Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.95 MB, 203 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PHI
TUYẾN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG
BUỘC ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUADROR
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PHI
TUYẾN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC
ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUADROR
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
9.52.02.16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS ĐÀO HOA VIỆT
2. TS HOÀNG QUANG CHÍNH
HÀ NỘI - 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tôi Hoàng Văn Huy cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của bản
thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Đào Hoa Việt và TS Hoàng Quang
Chính. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Hoàng Văn Huy
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới:
PGS. TS Đào Hoa Việt và TS Hoàng Quang Chính là hai người thầy đã trực
tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo của Bộ môn
Cơ điện tử và Robot đặc biệt, Khoa Hàng không Vũ trụ, Học viện Kỹ thuật
Quân sự đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có
thể hoàn thành luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, các anh chị em đồng nghiệp
của phòng Đào tạo Trường Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm đã cử tôi đi
học và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận án.
Cuối cùng, tôi vô cùng cảm ơn bố mẹ, vợ con, người thân và bạn bè,
những người đã luôn bên tôi chia sẻ, động viên và giúp đỡ tôi trong cuộc sống
và học tập để hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2018
Nghiên cứu sinh
Hoàng Văn Huy
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR
VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ
RÀNG BUỘC VỚI NHAU ................................................................................ 8
1.1. Tổng quan về hệ truyền động điện chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng
buộc với nhau ..................................................................................................... 8
1.1.1. Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ ràng
buộc song song theo tác động nhiễu ................................................................ 10
1.1.2. Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ
ràng buộc theo nhiễu cơ bản ............................................................................ 11
1.1.3. Sơ đồ chức năng của các hệ thống truyền động điện có liên hệ
ràng buộc với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển ................................. 11
1.2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor .............................. 12
1.2.1. Một vài vấn đề về đặc điểm điều khiển chuyển động quadrotor ... 12
1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quadrotor ..................................... 15
1.2.3. Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển quadrotor ......................... 17
1.3. Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor ...................... 19
1.3.1. Phương pháp điều khiển PID ......................................................... 20
1.3.2. Điều khiển tối ưu toàn phương/Gausian - LQR/G ......................... 21
1.3.3. Điều khiển chế độ trượt (SMC) ...................................................... 22
1.3.4. Điều khiển Backstepping ............................................................... 22
1.3.5. Thuật toán điều khiển thích nghi .................................................... 23
1.3.6. Thuật toán điều khiển bền vững ..................................................... 24
1.3.7. Thuật toán điều khiển tối ưu .......................................................... 24
1.3.8. Tuyến tính hóa phản hồi ................................................................. 25
1.3.9. Điều khiển thông minh (logic mờ và mạng nơron nhân tạo) ......... 26
1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ...................... 27
1.4.1. Các công trình nghiên cứu trong nước ........................................... 27
1.4.2. Các công trình nghiên cứu của nước ngoài .................................... 28
1.5. Đặt bài toán nghiên cứu ............................................................................ 34
1.6. Kết luận chương 1 ..................................................................................... 35
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU
TRÚC TỔNG QUÁT CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN
ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH ................................................ 37
2.1. Mô hình động lực học quadrotor ............................................................... 37
2.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình động lực học quadrotor ......... 37
2.1.2. Xây dựng mô hình động lực học quadrotor ................................... 38
2.2. Mô hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt ................................. 44
2.2.1. Mô hình phần cơ ............................................................................. 44
2.2.2. Mô hình toán hệ truyền động điện động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu (PMSM) ..................................................................................................... 47
2.3. Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor ..................... 49
2.4. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động học động
cơ chấp hành ..................................................................................................... 53
2.5. Đánh giá và nhận xét: ................................................................................ 56
2.6. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 57
Chương 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM
CHÂM VĨNH CỬU QUAY CÁNH QUẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT
THÍCH NGHI ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
QUADROTOR ................................................................................................. 59
3.1. Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi
cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM. ................................................... 59
3.2. Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
theo phương pháp trượt thích nghi ................................................................... 70
3.3. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 76
Chương 4: TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN GÓC, ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ DÀI VÀ VỊ TRÍ CỦA QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN ĐỘNG HỌC CỦA
ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH ............................................................................... 77
4.1. Tổng hợp bộ điều khiển và ổn định trạng thái các góc Euler bằng phương
pháp tuyến tính hóa phản hồi ........................................................................... 77
4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ dài C2 của quadrotor ............................... 90
4.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí C3 ............................................................... 94
4.4. Tính toán tham số các bộ điều khiển khiển quadrotor khi kể đến động lực
học động cơ chấp hành ..................................... Error! Bookmark not defined.
4.4.1. Bảng thông số của quadrotor sử dụng trong tính toán các tham số
bộ điều khiển và nghiên cứu mô phỏng ........... Error! Bookmark not defined.
4.4.2. Tính toán các thông số bộ điều khiển ổn định các góc Euler C1Error! Bookm
4.4.3. Tính toán các thông số bộ điều khiển tốc độ dài C2 ...................... 99
4.4.4. Tính toán các thông số bộ điều khiển vị trí .................................... 99
4.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ điện đồng
bộ nam châm vĩnh cửu ................................................................................... 104
4.6. Khảo sát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu ........................................................................................ 131
4.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ................................................... 131
4.6.2. Các kết quả thực nghiệm .............................................................. 144
4.7. Kết luận chương 4 ................................................................................... 147
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 149
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................. 152
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 153
Phụ lục 1: Các sơ đồ chức năng và mô phỏng hệ điều khiển quadrotor ........ 163
Phụ lục 2: Tham số của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ............. 168
Phụ lục 3: Chương trình lập trình code trên S_funtion .................................. 170
Phụ lục 4: Chương trình lập trình 3D S_funtion ............................................ 172
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU
1. Chữ viết tắt Ý nghĩa
ADC
Analog to Digital Converter: Bộ biến đổi tương tự số
BĐK
Bộ điều khiển
ĐTĐK
Đối tượng điều khiển
DOF
Degree Of Freedom: Bậc tự do
DC
Direct Current: Dòng điện một chiều
DSP
Digital Signal Processor: Bộ xử lý tín hiệu số
CLF
Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)
FBL
Feedback Linearization: Tuyến tính hóa phản hồi
FLC
Fuzzy Logic Controller: Bộ điều khiển Logic mờ
GPS
Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu
IR
InfraRed: Hồng ngoại
IMU
Inertial Measurement Unit: Đơn vị đo lường quán tính
LQR/G
Linear Quadratic Regulator/Gausian: Điều khiển tối ưu toàn
phương/Gausian
LQE
Linear Quadratic Estimator: Ước lượng tuyến tính toàn phương
MCU
Micro Controller Unit: Bộ vi điều khiển
MIMO
Multi - Input Multi - Out put: Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
PD
Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân
PID
Bộ điều khiển tỷ lệ,tích phân và vi phân
PMSM
Permanent Magnet Synchronous Motor: Động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu
ROM
Read Only Memory: Bộ nhớ đọc
RC
Remote Controller: Điều khiển từ xa
RF
Radio Frequency: Tần số vô tuyến
SONAR SOund Navigation And Ranging
SMC
Sliding Mode Control: Điều khiển chế độ trượt
SDRE
State – Dependent Riccati Equation: Phương trình trạng thái phụ
thuộc Riccati
VSC
Variable Structure Control: Bộ điều khiển có cấu trúc biến đổi
HTTĐĐ Hệ thống truyền động điện
2. Ký hiệu
Ý nghĩa
i
Tốc độ của các cánh quạt [rad . s 1 ]
Fi
Các lực được tạo ra từ các cánh quạt của quadrotor [N ]
F1
Lực đẩy của cánh quạt trước của quadrotor [N ]
F2
Lực đẩy của cánh quạt phải của quadrotor [N ]
F3
Lực đẩy của cánh quạt sau của quadrotor [N ]
F4
Lực đẩy của cánh quạt trái của quadrotor [N ]
Fn
Tổng lực cản của các loại nhiễu [N ]
Mi
Mô men tạo ra từ các cánh quạt [ N m]
M
Tổng mô men của các góc roll, pitch, yaw [N m]
M
Mô men của góc roll [ N m]
M
Mô men của góc pitch [ N m]
M
Mô men của góc yaw [ N m]
R
Ma trận quay (roll-pitch-yaw)
Me
Mô men động cơ [ N m]
Mc
Mô men cản của phụ tải [ N m]
Mo
Mô men ma sát [ N m]
M PM
Mô men của cánh quạt trên trục động cơ [ N m]
MP
Mô men của cánh quạt [ N m]
M MP
Mô men của động cơ trên trục cánh quạt [ N m]
Mn
Mô men cản của nhiễu [ N m]
r
Bán kính của cánh quạt [m]
b
Hệ số lực đẩy [N.s2/rad2]
d
Hệ số lực cản [N.s2/rad2]
B
Hệ số ma sát nhớt
g
Gia tốc trọng trường [m s-2]
l
Khoảng cách từ tâm quadrotor đến tâm của động cơ [m]
U1
Lực đẩy thẳng tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor [N ]
U2
Mô men góc roll tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor
U3
Mô men góc pitch tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor
U4
Mô men góc yaw tác động vào hệ tọa độ B gắn với quadrotor
X
Vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục xE trong
hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]
X
Tốc độ chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục xE
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]
X
Gia tốc chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục xE
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ]
Y
Vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục y E trong
hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]
Y
Tốc độ chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục y E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]
Y
Gia tốc chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục y E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ]
Z
Vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục z E trong
hệ tọa độ E gắn với trái đất [m]
Z
Tốc độ chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục z E
trong hệ tọa độ E gắn với trái đất [m s 1 ]
Z
Gia tốc chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục z E
trong hệ tọa độ B gắn với trái đất [m s 2 ]
Vị trí góc (pitch) của quadrotor quanh trục y B của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad ]
Tốc độ góc (pitch) của quadrotor quanh trục y B của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad s 1 ]
Gia tốc góc (pitch) của quadrotor quanh trục y B của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad s 2 ]
Vị trí góc (roll) của quadrotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn với
quadrotor [rad ]
Tốc độ góc (roll) của quadrotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad s 1 ]
Gia tốc góc (roll) của quadrotor quanh trục xB của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad s 2 ]
Vị trí góc (yaw) của quadrotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn với
quadrotor [rad ]
Tốc độ góc (yaw) của quadrotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad s 1 ]
Gia tốc góc (yaw) của quadrotor quanh trục z B của hệ tọa B gắn
với quadrotor [rad s 2 ]
r
Tốc độ động cơ [rad s 1 ]
r
Gia tốc của động cơ [rad s 2 ]
ΓE
Vector vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor trong hệ tọa độ
E gắn với trái đất [m]
Γ E
Vector tốc độ chuyển động của khối tâm quadrotor trong hệ tọa độ
E gắn với trái đất [m s 1 ]
E
Γ
Vector gia tốc độ chuyển động của khối tâm quadrotor trong hệ
tọa độ E gắn với trái đất [m s 2 ]
ΘE
Vector vị trí góc của quadrotor trong hệ tọa độ E gắn với trái đất
[rad ]
E
Θ
Vector tốc độ góc của quadrotor trong hệ tọa độ E gắn với trái đất
[rad s 1 ]
E
Θ
Vector gia tốc độ góc của quadrotor trong hệ tọa độ E gắn với trái
đất [rad s 2 ]
Tổng tốc độ của các cánh quạt [rad s 1 ]
1
Tốc độ cánh quạt trước [rad s 1 ]
2
Tốc độ cánh quạt phải [rad s 1 ]
3
Tốc độ cánh quạt sau [rad s 1 ]
4
Tốc độ cánh quạt trái [rad s 1 ]
Ω
Vector tốc độ của các cánh quạt [rad s 1 ]
Ω
Vector gia tốc độ của các cánh quạt [rad s 2 ]
R
Điện trở của động cơ []
L
Điện cảm của động cơ []
p
Số đôi cực từ của động cơ
UDC
Điện áp một chiều [V]
J TP
Tổng mô men quán tính quy đổi về trục động cơ [kg m 2 ]
sd , sq Thành phần từ thông dọc trục và ngang trục
ud , uq
Điện áp dọc trục và ngang trục
r
Từ thông rotor
sd
Từ thông dọc trục
sq
Từ thông ngang trục
Ld , Lq
Thành phần điện cảm dọc trục và ngang trục
id , iq
Dòng điện dọc trục và ngang trục
Góc quay trên trục động cơ
sgn; sign Hàm dấu
1 , 2 , 3 Các hằng số thích nghi
X
Vector trạng thái của hệ thống
Y
Vector đầu ra hệ thống
A
Ma trận hệ thống
B
Ma trận đầu vào
V
Hàm Lyapunov
I XX
Mô men quán tính của quadrotor quanh trục X
IYY
Mô men quán tính của quadrotor quanh trục Y
I ZZ
Mô men quán tính của quadrotor quanh trục Z
3. Chỉ số trên
*
Ý nghĩa
Biến mới
Đánh giá
4. Chỉ số dưới
Ý nghĩa
dc
Động cơ
d
Đại lượng đặt
dm
Đại lượng định mức
d, q
Thành phần dọc trục và ngang trục
td
Tương đương
m, i
Thứ m, thứ i
max
Giá trị lớn nhất
min
Giá trị nhỏ nhất
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT
1
Tên các bảng, biểu
Bảng 1. Các tham số mô phỏng của động cơ điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu
Trang
71
2
Bảng 2: Các tham số mô phỏng của quadrotor
97
3
Bảng 3: Bảng giá trị hàm ngược để xác định tham số mô hình
103
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
STT
1
Tên hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Sơ đồ HTTĐĐ điện liên kết song song theo tác
động nhiễu
Trang
10
Hình 1.2. Sơ đồ chức năng của liên kết các HTTĐĐ điện
2
thông qua phụ tải
a). Quan hệ theo tốc độ
11
b). Quan hệ theo độ dịch chuyển của cơ cấu chấp hành
3
Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của các HTTĐĐ điện được liên
kết với nhau theo vị trí của đối tượng điều khiển.
12
4
Hình 1.4. Thay đổi độ cao của quadrotor
13
5
Hình 1.5. Thay đổi góc roll
13
6
Hình 1.6. Thay đổi góc pitch
14
7
Hình 1.7. Thay đổi góc yaw
15
8
Hình 1.8. Cấu trúc hệ điều khiển quadrotor
15
9
Hình 1.9. Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển quadrotor
17
10
Hình 1.10. Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển
18
11
12
13
14
15
Hình 1.11. Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc theo tín hiệu
điều khiển cho hệ truyền động cánh quạt
Hình 1.12. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID ứng dụng cho
quadrotor
Hình 1.13. Sơ đồ khối của bộ điều khiển LQR ứng dụng cho
quadrotor
Hình 1.14. Sơ đồ khối của bộ điều khiển SMC ứng dụng cho
quadrotor
Hình 1.15. Sơ đồ khối của một dạng hệ thống điều khiển thích
nghi ứng dụng cho quadrotor
19
20
21
22
24
16
Hình 1.16. Sơ đồ khối của bộ điều khiển FLC ứng dụng cho
quadrotor
27
17
Hình 2.1. Mô hình cấu trúc của quadrotor
38
18
Hình 2.2. Hệ thống động cơ đơn giản.
44
19
Hình 2.3. Hệ thống động cơ
45
20
Hình 2.4. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tựa từ thông rotor
động cơ PMSM
47
Hình 2.5. Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc của mô hình
21
động học quadrotor khi không kể đến hệ truyền động động cơ
52
chấp hành cánh quạt.
Hình 2.6. Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc của mô hình
22
động học quadrotor khi kể đến hệ truyền động động cơ chấp
52
hành cánh quạt.
23
Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor
54
24
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ truyền động cánh quạt
55
25
Hình 3.1. Hệ thống tính toán bộ điều khiển trượt thích nghi
69
26
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ
bằng phương pháp điều khiển trượt thích nghi
69
27
Hình 3.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển trượt thích nghi
71
28
Hình 3.4. Sơ đồ khai triển bộ điều khiển trượt thích nghi
72
29
Hình 3.5 Tốc độ động cơ điện PMSM trong trường hợp 1
73
30
Hình 3.6. Tốc độ động cơ điện PMSM trong trường hợp 2
73
31
Hình 3.7. Tốc độ động cơ điện PMSM trong trường hợp 3
74
32
Hình 3.8. Tốc độ động cơ điện PMSM trong trường hợp 4
75
33
Hình 3.9. Tốc độ động cơ điện PMSM trong trường hợp 5
75
34
Hình 4.1. Sơ đồ khối các vòng điều khiển quadrotor
77
35
Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ điều khiển và ổn định các góc Euler
78
36
37
38
39
Hình 4.3. Sơ đồ khối hệ điều khiển bằng phương pháp tuyến
tính hóa phản hồi
Hình 4.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ dài C2 của
quadrotor
Hình 4.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí C3 của quadrotor
Hình 4.6. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí của
quadrotorkhi sử dụng động cơ điện PMSM
80
91
95
96
40
Hình 4.7. Bộ điều khiển ổn định trạng thái các góc Euler C1
98
41
Hình 4.8. Bộ điều khiển tốc độ dài của quadrotor C2
99
42
Hình 4.9. Sơ đồ mô phỏng nhận dạng đặc tính của tốc độ
100
43
Hình 4.10. Đáp ứng đầu ra của tốc độ
100
44
Hình 4.11. Hàm quá độ của khâu dao động bậc 2
101
Hình 4.12. Sơ đồ cấu trúc tổng thể hệ điều khiển quadrotor
45
khi sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong
105
Simulink
Hình 4.13. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor
46
bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi khi sử dụng động
106
cơ PMSM
47
Hình 4.14. Bộ chuyển đổi 1 từ U1d ,U 2d ,U3d ,U 4d 1,2 ,3 ,4
106
48
Hình 4.15. Bộ chuyển đổi 2 từ 1 , 2 , 3 , 4 U1 ,U 2 ,U 3 ,U 4
107
49
Hình 4.16. Vị trí chuyển động dài của quadrotor
(trường hợp 1)
109
50
Hình 4.17. Các góc Euler (trường hợp 1)
109
51
Hình 4.18. Tốc độ của các động cơ (trường hợp 1)
110
52
Hình 4.19. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ (trường hợp 1)
110
53
Hình 4.20. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z (trường hợp 1)
111
54
55
Hình 4.21. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z (trường hợp 1)
Hình 4.22. Vị trí chuyển động dài của quadrotor
(trường hợp 2)
111
113
56
Hình 4.23. Các góc Euler (trường hợp 2)
113
57
Hình 4.24. Tốc độ của các động cơ (trường hợp 2)
114
58
Hình 4.25. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ (trường hợp 2)
114
59
60
61
Hình 4.26. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z (trường hợp 2)
Hình 4.27. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z (trường hợp 2)
Hình 4.28. Vị trí chuyển động dài của quadrotor
(trường hợp 3)
115
116
118
62
Hình 4.29. Các góc Euler (trường hợp 3)
118
63
Hình 4.30. Tốc độ của các động cơ (trường hợp 3)
119
64
Hình 4.31. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ (trường hợp 3)
119
65
66
67
Hình 4.32. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z (trường hợp 3)
Hình 4.33. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z (trường hợp 3)
Hình 4.34. Vị trí chuyển động dài của quadrotor
(trường hợp 4, tình huống 1)
120
120
122
68
Hình 4.35. Các góc Euler (trường hợp 4, tình huống 1)
122
69
Hình 4.36. Tốc độ của các động cơ (trường hợp 4)
123
70
Hình 4.37. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ (trường hợp 4)
123
71
72
73
Hình 4.38. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z (trường hợp 4)
Hình 4.39. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z (trường hợp 4)
Hình 4.40. Vị trí chuyển động dài của quadrotor
(trường hợp 4, tình huống 2)
124
124
125
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
Hình 4.41. Các góc Euler (trường hợp 4, tình huống 2)
Hình 4.42. Tốc độ của các động cơ (trường hợp 4,
tình huống 2)
Hình 4.43. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ (trường hợp,
tình huống 2)
Hình 4.44. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z (trường hợp 4, tình huống 2)
Hình 4.45. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z (trường hợp 4,
tình huống 2)
Hình 4.46. Vị trí chuyển động dài của quadrotor
(trường hợp 4, tình huống 3)
Hình 4.47. Các góc Euler (trường hợp 4, tình huống 3)
Hình 4.48. Tốc độ của các động cơ (trường hợp 4,
tình huống 3)
Hình 4.49. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ (trường hợp,
tình huống 3)
Hình 4.50. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z (trường hợp 4, tình huống 3)
Hình 4.51. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z (trường hợp 4,
tình huống 3)
Hình 4.52. Mô hình minh hoạ điều khiển một kênh truyền
động cho một cánh quạt của quadrotor
125
126
126
127
127
128
128
129
129
130
131
132
86
Hình 4.53. DRV8301-HC-EVM với card điều khiển
133
87
Hình 4.54. Các thành phần chính của kit Drv8301
134
88
Hình 4.55. Sơ đồ đo dòng và áp của mạch cầu kit Drv8301
135
89
Hình 4.56. Sơ đồ khối của mô đun DRV8301-HC-EVM
136
90
Hình 4.57. Card điều khiển TMDSCNCD28035MIS
137
91
Hình 4.58. Sơ đồ khối của MCU CPU C28x
137
92
93
94
95
Hình 4.59. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển độc cơ PMSM
sử dụng kit DRV8301-HC-EVM
Hình 4.60. Màn hình minh hoạ quá trình nhận dạng thông số
động cơ (khi chưa hoàn thành)
Hình 4.61. Màn hình minh hoạ quá trình nhận dạng thông số
động cơ (khi hoàn thành)
Hình 4.62. Hình ảnh mô hình thực nghiệm điều khiển một
kênh truyền động cho một cánh của quadrotor
138
139
139
140
Hình 4.63. Thư viện C2806x trên matlab của gói hỗ trợ tạo
96
mã nhúng cho dòng vi xử lý C2000 của hãng Texas
141
Instruments
97
98
99
100
101
102
103
104
Hình 4.64. Chương trình Simulink điều khiển động cơ PMSM
với kit DRV8301-69M
Hình 4.65. Đoạn chương trình Simulink cho tạo PWM trong
DSP C2806x
Hình 4.66. Màn hình thể hiện quá trình phát mã, biên dịch và
nạp vào kit
Hình 4.67. Mã nguồn C/C++ sau khi phát ra từ chương trình
Simulink điều khiển động cơ PMSM
Hình 4.68. a) Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ
b) dòng điện isd và dòng điện isq
Hình 4.69. a) Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ
b) dòng điện isd và dòng điện isq
Hình 4.70. a) Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ
b) dòng điện isd và dòng điện isq
Hình PL1.1. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển
quadrotor khi sử dụng động cơ PMSM
105 Hình PL1.2. Bộ điều khiển ổn định trạng thái các góc Euler C1
142
143
143
144
145
146
147
163
163
106 Hình PL1.3. Bộ điều khiển tốc độ dài của quadrotor C2
164
107 Hình PL1.4. Bộ chuyển đổi 1 từ U1d ,U2d ,U3d ,U4d 1,2 ,3 ,4
164
108 Hình PL1.5. Bộ chuyển đổi 2 từ 1 , 2 , 3 , 4 U1 ,U 2 ,U 3 ,U 4
165
109
Hình PL1.6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ dài
của quadrotor
165
110 PL1.7. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển trượt thích nghi
166
111 PL1.8. Sơ đồ khai triển khối động cơ PMSM
166
112 PL1.9. Sơ đồ khai triển khối chuyển đổi tọa độ và pha
167
113 PL1.10. Sơ đồ khai triển bộ điều khiển trượt thích nghi
167
1
MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp và quân sự thường gặp rất nhiều các hệ thống, thiết
bị mà trong đó phần chấp hành của nó chứa nhiều động cơ làm việc có sự liên
hệ ràng buộc với nhau ví dụ như các hệ thống robot công nghiệp (cánh tay
robot, robot song song,…), robot lặn, robot bay. Các thiết bị này là những đối
tượng thường gồm nhiều các hệ truyền động chứa nhiều động cơ, làm việc có
sự liên hệ ràng buộc với nhau. Việc điều khiển những động cơ trong các hệ
thống như vậy thường phải thỏa mãn các quy luật nhất định có liên quan đến
nhau. Do đó, trong quá trình thiết kế, xây dựng thuật toán điều khiển, người
thiết kế thường tính đến sự liên hệ ràng buộc giữa các hệ truyền động. Trong
các loại robot, lớp robot bay lên thẳng như tri-rotor, quadrotor và six-rotor là
lớp robot tác động nhanh có mô hình động lực học phi tuyến cũng như chịu sự
ảnh hưởng của liên hệ ràng buộc mạnh giữa các hệ truyền động cánh quạt. Sự
liên hệ ràng buộc giữa các quy luật điều khiển tốc độ của các hệ truyền động
điện quay cánh quạt chính là yếu tố tạo lên các chương trình chuyển động của
quadrotor trong không gian. Ngược lại chương trình chuyển động của robot
bay trong không gian sẽ quyết định quy luật thay đổi tốc độ của các hệ truyền
động điện. Đây là yếu tố mà những người làm thiết kế các hệ truyền động
điện cho robot bay phải quan tâm giải quyết.
Việc nghiên cứu các quy luật vật lý của các hệ truyền động điện trong
các hệ thống nhiều động cơ từ đó đưa ra các giải pháp hạn chế sự ảnh hưởng
không tốt do các liên hệ ràng buộc gây ra để nâng cao chất lượng điều khiển
là một bài toán còn nhiều thách thức, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Trong
luận án này lựa chọn đối tượng nghiên cứu là robot bay không người lái
(UAV) quadrotor, vì quadrotor với bốn hệ truyền động cánh quạt cũng như
mô hình động lực học đủ sự phức tạp và có sự phi tuyến mạnh, các hệ truyền
động cánh quạt có sự liên hệ ràng buộc với nhau đóng vai trò quan trọng
2
quyết định đến chất lượng điều khiển quadrotor.
Những năm gần đây, các trường đại học, các viện, các trung tâm nghiên
cứu và phát triển công nghệ trên thế giới đã đi sâu vào nghiên cứu và phát
triển ứng dụng của quadrotor, do chúng có khả năng đáp ứng một cách linh
hoạt các yêu cầu của con người trong thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến
các thiết bị bay quân sự và dân sự. Nhiều quốc gia như: Mỹ, Nga, Trung
quốc, Úc, Tây âu ... đã và đang đầu tư nhiều triệu USD cho các công trình
nghiên cứu và phát triển robot bay nói chung và quadrotor nói riêng phục vụ
cho các nhiệm vụ quân sự khác nhau trong thực tế. Ngoài các thiết kế dành
cho quân sự, các ứng dụng cho các lĩnh vực dân sự cũng được quan tâm như
giám sát núi lửa, rừng, chụp ảnh trên không, kiểm tra đường dây điện, phân
tích khí quyển phục vụ cho dự báo thời tiết, giám sát giao thông trong các khu
đô thị, hoạt động tìm kiếm người thất lạc và cứu hộ thiên tai, gieo trồng, phun
thuốc trừ sâu trong nông nghiệp,...
Với số lượng lớn quadrotor đang được sử dụng cho thấy không thể phủ
nhận khả năng của quadrtor bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi hoạt
động hẹp, chúng có thể bay trong các khu vực thấp so với mặt nước biển, có
thể bay lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó thông qua các
trạm điều khiển.
Đã có rất nhiều các công trình khác nhau nghiên cứu về điều khiển
Quadrotor trên thế giới bằng cách sử dụng các bộ điều khiển như PID
(Proportional Integral Derivative), LQR/G (Linear Quadratic Regulator/Gausian,
điều khiển mô hình trượt (SMC), điều khiển Backstepping, thuật toán điều khiển
thích nghi, thuật toán điều khiển tối ưu, thuật toán điều khiển bền vững, điều
khiển thông minh... để điều khiển vị trí, độ cao và các góc Euler [15], [16],
[19], [22], [50], [61].
Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu hoàn
chỉnh về quadrotor. Các công trình nghiên cứu vẫn chỉ ở mức thực nghiệm
3
trong các phòng thí nghiệm. Một số người đam mê thiết bị bay chỉ thực hiện
công việc lắp ghép các mô hình có sẵn chứ chưa đi vào nghiên cứu sâu về lý
thuyết và giải pháp công nghệ chế tạo. Ngoài ra các tài liệu và điều kiện chế
tạo quadrotor ở Việt Nam cũng còn nhiều hạn chế [2], [7], [12].
Hệ truyền động điện của cơ cấu chấp hành điều khiển 4 cánh quạt của
quadrotor là hệ thống truyền động nhiều động cơ làm việc có sự liên hệ ràng
buộc với nhau, trong quá trình điều khiển quadrotor, việc nghiên cứu đưa ra
các thuật toán điều khiển khi có những liên hệ ràng buộc của các hệ truyền
động cánh quạt của quadrotor nhằm nâng cao chất lượng điều khiển là một
vấn đề khoa học và tính thực tiễn cao. Từ những vấn đề nêu trên, tôi đã lựa
chọn đề tài:
"Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều
động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor"
* Mục tiêu nghiên cứu:
- Mục tiêu chung: Bằng lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm, nghiên
cứu, phân tích các hệ truyền động cánh quạt quadorotor, từ đó xây dựng thuật
toán điều khiển các hệ truyền động điện cánh quạt nhằm nâng cao chất lượng
điều khiển quadrotor.
- Yêu cầu đạt được
Về lý thuyết:
* Nghiên cứu động lực học của quadrotor khi kể đến động lực học của
hệ truyền động cánh quạt, từ đó chỉ ra những yếu tố có liên hệ ràng buộc của
mô hình thông qua hệ phương trình động lực học.
* Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ điều khiển trượt, thích nghi ứng dụng
điều khiển động cơ chấp hành trong hệ truyền động cánh quạt quadrotor.
* Tổng hợp bộ điều khiển với cách tiếp cận phương pháp tuyến tính
hóa phản hồi và tối ưu đối xứng cho mô hình động lực học của quadrotor.
- Về mô phỏng và thực nghiệm: Sử dụng phương pháp mô phỏng để
4
đánh giá khả năng hoạt động của hệ truyền động điện động cơ cánh quạt
quadrotor khi có sự thay đổi của các thông số điều khiển, nhiễu loạn, … và
xây dựng mô hình thực nghiệm với bộ điều khiển tốc độ được tổng hợp trên
cơ sở thuật toán trượt, thích nghi để điều khiển động cơ chấp hành là động cơ
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
- Về thực tiễn: Nội dung và các kết quả nghiên cứu bảo đảm tính thực
tiễn nhờ việc tiếp cận đến các mô hình bán tự nhiên và mô hình với các thông
số vật lý cụ thể
* Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là robot bay quadrotor với các hệ truyền động
cánh quạt sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
* Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Vận dụng các định luật cơ bản, xây dựng mô
hình động lực học đầy đủ của quadrotor có tính đến hệ truyền động điện động
cơ cánh quạt khi sử dụng động cơ có mô hình phi tuyến tính là động cơ điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển trượt, thích nghi để tổng hợp
thuật toán điều khiển động cơ chấp hành; Sử dụng thuật toán điều khiển tuyến
tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ điều khiển quadrotor.
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu mô phỏng nhằm đánh giá,
chứng minh tính đúng đắn, xác thực của nghiên cứu lý thuyết. Trong luận án tác
giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink làm công cụ cho nghiên cứu mô phỏng.
Nghiên cứu thực nghiệm: Nhằm chứng minh tính khả thi của nhóm
phương pháp trượt, thích nghi điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu, trong luận án xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ chấp
hành là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
* Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu về quadrotor là một lĩnh vực khó đòi hỏi cần có kiến thức
