I. Tổng quan
Đồ án tốt nghiệp 'Điều khiển cân bằng mô hình trực thăng 2 DOFs' tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các phương pháp điều khiển cho hệ thống trực thăng không người lái. Hệ thống này có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển, cứu hộ, và giám sát. Tuy nhiên, việc điều khiển trực thăng 2 DOFs gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và không ổn định. Đề tài này nhằm xây dựng bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID để cải thiện khả năng ổn định và hiệu suất của mô hình. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại có thể nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Đặc biệt, nghiên cứu của Smith và Johnson (2020) đã phát triển bộ điều khiển Fuzzy-PID, cho thấy tính linh hoạt trong việc xử lý các tình huống không chắc chắn.
1.1 Mục đích và mục tiêu
Mục đích chính của đề tài là thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho mô hình trực thăng 2 DOFs. Mục tiêu cụ thể bao gồm xây dựng phương trình toán học cho mô hình, thử nghiệm mô phỏng và thiết kế mô hình, cũng như xây dựng các bộ điều khiển cân bằng. Đề tài cũng hướng đến việc thu thập dữ liệu và phân tích hiệu suất của các bộ điều khiển thông qua các thí nghiệm thực tế. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn tạo cơ hội áp dụng vào thực tiễn, từ đó nâng cao kỹ năng và kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển tự động.
II. Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về trực thăng 2 DOFs, bao gồm cấu trúc và nguyên lý hoạt động. Trực thăng 2 DOFs có khả năng di chuyển theo hai hướng cơ bản: lên/xuống và trái/phải. Đặc điểm này giúp nó trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển. Để điều khiển trực thăng, cần sử dụng hai loại tín hiệu điều khiển: chuyển động quay góc Pitch và Yaw. Việc điều chỉnh tốc độ và hướng quay của các cánh quạt là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động. Mô hình hóa trực thăng 2 DOFs là một phần quan trọng trong việc phát triển bộ điều khiển, giúp xác định các tham số cần thiết cho việc điều khiển chính xác.
2.1 Mô hình hóa và chuyển động
Mô hình hóa trực thăng 2 DOFs bao gồm việc xác định các lực động lực học và mô-men xoắn tác động lên hệ thống. Hệ thống này được mô tả bằng các phương trình động học và động lực học, cho phép phân tích và thiết kế bộ điều khiển. Các biến cấu hình như góc Pitch và Yaw là rất quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của trực thăng. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển như PID và Fuzzy-PID giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các tác động từ môi trường. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về lý thuyết điều khiển mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các ứng dụng thực tế trong tương lai.
III. Giải thuật điều khiển
Chương này tập trung vào việc giới thiệu các giải thuật điều khiển, bao gồm PID và Fuzzy-PID. Giải thuật PID là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động. Nó bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), giúp điều chỉnh đầu ra của hệ thống một cách hiệu quả. Giải thuật Fuzzy-PID, ngược lại, sử dụng lý thuyết mờ để xử lý các tình huống không chắc chắn và phi tuyến, cho phép điều khiển linh hoạt hơn. Việc kết hợp hai giải thuật này có thể tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của mô hình trực thăng 2 DOFs.
3.1 Thiết kế bộ điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển cho mô hình trực thăng 2 DOFs bao gồm việc xác định các tham số PID và xây dựng luật mờ cho bộ điều khiển Fuzzy. Các tham số này cần được tối ưu hóa để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Việc mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho phép kiểm tra và đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển trước khi triển khai thực tế. Kết quả từ các mô phỏng này sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc điều chỉnh và cải thiện thiết kế bộ điều khiển, từ đó nâng cao khả năng hoạt động của trực thăng.
IV. Khảo sát mô hình toán và mô phỏng hệ thống
Chương này trình bày quy trình khảo sát mô hình toán và mô phỏng hệ thống trực thăng 2 DOFs. Việc xây dựng mô hình toán học là bước quan trọng trong việc phát triển bộ điều khiển, giúp xác định các tham số cần thiết cho việc điều khiển chính xác. Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho phép kiểm tra các phương trình động học và động lực học của hệ thống. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác và hiệu suất của bộ điều khiển. Việc này không chỉ giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế mà còn cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa các thuật toán điều khiển.
4.1 Mô phỏng bộ điều khiển
Mô phỏng bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID trên Matlab-Simulink cho phép đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển trong các tình huống khác nhau. Các thông số như độ ổn định, thời gian đáp ứng và sai số sẽ được phân tích để xác định hiệu quả của từng bộ điều khiển. Kết quả từ mô phỏng sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các bộ điều khiển hoạt động trong thực tế, từ đó giúp điều chỉnh và cải thiện thiết kế. Việc này cũng giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết và thực hành trong lĩnh vực điều khiển tự động.
V. Kết quả mô phỏng
Chương này trình bày kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID cho mô hình trực thăng 2 DOFs. Kết quả cho thấy rằng bộ điều khiển Fuzzy-PID có khả năng điều chỉnh tốt hơn trong các tình huống không chắc chắn và phi tuyến. Các thông số như độ ổn định và thời gian đáp ứng được cải thiện đáng kể so với bộ điều khiển PID truyền thống. Việc phân tích kết quả mô phỏng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa cho thiết kế. Kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể áp dụng vào thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động.
5.1 Nhận xét và đánh giá
Nhận xét về kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID mang lại nhiều lợi ích trong việc cải thiện hiệu suất của mô hình trực thăng 2 DOFs. Các thông số như độ ổn định và khả năng phản ứng nhanh với các thay đổi trong môi trường được nâng cao. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển hiện đại là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực điều khiển tự động. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến trong các hệ thống thực tế.
VI. Thực nghiệm
Chương này trình bày quy trình thực nghiệm và kết quả thu được từ mô hình trực thăng 2 DOFs. Việc thi công phần cứng và lựa chọn thiết bị là rất quan trọng để đảm bảo rằng mô hình hoạt động ổn định và hiệu quả. Các thí nghiệm được thực hiện để kiểm tra khả năng hoạt động của bộ điều khiển trong các điều kiện thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển Fuzzy-PID hoạt động tốt hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống, đặc biệt trong các tình huống không chắc chắn. Việc này chứng tỏ rằng nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển hiện đại là cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống.
6.1 Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng mô hình trực thăng 2 DOFs hoạt động ổn định và hiệu quả dưới sự điều khiển của bộ điều khiển Fuzzy-PID. Các thông số như độ ổn định và thời gian đáp ứng được cải thiện đáng kể so với bộ điều khiển PID. Việc phân tích kết quả thực nghiệm giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa cho thiết kế. Kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể áp dụng vào thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động.
VII. Kết luận và hướng phát triển
Chương cuối cùng tổng kết quá trình nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển cho mô hình trực thăng 2 DOFs. Kết quả đạt được cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID mang lại nhiều lợi ích trong việc cải thiện hiệu suất của mô hình. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và mở rộng ứng dụng của mô hình trong các lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn tạo cơ hội áp dụng vào thực tiễn, từ đó nâng cao kỹ năng và kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển tự động.
7.1 Hướng phát triển
Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và mở rộng ứng dụng của mô hình trong các lĩnh vực khác nhau. Việc nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển hiện đại là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực điều khiển tự động. Kết quả nghiên cứu này có thể được áp dụng vào thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động, từ đó nâng cao hiệu suất và tính ổn định của các hệ thống UAV trong tương lai.
