghiên cứu trƣớc đây về TRMS .................. 13
I.5

Định hƣớng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài .................................................... 14

I.5.1 Định hƣớng nghiên cứu ....................................................................................... 14
I.5.2 Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 15
KẾT LUẬN CHƢƠNG I ................................................................................................. 15
CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOR MIMO SYSTEM ....... 16
II.1

Giới thiệu chung ................................................................................................... 16

II.2

Mô hình toán học của TRMS xây dựng dựa theo Euler – Lagrange .................... 16

KẾT LUẬN CHƢƠNG II................................................................................................ 24
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 25
III.1

Chiến lƣợc điều khiển ........................................................................................... 25

III.2

Lý thuyết về tối ƣu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền GA ............ 26

III.2.1 Tổng quan về giải thuật di truyền GA .............................................................. 26
III.2.2 Tối ƣu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền GA ........................... 27
III.3

Lý thuyết về bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS ............................................ 28

III.3.1 Điều khiển học (Learning Control - LC) ........................................................... 28
III.3.2 Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) ...................................... 32
III.3.3 Bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS ............................................................ 44
iii


III.4

Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển cho TRMS ........................................ 49

III.4.1

Xây dựng cấu trúc cho bộ điều khiển ............................................................ 49

III.4.2

Tính toán các thông số và mô phỏng hệ thống .............................................. 55

III.5

Kết quả mô phỏng hệ thống .................................................................................. 57

KẾT LUẬN CHƢƠNG III .............................................................................................. 60
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ...................................... 61
IV.1 Hệ thống TRMS thực nghiệm ............................................................................... 61
IV.2 Các kết quả thực nghiệm của hệ thống ................................................................. 64
IV.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm .............................................................................. 68
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......................................... 69
1. Kết luận chung ............................................................................................................. 69
2. Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 70
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 72

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu

Chú thích

TRMS :

Twin Rotors MIMO System

MIMO :

Multiple Input – Multiple Output

LC :

Learning Control

LFFC :

Learning Feed Forward Controller

FEL :

Feedback Error Learning

MRAS :

Model Reference Adaptive System

GA :

Genetic Algorithm

IAE :

Integral of Absolute Error

ITAE :

Integral of Time Absolute Error

MSE :

Mean Squared Error

SVF:

State Variable Filter

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Máy bay trực thăng
Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS
Hình 1.3: Mặt chiếu đứng của TRMS
Hình 1.4: Mặt chiếu bằng của TRMS
Hình 2. 1: Phân tích TRMS trên hệ trục tọa độ Oxyz
Hình 2. 2: Hình chiếu đứng của TRMS với αh = 0
Hình 2. 3: Hình chiếu bằng của TRMS
Hình 2.4: Sơ đồ khối theo mô hình toán của TRMS
Hình 3.1: Mô hình tổng quát tối ƣu hóa bộ điều khiển PID bằng GA
Hình 3.2: Lƣu đồ thuật toán tối ƣu hóa bộ điều khiển PID
Hình 3.3: Cực tiểu cục bộ và cực tiểu toàn bộ trong kỹ thuật học
Hình 3. 4: Cấu trúc bộ điều khiển học LC
Hình 3.5: Cấu trúc bộ điều khiển học LC kết hợp feed forward/ feedback

Hình 3.6: Hệ thích nghi tham số
Hình 3.7: Hệ thích nghi tín hiệu
Hình 3. 8: Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2
Hình 3. 9: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu
Hình 3. 10: Hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên mô hình độ nhậy.
Hình 3. 11: Nhận dạng mô hình ngƣợc của đối tƣợng
Hình 3. 12: Bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS
Hình 3. 13: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID dựa trên giải thuật di truyền GA
Hình 3. 14: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng LFFC trên cơ sở MRAS
Hình 3. 15: Cấu trúc khai triển cho các thành phần truyền thẳng
Hình 3. 16: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển cho TRMS
Hình 3. 17: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB/SIMULINK
Hình 3. 18: Đáp ứng đầu ra của góc αv trong hai trƣờng hợp: PID và PID kết hợp LFFC
Hình 3. 19: Đáp ứng đầu ra của góc αh trong hai trƣờng hợp: PID và PID kết hợp LFFC
Hình 3. 20: Nhiễu hệ thống và tín hiệu bù tạo ra bởi bộ LFFC trên cơ sở MRAS
Hình 3. 21: Các tham số thích nghi của bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS
Hình 4.1: Hình ảnh hệ thống TRMS thực tại phòng thí nghiệm
Hình 4.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cho TRMS
Hình 4.3: Hình ảnh thực tế của TRMS (hình a) và dSPACE – DS1103 (hình b)
Hình 4. 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển cho TRMS trên phần mềm Matlab/Simulink
Hình 4.5: Giao diện điều khiển và hiển thị các thông số trên phần mềm ControlDesk
Hình 4. 6: Đáp ứng đầu ra của góc góc αv và góc αh trong trƣờng hợp 1
Hình 4. 7: Các tham số thích nghi của bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS
Hình 4. 8: Đáp ứng của góc αv khi có bộ điều khiển PID và PID kết hợp LFFC
Hình 4. 9: Đáp ứng của góc αh khi có bộ điều khiển PID và PID kết hợp LFFC
Hình 4. 10:Tác động của nhiễu ngẫu nhiên lên hệ thống TRMS

8
10
10

11
17
18
18
23
27
28
30
31
31
34
34
35
37
40
44
45
50
51
54
54
56
57
58
59
59
61
61
63
63

64
64
65
65
66
67
vi


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS

LỜI NÓI ĐẦU
Năm 1754, Lơmanôxốp – một nhà khoa học ngƣời Nga đã lập luận khả năng
tạo ra một khí cụ bay nặng hơn không khí, dựng nên mô hình trực thăng có 2 cánh
quạt đồng trục. Vào thế kỉ XIX, một số nhà khoa học Nga đã khởi thảo dự án về khí
cụ bay có cánh quay đầu tiên. Trải qua gần ba thế kỷ hình thành và phát triển cho
đến nay máy bay trực thăng đã dần trở thành phƣơng tiện giao thông đƣợc sử dụng
rộng rãi trong đời sống xã hội, là khí cụ bay đặc biệt quan trọng của lực lƣợng
không quân nói riêng và quân đội nói chung.
Do có cấu tạo rất phức tạp nên quá trình điều khiển và vận hành máy bay trực
thăng yêu cầu ngƣời kỹ sƣ thiết kế cũng nhƣ ngƣời lái phải có trình độ chuyên môn
cao. Việc nghiên cứu và thử nghiệm các giải thuật điều khiển cho máy bay trực
thăng luôn là một trong những bài toán điều khiển hay, thƣờng đƣợc áp dụng tại các
cơ sở đào tạo về chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa. Để thuận tiện cho quá
trình học tập và nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm kỹ thuật thì mô hình về máy
bay trực thăng đƣợc phát triển bởi công ty Feedback Instrument Ltd (Feedback
Co.,1998) đã ra đời, có tên gọi là: Twin Rotor MIMO System – TRMS. TRMS có
mô tả động học gần giống với động học của máy bay trực thăng trong thực tế nhƣng

đã đƣợc đơn giản hóa, hệ thống này đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm để
phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển cho máy bay
trực thăng nói riêng và các hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) nói
chung.
Hiện nay đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về các giải thuật điều khiển cho
TRMS đƣợc thử nghiệm và áp dụng, phần nào đã giải quyết đƣợc bài toán điều
khiển cho hệ thống phức tạp này, tuy nhiên chất lƣợng điều khiển của một số nghiên
cứu về TRMS vẫn còn tồn tại một vài hạn chế. Với mong muốn tìm hiểu thêm các
thuật toán mới nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển cho TRMS, tác giả đã lựa chọn
đề tài: “Nâng cao chất lượng điều khiển cho Twin Rotor MIMO System” sử dụng
phương pháp điều khiển phản hồi (Feedback) kết hợp điều khiển truyển thẳng
(Learning Feed Forward) theo phương pháp bù tổng. Kết quả đạt đƣợc đã cho
thấy cấu trúc này có thể cải thiện đáng kể chất lƣợng điều khiển của hệ thống.
Nội dung chính của luận văn bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về Twin Rotor MIMO System
Chương 2: Mô hình toán học của Twin Rotor MIMO System
Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển cho hệ thống
Chương 4: Kết quả và đánh giá thực nghiệm.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương

-7-

Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM
I.1

Giới thiệu về máy bay trực thăng và Twin Rotor MIMO System
Ngày nay, máy bay trực thăng càng đƣợc sử dụng rộng rãi với rất nhiều công

năng cả trong đời sống cũng nhƣ trong kinh tế quốc dân và quân sự, là phƣơng tiện
giao thông chính ở những nơi không thể sử dụng các phƣơng tiện vận tải trên mặt
đất, cũng nhƣ không có sân bay để đáp. Đặc biệt trong quân sự, máy bay trực thăng
là một thành phần rất quan trọng của lực lƣợng không quân và quân đội nói chung:
vừa là loại máy bay vận tải thuận tiện vừa là loại máy bay chiến đấu rất hiệu quả,
nhất là trong các nhiệm vụ đổ bộ đƣờng không, tấn công cơ động và mặt đất.

Hình 1.1: Máy bay trực thăng
Về cấu tạo, máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phƣơng
tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng
đứng, có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Máy bay trực thăng bay
đƣợc nhờ lực nâng khí động học đƣợc tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang có chuyển
động tƣơng đối với không khí. Khi đĩa cánh quạt nâng quay, theo định luật bảo toàn
mô men động lƣợng thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo
chiều ngƣợc lại với vận tốc quay phụ thuộc vào tỷ lệ mô men quán tính của rotor
(cánh quạt và phần quay) và stator (thân máy bay và các phần còn lại), để chống lại
hiện tƣợng tự quay này ngƣời ta thực hiện theo nhiều phƣơng án khác nhau thông
qua các sơ đồ nguyên tắc khác nhau, loại sơ đồ cơ bản nhất là "một cánh quạt nâng,
một cánh quạt đuôi" . Với loại sơ đồ này thì khi cánh quạt nâng quay, thân máy bay
cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại, để chống lại hiện
tƣợng tự quay này máy bay trực thăng có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng
đứng, thổi gió theo chiều ngang. Lực đẩy của cách quạt đuôi tạo nên mô men lực
đuôi có tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục cánh quạt

GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương

-8-

Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS

nâng sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay giữ hƣớng cố định cho máy
bay. Nhƣ vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm đƣợc sự chuyển động tƣơng
đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khí động học trong khi bản
thân máy bay không cần chuyển động nên máy bay trực thăng có thể bay đứng treo
một chỗ và thậm chí bay lùi. Ngoài ra cánh quạt đuôi này còn có tác dụng để lái đổi
hƣớng bay cho trực thăng nhờ việc thay đổi công suất cánh đuôi từ đó thay đổi lực
đẩy gió ngang và mô men đuôi khiến máy bay có thể chuyển hƣớng sang phải sang
trái dễ dàng.
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy
bay để nâng nó bay trong không khí. Lực nâng đƣợc tạo ra nhờ sự tƣơng tác với
không khí . Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và
ngƣợc lại không khí tác dụng lên cánh quạt một phản lực hƣớng lên trên. Do đó, khi
không có không khí lực nâng này sẽ không còn, hay nói cách khác, không thể dùng
máy bay trực thăng để bay ra khỏi tầng khí quyển dù công su ất của động cơ có lớn
đến đâu.
Nhƣ vậy có thể thấy rằng máy bay trực thăng có kết cấu và cấu tạo tƣơng đối
phức tạp, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ
và tầm bay xa kém hơn nhiều so với máy bay phản lực. Tuy nhiên khả năng cất
cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và tính năng bay đứng, dịch chuyển

về các hƣớng bất kì làm cho trực thăng trở thành khí cụ bay rất cơ động và linh hoạt
mà hiện nay không có bất kỳ loại máy bay nào khác có thể thay thế đƣợc.
Để thử nghiệm và áp dụng các thuật toán điều khiển trên máy bay trực thăng
thì một trong các công cụ thƣờng đƣợc sử dụng đó là : Twin Rotor MIMO System
– TRMS, đây là một mô hình thí nghiệm của máy bay trực thăng đƣợc đơn giản
hóa, đƣợc phát triển bởi Feedback Instrument Ltd (Feedback Co., 1998), TRMS có
mô tả động học gần giống với động học của máy bay trực thăng trong thực tế, hệ
thống này đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm kỹ thuật để phục vụ cho việc
nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển cho máy bay trực thăng nói riêng
và các hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) nói chung.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương

-9-

Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật

Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS

Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS
I.2

Cấu tạo của TRMS
Phần cơ khí của TRMS bao gồm một dầm (còn gọi là thanh tự do) gắn với
chốt quay, chốt quay gồm hai khớp quay đƣợc đặt trên đế sao cho nó có thể quay tự
do trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Ở cả hai đầu của dầm là hai rotors
(rotor chính và rotor phụ) có gắn hai cánh quạt, cánh quạt chính chuyển động theo

phƣơng thẳng đứng và cánh quạt phụ (hay cánh quạt đuôi) chuyển động theo
phƣơng ngang, viền ngoài hai cánh quạt có lá chắn bảo vệ. Cần đối trọng (bao gồm
đối trọng và thanh gắn đối trọng) đƣợc gắn cố định với dầm ở chốt quay. Tất cả các
bộ phận trên đƣợc gắn trên một trụ tháp có chân đế.

Hình 1.3: Mặt chiếu đứng của TRMS

GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương

- 10 -

Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full