MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Lĩnh vực điều khiển tự động đã đƣợc xây dựng, phát triển hơn một thế kỷ qua và ngày càng đƣợc hoàn thiện, từ việc đƣa ra những mô hình và thuật toán điều khiển kinh điển nổi tiếng nhƣ PID cho các đối tƣợng điều khiển tuyến tính và đơn giản đến việc nghiên cứu, xây dựng các thuật toán hoàn chỉnh hơn để điều khiển cho các mô hình điều khiển phi tuyến phức tạp hoặc có thể chƣa có mô hình toán học đầy đủ và chính xác. Trong thời gian gần đây, lĩnh vực khoa học và kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, trải khắp các ngành: điện tử, viễn thông, điều khiển, công nghệ vi xử lý, máy tính., đã cho phép thực hiện các mô hình điều khiển có yêu cầu tính toán phức tạp, tạo điều kiện thuận lợi để việc giải quyết các bài toán điều khiển cho các đối tƣợng phi tuyến nhiều ngõ vào ra (MIMO: multi input _multi out put) và cũng đặt ra những yêu cầu phải nghiên cứu hoàn thiện hơn các hệ điều khiển nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chƣa tối ƣu hoặc ít bền vững đối với sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành.
Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợp cho các đối tƣợng có tham số không chính xác. Việc ứng dụng kỹ thuật mờ xây dựng bộ điều khiển cho các quá trình có tham số thay đổi là hƣớng nghiên cứu còn mới mẻ và có khả năng đáp ứng các yêu cầu chất lƣợng cao. Chính vì vậy chúng em thực hiện đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng” nhằm mục đích tiếp cận với hƣớng nghiên cứu mới trên. Mục tiêu của nghiên cứu - Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ điều khiển 3.
Dự kiến kết quả đạt đƣợc - Xây dựng mô hình toán của đối tƣợng điều khiển - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cũng nhƣ thông số bộ điều khiển - Mô phỏng hệ thống 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 - 10 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH Trong phạm vi đề tài, để xây dựng thuật toán điều khiển tác giả sử dung các phƣơng pháp sau - Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán của mô hình máy bay trực thăng, thiết kế bộ điều khiển - Mô phỏng kết quả hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm các phần chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu mô hình máy bay trực thăng thông qua hệ twin rotor mimo system. Chƣơng 2: Mô hình toán học của hệ twin rotor mimo system Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.
Chƣơng 4: Đánh giá chất lƣợng hệ thống Kết luận và kiến nghị HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 - 11 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH Chƣơng I GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 1. Khái quát về lich sử phát triển máy bay trực thăng Ý tƣởng đầu tiên về tạo ra khí cụ bay có cánh để quạt không khí sinh ra lực nâng vào năm 1475 là của Lêôna Đơvanhxi. Nhƣng do hạn chế về khả năng kĩ thuật và sự mẫu thuẫn với các niềm tin tôn giáo, nên ý định đó đã bị mất đi, chôn vùi trong các tài liệu của kho lƣu trữ. Về sau bản vẽ phác và thuyết minh của khí cụ bay đó đã đƣợc phát hiện trong thƣ viện Mi-Lăng (công bố năm 1754).
Năm 1754, Lơmanôxốp một nhà khoa học ngƣời Nga đã lập luận khả năng tạo ra khí cụ bay nặng hơn không khí, dựng nên mô hình trực thăng có 2 cánh quạt đồng trục. Vào thế kỉ XIX, một số nhà khoa học Nga đã khởi thảo dự án về khí cụ bay có cánh quay. Năm 1869, kĩ sƣ điện Lôđƣghin đã nêu ra dự án trực thăng với động cơ điện. Năm 1870, nhà bác học Rƣcachép đã nghiên cứu cánh quạt không khí.
Nhà bác học Tre-nốp khởi thảo sơ đồ trựcc thăng có các cánh quay bố trí dọc ngang và đồng trục. Cuối thế kỉ XIX, các nhà bác học Menlêđêép, Giucốpski, Traplƣghin đã chú ý nghiên cứu khí cụ bay dẫn tới thời kì các khí cụ bay nậng hơn không khí có cơ sở lý luận khoa học sâu sắc. Năm 1891, một học trò của Giucốpski là Iurép đã nêu ra 1 dự án có lý lẽ vững vàng về trực thăng 1 cánh quay với cánh quạt đuôi cùng những thiết bị điều khiển tự động nghiêng cánh quay. HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 - 12 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH Hình1.
Trực thăng của Treremukhin Sau cánh mạng tháng 10, công nghiệp hàng không của Liên Xô bắt đầu phát triển, các công trình nghiên cứu về trực thăng liên tiếp đƣợc tiến hành. Năm 1925, tại trƣờng đại học thuỷ khí, một nhóm dƣới sự lãnh đạo của Iurep đã nghiên cứu hoàn thiện trực thăng. Kết quả là 1930 đã tạo đƣợc trực thăng Xôviết đầu tiên. Kĩ sƣ Treremukhin, ngƣời lãnh đạo, đồng thời là ngƣời thử nghiệm trực thăng (Hình 1.1) đã lập kỉ lục thế giới về độ cao trực thăng: 605 m.
Năm 1948, trực thăng Mi1 đã đƣợc thử nghiểm cho các số liệu kĩ thuật khá nên đã đƣợc sản xuất hàng loạt. Năm 1952, Mi4 cũng đã đƣợc chế tạo .Cũng vào năm ấy trực thăng 2 cánh quay K24 của Iacốplép đã đƣợc thực hiện (Hình 1. Năm 1958, trực thăng hạng nặng Mi6 đã đƣợc hoàn thiện với kỉ lục về tốc độ và trọng tải. Đến năm 1961, động cơ tuabin khí đã đƣợc lắp vào trực thăng và đƣợc thay thế hàng loại vào vị trí mà trƣớc đây động cơ píttông đảm nhiệm.
Năm 1971, tại hội chợ Hàng Không và Vũ Trụ quốc tế lần thứ 29 ở Pari, trực thăng không lồ 2 cánh quay Mi12 có thể nâng đƣợc trọng tải 40 tấn đã đƣợc giới thiệu. Trực thăng K24 của Iacốplép HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 - 13 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH - Khả năng bay lên thẳng đứng của trực thăng, dịch chuyển về các hƣớng bất kì làm cho Trực Thăng trở thành khí cụ bay rất cơ động, không phụ thuộc vào sân bay cũng nhƣ mở rộng thêm giới hạn sử dụng. Ngày nay, trực thăng càng đƣợc sử dụng rộng rãi, 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. Mặc dù rất lạc quan về tƣơng lai của trực thăng, nhƣng nhìn về khía cạnh lịch sử chúng ta phải thấy rằng hệ khí động lực học của trực thăng rất phức tạp, đòi hỏi nền cơ khí chế tạo cao.
Khác với trực thăng, lực nâng của máy bay không trực tiếp tạo ra từ cánh quạt, mà thông qua hệ thống cánh nâng và thân vỏ. Do đó, có chất lƣợng khí động cao, lực nâng có thể lớn hơn lực đẩy cánh quạt vài lần (điều đó giải thích tại sao cùng 1 công suất động cơ, máy bay có trọng tải lớn hơn trực thăng vài lần). Nên bù lại trực thăng thƣờng có độ kéo dài cánh rất lớn (dễ tạo dao động sóng dọc cánh, mỏi, gãy cánh), và việc chế tạo đòi hỏi sử dụng chất liệu có cơ tính đặc biệt, đòi hỏi chính xác Hình1. M y y trực thăng 22 cao.
Đó là lý do giải thích việc ra đời muộn hơn 1/2 thế kỉ của trực thăng so với máy bay cánh cứng, gây trở ngại cho việc sản xuất trực thăng. HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 - 14 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH 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. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong đời sống thƣờng nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự. Nếu so sánh với máy bay phản lực thì máy bay trực thăng có kết cấu, cấu tạo phức tạp hơn rất nhiều, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn rất nhiều.
Nhƣng bù lại những nhƣợc điểm đó, khả năng cơ động linh hoạt, khả năng cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và tính năng bay đứng của nó làm cho loại máy bay này là không thể thay thế đƣợc. Thực tế là máy bay trực thăng có thể đến bất cứ nơi nào chỉ cần bãi đáp có kích thƣớc lớn gấp rƣỡi đƣờng kính cánh quạt là nó đều có thể hạ cánh và cất cánh đƣợc. Vì các đặc tính kỹ thuật đặc biệt mà các máy bay cánh cố định không thể có đƣợc nhƣ thế, máy bay trực thăng ngày càng phát triển, song hành cùng các loại máy bay cánh cố định thông thƣờng và có ứng dụng ngày càng đa dạng: trong lĩnh vực giao thông vận tải nó cùng với các loại máy bay có cánh cố định lập thành ngành Hàng không dân dụng, trực thăng có vai trò rất lớn trong vận tải hàng không đƣờng ngắn, trong các điều kiện không có đƣờng băng, sân bay và để chở các loại hàng hoá cồng kềnh, siêu trƣờng, siêu trọng vƣợt quá kích thƣớc khoang hàng bằng cách treo dƣới thân. Trong đời sống thƣờng nhật, trực thăng đƣợc sử dụng nhƣ máy bay cứu thƣơng, cứu nạn, cảnh sát, kiểm soát giao thông, an ninh, thể thao, báo chí và rất nhiều các ứng dụng khác.
Đặc biệt trong quân sự nó 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, tấn công mặt đất. Về mặt phân loại, máy bay trực thăng là khí cụ bay nặng hơn không khí, bay đƣợc nhờ lực nâng khí động học đƣợc tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang.