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 tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HOÀNG VĂN HUY

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
9 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Đào Hoa Việt
2. TS Hoàng Quang Chính

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện
theo quyết định số
/QĐ-HV, ngày tháng năm 2018 của
Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật
Quân sự vào hồi giờ 00 ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia


1
MỞ ĐẦU

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
1. Hoàng Văn Huy, Hoàng Quang Chính (2012), Tổng hợp
bộ điều khiển tốc độ trượt bền vững cho động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu; Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn
quốc lần thứ 6, VCM tháng 12 năm 2012, trang 265-271.
2. Hoàng Quang Chính, Đào Hoa Việt, Hoàng Văn Huy,
Phạm Ngọc Sâm (2016), Mô phỏng hệ điều khiển độ cao
quadrotor dùng động cơ một chiều không tiếp xúc, Số 43 trang
65-73, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Viện Khoa học
và Công nghệ quân sự.
3. Tran Duc Chuyen, Nguyen Thanh Tien, Hoang Van Huy,
Dao Hoa Viet (2015), Designing A Synthesizing Adaptive
Backstepping Sliding Mode Controller for Drive Systems
Tracking Electric Mechanisms Using Synchronous Ac Motors,
International Journal of Advanced Research in Computer

Science and Software Engineering, page: 64-72. Volume 5,
Issue 3, March 2015.
4. Hoang Van Huy, Hoang Quang Chinh, Dao Hoa Viet
(2017), Synthesis of the Quadrotor Control Loop Using
Feedback Linearization and Optimum Modulus Methods, Tạp
chí Khoa học và Kỹ thuật – Học viện Kỹ thuật Quân sự, Số 186
(10-2017) trang 87-99

Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu:
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.
Với tính cấp thiết như vậy, hướng nghiên cứu của luận án được
lựa chọn là “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, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu động lực học của quadrotor khi kể đến động lực học
của hệ truyền động cánh quạt; nghiên cứu 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.
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.
Xây dựng mô hình động lực học quadrotor có tính đến hệ truyền
động điện động cơ cánh quạt. Phân tích đánh giá những yếu tố có liên

hệ ràng buộc giữa các tác động đầu vào/ra của hệ thống; nghiên cứu
tổng hợp bộ điều khiển cho hệ truyền động cánh quạt quadrotor trong
trường hợp sử dụng động cơ điện PMSM; nghiên cứu, ứng dụng
phương pháp tuyến tính hóa phản hồi và phương pháp tối ưu đối
xứng trong việc tổng hợp các vòng điều khiển quadrotor; tiến hành
mô phỏng hệ điều khiển quadrotor với mô hình khi tính đến động cơ
chấp hành là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
Phương pháp nghiên cứu:
Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển trượt, thích nghi, thuật
toán điều khiển tuyến tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng để tổng
hợp hệ điều khiển quadrotor.
Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink làm công cụ cho nghiên cứu
mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ chấp


2

31

hành là động cơ điện PMSM.
Những đóng góp mới của luận án:
Xây được mô hình đầy đủ hệ thống điều khiển quadrotor khi kể
đến động cơ chấp hành có liên hệ giữa các kênh thông qua các tín
hiệu điều khiển, để từ đó xây dựng được cấu trúc của hệ điều khiển
và quy luật điều khiển khi kể đến hệ truyền động động cơ quay cánh
quạt.
Trên cơ sở phân chia chuyển động, luận án đã xây dựng được một
phương pháp để thiết kế một hệ thống phức tạp chứa nhiều kênh và
nhiều mối liên hệ ràng buộc, chỉ ra trình tự thiết kế các bộ điều khiển
thành phần và bài toán thiết kế tổng hợp cả hệ thống.

Tổng hợp được bộ điều khiển trượt, thích nghi cho hệ truyền động
cánh quạt sử dụng động cơ PMSM, có khả năng làm việc bền vững
và ổn định cao khi có sự thay đổi thông số của quadrotor và phụ tải.
Tính đúng đắn của thuật toán nêu ra đã được kiểm chứng bằng mô
phỏng và thực nghiệm.
Tổng hợp được bộ điều khiển quadrotor theo phương pháp tuyến
tính hóa phản hồi, trượt thích nghi và tối ưu đối xứng khi kể đến
động học động cơ chấp hành quay cánh quạt có mô hình phi tuyến
(động cơ điện PMSM)
Cấu trúc của luận án:
Luận án gồm: Phần mở đầu, bốn chương và kết luận, trình bày
trong 151 trang thuyết minh, 113 hình vẽ, đồ thị và phần phụ lục:
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
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
Chương 3: Tổng hợp bộ điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu quay cánh quạt bằng phương pháp trượt thích nghi ứng dụng trong
hệ thống điều khiển quadrotor
Chương 4: Tổng hợp hệ điều khiển góc và điều khiển vị trí của
quadrotor khi kể đến động học của động cơ chấp hành

hình phi tuyến. Kết quả thực hiện được tóm tắt như sau:
1. Những nghiên cứu đã thực hiện trong luận án
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện cho cơ
cấu chấp hành để quay cánh quạt quadrotor với mô hình đầy đủ bao
gồm động cơ chấp hành và mô hình động lực học của quadrotor. Hệ
thống là sự kết hợp các bộ điều khiển thành phần trong một thể thống
nhất. Đây thực sự là một hệ thống nhiều kênh có cấu trúc phức tạp,

chứa rất nhiều sự ràng buộc giữa các kênh mà người thiết kế cần phải
được kể đến trong quá trình thiết kế bộ điều khiển cho từng kênh và
tổng thể hệ thống, với mục tiêu cuối cùng là bảo đảm cho quadrotor
điều khiển được theo các quỹ đạo cho trước. Do tính phức tạp của hệ
thống điều khiển lên việc kiểm chứng phương pháp thiết kế và các
thuật toán được thực hiện bằng mô phỏng trên công cụ Matlab Simulink để chứng minh khả năng làm việc của hệ thống với các
chương trình điều khiển khác nhau.
Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp
quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng ứng với sự thay đổi
nhiễu, đây là trường hợp đặc trưng của quadrotor.
Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp
quadrotor điều khiển theo chương trình có giai đoạn hạ cánh.
Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp
quadrotor khi di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác cho trước với.
2. Một số kiến nghị về những tồn tại và hướng phát triển của
luận án
Trên cơ sở bộ điều khiển đã tổng hợp được, tiếp tục nghiên cứu để
ứng dụng điều khiển thực tế.
Luận án là tài liệu tham khảo cho các đồng nghiệp để sử dụng
trong giảng dạy, đào tạo đại học và sau đại học chuyên ngành kỹ
thuật điều khiển và tự đông hóa, cơ điện tử.


30

3

Trường hợp 2: Nghiên cứu quá trình ổn định tốc độ, có tác động của
Mc thay đổi. Kết quả thực nghiệm được thực hiện khi lượng vào tốc
độ không đổi với tốc độ đặt 2500 vòng/phút. Ta tiến hành thay đổi

phụ tải đặt vào động cơ tại thời điểm t = 0,33s và t = 0,73s, ta có các
kết quả như sau:

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

a)
b)
Hình 4.69. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ 
b) dòng điện isd và dòng điện isq
Trường hợp 3: Nghiên cứu quá trình ổn định tốc độ và hãm động
cơ. Ta tiến hành thay đổi tốc độ từ 2800 vòng/phút xuống tốc độ
1500 vòng/phút, ta có các kết quả như sau:

1.1. Tổng quan về hệ truyền động điện chứa nhiều động cơ có
liên hệ ràng buộc với nhau
1.2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor
Quadrotor là mô hình với bốn động cơ gắn trên một cấu trúc hình
chữ thập, mỗi cánh quạt được nối với động cơ thông qua hộp số.
Cánh quạt “trước” và cánh quạt “sau” quay ngược chiều kim đồng
hồ, trong khi đó cánh quạt bên “phải” và bên “trái” quay cùng chiều
kim đồng hồ.
Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển như hình 1.10.

Khối liên
kết chéo
đầu vào

Bộ điều
khiển

Động
cơ
PMSM

……..

……..

Bộ
truyền
cơ khí
……..

……..

……..

……..

……..

……..

……..

X


Khối liên
kết chéo
đầu ra

Y
Quadrotor


Z

Hình 1.10. Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển.
a)

b)

Hình 4.70. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ 
b) dòng điện isd và dòng điện isq
Nhận xét: Quan sát kết quả thực nghiệm của các trường hợp ta
khẳng định rằng thuật toán tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi
được tổng hợp trong chương 3 là hoàn toàn đúng đắn và đáp ứng
được yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với hệ thống điều khiển quadrotor.
4.7. Kết luận chương 4
KẾT LUẬN CHUNG
Trong luận án đã tập trung giải quyết thành công bài toán tổng
hợp hệ điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ chấp hành có mô

Trong đó: M ei [N.m] mô men của động cơ thứ i; ri [rad.s-1] tốc độ góc
của động cơ thứ i; ωdi [rad.s-1] là tốc độ góc đặt của động cơ thứ i;
1d ,  2 d , 3d ,  4 d bốn tốc độ đặt của các cánh quạt U1d ,U 2 d ,U 3d ,U 4 d

bốn tín hiệu điều khiển đặt; i [rad.s-1] tốc độ của cánh quạt thứ i; X, Y,
Z là vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục xE, yE, zE;
 , , các góc Euler (roll, pitch, yaw); U1  b(12  22  32  24 ) ;
U 2  lb( 22   42 ) ; U 3  lb(12  32 ) ; U 3  lb(12  32 ) ;
U 4  d (12   22  32   42 ) là tín hiệu để điều khiển thay đổi độ
cao, thay đổi góc roll, góc pitch và đổi góc yaw.
1.3. Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor




4

29

1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.5. Đặt bài toán nghiên cứu
Nghiên cứu 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; phân tích và vận dụng nguyên lý phân chia chuyển
động để tiến hành phân chia hệ thống điều khiển quadrotor thành hệ
thống điều khiển với các vòng điều khiển lệ thuộc; thực hiện tổng hợp
các bộ điều khiển bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi, trượt
thích nghi và tối ưu đối xứng.
Mô phỏng hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động cơ chấp hành
và tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm.
1.6. Kết luận chương 1
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
2.1. Mô hình động lực học quadrotor
Sử dụng phương pháp Newton - Euler cho mô hình và thực hiện
biến đổi ta nhận được phương trình động lực học chuyển động tịnh
tiến của quadrotor như sau:
 X  (cos cosψsinθ  sin sinψ)U1 / m  K x X  Fn1 / m
 
(2.16)
Y  (cos sinψsinθ  cosψsin )U1 / m  K yY  Fn 2 / m
 

 Z  cos  cos  U1 / m  g  K z Z  Fn 3 / m
Phương trình động lực học chuyển động quay của quadrotor như sau:
  (IYY  I ZZ ) / I XX  J P  / I XX  U 2 / I XX  M n1 / I XX
  

  (I ZZ  I XX ) / IYY  J P   / IYY  lbU 3 / IYY  M n 2 / IYY (2.17)
  


   (I XX  IYY ) / I ZZ  dU 4 / I ZZ  M n 3 / I ZZ
Trong đó: I XX , IYY , I ZZ là mô men quán tính của quadrotor quanh
trục X, Y, Z; K x  k1 / m ; K y  k2 / m ; K y  k3 / m là các hằng số;
k1 , k 2 , k3 là các hệ số lực cản; F1n , F2 n , F3n là lực cản của các loại

Hình 4.62. Hình ảnh mô hình thực nghiệm điều khiển một kênh
truyền động cho một cánh của quadrotor
4.6.2. Các kết quả thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động cơ điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được tổng hợp theo phương pháp

trượt thích nghi để điều khiển một kênh truyền động cho một cánh
quạt của quadrotor, kết quả thực nghiệm với các trường hợp sau:
Trường hợp 1: Nghiên cứu quá trình khởi động, tăng tốc và điều
khiển động cơ đến một tốc độ cho trước. Ta tiến hành thay đổi tốc độ
từ 0 đến 209 rad/s (1000 vòng/phút) và đến 418 rad/s (2000
vòng/phút). Ta có các kết quả như sau:

a)
b)
Hình 4.68. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ 
b) dòng điện isd và dòng điện isq


28

5
nhiễu; M 1n , M 2 n , M 3n là các thành phần mô men cản của nhiễu
Phương trình trạng thái mô tả động lực học của quadrotor:

Hình 4.51. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z
Kết luận chung:
Qua các mô phỏng cho thấy bộ điều khiển động cơ truyền động
các quạt và hệ thống điều khiển quadrotor hoạt động tốt, hạn chế
được sự ảnh hưởng ràng buộc giữa các kênh điều khiển quadrotor;
hạn chế sự ảnh hưởng của nhiễu loạn khi quadrotor hoạt động, hệ
thống làm việc tốt, đáp ứng được các yêu cầu điều khiển quadrotor,
điều này thể hiện tính đúng đắn của các thuật toán đề ra.
4.6. Khảo sát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
4.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm điều khiển một kênh truyền động cho một
cánh quạt của quadrotor được biểu diễn như hình 4.62.

U1
Fn1

 x1  (sinx 6sinx 4  cosx 6sinx5cosx 4 ) m  K x x1  m

 x  (cosx sinx sinx  sinx cosx ) U1  K x  Fn2
4
5
6
4
6
y 2
 2
m
m

F
U
 x  g  (cosx cosx ) 1  K x  n3
4
5
z 3
 3
m
m
 x  x
 4 7

 x5  x8

 x6  x9
X  f ( X ,U )  
(I  I ) J P x8Ω U2 Mn1


 x7  x9 x8 YY ZZ 
IXX
IXX
IXX IXX


U M
(I  I ) J x Ω
 x8  x9 x7 ZZ XX  P 7   3 - n 2
I
I
I
IYY

YY
YY
YY

 x9  x7 x8 (IXX  IYY )  U4  Mn3

IZZ
IZZ IZZ


 x10  x1
 x11  x2

 x12  x3

2.2. Mô hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt
Phương trình trạng thái mô tả động lực học của động cơ PMSM có
dạng như sau:
 x13

 x14


X  f ( X , u )  

 x15


 x16


 x14


M
3
3
pm r x15 
pm ( Ld  Lq ) x15 x16  c
2 J TP

2 J TP
J TP



Lq
u
R
x15 
pm x14 x16  d
Ld
Ld
Ld



uq
L
R

x16  d pm x14 x15  r pm x14 
Ld
Lq
Ld
Lq

2.3. Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor
Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor như hình (2.39)

6

27

 x1  (sinx6 sinx4  cosx6 sinx5 cosx4 )U 1 / m  K x x1  Fn1 / m

 x2  (cosx4 sinx5 sinx6  sinx4 cosx6 )U 1 / m  K y x2  Fn 2 / m
 x3   g  (cosx4 cosx5 )U 1 / m  K z x3  Fn3 / m

 x4  x7
 x  x
8
 5
 x6  x9

 x7   ( IYY  I ZZ ) / I XX  x9 x8  ( J TP / I XX ) x8   U 2 / I XX  M n1 / I XX

 x8   I ZZ  I XX ) / IYY  x9 x7  ( J TP / IYY ) x7   U 3 / IYY  M n 2 / IYY
 x   ( I  I ) / I  x x  U / I  M / I
XX
YY
ZZ
7 8
4
ZZ
n3
ZZ
 9
 x10  x1


 x11  x2
 x12  x3

 x13  ( R1 / Ld 1 )x13  ( Lq1 / Ld 1 )pm1 x14 x15  (1 / Ld 1 )ud 1

 x14  ( R1 / Ld 1 ) x14  ( Ld 1 / Lq1 ) x13 x15  (r1 / Ld 1 ) x15  (1 / Lq1 )uq1

2
 x15  (3 / 2 J TP1 )pm1r1 x14  (3 / 2 J TP1 )pm1 ( Ld 1  Lq1 ) x13 X 14  M 01  k1 x15  k pt1 x15
 x16  ( R2 / Ld 2 ) x16  ( Lq 2 / Ld 2 ) pm 2 x17 x18  (1 / Ld 2 )ud 2

 x17  ( R2 / Ld 2 ) x17  ( Ld 2 / Lq 2 ) x16 x18  (r 2 / Ld 2 ) x18  (1 / Lq 2 ) uq 2

2
 x18  (3 / 2 J TP 2 ) pm 2 r 2 x17  (3 / 2 J TP 2 ) pm 2 ( Ld 2  Lq 2 ) x16 x17  M 02  k2 x18  k pt 2 x18

 x19  ( R3 / Ld 3 ) x19  ( Lq 3 / Ld 3 ) pm3 x20 x21  (1 / Ld 3 )ud 3
 x  ( R / L ) x  ( L / L ) x x  ( / L ) x  (1 / L )u
3
d3
20
d3
q3
19 21
r3
d3
21
q3
q3
 20

2
 x21  (3 / 2 J TP 3 ) pm3r 3 x20  (3 / 2 J TP 3 ) pm 3 ( Ld 3  Lq 3 ) x19 x20  M 03  k3 x21  k pt 3 x21

 x22  ( R4 / Ld 4 ) x22  ( Lq 4 / Ld 4 ) pm 4 x23 x24  (1 / Ld 4 )ud 4

 x23  ( R4 / Ld 4 ) x23  ( Ld 4 / Lq 4 ) x22 x24  (r 4 / Ld 4 ) x24  (1 / Lq 4 )uq 4
 x  (3 / 2 J ) p  x  (3 / 2 J ) p ( L  L ) x x  M  k x  k x 2
TP 4
m 4 r 4 23
TP 4
m4
d4
q4
22 23
04
4 24
pt 4 24
 24

Hình 4.47. Các góc Euler

Hình 4.50. Tốc độ chuyển động
thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z

Hình 4.48. Tốc độ của các động cơ
∆n = n1-n3

∆n = n2 – n4

(2.39)
* Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển quadrotor
Từ các phương trình (2.16) và (2.17). Sơ đồ khối mô tả mối liên
hệ ràng buộc của mô hình động lực học quadrotor khi kể đến hệ
truyền động chấp hành cánh quạt được biểu diễn trên hình 2.6

Thoi gian t(s)

Thoi gian t(s)

Hình 4.49. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ


26

7

Hệ truyền
động điện
động cơ
cánh quạt

Hình 4.45. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z
Tình hướng 3: Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại
các giá trị sau: k = 0,0025; kpt = 0,002; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1;
0.05] Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky
= Kz = 0,07.
Tham số động cơ PMSM được điều chỉnh thay đổi như sau: Mô
men quán tính quy đổi về trục động cơ thay đổi đến giá trị 1,5JTP =
5,35.10-4 [kg.m2]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5 Ld

=14,50.10-3 [H]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5Lq =
37,36.10-3 [H]; điện trở Stato thay đổi đến giá trị 1,2R = 14,8 [Ω].
Các kết quả mô phỏng thu được như sau:

Hình 2.6. Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc của mô hình động học
quadrotor khi kể đến hệ truyền động động cơ chấp hành cánh quạt.
2.4. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor khi kể đến
động học động cơ chấp hành
Sử dụng phương pháp phân chia chuyển động [79] để phân chia mô
hình động lực học quadrotor thành các hệ con sau:
- Hệ con thứ nhất: Hệ TĐĐ động cơ cánh quạt, đầu vào là các tốc
độ đặt, được xác định từ quy luật chuyển động của quadrotor
- Hệ con thứ hai (S1): mô tả động lực học trạng thái các góc Euler
J 
( I YY  I ZZ )
J 
J 
J 
U

x9 x8  P 1 x8  P 2 x8  P 3 x8  P 4 x8  2
 x7 
I XX
I XX
I XX
I XX
I XX
I XX



( I ZZ  I XX )
J 
J 
J 
J 
U
x9 x7  P 1 x7  P 2 x7  P 3 x7  P 4 x7  3
 x8 
IYY
I YY
I YY
I YY
I YY
I YY

 x9  ( I XX  I YY ) x7 x8 / I ZZ  U 4 / I ZZ


(2.40)
- Hệ con thứ 3 (S2): mô tả động lực học điều khiển chuyển động tịnh
tiến của quadrotor
 x1  (sin x6 sin x4  cos x6 sin x5 cos x4 )U 1 / m  K x x1

(2.41)
 x2  (cos x4 sin x5 sin x6  sin x4 cos x6 )U 1 / m  K y x2

 x3   g  (cos x4 cos x5 )U 1 / m  K z x3
- Hệ con thứ 4: là hệ phương trình vi phân mô tả hệ truyền động điện
động cơ cánh quạt quadrotor

Hình 4.46. Vị trí chuyển động
dài của quadrotor


8

25

 x13  x14

 x14  3 pm r x15 / 2 J TP  3 pm x15 x16 ( Ld  Lq ) / 2 J TP  M c / J TP
(2.42)

 x15   Rx15 / Ld  Lq pm x14 x16 / Ld  ud / Ld
 x   Rx / L  L p x x / L   p x / L  u / L
16
d
d m 14 15
q
r m 14
d
q
q
 16
Cấu trúc phân chia chuyển động được biểu diễn trong hình 2.7.
 Xd 
 
 Yd 
Z 
 d

C

 X d 
 
 Yd 
 Z 
 d
3

C

 d 
 
 d 
 
 d
2

C

U 2d 
 
 U 3d 
U 
 4d 

 1 d 



  2d 
 
 3d 
 
 4d 

 1 
 
 2 
 
 3
 
 4

S

1

U 1d

  
 
  
 
 

U 2 
 
U3 
 

U 4 
1

 ...dt

 
 
 
 
 

S

2

 X 
 
 Y 
 Z 
 

 ...dt

X 
 
Y 
Z
 

U1

Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor
2.6. Đánh giá và nhận xét
2.7. Kết luận chương 2
Đã trình bày được việc xây dựng mô hình động lực học quadrotor
khi tính đến động lực học của hệ truyền động điện động cơ cánh quạt
là động cơ PMSM. Phân tích và đưa ra các đánh giá, nhận xét rằng
mô hình động lực học quadrotor khi có tính đến động lực học của hệ
truyền động động cơ cánh quạt là rất phức tạp, do vậy cần phải áp
dụng nhiều phương pháp tổng hợp hiện đại khác nhau để tổng hợp
các bộ điều khiển như: tuyến tính hóa phản hồi, trượt, thích nghi và
tối ưu đối xứng.
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
3.1. Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt
thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM
Phương trình toán học của động cơ chấp hành PMSM được viết
dưới dạng không gian trạng thái với sự bất định của các tham số được
viết như phương trình
(3.7)
x  ( f đm ( x )  f ( x))  (h1đm  h1 )ud  (h2 đm  h2 )uq

Hình 4.42. Tốc độ của các động cơ
∆n = n1-n3

∆n = n2 – n4

Thoi gian t(s)

Thoi gian t(s)

Hình 4.43. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ


24

9

Tình hướng 2:
Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau:
k = 0,002; kpt = 0,0018; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1; 0.05] Nm; hệ số
lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,06. Các
kết quả mô phỏng thu được như sau:

Ở đây :
  Rdmiddm / Lddm  Lqdm pmr iqdm / Lddm


 f1dm ( x)  

   Rdmiqdm / Lqdm  Lddm pmr iddm / Lqdm  rdm pmr / Lqdm 
f dm ( x )   f 2 dm ( x )   

 f ( x)   3 pm / 2 JTPdm [iqdm rdm  (Lddm  Lqdm )iddm iqdm ] 

 3dm  
2


 (k ptdmr  kdmr  M 0 ) / J TPdm


 f1 ( x) 
1 / Lddm 
 0 



,

,
h1dm   0  h2 dm  1 / Lqdm  f ( x )   f 2 ( x)  ,
 0 
 0 
 f ( x) 




 3 

0
 1
 
 
 
h1   0  , h2    2 
0 

0 
 
 

Trong các biểu thức trên, các giá trị f , h, R, i... có thêm chỉ số
(dm) là các thành phần danh định đã biết,  là thành phần kể đến sự
sai lệch gây ra do sự bất định của các tham số và các thành phần
nhiễu khác, 1 ,  2 là các thành phần chưa biết. Phương trình (3.7)
được viết lại như sau:
(3.11)
x  f dm ( x)  h1dm ud  h2 dm uq  G

Xd
X

Yd
Y

Zd
Z

Giả thiết rằng G và tốc độ cánh quạt r là hằng số không rõ ràng và
có thể được ước tính xấp xỉ bằng thuật thích nghi.
Sai số tốc độ và dòng điện được xác định như sau :

Hình 4.40. Vị trí chuyển động dài
của quadrotor

e1  d  r ; e2  idd  id
(3.14)

Bước 1: Xác định luật điều khiển điện áp ud , uq theo phương pháp

điều khiển trượt.
t

- Phương trình đối với

sq :

sq  k1e1  e1  k2  e1dt
0

t

- Phương trình đối với

Hình 4.41. Các góc Euler

Hình 4.44. Tốc độ chuyển động
thẳng của quadrotor theo các
trục tọa độ X, Y, Z

sd

: sd  e2  ksd  e2 dt
0

Ở đây k1 , k2 là các hằng số. Hàm Lyapunov được lựa chọn như sau:
V  0.5s 2  0.5s 2 ; Để V  0 luật điều khiển trượt thiết kế như sau:
1

d

q

1

ud  Lddm  idd  f1dm  k sd e2  k d sd  G1   d sign(sd ) 

(3.24)


10

23

uq  Lqdm  k1 d  k1 f 3dm  d  f 3dm N 3  N1 f1dm  N1ud / Lddm  N 2 f 2 dm

 kq sq  k2 e1  N1G1  N 2G2  N3G3  k1G3 q sign(sq )  / N 2

(3.25)

Bước 2: Xác định luật thích nghi, cập nhật các tham số thay đổi.
Hàm Lyapunov được xây dựng như sau:
(3.27)
V2  V1  0.5G12 /  1  0.5G 22 /  2  0.5G 32 /  3
Ở đây, G  G  Gˆ ; G  G  Gˆ ; G  G  Gˆ và  ,  ,  là
1

1

1

2

2

2

3

3

3

1

2

(3.67)

3

các hằng số thích nghi.
Lấy vi phân hàm Lyapunov theo thời gian và thay V1 vào ta thu
được:
- Luật thích nghi tham số được viết như sau:




Gˆ1   1 ( sq N1  sd ) ; Gˆ 2   2 sq N 2 ; Gˆ 3   3 (k1  N3 ) sq

Hình 4.36. Tốc độ của các động cơ

- Luật điều khiển chế độ trượt thích nghi ud và uq có dạng như sau:



ud  Lddm idd  f1dm  Gˆ1  ksd e2  kd sd  d sd / ( sd   d )



(3.79)

uq  Lqdm / N 2  k1 d  k1 f 3dm  d  N1 (f1dm  ud / Lddm )  N 2 f 2 dm 
N 3 f 3dm  N1Gˆ1  N 2Gˆ 2  N 3Gˆ 3  k1Gˆ 3  k 2 e1  kq sq  q sq ( sq  q ) 

Hình 4.37. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ

Hệ thống điều khiển tốc độ được biểu diễn trên hình 3.1
Tính toán bù
phụ tải

iq

iq
-

iq
Động cơ

PMSM

-

r

id

id
Măt trượt

id r
Luật thích nghi

Hình 3.1. Hệ thống tính toán bộ điều khiển trượt thích nghi

Hình 4.39. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z


22

11
3.2. Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu theo phương pháp trượt thích nghi
Bảng 1. Các tham số mô phỏng của động cơ điện PMSM
Thông số
Ký hiệu
Giá trị
Đơn vị
Tốc độ định mức

3000
V/p
ndm
Từ thông rotor
Hằng số mô men
Số đôi cực
Điện trở của Stato động cơ
Điện cảm dọc trục của động cơ
Điện cảm ngang trục của động cơ

Xd
X

Yd
Y

1
K
pm
R
Ld
Lq

0,0825

Wb

0,776
1
12,4

9,7.10-3

N.m/A

30, 4.103


H
H

Mô men quán tính của động cơ
Kg.m2
J PMSM
1,67.10 4
Hệ số ma sát nhớt
B
0,0001
Nmsec
Các tham số của bộ điều khiển được chọn như sau: k1  1250 ,

Zd
Z

Hình 4.34. Vị trí chuyển động dài
của quadrotor

kd  50 , k sd  104 , d  270 , kq  30 , k sq  102 , q  130 ,

 1  0.067 ,  2  0.01 ,  3  0.067

Hình 4.35. Các góc Euler

Hình 4.38. Tốc độ chuyển động
thẳng của quadrotor theo các trục
X, Y, Z

Hình 3.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển trượt thích nghi
Thực hiện mô phỏng với các trường hợp: Khởi động động cơ với
dạng tải đặc trưng cho động cơ quay cánh quạt; nghiên cứu khả năng
làm việc của hệ thống truyền động điện khi tốc độ thay đổi; khi tải


12

21

thay đổi đột biến; khi tải có dạng mô men quạt gió; nghiên cứu khả
năng làm việc của hệ thống truyền động điện khi biến đổi tham số
của động cơ PMSM.
3.3. Kết luận chương 3
Tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng hợp bộ điều khiển
trượt, thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ điện PMSM,
tiến hành mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện PMSM bằng
công cụ Matlab – Simulink.
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

∆n = n2 – n4

∆n = n1-n3

Thoi gian t(s)

Thoi gian t(s)

Hình 4.31. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ

4.1. Tổng hợp bộ điều khiển và ổn định trạng thái các góc Euler
C1 bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi
Bước 1: Kiểm tra các điều kiện về khả năng tổng hợp bộ điều khiển
và ổn định các góc Euler bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi
Bước 1: Xây dựng phép đổi biến để đưa hệ phi tuyến về hệ tuyến
tính Các biến đầu vào điều khiển U 2 ,U 3 ,U 4 được biến đổi thành các
biến điều khiển mới U 2* ,U 2* ,U 4* và có dạng như phương trình (4.7)
 U*2  U 2  f 20 (x 7 , x 8 ,x 9 )  f 21 (X8 ,Ω1 ,Ω 2 ,Ω 3 ,Ω 4 )
 *
 U 3  U 3  f 30 (x 7 ,x 8 ,x 9 )  f 31 (X 7 ,Ω1 ,Ω 2 ,Ω 3 ,Ω 4 )
 *
 U 4  U 4  f 40 (x 7 ,x 8 ,x 9 )

(4.7)
Hình 4.33. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z

Thay biến mới vào phương trình (2.40). Thực hiện các biến đổi
tuyến tính hóa hệ điều khiển các góc của quadrotor ta thu được hệ
phương trình tuyến tính.
Bước 3: Tổng hợp bộ điều khiển các góc  , θ, ψ theo tiêu chuẩn tối
ưu đối xứng ta thu được hàm truyền bộ điều khiển có dạng sau:

(4.19)
Wc  0,5K 22Wdo I XX  ( 0,125) K 23Wdo I XX / s
Wc  0,5 K 32Wdo IYY  (0,125) K 33Wdo IYY / s

Wc 

0,5K 42Wdo I ZZ



(0,125) K 43Wdo I ZZ

/s

4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ dài C2 của quadrotor

(4.20)
(4.21)

Trường hợp 4: Nghiên cứu phản ứng của hệ thống khi thay đổi các
thông số của quadrotor, của động cơ điện PMSM và các tác động của
nhiễu. Khảo sát quadrotor với ba tình hướng ứng với ba bộ thông số
và nhiễu khác nhau: Vị trí chuyển động dài của quadrotor theo
phương X, Y và Z được đặt tại các giá trị: Xd = [-15 5 -10 -10] [m];
Yd = [5 -10 15 15] [m]; Zd = [20 10 30 30] [m].
Tình hướng 1:
Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau:
(4.18)
k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05Nm; hệ số lực cản của không khí tác
động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729. Các kết quả mô phỏng thu

được như sau:


20

13
Bộ điều khiển tốc độ là bộ điều khiển tỷ lệ có dạng như (4.24)
(4.24)
Uˆ  n ( x  x ); Uˆ  n ( x  x ); Uˆ  n ( x  x )
1

1

1d

1

2

2

2d

2

3

3

3d

3

4.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí C3
Tổng hợp bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, ta
có hàm truyền của bộ điều khiển theo tọa độ X, Y, Z như sau:
(4.32)
WđkX  (4T1 X  T2 X ) / 8T12X K X  1 / 8T12X K X s  4T1 X T2 X / 8T12X K X s

Hình 4.32. Tốc độ chyển động
thẳng của quadrotor theo
các trục X, Y, Z

Hình 4.29. Các góc Euler

WđkY  (4T1Y  T2Y ) / 8T1Y2 KY  1 / 8T1Y2 KY s  4T1Y T2Y / 8T1Y2 KY s

(4.33)

WđkZ  (4T1Z  T2 Z ) / 8T12Z K Z  1 / 8T12Z K Z s  4T1Z T2 Z / 8T12Z K Z s

(4.34)

Bộ điều khiển vị trí theo các tọa độ X, Y, Z là bộ điều khiển PID
4.4. Tính toán tham số các bộ điều khiển khiển quadrotor khi kể
đến động lực học động cơ chấp hành
Để tính toán tham số các bộ điều khiển quadrotor, luận án đã sử
dụng các công cụ toán học và mô phỏng thực nghiệm để tính chọn
các tham số cho các bộ điều khiển.
4.4.1. Bảng thông số của quadrotor sử dụng trong tính toán các

tham số bộ điều khiển và nghiên cứu mô phỏng
Bảng các thông số của quadrotor được cho trong bảng 2 dưới đây.
Bảng 2: Các tham số mô phỏng của quadrotor
Thông số
Ký hiệu
Giá trị
Đơn vị
Hệ số lực nâng
b
2,92.10-6
kg.m
Hệ số lực kéo
d
1,1. 10-7
kg. m2
Khối lượng Quadrotor
m
2
kg
Mômen quán tính trục x
IXX
0,85.10-3
kg. m2
Mômen quán tính trục y
IYY
0,85.10-3
kg. m2
Mômen quán tính trục z
IZZ
1,81.10-3

kg. m2
Gia tốc trọng trường
g
9,81
m s-2
KC từ tâm Quadrotor đến tâm
l
0,2
m
của động cơ
4.4.2. Tính toán các thông số bộ điều khiển ổn định các góc Euler C1
Hàm truyền bộ điều khiển các kênh góc  , , xác định như sau:
Wc  0,5(  60) 2 .0,85.10 3  (  0,125)(  60)3 .0,85.10 3 / s  0,15  2,3 / s
Wc  0,5(  80)2 .0,85.103  (  0,125)(  80)3 .0,85.103 / s  0,28  5,5 / s

Hình 4.30. Tốc độ của các động cơ


14

19

Wc  0,5(  90) 2 .1,81.10 3  (  0,125)(  90)3 .1,81.10 3 / s  0,73  16, 4 / s

4.4.3. Tính toán các thông số bộ điều khiển tốc độ dài C2
Bộ điều khiển tốc độ dài của quadrotor có dạng như (4.35):
Uˆ1  1,5( x1d  x1 ) , Uˆ 2  0,5( x2 d  x2 ) , Uˆ 3  0,5( x3d  x3 ) (4.35)
4.4.4. Tính toán các thông số bộ điều khiển vị trí
Bộ điều khiển vị trí theo các tọa độ X, Y, Z có dạng như sau:
WđkX  0,5  0,1 / s  0,35s ; WđkY  0,5  0,1 / s  0,35s

WđkZ  0,5  0,1 / s  0,35s
Đây là bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID
4.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động
cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động
cơ PMSM bằng công cụ Matlab - Smulink như hình vẽ 4.13
Hình 4.27. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z
Trường hợp 3: Khảo sát hệ thống điều khiển trong trường hợp điều
khiển quadrotor theo chương trình có giai đoạn hạ cánh.
Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau:
k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05 Nm; hệ số lực cản của không khí tác
động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729.
Vị trí chuyển động dài của quadrotor theo phương X, Y và Z
được đặt tại các giá trị: Xd = 5 [m]; Yd = 15 [m]; Zd = [30 0 0 ] [m].
Các kết quả mô phỏng thu được như sau:
Xd
X

Yd
Y

Hình 4.13. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor bằng
phương pháp tuyến tính hóa phản hồi khi sử dụng động cơ PMSM
Việc mô phỏng được thực hiện khi có sự thay đổi của nhiễu loạn
và sự thay đổi các thông số của động cơ điện PMSM theo các kịch
bản sau đây:
Trường hợp 1: Khảo sát hệ thống điều khiển quadrotor trong trường

Zd

Z

Hình 4.28. Vị trí chuyển động dài của quadrotor


18

Hình 4.23. Các góc Euler

15

Hình 4.26. Tốc độ chuyển động
thẳng của quadrotor
theo các trục tọa độ X, Y, Z

hợp quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng.
- Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau:
Thành phần tỷ lệ với tốc độ cánh quạt k = 0,001; thành phần tỷ lệ với
bình phương tốc độ cánh quạt kpt = 0,0012; thành phần mô men cản M0
được giữ không đổi bằng 0,05 Nm; hệ số lực cản của không khí tác
động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729.
- Vị trí chuyển động dài của quadrotor theo phương X, Y và Z
được đặt tại các giá trị: Xd = 0 [m]; Yd = 0 [m]; độ cao Zd = 30 [m].
Các kết quả mô phỏng thu được như sau:

Xd
X

Yd
Y

Zd
Z

Hình 4.24. Tốc độ của các động cơ
∆n = n1-n3

Thoi gian t(s)

∆n = n2 – n4

Thoi gian t(s)

Hình 4.25. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ

Hình 4.16. Vị trí chuyển động
dài của quadrotor

Hình 4.17. Các góc Euler

Hình 4.20. Tốc độ chuyển động
thẳng của quadrotor theo các
trục tọa độ X, Y, Z


16

∆n = n1-n3

17

∆n = n2 – n4

Thoi gian t(s)

Thoi gian t(s)

Hình 4.18. Tốc độ của các động cơ
∆n = n1-n3

Thoi gian t(s)

Hình 4.21. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z
Trường hợp 2: Nghiên cứu khả năng làm việc của các bộ điều khiển
giúp cho quadrotor chuyển hướng theo phương X và đạt vị trí mong
muốn. Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị
sau: k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05 Nm ; hệ số lực cản của không
khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729.
Trong trường hợp này quadrotor thực hiện cất cánh theo phương
thẳng đứng (X = 0, Y = 0) tới độ cao Z = 25 [m]. Các kết quả mô
phỏng thu được như sau:

∆n = n2 – n4

Thoi gian t(s)

Hình 4.19. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ
Xd
X

Yd
Y

Zd
Z

Hình 4.22. Vị trí chuyển động
dài của quadrotor