(Luận án tiến sĩ) Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor Mimo trong không gian biến khớp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐINH VĂN NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN
ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - NĂM 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐINH VĂN NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN
ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP
Chuyên ngành: Kỹthuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Nguyễn Như Hiển
GS.TS Nguyễn Doãn Phước

THÁI NGUYÊN - NĂM 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Đinh Văn Nghiệp, đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa – Khoa
Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam
đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể
các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung
thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã
nhận được sự hướng dẫn, gi p đ qu báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các
bạn và các tổ chức. Với l ng kính trọng và biết n sâu sắc tôi xin được bày t lời
cảm n chân thành tới:
an Giám hiệu, Ph ng Đào tạo, Khoa Điện-Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ
thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi gi p đ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Phó giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Như Hiển và Giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Doãn

Phước, những người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi.
Thầy giáo Nguyễn Ngọc Kiên, trưởng bộ môn Tự động hóa, người thầy tâm
huyết luôn quan tâm, chỉ bảo, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá
trình học tập và nghiên cứu.
Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa và Khoa Điện trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động và Viện Điện của
trường đại học

ách khoa Hà Nội, đã có những

kiến đóng góp qu báu để tôi

hoàn chỉnh bản luận án này.
Xin chân thành cảm n bố m , anh chị em, người vợ yêu qu và hai con đã
luôn ở bên cạnh động viên và gi p đ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp


iii

MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi
Các kí hiệu .................................................................................................................. vi
Các chữ viết tắt ........................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC ẢNG IỂU ............................................................................ xiv
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..........................................................................1
2. Đối tượng, phạm vi và phư ng pháp nghiên cứu ................................................1
3. Mục tiêu của luận án............................................................................................1
4. Những đóng góp mới,

nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................2

5. ố cục của luận án ...............................................................................................3
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................5
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR MIMO
SYSTEM (TRMS) ...................................................................................................... 5
1.1. Khái quát chung về Twin Rotor MIMO System (TRMS) ...............................5
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về TRMS ..................................................8
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về TRMS ..................................................17
1.4. Kết luận ..........................................................................................................18
CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................20
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS .......................... 20


iv

2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................20
2.2. Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS..........................................20
2.3. Mô ph ng và đánh giá chất lượng của mô hình .............................................29
2.4. Kết luận ..........................................................................................................32
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................33
THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS ....... 33
3.1. Các bộ điều khiển hiện nay ............................................................................33
3.2. Đề xuất phư ng pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR .....33
3.3. Kết quả mô ph ng ứng dụng với TRMS ........................................................48
3.4. Kết luận ..........................................................................................................58
CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................59
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ......................................................................................... 59
4.1. Mục đích .........................................................................................................59
4.2. Cấu tr c điều khiển RHC với LQR cho TRMS trong thực nghiệm. ..............59
4.3. Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm..........................................................61
4.4. Hệ thống thí nghiệm thuật toán điều khiển vị trí ............................................68
4.5. Kết quả thực nghiệm và nhận xét ...................................................................72
4.6. Kết luận ..........................................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 79
Kết luận..................................................................................................................79
Kiến nghị ...............................................................................................................79
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ............ 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 88


v

Phụ lục 1. Chư ng trình lập trình ..........................................................................88

Phụ lục 2. Cảm biến d ng điện độ nhạy cao .......................................................119
Phụ lục 3. Các bước tiến hành thiết lập và chạy thực nghiệm ............................122
Phụ lục 4. Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng bộ điều khiển RHC
với LQR ...............................................................................................................128


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các kí hiệu
K hiệu

Mô tả ( nghĩa)

v

Chuyển vị góc trong mặt đứng của TRMS (Pitch angle)

h

Chuyển vị góc trong mặt ngang của TRMS (Yaw angle)

m

Chuyển vị góc của cánh quạt chính

t

Chuyển vị góc của cánh quạt đuôi

m

Vận tốc góc của cánh quạt chính

t

Vận tốc góc của cánh quạt đuôi

v

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt đứng chưa xét ảnh hưởng xen
kênh

h

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt ngang chưa xét ảnh hưởng xen
kênh

m

Từ thông của động c chính

m

Từ thông của động c đuôi

Bmr

Hệ số ma sát nhớt của động c chính

Btr

Hệ số ma sát nhớt của động c đuôi

Bv

Hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt đứng

Bh

Hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt ngang

eam

Sức phản điện động phần ứng của động c chính

eat

Sức phản điện động phần ứng của động c đuôi

eemf

m

eemf

t

Sức phản điện động phần ứng của động c chính
Sức phản điện động phần ứng của động c đuôi

ei

Véc t đ n vị trong

Fv

Ma sát trượt khớp quay trong mặt đứng

Fh

Ma sát trượt khớp quay trong mặt ngang

3

Fv m  Lực đẩy do cánh quạt chính tạo ra
Fh t  Lực đẩy do cánh quạt đuôi tạo ra

g

Gia tốc trọng trường

h

chiều dài của chốt quay

h1

chiều dài phần sau của chốt quay

vii

H

Chiều cao từ mặt đế đến chốt quay

J1

Mô men quán tính của thanh ngang

J2

Mô men quán tính của thanh đối trọng

J3

Mô men quán tính của chốt quay

J4

Mô men quán tính của đuôi chốt quay

J mm

Mô men quán tính của rotor động c một chiều

J m ,prop Mô men quán tính của cánh quạt chính

J t ,prop Mô men quán tính của cánh quạt đuôi

J mr

Tổng mô men quán tính của động c chính và cánh quạt chính

J tr

Tổng mô men quán tính của động c đuôi và cánh quạt đuôi

Jv

Tổng mô men quán tính trong mặt đứng

Jh

Tổng mô men quán tính trong mặt ngang

kam

Hằng số sức phản điện động của động c chính

kat

Hằng số sức phản điện động của động c đuôi

kg

Hệ số hiệu ứng Gyroscope

K

Động năng

K1

Động năng của thanh ngang

K2

Động năng của thanh đối trọng

K3

Động năng của chốt quay

K4

Động năng của cánh quạt chính

K5

Động năng của cánh quạt đuôi

lT 2

Khoảng cách từ trọng tâm của thanh đối trọng đến chốt quay

lb

Chiều dài của thanh đối trọng

lcb

Khoảng cách từ đối trọng đến chốt quay

lm

Chiều dài phần chính của thanh ngang

lt

Chiều dài phần đuôi của thanh ngang

Lcb

Chiều dài của đối trọng

Lm

Điện cảm phần ứng của động c chính

Lt

Điện cảm phần ứng của động c đuôi

iam

D ng điện phần ứng của động c chính

iat

D ng điện phần ứng của động c đuôi

m

Khối lượng


viii

mT 1

Tổng khối lượng của thanh ngang

lT 1

Trọng tâm của thanh ngang

mt

Khối lượng phần phía bên cánh quạt đuôi của thanh ngang

mtr

Khối lượng động c đuôi

mts

Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt đuôi

mm

Khối lượng phần phía bên cánh quạt chính của thanh ngang

mmr

Khối lượng động c chính

mms

Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt chính

mb

Khối lượng của thanh đối trọng

mT 2

Tổng khối lượng của thanh đối trọng

mcb

Khối lượng của đối trọng

mh

khối lượng của chốt quay

mh1

khối lượng phần sau của chốt quay

Mv

Tổng hợp mô men trong mặt phẳng đứng (ảnh hưởng tới góc  v )

Mh

Tổng hợp mô men trong mặt phẳng bằng (ảnh hưởng tới góc  h )

Mm

Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt chính

Mt

Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt đuôi

rms

Bán kính vành bảo vệ cánh quạt chính

rts

Bán kính vành bảo vệ cánh quạt đuôi

rmm

án kính rotor động c chính

rmt

án kính rotor động c đuôi

rcb

Bán kính của đối trọng

Ram

Điện trở phần ứng của động c chính

Rat

Điện trở phần ứng của động c đuôi

Sv

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt đứng có ảnh hưởng xen kênh

Sh

Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt ngang có ảnh hưởng xen kênh

Tmr

Hằng số thời gian của hệ cánh quạt-động c chính

Ttr

Hằng số thời gian của hệ cánh quạt-động c đuôi

m

Mô men điện từ của động c chính

t

Mô men điện từ của động c đuôi

uam

Điện áp phần ứng động c chính truyền động cánh quạt chính

uat

Điện áp phần ứng động c đuôi truyền động cánh quạt đuôi


ix

um

Điện áp điều khiển ứng với động c truyền động cánh quạt chính

ut

Điện áp điều khiển ứng với động c truyền động cánh quạt đuôi

uvv

Điện áp đặt vào phần ứng động c chính [25]

uv

Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động c chính [25]

uhh

Điện áp đặt vào phần ứng động c đuôi [25]

uh

Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động c đuôi [25]

V

Thế năng

V1

Thế năng của thanh ngang

V2

Thế năng của thanh đối trọng

V3

Thế năng của chốt quay

Các chữ viết tắt
A/D

Analog / Digital

AC

Alternating Current

DC

Direct Current

DMC

Dynamical Matrix Control

GA

Genetic Algorithm

ISS

Input-to-State Stable

LQG

Linear Quadratic Gausian

LQR

Linear Quadratic Regulator

LTI

Linear Time - Invariant

MBTT

Máy bay trực thăng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MPC

Model Prediction Control

PD

Proportional–Derivative

PID

Proportional–Integral–Derivative

PWM

Pulse Width Modulation

rad

radian

RHC

Receding Horizon Control

rpm

revolutions per minute

s

second

TRMS

Twin Rotor MIMO System


x

TTL

Transistor-Transistor Logic

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

VDC

Volts Direct Current


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Twin Rotor MIMO System (TRMS) ..........................................................5
Hình 1.2. Các vị trí trong không gian 3 chiều của TRMS [3].....................................6
Hình 1.3. Vị trí góc trong mặt đứng v của TRMS....................................................6
Hình 1.4. Vị trí góc trong mặt ngang h của TRMS ...................................................7
Hình 1.5. ộ điều chỉnh PID với khâu lọc vi phân [44] ...........................................12
Hình 1.6. ộ điều chỉnh PID dựa trên hàm sigmoid cho TRMS [9] ........................12
Hình 1.7. Cấu tr c Newton MPC phản hồi trạng thái cho TRMS [42] ....................14
Hình 1.8. ộ điều chỉnh PID với AFC cho TRMS [34] ...........................................15
Hình 1.9. ộ điều chỉnh PID với mạch v ng mô men dựa trên ................................16
Hình 1.10. Cấu tr c điều khiển mờ cho TRMS [15] .................................................16
Hình 1.11. Điều khiển thích nghi mô hình ngược cho TRMS [12] ..........................17
Hình 1.12. Cấu tr c điều khiển MPC trong [2] .........................................................17
Hình 1.13. Cấu tr c điều khiển TRMS với 2 mạch v ng [16] ..................................18
Hình 2.1. Vị trí góc của TRMS và các hệ trục tọa độ ...............................................21
Hình 2.2. Mô hình simulink mô ph ng động học TRMS xây dựng mới ..................29
Hình 2.3. Mô hình simulink mô ph ng động học TRMS của nhà sản xuất..............29
Hình 2.4. Vị trí góc v

Hình 2.5. Vị trí góc h ..........................31

Hình 2.6. Vị trí góc v

Hình 2.7. Vị trí góc h ..........................31

Hình 2.8. Vị trí góc v

Hình 2.9. Vị trí góc h ..........................31

Hình 2.10. Vị trí góc v

Hình 2.11. Vị trí góc h ........................32

Hình 3.1. Điều khiển RHC với LQR.........................................................................37
Hình 3.2. Giá trị đặt hằng số tại các thời điểm thiết kế.............................................38
Hình 3.3. Chỉnh định lại giá trị đặt tại các thời điểm với bù sai số bám ở bước trước
...................................................................................................................................39
Hình 3.4. Cấu tr c điều khiển RHC với LQR cho TRMS ........................................48
Hình 3.5. Cấu tr c mô ph ng hệ điều khiển TRMS với ma trận R giảm dần ..........52
Hình 3.6. Cấu tr c mô ph ng hệ điều khiển TRMS với ma trận Q giảm dần .........52
Hình 3.7. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng ..................53


xii

Hình 3.8. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin và step trong hai mặt phẳng ......54
Hình 3.9. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng .................55
Hình 3.10. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng ...............56
Hình 3.11. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng ................57
Hình 4.1. Cấu tr c điều khiển TRMS với mạch điều chỉnh v ng mô men...............60
Hình 4.2. Cấu tr c hệ điều khiển TRMS dùng card DS1103 ...................................61

Hình 4.3. Mô đun cảm biến quang của encoder 2 kênh A/ ....................................62
Hình 4.4. Xung đầu ra của encoder 2 kênh A/ .......................................................62
Hình 4.5. Máy phát tốc của một chiều đo vận tốc góc của cánh quạt .......................63
Hình 4.6. Mô đun đo d ng điện phần ứng động c ..................................................64
Hình 4.7. S đồ mô đun đo d ng điện phần ứng động c ........................................64
Hình 4.8. Card điều khiển thời gian thực DS1103 ....................................................65
Hình 4.9. S đồ khối cấu tr c của card DS1103 .......................................................65
Hình 4.10. Thư viện RTI1103_Simulink ..................................................................66
Hình 4.11. Thư viện RTI1103_Master PowerPC .....................................................67
Hình 4.12. Giao diện giám sát và điều khiển của phần mềm ControlDesk ..............67
Hình 4.13. Hệ thí nghiệm TRMS ..............................................................................68
Hình 4.14. Mô hình điều khiển TRMS với các khối trong thư viện thời gian thực ..69
Hình 4.15. Mạch v ng điều chỉnh mô men với các khối chuyển đổi vào ra ............69
Hình 4.16. Mô hình ghép nối encoder và chuyển đổi A/D tín hiệu tốc độ ...............70
Hình 4.17. Quạt tạo nhiễu khí động học ...................................................................71
Hình 4.18. Mô đun công suất điều chỉnh nhiễu ........................................................71
Hình 4.19. Mô đun nguồn cho hệ thống tạo nhiễu ....................................................72
Hình 4.20. Màn hình giao diện ControlDesk hệ thí nghiệm .....................................72
Hình 4.21. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-sin73
Hình 4.22. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-hằng
số ...............................................................................................................................74
Hình 4.23. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng step ....75
Hình 4.24. Đáp ứng chuyển vị góc trong hai mặt với tín hiệu đặt dạng sin sử dụng
bộ điều chỉnh PID ......................................................................................................76


xiii

Hình 4.25. Dạng nhiễu khí động học tác động lên TRMS thực nghiệm ...................77

xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Điểm khác nhau giữa TRMS và máy bay trực thăng ....................................8
ảng 2. Các tham số của TRMS ...............................................................................30
ảng 3. Tham số và đặc tính card DS1103 .............................................................128


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Twin Rotor MIMO System (TRMS), của Feedback Instruments Ltd
(Feedback Co., 1998) là một thiết bị thí nghiệm có cấu tr c mở trên nền tảng đã
được cài đặt các thuật toán điều khiển PID. Mặc dù TRMS được thiết kế chế tạo từ
năm 1998, nhưng gần hai chục năm qua, nó đã thu h t sự quan tâm của nhiều nhà
khoa học trong chuyên ngành về kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa và đã có rất
nhiều công trình nghiên cứu về phư ng pháp điều khiển cho TRMS. Từ quan điểm
điều khiển thì TRMS được xem là đối tượng điển hình trong hệ điều khiển chuyển
động nhiều vào, nhiều ra (MIMO), có thông số bất định, có tính phi tuyến bậc cao
và có các tác động xen kênh đáng kể. Chính vì vậy, việc nghiên cứu để lựa chọn các
phư ng pháp điều khiển cho hệ TRMS nhằm đạt chất lượng bám quỹ đạo tốt nhất,
đó cũng là điều mà nội dung luận án này quan tâm tới.
2. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về TRMS, được xem là đối
tượng điển hình trong hệ điều khiển chuyển động MIMO, có thông số bất định, có
tính phi tuyến bậc cao và có các tác động qua lại xảy ra trong các kênh điều khiển.
Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án tập trung nghiên cứu tính đặc thù
và những khó khăn khi tổng hợp TRMS. Từ đặc điểm của đối tượng điều khiển

phức tạp này cho thấy, sẽ có nhiều thách thức trong mô hình hóa, trong phân tích và
lựa chọn phư ng pháp thiết kế điều khiển mới phù hợp cho đối tượng để bám quỹ
đạo với độ chính xác cao.
Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phư ng pháp phân tích, đánh giá
và tổng hợp. Thông qua nghiên cứu tổng quan để đề xuất vấn đề cần giải quyết về
l thuyết và thiết kế thuật toán giải quyết vấn đề đó, kiểm chứng các nghiên cứu l
thuyết bằng mô ph ng và thực nghiệm.
3. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu và thiết kế điều khiển phi tuyến sử dụng
phản hồi trạng thái cho TRMS và kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng cho các hệ


2

khí động học phi tuyến khác. Mục đích nghiên cứu trong luận án này được cụ thể
như sau:
- Mô hình động học phi tuyến của TRMS: Mô hình chính xác là điều kiện tiên
quyết để thành công với bất kì một kỹ thuật điều khiển nào mà dựa vào mô hình, do
đó cần xây dựng mô hình đối tượng phù hợp với thiết kế điều khiển.
- Thiết kế thuật toán điều khiển RHC với LQR hệ phi tuyến liên tục có nhiễu.
Kiểm chứng chất lượng điều khiển của thuật toán bằng l thuyết và thực nghiệm.
Cài đặt linh hoạt và áp dụng thuật toán điều khiển trên hệ TRMS.
4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án đã có các đóng góp cụ thể như sau:
- Xây dựng được mô hình toán động lực học cho TRMS với sai số nh nhất so
với mô hình thực;
- Thiết kế thuật toán điều khiển RHC với LQR hệ phi tuyến liên tục có nhiễu
và sai lệch mô hình;
- Cài đặt linh hoạt và chạy thời gian thực thuật toán điều khiển RHC với LQR
cho TRMS.

ổ sung thêm mạch điều chỉnh mô men cho cấu tr c điều khiển

TRMS để bù động học của c cấu chấp hành. Do đó, đã cải thiện chất lượng
khi tiến hành thực nghiệm điều khiển bám quỹ đạo với độ chính xác cao cho
TRMS. Với yêu cầu chạy thời gian thực thuật toán điều khiển đề xuất, luận án
đã cài đặt và lập trình giải phư ng trình Riccati một cách hiệu quả.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- ổ sung một l thuyết mới trong điều khiển bền vững hệ phi tuyến là kết hợp
RHC với LQR.
- Đề xuất giải pháp cài đặt linh hoạt thuật toán điều khiển để góp phần làm
tăng hiệu quả khai thác thiết bị phần cứng.
- Cài đặt và lập trình giải phư ng trình giải phư ng trình Riccati trong thời
gian thực.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Phục vụ nghiên cứu về điều khiển và tự động hóa của trường;


3

- Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng cho các hệ khí động học phi tuyến
khác.
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 04 chư ng và kết luận, được bố cục như sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển Twin Rotor MIMO
System (TRMS)
Trong chư ng 1, là các nghiên cứu tổng quan về TRMS của nhà cung cấp
thiết bị; thống kê và phân tích ưu nhược điểm của các phư ng pháp điều khiển hiện
đại; các cấu tr c điều khiển đã được áp dụng cho TRMS trong các nghiên cứu trước
đây. Nêu ra tính đặc thù và khó khăn khi tổng hợp điều khiển cho TRMS, từ đó đề

xuất thuật toán điều khiển phù hợp với các đặc điểm hệ phi tuyến, có thông số bất
định, tác động xen kênh và nhiễu.
Chƣơng 2. Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS
Mô hình toán biểu diễn động học TRMS được nhà chế tạo thiết bị TRMS
cung cấp dưới dạng phư ng trình Newton 2, chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới
hệ (giả định đ n giản hóa hệ thống, như người ta cho rằng động lực học của hệ
thống được mô tả bởi một dãy phư ng trình vi phân, ma sát của hệ thống là tr n,...).
Mô hình toán biểu diễn động học TRMS xây dựng được trong chư ng này theo
phư ng trình Lagrange có sai lệch với mô hình thực nh h n do có xét đến các yếu
tố ảnh hưởng tới hệ (chiều dài chốt quay, hiệu ứng bề mặt) so với mô hình do nhà
sản xuất cung cấp. Với mô hình toán đầy đủ, chính xác h n là c sở để thiết kế bộ
điều khiển th a mãn yêu cầu chất lượng đáp ứng ra của hệ trong phần tiếp theo.
Chƣơng 3. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bám vị trí đặt cho TRMS
Điều khiển TRMS là một bài toán khó, có nhiều thách thức và hấp dẫn nhiều
nhà nghiên cứu. Đến nay người ta đã áp dụng nhiều phư ng pháp điều khiển khác
nhau cho TRMS. Với một hệ phi tuyến nói chung và TRMS nói riêng, người ta
mong muốn thiết kế bộ điều khiển khắc phục được sai số của mô hình và kháng
được nhiễu.


4

Trong chư ng này, đề xuất điều khiển RHC với LQR áp dụng cho đối tượng
mô hình liên tục, có nhiễu và sai lệch mô hình. Đề xuất này là đóng góp quan trọng
của luận án.
Chƣơng 4. Kết quả thí nghiệm
Thuật toán đề xuất được cài đặt chạy thực nghiệm trên TRMS và Card
DS1103. Giải phư ng trình Riccati trong thời gian thực trên Card DS1103. Sử dụng
phư ng pháp áp đặt mô men khi áp dụng thuật toán điều khiển đề xuất cho TRMS
để bù động học cho c cấu chấp hành. Kết quả thực nghiệm khẳng định thuật toán

đề xuất hoàn toàn đ ng đắn.
Phần kết luận: Đã nêu bật những đóng góp mới của luận án và những kiến nghị, đề
xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.


5

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR
MIMO SYSTEM (TRMS)
1.1. Khái quát chung về Twin Rotor MIMO System (TRMS)

Chốt quay

Cánh quạt đuôi

Cánh quạt chính
Đối trọng

Hình 1.1. Twin Rotor MIMO System (TRMS)

Trên hình 1.1 là hình ảnh của Twin Rotor MIMO System (TRMS). Đây là
một hệ thống thí nghiệm được thiết kế bởi Feedback Instruments Ltd và được sử
dụng trong ph ng thí nghiệm để phát triển và kiểm chứng các kỹ thuật điều khiển
hiện đại. TRMS bao gồm cánh quạt chính và cánh quạt đuôi được gắn vuông góc
với nhau vào thanh ngang. Mỗi cánh quạt được truyền động độc lập bởi một động
c một chiều kích từ vĩnh cửu, chiều quay của cánh quạt có thể đảo chiều được và
tốc độ quay thay đổi được bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động c truyền
động. Cánh quạt chính tạo động lực để thanh ngang chuyển động trong mặt đứng (vị
trí góc trong mặt đứng 1.05rad  v  1.22rad ) như trên hình 1.2 và hình 1.3.

Cánh quạt đuôi tạo động lực để thanh ngang chuyển động trong mặt ngang (vị trí
góc trong mặt ngang 2.82rad  h  2.82rad ) như trên hình 1.2 và hình 1.4.
Thanh đối trọng được gắn vuông góc với thanh ngang tại vị trí điểm quay, vị trí của


6

đối trọng trên thanh đối trọng có thể thay đổi được để thực hiện thí nghiệm thay đổi
thông số động học của đối tượng.

Hình 1.2. Các vị trí trong không gian 3 chiều của TRMS [3]
z
R1
y

O1
Cánh quạt
đuôi

P2

P1
Cánh quạt chính

TRMS 33-220

Hình 1.3. Vị trí góc trong mặt đứng  v của TRMS


7

h

O

y

R3

Cánh quạt
đuôi

P3
P1

x

Cánh quạt chính

Hình 1.4. Vị trí góc trong mặt ngang  h của TRMS

Ngoài ra TRMS c n được nhà sản xuất trang bị các cảm biến. Hai cảm biến vị
trí góc (encoder) để đo chính xác vị trí góc của thanh ngang trong mặt phẳng đứng
và mặt phẳng ngang. Mỗi động c được gắn một máy phát tốc để đo tốc độ quay và
cũng chính tà tốc độ quay của cánh quạt.
Khi xem xét để so sánh với máy bay trực thăng (M TT), thì ở MBTT để điều
chỉnh lực khí động học thì điều chỉnh góc tới của cánh gió. Tuy nhiên, trường hợp
TRMS thì góc tới của cánh gió không thay đổi được và lực khí động học được điều
chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ quay của động c truyền động.

ởi vậy, tín hiệu

đầu vào điều khiển là điện áp phần ứng động c một chiều. Thay đổi biên độ điện
áp phần ứng động c làm thay đổi tốc độ quay của cánh quạt, chính thay đổi này
làm cho thanh ngang dịch chuyển đến vị trí mới. Chuyển động quay của cánh quạt
tạo ra mô men động lượng, mô men động lượng này được bù bởi bộ phận c n lại
của TRMS (theo định luật bảo toàn mô men động lượng). Rồi sau đó, chính điều
này là nguyên nhân gây ra sự tư ng tác giữa hai chuyển động tư ng ứng trong hai
mặt phẳng. Ngoài ra, chính sự tư ng tác này ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc của
thanh ngang trong cả hai mặt đứng và ngang. Sự tư ng tác trên chính là ảnh hưởng
xen kênh. Ảnh hưởng xen kênh cũng tồn tại trong máy bay trực thăng và hầu hết
các hệ nhiều vào nhiều ra. Ảnh hưởng xen kênh giữa các kênh khác nhau hoặc
chuyển động trong các mặt làm cho bài toán mô hình hóa và điều khiển hệ trở thành


8

phức tạp. Nói chung, tính chất làm việc của TRMS giống với máy bay trực thăng.
Tuy nhiên, TRMS vẫn khác máy bay trực thăng ở một số điểm sau:
Bảng 1. Điểm khác nhau giữa TRMS và máy bay trực thăng

Điểm khác

Máy bay trực thăng

TRMS

Vị trí điểm quay

Giữ 2 cánh quạt

Đỉnh của cánh quạt chính

Lực nâng được điều Điều chỉnh tốc Điều chỉnh góc tới của các cánh của
chỉnh qua

độ của cánh quạt cánh quạt chính c n tốc độ quay của
động c truyền động là không thay đổi

chính
Góc

trong

ngang

được

mặt Điều chỉnh tốc Điều chỉnh góc tới của các cánh của
điều độ

quay

của cánh quạt đuôi

chỉnh qua

cánh quạt đuôi

Điều chỉnh hướng

không

có

Khả năng bay

không

có

1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về TRMS
Mặc dù không bay được, TRMS có nhiều đặc điểm khí động học của máy
bay trực thăng. Trải qua nhiều năm tồn tại đến nay đã có nhiều phiên bản của
TRMS tuy nhiên nó vẫn giữ được đặc tính động học đặc trưng. TRMS là một điển
hình cho hệ phi tuyến MIMO có ảnh hưởng xen kênh và nhiễu tác động. Mô hình
hóa và điều khiển TRMS là bài toán rất hay, hấp dẫn và thách thức các nhà nghiên
cứu. Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển
TRMS.
1.2.1. Mô hình hóa TRMS
Đi đầu trong nghiên cứu về TRMS là nhà sản xuất Feedback Instruments Ltd
[24], họ xây dựng mô hình toán cho TRMS sử dụng phư ng pháp Newton. Tuy
nhiên mô hình toán mà nhà sản xuất cung cấp không xét đến chiều dài của chốt
quay.
Mô hình toán của nhà sản xuất cung cấp (1.1)÷(1.6):


9

dSv


dt

1
lmFv m   vkv  g  A  B  cos v C sin v   h2 A  B  C  sin 2v
2
(1.1)
Jv

dv
J 
 v ; v  Sv  tr t
dt
Jv

(1.2)

l F   cos v - hkh
dSh lt Fh t  cos v - hkh

 t h2 t
dt
Jh
D sin v  E cos 2 v  F

(1.3)

dh
 h
dt

J  cos v
J mr m cos v
h  Sh  mr m
 Sh 
Jh
D sin 2 v  E cos 2 v  F

(1.4)

duvv
1

 uvv  uv 
dt
Tmr

(1.5)

duhh
1

 uhh  uh 
dt
Ttr

(1.6)

m  Pv uvv 

t  Ph uhh 

Trong đó:

m

m

A   t  mtr  mts lt , B   m  mmr  mms lm ,
 2

 2


m
m

C   b lb  mcblcb  , D  b lb2  mcblcb2 ,
3
 2

m

m

E   m  mmr  mms lm2   t  mtr  mts lt2 ,
 3

 3

2
F  mmsrms



mts 2
rts , J h  D cos 2 v  E sin 2 v  F
2

Một trong những công trình nghiên cứu đầy đủ nhất về TRMS là luận án tiến
sĩ của tác giả Akabar Rahideh [42]. Trong nghiên cứu này, tác giả nhận thức được
rằng việc mô hình hóa là phần đầu tiên và quan trọng nhất trong bất kỳ bài toán
thiết kế điều khiển dựa trên mô hình nào như là MPC, và mô hình chính xác là thiết
yếu để có một hệ điều khiển chính xác. Các tiếp cận về mô hình hộp trắng cần có
kiến thức đầy đủ về đối tượng và có thể đạt được bằng các biểu thức về năng lượng