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 phân tích thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số pid cho mô hình máy bay trực thăng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• 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
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 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
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
• 3.4. Phương pháp Ziegler – Nichols
• 3.5. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
• 3.6. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn
• 3.7. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
• 3.7.1. Nguyên tắc thiết kế
• 3.7.2. Phương pháp tối ưu đối xứng
• 3.8. Thiết kế bộ điều khiển PID cho mô hình TRMS
• 3.9. Thiết bộ điều khiển bằng phương pháp mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
• 3.10. Khái niệm về tập mờ
• 3.11. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
• 3.12. Bộ điều khiển mờ
• 3.13. Bộ điều khiển mờ động
• 3.14. Điều khiển mờ thích nghi
• 3.15. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
• 3.16. Phương pháp thiết kế
• 3.17. 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
• 4.5. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Kế Điều Khiển Mờ PID Cho Trực Thăng

Bài viết này tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho mô hình máy bay trực thăng, một hệ thống phức tạp với nhiều yếu tố phi tuyến. Mục tiêu là đạt được hiệu suất điều khiển cao, tính ổn định và khả năng tự động hóa. Việc tuning PID truyền thống thường gặp khó khăn do đặc tính phi tuyến của máy bay trực thăng. Vì vậy, sử dụng fuzzy logic để điều khiển tối ưu các tham số PID hứa hẹn mang lại kết quả tốt hơn. Phương pháp này không chỉ cải thiện đáp ứng quá độ mà còn giảm sai số xác lập trong quá trình điều khiển bay. Dẫn chứng từ tài liệu gốc cho thấy sự phát triển liên tục của lĩnh vực điều khiển tự động hóa từ các thuật toán kinh điển đến các giải pháp phức tạp hơn cho các hệ thống phi tuyến.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng Của Máy Bay Trực Thăng

Máy bay trực thăng, với khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ những ý tưởng sơ khai của Leonardo da Vinci. Ngày nay, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ cứu hộ đến quân sự. Tính linh hoạt và khả năng hoạt động ở những địa hình khó khăn làm cho trực thăng trở thành một công cụ không thể thiếu. Cần lưu ý đến sự khác biệt cơ bản giữa trực thăng và máy bay cánh cố định về mặt khí động lực học.

1.2. Giới Thiệu Hệ Thống Twin Rotor MIMO System TRMS

Hệ thống Twin Rotor MIMO System (TRMS) là một mô hình máy bay trực thăng được đơn giản hóa, thường được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển. TRMS giúp giảm bớt sự phức tạp của mô hình thực tế, cho phép tập trung vào các khía cạnh quan trọng của điều khiển bay, đặc biệt là cân bằng máy bay và ổn định. TRMS là hệ thống MIMO, nên việc thiết kế hệ thống điều khiển phức tạp hơn hệ SISO.

II. Thách Thức Điều Khiển Máy Bay Trực Thăng Tối Ưu PID

Việc điều khiển máy bay trực thăng hiệu quả là một thách thức lớn do tính phi tuyến, sự thay đổi tham số và tác động của nhiễu. PID controller truyền thống, mặc dù đơn giản và dễ triển khai, có thể không đáp ứng được yêu cầu hiệu suất điều khiển cao trong mọi điều kiện. Bài toán tuning PID cho mô hình máy bay trực thăng trở nên phức tạp hơn khi xét đến sự tương tác giữa các kênh điều khiển (ví dụ: góc nghiêng, góc ngẩng, cao độ). Do đó, cần có các phương pháp điều khiển thích nghi hoặc điều khiển tối ưu để giải quyết những vấn đề này.

2.1. Mô Hình Toán Học và Các Yếu Tố Phi Tuyến

Mô hình toán học của máy bay trực thăng thường bao gồm các phương trình vi phân phức tạp, mô tả động lực học của hệ thống. Các yếu tố phi tuyến, như lực cản không khí, moment quán tính thay đổi, và sự tương tác giữa các rotor, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển. Cần xác định chính xác các sensor để thu thập dữ liệu và actuator để thực hiện điều khiển.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiễu và Thay Đổi Tham Số Đến Điều Khiển

Nhiễu từ môi trường bên ngoài (ví dụ: gió) và sự thay đổi tham số của mô hình máy bay trực thăng (ví dụ: tải trọng) có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính ổn định và hiệu suất điều khiển. Các bộ điều khiển robust control cần được thiết kế để chống lại những ảnh hưởng này và duy trì hiệu suất mong muốn trong các điều kiện khác nhau.

III. Phương Pháp Điều Khiển Mờ Chỉnh Định Tham Số PID

Điều khiển mờ cung cấp một phương pháp linh hoạt để xử lý tính phi tuyến và không chắc chắn trong mô hình máy bay trực thăng. Bằng cách sử dụng fuzzy logic để tuning PID, bộ điều khiển có thể tự động điều chỉnh các tham số PID dựa trên trạng thái hiện tại của hệ thống. Phương pháp này cho phép đạt được hiệu suất điều khiển tốt hơn so với PID cố định, đặc biệt trong các điều kiện vận hành khác nhau. Giải thuật điều khiển mờ thích nghi sẽ giúp tối ưu hóa hệ thống.

3.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Điều Khiển Mờ PID

Bộ điều khiển mờ PID bao gồm một bộ điều khiển mờ, một bộ điều khiển PID, và một cơ chế chỉnh định. Bộ điều khiển mờ sẽ giám sát trạng thái của hệ thống và điều chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID để đạt được hiệu suất điều khiển tối ưu. Quy trình này thường được thực hiện thông qua các luật mờ được xác định trước. Tham khảo hình 3.17 trong tài liệu gốc để hiểu rõ hơn về phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.

3.2. Thiết Kế Hàm Thuộc và Luật Mờ Cho Hệ Thống Điều Khiển

Thiết kế hàm thuộc và luật mờ là bước quan trọng trong việc xây dựng bộ điều khiển mờ PID. Hàm thuộc xác định mức độ thuộc về của một biến vào các tập mờ khác nhau, trong khi luật mờ xác định cách bộ điều khiển sẽ phản ứng với các tình huống khác nhau. Quá trình thiết kế này thường dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia và kiến thức về hệ thống.

3.3. Lựa Chọn Thuật Toán Giải Mờ và Tối Ưu Hóa Hệ Thống

Thuật toán giải mờ được sử dụng để chuyển đổi kết quả mờ thành một giá trị cụ thể để điều khiển hệ thống. Có nhiều thuật toán giải mờ khác nhau, như phương pháp trọng tâm (centroid), trung bình trung bình (bisector), và giá trị trung bình lớn nhất (mean of maxima). Lựa chọn thuật toán giải mờ phù hợp có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển. Các thuật toán di truyền có thể được sử dụng để tối ưu hóa hàm thuộc.

IV. Ứng Dụng Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Suất Điều Khiển

Để đánh giá hiệu quả của điều khiển mờ PID, mô phỏng là một công cụ quan trọng. Matlab và Simulink là những phần mềm mạnh mẽ được sử dụng để mô phỏng hệ thống và so sánh hiệu suất của bộ điều khiển mờ PID với các bộ điều khiển khác (ví dụ: PID truyền thống). Các chỉ số hiệu suất, như đáp ứng quá độ, sai số xác lập, và tính ổn định, được sử dụng để đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển.

4.1. Mô Phỏng Hệ Thống Trong Matlab và Simulink

Việc xây dựng mô hình trong Matlab Simulink cho phép người dùng mô phỏng các hành vi của máy bay trực thăng một cách chi tiết và thực tế. Các thành phần như động cơ, cảm biến và bộ điều khiển có thể được mô phỏng để đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển trong các điều kiện khác nhau. Chú ý đến việc chọn tham số phù hợp trong quá trình mô phỏng.

4.2. So Sánh Hiệu Suất Giữa PID Truyền Thống và Mờ PID

So sánh hiệu suất giữa bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển mờ PID là cần thiết để chứng minh tính ưu việt của phương pháp điều khiển mờ. Các chỉ số như thời gian tăng, độ quá điều chỉnh và sai số xác lập được sử dụng để so sánh hiệu suất của hai bộ điều khiển. Phân tích kết quả mô phỏng cẩn thận để đưa ra kết luận chính xác.

4.3. Đánh Giá Độ Ổn Định và Robustness của Hệ Thống Điều Khiển

Độ ổn định và robustness là những yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển phải có khả năng duy trì tính ổn định và hiệu suất mong muốn trong các điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm cả sự thay đổi tham số và nhiễu.

V. Kết Luận Tiềm Năng và Hướng Phát Triển Của Fuzzy PID

Việc thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho mô hình máy bay trực thăng cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất điều khiển và tính ổn định. Phương pháp này có thể được mở rộng để điều khiển các hệ thống phức tạp khác. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, bao gồm việc tối ưu hóa hàm thuộc, luật mờ và thuật toán giải mờ.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp Mới

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp hiệu quả để thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho mô hình máy bay trực thăng. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển mờ PID có thể đạt được hiệu suất điều khiển tốt hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống. Đóng góp mới của nghiên cứu có thể bao gồm việc phát triển các thuật toán tuning PID mờ tiên tiến.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Thực Tế

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa bộ điều khiển mờ PID bằng cách sử dụng các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng thực tế của bộ điều khiển mờ PID trên phần cứng điều khiển như ARM, Arduino hoặc Raspberry Pi cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Máy bay trực thăng là một loại phương tiện bay có khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, bay đứng tại chỗ và bay lùi, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, cứu hộ, quân sự và công nghiệp. Theo ước tính, hệ thống điều khiển máy bay trực thăng có tính phi tuyến cao, nhiều đầu vào - đầu ra (MIMO) và chịu ảnh hưởng của các yếu tố bất định mô hình như thay đổi tham số và động học không mô hình. Trong bối cảnh đó, việc thiết kế bộ điều khiển hiệu quả cho mô hình máy bay trực thăng là một thách thức lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực thăng thông qua hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS) – một mô hình thí nghiệm đơn giản hóa nhưng phản ánh đầy đủ các đặc tính động học phức tạp của máy bay trực thăng thực tế. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học chính xác của TRMS, thiết kế bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển, đặc biệt là giảm thiểu hiện tượng xen kênh giữa các kênh điều khiển.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình TRMS được gắn trên trụ tháp, với hai rotor điều khiển bằng động cơ một chiều, mô phỏng các góc pitch và yaw của máy bay trực thăng. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian gần đây, sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng và đánh giá hiệu quả bộ điều khiển. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điều khiển tự động cho các đối tượng phi tuyến, nhiều đầu vào - đầu ra, góp phần nâng cao độ ổn định và chính xác của máy bay trực thăng trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình toán học Newton và Euler-Lagrange: Sử dụng phương pháp Newton để xây dựng các phương trình động học cho hệ TRMS, mô tả chuyển động quay của các rotor và trục quay trong mặt phẳng đứng và ngang. Phương pháp Euler-Lagrange được áp dụng để mô hình hóa năng lượng động năng và thế năng của các thành phần cơ khí, từ đó xây dựng phương trình chuyển động tổng quát, chính xác hơn và xét đến các yếu tố ảnh hưởng như hiệu ứng bề mặt và trọng lực.

• Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Là bộ điều khiển kinh điển gồm ba thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân, được sử dụng phổ biến trong điều khiển quá trình công nghiệp. Các tham số PID được thiết kế dựa trên các phương pháp như Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick, Kuhn, và thiết kế ở miền tần số nhằm tối ưu hóa đáp ứng quá độ và giảm sai số.

• Logic mờ và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID: Áp dụng lý thuyết tập mờ để xây dựng bộ điều khiển thích nghi, có khả năng điều chỉnh tham số PID trực tuyến dựa trên sai lệch và đạo hàm sai lệch. Bộ điều khiển mờ gồm các khối mờ hóa, luật hợp thành, giải mờ và chỉnh định tham số, giúp nâng cao độ ổn định và khả năng chịu bất định mô hình của hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ thống MIMO, tập mờ, hàm thuộc, luật hợp thành mờ, giải mờ, và các tham số điều khiển PID (Kp, Ki, Kd).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô hình và thông số kỹ thuật của hệ TRMS được thu thập từ thiết bị thí nghiệm thực tế và các tài liệu kỹ thuật liên quan. Các đặc tính phi tuyến của động cơ một chiều và lực đẩy cánh quạt được xác định thông qua thực nghiệm.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học phi tuyến của TRMS bằng phương pháp Newton và Euler-Lagrange. Thiết kế bộ điều khiển PID truyền thống theo các phương pháp chuẩn và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID dựa trên lý thuyết tập mờ và luật hợp thành mờ. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink để đánh giá hiệu quả điều khiển.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian khóa học thạc sĩ, bao gồm các giai đoạn: tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình toán học (khoảng 3 tháng), thiết kế bộ điều khiển (2 tháng), mô phỏng và đánh giá (2 tháng), hoàn thiện luận văn và báo cáo (1 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học TRMS chính xác và đầy đủ: Mô hình phi tuyến gồm 6 phương trình trạng thái được xây dựng dựa trên phương pháp Newton và Euler-Lagrange, xét đến các yếu tố trọng lực, ma sát, lực đẩy rotor và mô men quán tính. Các thông số vật lý như khối lượng, chiều dài, mô men quán tính được xác định cụ thể (ví dụ: khối lượng động cơ chính 0,236 kg, chiều dài thanh đối trọng 0,290 m), đảm bảo mô hình phản ánh đúng đặc tính thực tế.

2. Bộ điều khiển PID truyền thống hoạt động ổn định nhưng có hạn chế: Tham số PID được thiết kế theo phương pháp Ziegler-Nichols với Kp=70, Ki=0.5, Kd=150 cho động cơ chính và Kp=4, Ki=0 cho động cơ đuôi. Mô phỏng cho thấy hệ thống ổn định, tín hiệu đầu ra bám sát tín hiệu đặt, tuy nhiên vẫn tồn tại hiện tượng xen kênh giữa các kênh điều khiển, gây sai lệch và thời gian ổn định kéo dài.

3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cải thiện đáng kể hiệu suất: Bộ điều khiển mờ với luật hợp thành và giải mờ được thiết kế để điều chỉnh tham số PID trực tuyến dựa trên sai lệch và đạo hàm sai lệch. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ loại bỏ hiệu quả hiện tượng xen kênh, giảm sai số và rút ngắn thời gian ổn định so với bộ PID truyền thống. Ví dụ, sai lệch góc pitch và yaw giảm rõ rệt, tín hiệu đầu ra bám sát tín hiệu đặt hơn.

4. So sánh mô phỏng giữa hai bộ điều khiển: Biểu đồ mô phỏng thể hiện rõ sự vượt trội của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID so với bộ PID truyền thống về độ ổn định và độ chính xác. Thời gian ổn định giảm khoảng 20-30%, sai số bám theo tín hiệu đặt giảm đáng kể, đồng thời hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện bất định mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID là do khả năng thích nghi và điều chỉnh tham số PID trực tuyến dựa trên trạng thái thực tế của hệ thống, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố bất định và phi tuyến. So với các nghiên cứu trước đây về điều khiển PID cho hệ thống MIMO, việc kết hợp logic mờ giúp nâng cao tính ổn định và độ bền vững của hệ thống trong điều kiện thay đổi tham số.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ góc pitch và yaw theo thời gian, so sánh tín hiệu đầu ra giữa bộ PID truyền thống và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID, minh họa rõ ràng sự giảm sai số và thời gian ổn định. Bảng tổng hợp các tham số điều khiển và các chỉ số hiệu suất cũng giúp đánh giá khách quan hiệu quả của từng bộ điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID trong thực tế: Áp dụng bộ điều khiển mờ cho các hệ thống máy bay trực thăng thực tế nhằm nâng cao độ ổn định và khả năng chịu bất định mô hình. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ hàng không chịu trách nhiệm.

2. Nâng cao mô hình toán học bằng cách tích hợp các yếu tố môi trường: Mở rộng mô hình TRMS để xét đến ảnh hưởng của gió, nhiệt độ và các yếu tố môi trường khác nhằm tăng tính thực tiễn. Thời gian nghiên cứu khoảng 6-9 tháng, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về khí động học thực hiện.

3. Phát triển bộ điều khiển thông minh kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển lai giữa logic mờ và mạng nơ-ron để tự động học và thích nghi với các điều kiện thay đổi phức tạp hơn. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các trung tâm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo và điều khiển tự động đảm nhận.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư điều khiển: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển mờ và thiết kế bộ điều khiển PID cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hàng không. Thời gian triển khai liên tục, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp mô hình toán học chi tiết và phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ PID, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu về điều khiển hệ thống phi tuyến MIMO.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển máy bay trực thăng và UAV: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển thích nghi, nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điều khiển trong thực tế sản xuất và vận hành.

3. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điều khiển: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu luận văn thạc sĩ và tiến sĩ về điều khiển mờ, điều khiển PID và mô hình hóa hệ thống phi tuyến.

4. Các tổ chức và doanh nghiệp phát triển công nghệ hàng không và tự động hóa: Hỗ trợ trong việc phát triển các sản phẩm điều khiển thông minh, nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID là gì?
   Bộ điều khiển này kết hợp logic mờ với bộ điều khiển PID truyền thống, cho phép điều chỉnh tham số PID trực tuyến dựa trên sai lệch và đạo hàm sai lệch, giúp hệ thống thích nghi với các thay đổi tham số và bất định mô hình. Ví dụ, khi sai lệch tăng, bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh Kp, Ki, Kd để cải thiện đáp ứng.

2. Tại sao chọn mô hình Twin Rotor MIMO System (TRMS) để nghiên cứu?
   TRMS là mô hình thí nghiệm đơn giản hóa nhưng phản ánh đầy đủ đặc tính phi tuyến và hiện tượng xen kênh của máy bay trực thăng thực tế, thuận tiện cho việc xây dựng mô hình toán học và thiết kế bộ điều khiển. Nó giúp giảm chi phí và rủi ro trong nghiên cứu.

3. Phương pháp thiết kế PID nào được sử dụng trong luận văn?
   Phương pháp Ziegler-Nichols được áp dụng để xác định tham số ban đầu của bộ điều khiển PID, sau đó kết hợp với bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển. Đây là phương pháp phổ biến và dễ áp dụng trong công nghiệp.

4. Bộ điều khiển mờ có ưu điểm gì so với bộ PID truyền thống?
   Bộ điều khiển mờ có khả năng thích nghi với các thay đổi tham số và bất định mô hình, giảm thiểu hiện tượng xen kênh, cải thiện độ ổn định và độ chính xác của hệ thống, đặc biệt trong các hệ thống phi tuyến và nhiều đầu vào - đầu ra như TRMS.

5. Kết quả mô phỏng có thể áp dụng trong thực tế như thế nào?
   Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID có thể được triển khai trong các hệ thống điều khiển máy bay trực thăng thực tế để nâng cao hiệu suất và độ ổn định. Việc áp dụng cần kết hợp với thử nghiệm thực tế và điều chỉnh tham số phù hợp với từng hệ thống cụ thể.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học phi tuyến chính xác của hệ Twin Rotor MIMO System, phản ánh đầy đủ đặc tính động học và các yếu tố ảnh hưởng.
• Thiết kế bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho hệ TRMS, với tham số được xác định qua phương pháp Ziegler-Nichols và logic mờ.
• Mô phỏng trên Matlab Simulink cho thấy bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID vượt trội hơn bộ PID truyền thống về độ ổn định, giảm sai số và loại bỏ hiện tượng xen kênh.
• Luận văn góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển các hệ thống phi tuyến MIMO, mở hướng nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ và điều khiển thích nghi trong lĩnh vực hàng không.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo như tích hợp yếu tố môi trường, phát triển bộ điều khiển thông minh kết hợp mạng nơ-ron và đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư điều khiển.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai thử nghiệm thực tế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID trên các hệ thống máy bay trực thăng thực, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các hệ thống điều khiển phức tạp khác. Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu này nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả điều khiển trong thực tế.

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 download by : [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 download by : [e-mail] THÁI NGUYÊN, 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : [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- download by : [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- download by : [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.thang download by : [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.thang download by : [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.thang download by : [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.thang download by : [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.thang download by : [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.thang download by : skknchat@gmail.