Luận văn thạc sĩ: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số pid cho mô hình máy bay trực thăng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Nguyễn Đăng Luyện
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Như Hiển
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG THÔNG QUA HỆ THỐNG TWIN ROTOS MIMO SYSTEM
• 1.1. Khái quát về lich sử phát triển máy bay trực thăng
• 1.2. Giới thiệu về hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS)
• 1.3. Mô hình hệ TRMS
• 1.4. Cấu trúc cơ khí của hệ TRMS
• 2. CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOS MIMO SYSTEM
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo phương pháp Newton
• 2.3. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo Euler-Lagrange (EL)
• 2.4. Trục quay tự do
• 2.5. Thanh đối trọng
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID
• 3.1. Giới thiệu chung. Thiết kế bộ điều khiển PID. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t). Phương pháp Ziegler – Nichols. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
• 3.2. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. Thiết kế điều khiển ở miền tần số. Nguyên tắc thiết kế
• 3.3. Phương pháp tối ưu đối xứng. Thiết kế bộ điều khiển PID cho mô hình TRMS. Thiết bộ điều khiển bằng phương pháp mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Khái niệm về tập mờ. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ động
• 3.4. Điều khiển mờ thích nghi. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Phương pháp thiết kế. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
• 4.1. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng
• 4.2. Điều khiển hệ thống bằng PID thường
• 4.3. Điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
• 4.4. Sơ đồ mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định tham số PID. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho máy bay trực thăng

Thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho máy bay trực thăng là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật điều khiển. Bộ điều khiển này kết hợp giữa các phương pháp điều khiển truyền thống và công nghệ điều khiển mờ, nhằm cải thiện hiệu suất và độ ổn định của máy bay trực thăng. Việc áp dụng bộ điều khiển mờ giúp xử lý các tham số không chính xác và biến đổi trong quá trình hoạt động của máy bay.

1.1. Khái niệm về bộ điều khiển mờ và PID

Bộ điều khiển mờ là một hệ thống điều khiển sử dụng lý thuyết mờ để xử lý thông tin không chắc chắn. Trong khi đó, bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến, giúp điều chỉnh các tham số của hệ thống để đạt được hiệu suất tối ưu.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng bộ điều khiển mờ PID

Việc sử dụng bộ điều khiển mờ PID mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng điều chỉnh linh hoạt, cải thiện độ ổn định và giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như máy bay trực thăng, nơi mà sự chính xác và độ tin cậy là rất cần thiết.

II. Thách thức trong thiết kế bộ điều khiển cho máy bay trực thăng

Máy bay trực thăng có cấu trúc phức tạp và yêu cầu cao về độ chính xác trong điều khiển. Các thách thức chính bao gồm sự biến đổi của các tham số trong quá trình hoạt động, ảnh hưởng của môi trường và các yếu tố bên ngoài. Những yếu tố này có thể làm giảm hiệu suất của bộ điều khiển truyền thống.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển

Các yếu tố như gió, trọng tải và điều kiện thời tiết có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của máy bay trực thăng. Điều này đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng thích nghi với các điều kiện thay đổi này.

2.2. Khó khăn trong việc mô hình hóa hệ thống

Việc mô hình hóa hệ thống máy bay trực thăng là một thách thức lớn do tính phi tuyến và phức tạp của nó. Các mô hình toán học cần phải chính xác để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho máy bay trực thăng

Thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho máy bay trực thăng bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc xây dựng mô hình toán học đến việc áp dụng các thuật toán điều khiển mờ. Các phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển và đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

3.1. Xây dựng mô hình toán học cho máy bay trực thăng

Mô hình toán học là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển. Việc xây dựng mô hình này cần phải phản ánh chính xác các đặc tính động học và khí động học của máy bay trực thăng.

3.2. Ứng dụng lý thuyết mờ trong thiết kế điều khiển

Lý thuyết mờ được áp dụng để xử lý các tham số không chắc chắn trong quá trình điều khiển. Điều này giúp bộ điều khiển có khả năng thích nghi với các điều kiện hoạt động khác nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển mờ PID có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển của máy bay trực thăng. Các mô phỏng cho thấy sự ổn định và khả năng phản ứng nhanh của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển này.

4.1. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển

Các mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ PID hoạt động hiệu quả trong việc duy trì độ ổn định của máy bay trực thăng trong các điều kiện khác nhau.

4.2. Ứng dụng trong thực tế

Bộ điều khiển mờ PID đã được áp dụng trong các hệ thống điều khiển máy bay trực thăng thực tế, cho thấy khả năng cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong các tình huống phức tạp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của bộ điều khiển mờ PID

Bộ điều khiển mờ PID cho máy bay trực thăng không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển tự động. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn.

5.1. Tương lai của công nghệ điều khiển mờ

Công nghệ điều khiển mờ có tiềm năng lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển tự động trong nhiều lĩnh vực khác nhau, không chỉ giới hạn ở máy bay trực thăng.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện các thuật toán điều khiển mờ và tích hợp chúng với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu suất điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------o0o----------------- NGUYỄN ĐĂNG LUYỆN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. NGUYỄN NHƢ HIỂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] THÁI NGUYÊN, 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -----------------o0o------------------ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TRƢỞNG KHOA PGS. Nguyễn Nhƣ Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] THÁI NGUYÊN, 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Đăng Luyện Sinh ngày: 20 tháng 5 năm 1982 Học viên lớp cao học khóa K16 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trung tâm Ứng dụng tiến bộ Khoa học và Công nghệ. Xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng” do thầy giáo PGS. Nguyễn Nhƣ Hiển hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. HỌC VIÊN Nguyễn Đăng Luyện HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo, gia đình và đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS. Nguyễn Nhƣ Hiển, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô ở Khoa Điện, phòng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu xót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế. HỌC VIÊN Nguyễn Đăng Luyện HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ………………………………….3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………………………….5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………………….6 BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ.10 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……………………. Giới thiệu về hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS)……………………. Mô hình hệ TRMS……………………………………………. Cấu trúc cơ khí của hệ TRMS………………………………………….20 CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOS MIMO SYSTEM 2. Giới thiệu chung………………………………………………………. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo phƣơng pháp Newton…………………22 2. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo Euler-Lagrange (EL) …………………34 2. Trục quay tự do………………………………………………. Thanh đối trọng………………………………………….42 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 3. Giới thiệu chung. Thiết kế bộ điều khiển PID. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t). Phƣơng pháp Ziegler – Nichols. Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick .47 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH 3. Phƣơng pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. Thiết kế điều khiển ở miền tần số. Nguyên tắc thiết kế.1 Thiết kế điều khiển ở miền tần số. Nguyên tắc thiết kế. Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng.Thiết kế bộ điều khiển PID cho mô hình TRMS. Thiết bộ điều khiển bằng phƣơng pháp mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Khái niệm về tập mờ. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ . Bộ điều khiển mờ . Bộ điều khiển mờ động.2 Điều khiển mờ thích nghi. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID . Phƣơng pháp thiết kế. Kết luận chƣơng 3.66 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 4. Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng mô phỏng . Điều khiển hệ thống bằng PID thƣờng. Điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.3 Sơ đồ mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định tham số PID. Kết luận chƣơng 4.72 KẾT LU N V KIẾN NGHỊ 1.73 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….74 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Trực thăng của Treremukhin .2 : Trực thăng K24 của Iacốplép.3 : Máy bay trực thăng EC 225.4 : Máy bay lên, xuống nhờ cánh quạt chính………………….5 : Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra một mô men cân bằng với momen do cánh quạt chính gây lên………………………………………………….6 : Hệ thống Twin rotor mimo system: Mô hình của một máy bay trực thăng nhƣng đƣợc đơn giản hóa.8a: Mặt chiếu đứng của TRMS ……………………….8b: Mặt chiếu bằng của TRMS ……………………………….1: Các lực tác dụng vào TRMS tạo ra mômen trọng lƣợng .2: Mômen các lực trong mặt phẳng ngang …………………….3: Sơ đồ khối biểu diễn đầu vào và đầu ra của hai cánh quạt .4: Twin roto mimo system ……………………………….5: Hình chiếu đứng của hệ thống TRMS với αh=0……………….6: Hình chiếu bằng của hệ thống TRMS…….7: Sơ đồ khối hệ thống TRMS……………………….1: Bộ điều khiển theo quy luật PID.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển……………………………….4: Hàm thuộc biến ngôn ngữ …………………………………………….5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.6: Luật hợp thành…………………………………………………………….7: Thực hiện phép suy diễn mờ………………………….8: Thực hiện phép hợp mờ………………….56 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH Hình 3.9 Những nguyên lý giải mờ.10 Cấu trúc một hệ logic mờ……………….11: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD.12: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1).13: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2)…………………………60 Hình 3.14: Phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp…………………………….15: Phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp…………………………….16: Phƣơng pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều ……………….17: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID…………………62 Hình 3.18: Bên trong bộ điều chỉnh mờ …………………………………………….19: Tập mờ e và e‟…………………………………………………………….21: Tập mờ Kp và KD……………………………………………………….1: Cấu trúc mô phỏng với bộ PID thƣờng cho hệ thống TRMS.2: Kết quả mô phỏng với PID thƣờng với góc pitch.3: Kết quả mô phỏng với PID thƣờng với góc yaw.4: Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.5: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ với góc pitch.6: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ với góc yaw.7: Cấu trúc mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định .8: Kết quả mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định với góc pitch.9: Kết quả mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định với góc yaw.70 HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt TRMS Twin Roto MIMO System Hệ Twin Roto nhiều vào nhiều ra SISO Single In – Single Out Hệ một vào - một ra MIMO Multi Input – Multi Output Hệ nhiều vào - nhiều ra EL Euler-Lagrange Euler-Lagrange AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều PID Proportional-Integral-Derivative Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân DC Direct Current Dòng điện một chiều AD Analog to digital Bộ biến đổi tƣơng tự -số BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Vv/h V điện áp trên cực động cơ chính/phụ Uv/h V điện áp điều khiển động cơ chính/phụ trong máy tính Rav/h  điện trở phần ứng của động cơ chính/phụ Lαv/h H điện cảm phần ứng của động cơ chính/phụ iav/h A dòng điện phần ứng của động cơ chính/phụ φv/h Wb từ thông động cơ chính/phụ eav/h V sức phản điện động của động cơ chính/phụ kav/h hằng số sức phản điện động của động cơ chính/phụ αh rad vị trí trong mặt phẳng ngang αv rad vị trí trong mặt phẳng đứng g m/s2 gia tốc trọng trƣờng HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành KTĐK và TĐH m kg khối lƣợng K J động năng P J thế năng K1 J động năng của thanh ngang J1 kgm2 mô men quán tính của thanh ngang mT1 kg tổng khối lƣợng của thanh ngang lT1 m trọng tâm của thanh ngang P1 J thế năng của thanh ngang mt kg khối lƣợng phần phụ của thanh ngang mtr kg khối lƣợng động cơ phụ mts kg khối lƣợng vành bảo vệ roto phụ mm kg khối lƣợng phần chính của thanh ngang mmr kg khối lƣợng động cơ chính mms kg khối lƣợng vành bảo vệ roto chính lt m chiều dài phần phụ của thanh ngang lm m chiều dài phần chính của thanh ngang rm/ts m bán kính vành bảo vệ rotor chính/phụ rmm/t m bán kính rotor động cơ chính/phụ K2 J động năng của thanh đối trọng P2 J thế năng của thanh đối trọng J2 kgm2 mô men quán tính của thanh đối trọng mb kg khối lƣợng của thanh đối trọng mT2 kg tổng khối lƣợng của thanh đối trọng mcb kg khối lƣợng của đối trọng lT2 m trọng tâm của thanh đối trọng lb m chiều dài của thanh đối trọng HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16 -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.