Chương 1: Tổng quan về Twin Rotor MIMO System Chương 2: Mô hình toán học của Twin Rotor MIMO System Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển cho hệ thống Chương 4: Kết quả và đánh giá thực nghiệm.TS Nguyễn Duy Cương -7- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ TWIN ROTOR MIMO SYSTEM I.1 Giới thiệu về máy bay trực thăng và Twin Rotor MIMO System Ngày nay, máy bay trực thăng càng đƣợc sử dụng rộng rãi với rất nhiều công năng cả trong đời sống cũng nhƣ trong kinh tế quốc dân và quân sự, là phƣơng tiện giao thông chính ở những nơi không thể sử dụng các phƣơng tiện vận tải trên mặt đất, cũng nhƣ không có sân bay để đáp. Đặc biệt trong quân sự, máy bay trực thăng là một thành phần rất quan trọng của lực lƣợng không quân và quân đội nói chung: vừa là loại máy bay vận tải thuận tiện vừa là loại máy bay chiến đấu rất hiệu quả, nhất là trong các nhiệm vụ đổ bộ đƣờng không, tấn công cơ động và mặt đất.1: Máy bay trực thăng Về cấu tạo, máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phƣơng tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Máy bay trực thăng bay đƣợc nhờ lực nâng khí động học đƣợc tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang có chuyển động tƣơng đối với không khí. Khi đĩa cánh quạt nâng quay, theo định luật bảo toàn mô men động lƣợng thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại với vận tốc quay phụ thuộc vào tỷ lệ mô men quán tính của rotor (cánh quạt và phần quay) và stator (thân máy bay và các phần còn lại), để chống lại hiện tƣợng tự quay này ngƣời ta thực hiện theo nhiều phƣơng án khác nhau thông qua các sơ đồ nguyên tắc khác nhau, loại sơ đồ cơ bản nhất là "một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi".
Với loại sơ đồ này thì khi cánh quạt nâng quay, thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngƣợc lại, để chống lại hiện tƣợng tự quay này máy bay trực thăng có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, thổi gió theo chiều ngang. Lực đẩy của cách quạt đuôi tạo nên mô men lực đuôi có tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục cánh quạt GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương -8- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS nâng sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay giữ hƣớng cố định cho máy bay. Nhƣ vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm đƣợc sự chuyển động tƣơng đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khí động học trong khi bản thân máy bay không cần chuyển động nên máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi. Ngoài ra cánh quạt đuôi này còn có tác dụng để lái đổi hƣớng bay cho trực thăng nhờ việc thay đổi công suất cánh đuôi từ đó thay đổi lực đẩy gió ngang và mô men đuôi khiến máy bay có thể chuyển hƣớng sang phải sang trái dễ dàng.
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để nâng nó bay trong không khí. Lực nâng đƣợc tạo ra nhờ sự tƣơng tác với không khí. Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và ngƣợc lại không khí tác dụng lên cánh quạt một phản lực hƣớng lên trên. Do đó, khi không có không khí lực nâng này sẽ không còn, hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực thăng để bay ra khỏi tầng khí quyển dù công su ất của động cơ có lớn đến đâu.
Nhƣ vậy có thể thấy rằng máy bay trực thăng có kết cấu và cấu tạo tƣơng đối phức tạp, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn nhiều so với máy bay phản lực. Tuy nhiên khả năng cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và tính năng bay đứng, dịch chuyển về các hƣớng bất kì làm cho trực thăng trở thành khí cụ bay rất cơ động và linh hoạt mà hiện nay không có bất kỳ loại máy bay nào khác có thể thay thế đƣợc. Để thử nghiệm và áp dụng các thuật toán điều khiển trên máy bay trực thăng thì một trong các công cụ thƣờng đƣợc sử dụng đó là : Twin Rotor MIMO System – TRMS, đây là một mô hình thí nghiệm của máy bay trực thăng đƣợc đơn giản hóa, đƣợc phát triển bởi Feedback Instrument Ltd (Feedback Co., 1998), TRMS có mô tả động học gần giống với động học của máy bay trực thăng trong thực tế, hệ thống này đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm kỹ thuật để phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển cho máy bay trực thăng nói riêng và các hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) nói chung.TS Nguyễn Duy Cương -9- Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 1.2: Twin Rotors MIMO System – TRMS I.2 Cấu tạo của TRMS Phần cơ khí của TRMS bao gồm một dầm (còn gọi là thanh tự do) gắn với chốt quay, chốt quay gồm hai khớp quay đƣợc đặt trên đế sao cho nó có thể quay tự do trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Ở cả hai đầu của dầm là hai rotors (rotor chính và rotor phụ) có gắn hai cánh quạt, cánh quạt chính chuyển động theo phƣơng thẳng đứng và cánh quạt phụ (hay cánh quạt đuôi) chuyển động theo phƣơng ngang, viền ngoài hai cánh quạt có lá chắn bảo vệ.
Cần đối trọng (bao gồm đối trọng và thanh gắn đối trọng) đƣợc gắn cố định với dầm ở chốt quay. Tất cả các bộ phận trên đƣợc gắn trên một trụ tháp có chân đế.3: Mặt chiếu đứng của TRMS GVHD: PGS.TS Nguyễn Duy Cương - 10 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS Hình 1.4: Mặt chiếu bằng của TRMS Phần điện của TRMS gồm hai rotors chính phụ đƣợc truyền động bởi hai động cơ một chiều, có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào, từ đó làm chuyển vị góc của hai cánh quạt cũng thay đổi theo; hai sensors vị trí đƣợc lắp ở chốt quay để đo góc đứng (αv) và góc bằng (αh), các tín hiệu đo lƣờng của hệ thống đƣợc truyền tới máy tính PC có cài đặt phần mềm Matlab và Control Deck để trực tiếp điều khiển và chỉnh định thông số cho hệ thống. Trạng thái của dầm (thanh tự do) đƣợc mô tả bởi bốn biến: góc đứng (αv), góc bằng (αh), và hai vận tốc góc (ωv, ωh) tƣơng ứng. Thêm vào đó là hai biến trạng thái là vận tốc góc của các rotor, đƣợc đo các máy phát tốc tạo thành cặp với động cơ truyền động.
Trong mô hình máy bay đơn giản thì sức động lực học đƣợc điều khiển bằng sự thay đổi góc tới. Ở bộ thiết bị thí nghiệm đƣợc xây dựng sao cho góc tới là cố định. Do vậy sức động lực học đƣợc điều khiển bởi sự thay đổi tốc độ của các rotor. Bởi vậy, các đầu vào điều khiển là điện áp cấp cho động cơ một chiều.
Thay đổi giá trị điện áp dẫn đến tốc độ góc của cánh quạt thay đổi, sự thay đổi này dẫn đến làm thay đổi vị trí tƣơng ứng của dầm. Tuy nhiên, sự ghép chéo đƣợc quan sát giữa hoạt động của các rotor, mỗi rotor ảnh hƣởng đến cả hai vị trí góc.3 Các đặc điểm của bộ điều khiển TRMS Thiết kế các bộ điều khiển thời gian thực thích ứng và phù hợp đòi hỏi mô hình toán học của hệ thống phải có độ chính xác cao. Tuy nhiên với hệ thống nhƣ TRMS có tính phi tuyến cao, tính bất định của mô hình, đặc biệt là hiện tượng xen kênh mạnh giữa các đầu vào và các đầu ra thì điều này là rất phức tạp khi muốn điều khiển TRMS di chuyển nhanh và chính xác đến các vị trí mong muốn [17].TS Nguyễn Duy Cương - 11 - Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Hoa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Nâng cao chất lượng điều khiển cho TRMS I. Tính phi tuyến và hiện tượng xen kênh Twin Rotor MIMO System (TRMS) là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra có hiện tƣợng xen kênh rõ rệt.
Nó hoạt động giống nhƣ máy bay trực thăng nhƣng góc tác động của các rotors đƣợc xác định và các sức động lực học đƣợc điều khiển bởi các tốc độ của các động cơ. Hiện tƣợng xen kênh đƣợc quan sát giữa sự hoạt động của các động cơ, tốc độ góc của động cơ phụ ảnh hƣởng đến chuyển vị góc trong mặt đứng, ngƣợc lại tốc độ góc của động cơ chính ảnh hƣởng đến chuyển vị góc trong mặt bằng. Mặt khác các chuyển vị góc trong hai mặt cũng ảnh hƣởng lẫn nhau [22]. Tính bất định mô hình Trong thực tế, các hệ thống điều khiển chuyển động luôn luôn hoạt động với bất định mô hình.
Tính bất định là không có thông tin, có thể không đƣợc mô tả và đo lƣờng. Tính bất định mô hình có thể bao gồm bất định tham số và các động học không mô hình. Bất định tham số có thể do tải biến đổi, các khối lƣợng và các quán tính ít biết đến, hoặc không rõ và các thông số ma sát biến đổi chậm theo thời gian [9]. Trong lý thuyết điều khiển, bất định mô hình đƣợc xem xét từ quan điểm của mô hình hệ thống vật lý.
Các động học không mô hình và bất định tham số có ảnh hƣởng tiêu cực đến hiệu suất bám và thậm chí có thể dẫn đến không ổn định. Nếu cấu trúc mô hình đƣợc giả định là đúng, nhƣng hiểu biết chính xác về các thông số đối tƣợng không rõ, thì điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng.