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

i

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


ii

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


iii

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


iv

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và
các tổ chức. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn
chân thành tới:
Ban Giám hiệu, Phòng 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 giúp đỡ 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 Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh bản
luận án này.
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em, người vợ yêu quý và hai con đã
luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Văn Nghiệp


v

MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC .................................................................................................................. V
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................... viii
Các kí hiệu ............................................................................................................... viii
Các chữ viết tắt ........................................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ xvi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..........................................................................1
2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ................................................1
3. Mục tiêu của luận án............................................................................................1
4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................2
5. Bố 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 ..............................................................................................................19
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS .......................... 19


vi

2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................19
2.2. Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS..........................................19
2.3. Mô phỏng và đánh giá chất lượng của mô hình .............................................28

2.4. Kết luận ..........................................................................................................31
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................32
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS ....... 32
3.1. Các bộ điều khiển hiện nay ............................................................................32
3.2. Đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR .....32
3.3. Kết quả mô phỏng ứng dụng với TRMS ........................................................47
3.4. Kết luận ..........................................................................................................57
CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................58
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ......................................................................................... 58
4.1. Mục đích .........................................................................................................58
4.2. Cấu trúc điều khiển RHC với LQR cho TRMS trong thực nghiệm. ..............58
4.3. Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm..........................................................60
4.4. Hệ thống thí nghiệm thuật toán điều khiển vị trí ............................................67
4.5. Kết quả thực nghiệm và nhận xét ...................................................................71
4.6. Kết luận ..........................................................................................................77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 78
Kết luận..................................................................................................................78
Kiến nghị ...............................................................................................................78
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ............ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 81
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 87


vii

Phụ lục 1. Chương trình lập trình ..........................................................................87
Phụ lục 2. Cảm biến dòng điện độ nhạy cao .......................................................118
Phụ lục 3. Các bước tiến hành thiết lập và chạy thực nghiệm ............................121
Phụ lục 4. Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng bộ điều khiển RHC
với LQR ...............................................................................................................127

viii

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

Mô tả (ý 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 cơ chính

m

Từ thông của động cơ đuôi

B mr

Hệ số ma sát nhớt của động cơ chính

B tr

Hệ số ma sát nhớt của động cơ 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 cơ chính

eat

Sức phản điện động phần ứng của động cơ đuôi

eem f

m

eemf

t

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

ei

Véc tơ đơn 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


ix

H

Chiều cao từ mặt đế đến chốt quay

J1

Mô men quán tính của thanh ngang

J

Mô men quán tính của thanh đối trọng

2

J3

Mô men quán tính của chốt quay

J

Mô men quán tính của đuôi chốt quay

4

J mm

Mô men quán tính của rotor động cơ 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 cơ chính và cánh quạt chính

J tr

Tổng mô men quán tính của động cơ 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 cơ chính

kat

Hằng số sức phản điện động của động cơ 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 cơ chính

L t

Điện cảm phần ứng của động cơ đuôi

iam

Dòng điện phần ứng của động cơ chính

iat

Dòng điện phần ứng của động cơ đuôi

m

Khối lượng


x

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

m tr

Khối lượng động cơ đuôi

m ts

Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt đuôi

mm

Khối lượng phần phía bên cánh quạt chính của thanh ngang

m mr

Khối lượng động cơ chính

m ms

Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt chính

mb

Khối lượng của thanh đối trọng

mT 2

Tổng khối lượng của thanh đối trọng

m cb

Khối lượng của đối trọng

mh

khối lượng của chốt quay

m h1

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

Bán kính rotor động cơ chính

rm t

Bán kính rotor động cơ đuôi

rcb

Bán kính của đối trọng

Ram

Điện trở phần ứng của động cơ chính

R at

Điện trở phần ứng của động cơ 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 cơ chính

Ttr

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

m

Mô men điện từ của động cơ chính

t

Mô men điện từ của động cơ đuôi

uam

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

u at

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


xi

um

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

ut

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

u vv

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

uv

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

u hh

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

uh

Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động cơ 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


xii

TTL

Transistor-Transistor Logic

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

VDC

Volts Direct Current


xiii

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. Bộ điều chỉnh PID với khâu lọc vi phân [44] ...........................................12
Hình 1.6. Bộ điều chỉnh PID dựa trên hàm sigmoid cho TRMS [9] ........................12
Hình 1.7. Cấu trúc Newton MPC phản hồi trạng thái cho TRMS [42] ....................14
Hình 1.8. Bộ điều chỉnh PID với AFC cho TRMS [34] ...........................................15
Hình 1.9. Bộ điều chỉnh PID với mạch vòng mô men dựa trên ................................16
Hình 1.10. Cấu trúc 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 trúc điều khiển MPC trong [2] .........................................................17
Hình 1.13. Cấu trúc điều khiển TRMS với 2 mạch vòng [16] ..................................18
Hình 2.1. Vị trí góc của TRMS và các hệ trục tọa độ ...............................................20
Hình 2.2. Mô hình simulink mô phỏng động học TRMS xây dựng mới ..................28
Hình 2.3. Mô hình simulink mô phỏng động học TRMS của nhà sản xuất..............28
Hình 2.4. Vị trí góc  v

Hình 2.5. Vị trí góc  h ..........................30

Hình 2.6. Vị trí góc  v

Hình 2.7. Vị trí góc  h ..........................30

Hình 2.8. Vị trí góc  v

Hình 2.9. Vị trí góc  h ..........................30

Hình 2.10. Vị trí góc  v

Hình 2.11. Vị trí góc  h ........................31

Hình 3.1. Điều khiển RHC với LQR.........................................................................36
Hình 3.2. Giá trị đặt hằng số tại các thời điểm thiết kế.............................................37
Hình 3.3. Chỉnh định lại giá trị đặt tại các thời điểm với bù sai số bám ở bước trước
...................................................................................................................................38
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển RHC với LQR cho TRMS ........................................47
Hình 3.5. Cấu trúc mô phỏng hệ điều khiển TRMS với ma trận R giảm dần ..........51
Hình 3.6. Cấu trúc mô phỏng hệ điều khiển TRMS với ma trận Q giảm dần .........51
Hình 3.7. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng ..................52


xiv

Hình 3.8. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin và step trong hai mặt phẳng ......53
Hình 3.9. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng .................54
Hình 3.10. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng step trong hai mặt phẳng ...............55

Hình 3.11. Chuyển vị góc với tín hiệu đặt dạng sin trong hai mặt phẳng ................56
Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển TRMS với mạch điều chỉnh vòng mô men...............59
Hình 4.2. Cấu trúc hệ điều khiển TRMS dùng card DS1103 ...................................60
Hình 4.3. Mô đun cảm biến quang của encoder 2 kênh A/B ....................................61
Hình 4.4. Xung đầu ra của encoder 2 kênh A/B .......................................................61
Hình 4.5. Máy phát tốc của một chiều đo vận tốc góc của cánh quạt .......................62
Hình 4.6. Mô đun đo dòng điện phần ứng động cơ ..................................................63
Hình 4.7. Sơ đồ mô đun đo dòng điện phần ứng động cơ ........................................63
Hình 4.8. Card điều khiển thời gian thực DS1103 ....................................................64
Hình 4.9. Sơ đồ khối cấu trúc của card DS1103 .......................................................64
Hình 4.10. Thư viện RTI1103_Simulink ..................................................................65
Hình 4.11. Thư viện RTI1103_Master PowerPC .....................................................66
Hình 4.12. Giao diện giám sát và điều khiển của phần mềm ControlDesk ..............66
Hình 4.13. Hệ thí nghiệm TRMS ..............................................................................67
Hình 4.14. Mô hình điều khiển TRMS với các khối trong thư viện thời gian thực ..68
Hình 4.15. Mạch vòng điều chỉnh mô men với các khối chuyển đổi vào ra ............68
Hình 4.16. Mô hình ghép nối encoder và chuyển đổi A/D tín hiệu tốc độ ...............69
Hình 4.17. Quạt tạo nhiễu khí động học ...................................................................70
Hình 4.18. Mô đun công suất điều chỉnh nhiễu ........................................................70
Hình 4.19. Mô đun nguồn cho hệ thống tạo nhiễu ....................................................71
Hình 4.20. Màn hình giao diện ControlDesk hệ thí nghiệm .....................................71
Hình 4.21. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-sin72
Hình 4.22. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng sin-hằng
số ...............................................................................................................................73
Hình 4.23. Đáp ứng chuyển vị góc trong 2 mặt phẳng với tín hiệu đặt dạng step ....74
Hình 4.24. Đáp ứng chuyển vị góc trong hai mặt với tín hiệu đặt dạng sin sử dụng
bộ điều chỉnh PID ......................................................................................................75


xv

Hình 4.25. Dạng nhiễu khí động học tác động lên TRMS thực nghiệm ...................76


xvi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Điểm khác nhau giữa TRMS và máy bay trực thăng ....................................8
Bảng 2. Các tham số của TRMS ...............................................................................29
Bảng 3. Tham số và đặc tính card DS1103 .............................................................127


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 trúc 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 hút 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 phương 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 phương 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 tượng, phạm vi và phương 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 phương 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 phương pháp phân tích, đánh giá
và tổng hợp. Thông qua nghiên cứu tổng quan để đề xuất vấn đề cần giải quyết về lý
thuyết và thiết kế thuật toán giải quyết vấn đề đó, kiểm chứng các nghiên cứu lý
thuyết bằng mô phỏng 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 lý 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 nhỏ 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. Bổ sung thêm mạch điều chỉnh mô men cho cấu trúc điều khiển
TRMS để bù động học của cơ 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 phương trình Riccati một cách hiệu quả.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Bổ sung một lý 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 phương trình giải phương 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 chương và kết luận, được bố cục như sau:
Chương 1. Tổng quan về các phương pháp điều khiển Twin Rotor MIMO
System (TRMS)
Trong chương 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 phương pháp điều khiển hiện đại;
các cấu trúc 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.
Chương 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 phương trình Newton 2, chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới hệ (giả
định đơn giản hóa hệ thống, như người ta cho rằng động lực học của hệ thống được
mô tả bởi một dãy phương trình vi phân, ma sát của hệ thống là trơn,...). Mô hình
toán biểu diễn động học TRMS xây dựng được trong chương này theo phương trình
Lagrange có sai lệch với mô hình thực nhỏ hơn 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 hơn là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển thỏa
mãn yêu cầu chất lượng đáp ứng ra của hệ trong phần tiếp theo.
Chương 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 phương 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.
Trong chương 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.


4

Chương 4. Kết quả thí nghiệm
Thuật toán đề xuất được cài đặt chạy thực nghiệm trên TRMS và Card DS1103.
Giải phương trình Riccati trong thời gian thực trên Card DS1103. Sử dụng phương
pháp áp đặt mô men khi áp dụng thuật toán điều khiển đề xuất cho TRMS để bù động
học cho cơ cấu chấp hành. Kết quả thực nghiệm khẳng định thuật toán đề xuất hoàn
toàn đúng 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

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG 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 phòng 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 cơ 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 cơ 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 đối trọng trên thanh đối


6

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 còn 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 cơ 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 (MBTT), 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 cơ truyền động. Bởi vậy, tín hiệu đầu
vào điều khiển là điện áp phần ứng động cơ một chiều. Thay đổi biên độ điện áp phần

ứng động cơ 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 còn lại của TRMS
(theo định luật bảo toàn mô men động lượng). Rồi sau đó, chính điều này là nguyên
nhân gây ra sự tương tác giữa hai chuyển động tương ứng trong hai mặt phẳng. Ngoài
ra, chính sự tương tác này ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc của thanh ngang trong cả
hai mặt đứng và ngang. Sự tương 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 phức tạp. Nói chung, tính chất


8

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
Vị trí điểm quay

Máy bay trực thăng

TRMS
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 còn tốc độ quay của
chính

động cơ truyền động là không thay đổi

Góc trong mặt ngang Điều chỉnh tốc Điều chỉnh góc tới của các cánh của
được điều chỉnh qua

độ quay của cánh cánh quạt đuôi
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 phương 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):
1
lm Fv m   vkv  g  A  B  cos v C sin v   h2 A  B  C  sin 2v
dS v
2
(1.1)

dt
Jv


9

d v
J 
 v ; v  S v  tr t
dt
Jv

(1.2)

l F   cos v - h kh
dS h lt Fh t  cos v - h kh

 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  S h  mr m
 Sh 
2
Jh
D sin v  E cos 2 v  F

(1.4)

du vv
1

 u vv  u v 
dt
T mr

(1.5)

du hh

1

 u hh  u h 
dt
T tr

(1.6)

m  Pv u vv 

t  Ph u hh 
Trong đó:

m

m

A   t  m tr  m ts lt , B   m  m mr  m ms lm ,
 2

 2

m
m

C   b lb  m cblcb  , D  b lb2  m cblcb2 ,
3
 2

m


m

E   m  m mr  m ms lm2   t  m tr  m ts lt2 ,
 3

 3

2
F  m msrms


m ts 2
rts , J h  D cos2 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 và
khối lượng trong trường hợp các hệ khí động lực học. Việc khó nhất và mất thời gian
của phân tích mô hình là nhận dạng tham số. Nói chung, mô hình vật lý của một hệ