CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR MIMO SYSTEM (TRMS) 1. Khái quát chung về Twin Rotor MIMO System (TRMS) Chốt quay Cánh quạt đuôi Cánh quạt chính Đối trọng Hình 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 1.22rad ) như trên hình 1. Cánh quạt đuôi tạo động lực để thanh ngang chuyển động trong mặt ngang (vị trí góc trong mặt ngang 2.82rad ) như trên hình 1.
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. Các vị trí trong không gian 3 chiều của TRMS [3] z R1 O1 y Cánh quạt đuôi P2 P1 Cánh quạt chính TRMS 33-220 Hình 1. Vị trí góc trong mặt đứng v của TRMS 7 O h y R3 Cánh quạt P3 đuôi P1 x Cánh quạt chính Hình 1. 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 TRMS Máy bay trực thăng 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 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. 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.
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 (1.6): 1 lm Fv m vkv g A B cos v C sin v h2 A B C sin 2v dS v 2 (1.1) dt Jv 9 d v J v ; v S v tr t (1.2) dt Jv dS h lt Fh t cos v - h kh l F cos v - h kh t h2 t (1.3) dt Jh D sin v E cos 2 v F d h h dt (1.4) J cos v J mr m cos v h S h mr m Sh Jh D sin v E cos 2 v F 2 du vv 1 u vv u v dt T mr (1.5) m Pv u vv du hh 1 u hh u h dt T tr (1.6) 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 , 2 3 m m E m m mr m ms lm2 t m tr m ts lt2 , 3 3 m ts 2 F m msrms 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 10 đòi hỏi phải có thông tin ưu tiên về đối tượng và nó cũng là sự chi phối về thời gian. Trong nghiên cứu này, TRMS đã được mô hình hóa bởi phương pháp tiếp cận dựa vào Newton và Euler-Lagrange.
Các mô hình đã được đánh giá và so sánh thì thấy rằng mô hình dựa trên tiếp cận Euler-Lagrange chính xác hơn Newton. Mặc dù mô hình Lagrange chính xác hơn, nó cũng phức tạp hơn và đây là điều không mong muốn từ quan điểm điều khiển. Ngược với mô hình hộp trắng, được gọi là kiểu mô hình hộp đen không đòi hỏi phải hiểu thấu bản chất của đối tượng trước. Tuy nhiên, nó đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu vào ra để mô tả được trọn vẹn đặc tính khí động lực học của hệ.
Việc khó khăn và mất thời gian nhất của tiếp cận mô hình theo lối kinh nghiệm là lấy dữ liệu, đặc biệt là trong hệ MIMO. Các mạng nơ ron được đánh giá là một trong những công cụ hứa hẹn nhất trong trường hợp mô hình hộp đen phi tuyến. Mặc dù mô hình hộp đen với các kỹ thuật luyện hiệu quả chính xác hơn so với mô hình phân tích, nó bị ảnh hưởng bởi các nhược điểm như là chỉ phù hợp trong dải dữ liệu luyện và mất cấu trúc của đối tượng. Trong nghiên cứu này tác giả cũng đưa ra mô hình hộp xám là sự kết hợp mô hình hộp trắng và mô hình hộp đen.
Sự kết hợp này khắc phục được nhược điểm của mô hình hộp đen. Tuy nhiên, các mô hình tác giả đưa ra không xét đến động học của động cơ một chiều truyền động cho cánh quạt. Trong [6] tác giả xây dựng mô hình toán cho TRMS bằng phương pháp Euler- Lagrange. Mô hình động học của TRMS được mô tả bằng 4 phương trình.
Tuy nhiên tác giả không đánh giá độ chính xác của mô hình xây dựng, một số tham số của đối tượng sai lệch so với nhà sản xuất công bố. Điều khiển TRMS TRMS là một đối tượng điều khiển phổ biến để kiểm chứng các thuật toán điều khiển mới. Giải pháp đơn giản nhất cho bài toán điều khiển TRMS là áp dụng bộ điều chỉnh PID. Đã có nhiều nghiên cứu để áp dụng thuật toán sử dụng trí tuệ nhân tạo vào hệ để tìm tham số tối ưu nhằm đảm bảo đặc tính tốt nhất.
Tuy nhiên các thuật toán này không đảm bảo tính bền vững mà các ứng dụng trong không gian yêu cầu. Để đảm bảo tính bền vững các phương pháp điều khiển khác nhau như là điều khiển deadbeat, H∞, SMC đã được áp dụng cho hệ. Điều khiển PID 11 Nhà sản xuất [24] đã áp dụng bộ điều chỉnh PID và PID kết hợp với bộ tách kênh để điều khiển TRMS. Mặc dù chất lượng điều khiển chưa cao, song đây chính là cơ sở để các nhà nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển mới nhằm cải thiện chất lượng đáp ứng đầu ra.
Với cấu trúc điều khiển đơn giản, và sử dụng ít tài nguyên của máy tính khi chạy thời gian thực. Bộ điều chỉnh PID sau này vẫn sử dụng trong nhiều công trình nghiên cứu.