Luận văn: Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System - Đại học Thái Nguyên

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về các phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO. Phân tích chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển tiên

• Tác giả: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Duy Cương
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống Twin Rotor MIMO System
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống Twin Rotor MIMO System

Twin Rotor MIMO System (TRMS) là mô hình thu nhỏ mô phỏng nguyên lý hoạt động của máy bay trực thăng hai cánh quạt. Hệ thống gồm rotor chính điều khiển độ cao và rotor đuôi điều khiển hướng quay. TRMS được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tự động hóa tại các trường đại học. Hệ thống này sở hữu đặc tính đa đầu vào đa đầu ra (MIMO), đòi hỏi thuật toán điều khiển phức tạp. Mô hình toán học của TRMS dựa trên phương trình Euler-Lagrange, mô tả động học và động lực học của hai trục quay. Thiết bị nghiên cứu do Viện Nghiên cứu phát triển công nghệ cao về kỹ thuật công nghiệp cung cấp phục vụ các thí nghiệm thực nghiệm. TRMS đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm chứng các phương pháp điều khiển tiên tiến trước khi áp dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp.

1.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của TRMS

Hệ thống TRMS bao gồm hai rotor chính và đuôi gắn trên thân cân bằng. Rotor chính tạo lực nâng điều khiển góc nghiêng dọc (pitch). Rotor đuôi điều khiển góc quay ngang (yaw). Mỗi rotor được dẫn động bởi motor DC riêng biệt. Cảm biến encoder đo góc quay thực tế. Hệ thống có đối trọng và cơ cấu liên kết cơ khí giữa hai trục. Nguyên lý hoạt động tương tự trực thăng nhưng ở quy mô phòng thí nghiệm. Việc xây dựng mô hình toán học chính xác là nền tảng thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

1.2. Vai trò của TRMS trong nghiên cứu điều khiển tự động

TRMS là đối tượng nghiên cứu lý tưởng cho các thuật toán điều khiển hiện đại. Hệ thống thể hiện rõ đặc tính phi tuyến, đa biến và có sự xen kênh giữa các kênh điều khiển. Nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước sử dụng TRMS làm nền tảng thử nghiệm. Các phương pháp như PID, fuzzy logic, mạng nơ-ron và điều khiển thích nghi đều được áp dụng trên TRMS. Kết quả nghiên cứu trên TRMS có thể mở rộng ứng dụng cho UAV, robot bay và hệ thống công nghiệp thực tế. Đây là cầu nối giữa lý thuyết điều khiển và ứng dụng thực tiễn.

II. Thách thức trong điều khiển hệ thống Twin Rotor MIMO

Điều khiển hệ thống TRMS đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Đặc tính phi tuyến là vấn đề đầu tiên. Mô hình động học của TRMS chứa các thành phần phi tuyến do lực cản khí động, moment quán tính và ma sát cơ cấu truyền động. Hiện tượng xen kênh giữa hai kênh chính và đuôi gây khó khăn trong thiết kế bộ điều khiển độc lập. Khi rotor chính thay đổi tốc độ, rotor đuôi bị ảnh hưởng và ngược lại. Tính bất định mô hình cũng là yếu tố quan trọng. Thông số hệ thống thay đổi theo thời gian do mòn cơ khí, biến đổi môi trường và tải trọng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính kinh điển như PID thuần túy không đáp ứng tốt yêu cầu chất lượng. Sai số trạng thái dừng lớn, thời gian điều chỉnh dài và dao động quá mức là những hạn chế thường gặp. Việc tìm kiếm bộ tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID trở thành bài toán then chốt.

2.1. Tính phi tuyến và hiện tượng xen kênh của TRMS

2.2. Tính bất định mô hình và ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển

III. Phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển bằng giải thuật di truyền

Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) được áp dụng để tối ưu hóa bộ điều khiển PID cho hệ thống TRMS. GA là phương pháp tìm kiếm heuristic dựa trên cơ chế chọn lọc tự nhiên. Quá trình tối ưu diễn ra qua các thế hệ cá thể, mỗi cá thể biểu diễn một bộ tham số {Kp, Ki, Kd}. Hàm mục tiêu đánh giá chất lượng điều khiển dựa trên sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt. Phương pháp Ziegler-Nichols được sử dụng để xác định tham số khởi tạo, thu hẹp không gian tìm kiếm. Cấu trúc điều khiển gồm hai bộ PID riêng biệt cho rotor chính và rotor đuôi. Bộ điều khiển PID1 điều khiển góc độ cao qua tín hiệu sai lệch ev. Bộ điều khiển PID2 điều khiển góc hướng quay qua tín hiệu sai lệch eh. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp GA-PID cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển so với PID truyền thống.

3.1. Nguyên lý giải thuật di truyền áp dụng tối ưu PID

3.2. Phương pháp Ziegler Nichols xác định tham số khởi tạo

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống Twin Rotor MIMO

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống TRMS đạt được nhiều kết quả tích cực. Bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền cho thấy hiệu suất vượt trội. Thời gian đáp ứng ngắn hơn, sai số trạng thái dừng nhỏ hơn và ít dao động hơn so với PID truyền thống. Phương pháp kết hợp Ziegler-Nichols với GA rút ngắn thời gian tính toán đáng kể. Mô hình toán học Euler-Lagrange cung cấp nền tảng chính xác cho thiết kế điều khiển. Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng trên thiết bị thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.Ứng dụng mở rộng sang nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Hệ thống UAV, robot bay không người lái và hệ thống hàng không vũ trụ đều áp dụng nguyên lý tương tự. Phương pháp GA-PID có tiềm năng triển khai trên các nền tảng nhúng công nghiệp. Nghiên cứu góp phần phát triển năng lực kỹ thuật điều khiển tự động hóa tại Việt Nam.

4.1. Kết quả đạt được từ nghiên cứu tối ưu điều khiển TRMS

4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển tiếp theo

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 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 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 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 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. Trong điều khiển thích nghi, một hoặc nhiều tham số điều khiển và hoặc các tham số mô hình đƣợc điều chỉnh trực tuyến bằng một thuật toán thích nghi sao cho các động học vòng lặp kín phù hợp với hoạt động của mô hình mẫu mong muốn mặc dù các thông số đối tƣợng không rõ hoặc biến đổi theo thời gian. Do đó, để đạt đƣợc chất lƣợng làm việc tốt, bất định tham số nên đƣợc kể đến, dƣới điều kiện là hiệu suất vòng lặp kín ổn định đƣợc đảm bảo.