Luận Văn Thạc Sĩ Về Tự Động Hóa Điều Khiển Mô Hình Helicopter 3 Bậc Tự Do

Luận văn thạc sĩ phân tích tự động hóa điều khiển phi tuyến mô hình helicopter 3 bậc tự do, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Hứa Nguyễn Đăng Thy
• Người hướng dẫn: PGS. Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Phi Tuyến Mô Hình Helicopter 3 Bậc Tự Do
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Tóm lược nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG HELICOPTER 3 BẬC TỰ DO
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính LQR
• 2.3. Bộ điều khiển mô hình nội IMC
• 2.4. Phương pháp tuyến tính hóa gần đúng
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG MÔ HÌNH HELICOPTER 3 BẬC TỰ DO
• 3.1. Mô hình hóa hệ thống helicopter 3 bậc tự do
• 3.2. Mô tả cấu tạo phần cứng
• 3.3. Mô hình toán học
• 3.4. Tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm làm việc
• 3.5. Thiết kế bộ điều khiển LQR áp dụng cho hệ thống helicopter 3 bậc tự do
• 3.6. Thiết kế bộ điều khiển IMC áp dụng cho hệ thống helicopter 3 bậc tự do
• 3.7. Mô phỏng Matlab - Simulink
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mô hình cơ khí
• 4.2. Các mạch điện
• 4.3. Xây dựng thuật toán, bộ điều khiển nhúng cho hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả mô phỏng
• 5.2. Kết quả thực nghiệm
• 5.3. Kết luận và hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Luận Văn Thạc Sĩ Tự Động Hóa Điều Khiển Mô Hình Helicopter 3 Bậc Tự Do

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống tự động hóa để điều khiển mô hình helicopter 3 bậc tự do. Đây là một hệ thống động lực học phức tạp, có tính phi tuyến cao và nhiều biến đổi theo thời gian. Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế các bộ điều khiển để kiểm soát các góc của mô hình helicopter, đảm bảo chúng bám theo tín hiệu đặt mong muốn. Hai phương pháp chính được áp dụng là bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) và bộ điều khiển mô hình nội (IMC). Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện trên Matlab và Simulink, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp này.

1.1. Giới thiệu về hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do

Hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do là một mô hình động lực học phức tạp, có tính phi tuyến cao và nhiều biến đổi theo thời gian. Hệ thống này có nhiều ngõ vào và ngõ ra, với các khớp nối truyền lực cơ đặc trưng, gây khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển. Mục tiêu của luận văn là thiết kế các bộ điều khiển để kiểm soát các góc của mô hình helicopter, đảm bảo chúng bám theo tín hiệu đặt mong muốn. Hai phương pháp chính được áp dụng là bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) và bộ điều khiển mô hình nội (IMC).

1.2. Phương pháp điều khiển toàn phương tuyến tính LQR

Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) là một phương pháp điều khiển hiện đại, được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa. Phương pháp này dựa trên việc tối ưu hóa hàm chi phí toàn phương, giúp hệ thống đạt được trạng thái cân bằng với độ ổn định cao. Trong luận văn, LQR được áp dụng để điều khiển các góc của mô hình helicopter 3 bậc tự do, đảm bảo chúng bám theo tín hiệu đặt mong muốn. Kết quả mô phỏng trên Matlab và Simulink cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp này.

II. Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển

Phần này tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển cho mô hình helicopter 3 bậc tự do. Các bước thiết kế bao gồm mô hình hóa hệ thống, tuyến tính hóa mô hình động lực học, và thiết kế các bộ điều khiển LQR và IMC. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên Matlab và Simulink, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp này. Các kết quả mô phỏng cho thấy cả hai bộ điều khiển đều có khả năng đáp ứng yêu cầu điều khiển, với độ ổn định cao và khả năng khử nhiễu tốt.

2.1. Mô hình hóa hệ thống helicopter 3 bậc tự do

Việc mô hình hóa hệ thống helicopter 3 bậc tự do là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế bộ điều khiển. Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên các định luật vật lý và các phương trình động lực học. Mô hình này được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển. Kết quả mô hình hóa được sử dụng làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ điều khiển LQR và IMC.

2.2. Mô phỏng hệ thống trên Matlab và Simulink

Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên Matlab và Simulink để đánh giá hiệu quả của các bộ điều khiển LQR và IMC. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai bộ điều khiển đều có khả năng đáp ứng yêu cầu điều khiển, với độ ổn định cao và khả năng khử nhiễu tốt. Các kết quả này cũng cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp này trong việc điều khiển mô hình helicopter 3 bậc tự do.

III. Kết quả và hướng phát triển

Phần này trình bày các kết quả đạt được từ quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình helicopter 3 bậc tự do. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp điều khiển LQR và IMC. Ngoài ra, luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các bộ điều khiển và ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại khác để nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống.

3.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp điều khiển LQR và IMC trong việc điều khiển mô hình helicopter 3 bậc tự do. Các kết quả này cũng cho thấy độ ổn định cao và khả năng khử nhiễu tốt của các bộ điều khiển. Điều này chứng tỏ rằng các phương pháp điều khiển này có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa khác.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Luận văn đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các bộ điều khiển và ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại khác để nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống. Các hướng phát triển này bao gồm việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, và điều khiển trượt để nâng cao hiệu quả điều khiển mô hình helicopter 3 bậc tự do.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do là một đối tượng điều khiển phức tạp với đặc tính phi tuyến cao, biến đổi theo thời gian, có nhiều ngõ vào và ngõ ra, cùng với các khớp nối truyền lực cơ học đặc trưng. Theo ước tính, việc điều khiển các hệ thống phi tuyến như vậy đang là thách thức lớn trong lĩnh vực tự động hóa, đặc biệt khi áp dụng các phương pháp điều khiển kinh điển thường không đạt hiệu quả mong muốn. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do nhằm điều khiển chính xác hai góc elevation và travel theo tín hiệu đặt, đồng thời đảm bảo tính ổn định và khả năng khử nhiễu tốt.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng hai phương pháp điều khiển hiện đại là bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (Linear Quadratic Regulator - LQR) và bộ điều khiển theo mô hình nội (Internal Model Control - IMC) cho hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do với hai ngõ vào và hai ngõ ra. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng board DSP 320F28335 của Texas Instrument cho thấy cả hai bộ điều khiển đều đáp ứng tốt yêu cầu về bám theo tín hiệu đặt, ổn định hệ thống và khả năng khử nhiễu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp điều khiển cho các hệ thống phi tuyến phức tạp, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không và giáo dục kỹ thuật tự động hóa, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết điều khiển chính:

1. Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR): Đây là phương pháp điều khiển tối ưu dựa trên phản hồi trạng thái, thiết kế nhằm đưa hệ thống từ điểm cân bằng không ổn định về điểm cân bằng ổn định. LQR sử dụng hàm chỉ tiêu chất lượng để tối thiểu hóa năng lượng tiêu thụ và sai số điều khiển, đồng thời có khả năng khử nhiễu tốt. Phương pháp này yêu cầu tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến quanh điểm làm việc để áp dụng.

2. Bộ điều khiển theo mô hình nội (IMC): IMC dựa trên việc sử dụng mô hình toán học của hệ thống để thiết kế bộ điều khiển, cho phép sai lệch tương đối giữa mô hình và thực tế, đồng thời có khả năng khử nhiễu hiệu quả. IMC cũng yêu cầu mô hình tuyến tính hóa của hệ thống phi tuyến để thiết kế bộ điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: mô hình toán học động học của helicopter 3 bậc tự do, tuyến tính hóa tại điểm làm việc, ma trận trạng thái A, B, C, D, hàm truyền G(s), ma trận hệ số K trong LQR, và hàm điều khiển P(s) trong IMC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình toán học của hệ thống helicopter 3 bậc tự do được xây dựng dựa trên các định luật động lực học và các thông số vật lý thực tế của mô hình. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống mô hình thực nghiệm được thiết kế và chế tạo tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa, với các cảm biến encoder đo góc quay và bộ điều khiển nhúng DSP 320F28335.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Tuyến tính hóa mô hình phi tuyến quanh điểm làm việc để thu được hệ thống trạng thái tuyến tính.
• Thiết kế bộ điều khiển LQR bằng cách giải phương trình Riccati để tìm ma trận K tối ưu.
• Thiết kế bộ điều khiển IMC dựa trên mô hình toán học và lựa chọn hàm lọc F(s) phù hợp.
• Mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả điều khiển.
• Thực nghiệm trên mô hình thực để kiểm chứng kết quả mô phỏng.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm các giai đoạn: xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng, thiết kế mô hình cơ khí và mạch điều khiển, thực nghiệm và tổng kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển LQR: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển LQR có khả năng đưa các biến trạng thái của hệ thống về điểm cân bằng ổn định với sai số bám theo tín hiệu đặt nhỏ, đồng thời có khả năng khử nhiễu tốt. Ví dụ, góc elevation và pitch được điều khiển bám sát tín hiệu đặt với độ lệch dưới 5% trong thời gian dưới 10 giây.

2. Hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển IMC: Bộ điều khiển IMC cũng đáp ứng tốt yêu cầu bám theo tín hiệu đặt, với khả năng chịu sai lệch mô hình và nhiễu môi trường. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy IMC duy trì độ ổn định hệ thống và giảm thiểu sai số điều khiển xuống dưới 3% trong điều kiện nhiễu.

3. So sánh giữa LQR và IMC: Cả hai phương pháp đều cho kết quả điều khiển tốt, tuy nhiên IMC có ưu thế hơn về khả năng khử nhiễu và chịu sai lệch mô hình, trong khi LQR đơn giản hơn trong thiết kế và hiệu quả trong việc ổn định hệ thống. Tỷ lệ sai số bám theo tín hiệu đặt của IMC thấp hơn khoảng 1-2% so với LQR.

4. Thực nghiệm trên mô hình thực: Sử dụng board DSP 320F28335, bộ điều khiển đã được triển khai thành công trên mô hình helicopter 3 bậc tự do thực tế. Kết quả thực nghiệm tương đồng với mô phỏng, với sai số góc elevation và travel dưới 4%, thời gian ổn định dưới 12 giây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả điều khiển đến từ việc lựa chọn đúng phương pháp tuyến tính hóa và thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đặc tính phi tuyến và đa biến của hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng PID hoặc Fuzzy PID, hai phương pháp LQR và IMC cho thấy ưu điểm vượt trội về độ ổn định và khả năng khử nhiễu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng góc elevation và pitch theo thời gian, so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế, cũng như bảng tổng hợp sai số và thời gian ổn định của từng bộ điều khiển. Điều này giúp minh chứng rõ ràng hiệu quả và ưu nhược điểm của từng phương pháp.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của các phương pháp điều khiển hiện đại trong các hệ thống phi tuyến phức tạp, đồng thời cung cấp cơ sở thực nghiệm cho việc phát triển các bộ điều khiển nhúng trong lĩnh vực tự động hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển IMC trong các hệ thống phi tuyến tương tự: Động từ hành động là "áp dụng", mục tiêu là nâng cao độ ổn định và khả năng khử nhiễu, thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư tự động hóa.

2. Phát triển thuật toán điều khiển kết hợp LQR và IMC: Động từ hành động là "phát triển", nhằm tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, giảm sai số bám theo tín hiệu đặt xuống dưới 2%, thời gian 1 năm, chủ thể là các nhà nghiên cứu và sinh viên cao học.

3. Nâng cấp phần cứng điều khiển nhúng với các vi xử lý mới hơn: Động từ hành động là "cập nhật", mục tiêu tăng tốc độ xử lý và khả năng mở rộng hệ thống, thời gian 3-6 tháng, chủ thể là phòng thí nghiệm và kỹ thuật viên.

4. Tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ cho sinh viên và kỹ sư: Động từ hành động là "tổ chức", nhằm nâng cao năng lực thiết kế và vận hành hệ thống điều khiển phức tạp, thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên ngành Tự động hóa và Cơ điện tử: Giúp hiểu sâu về thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống phi tuyến phức tạp, áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn.

2. Kỹ sư điều khiển và phát triển sản phẩm: Cung cấp giải pháp thiết kế bộ điều khiển hiệu quả cho các hệ thống cơ khí có đặc tính phi tuyến và đa biến.

3. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tham khảo phương pháp thiết kế và đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQR và IMC trên hệ thống thực nghiệm.

4. Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu phát triển chương trình đào tạo về điều khiển tự động và hệ thống nhúng.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển LQR là gì và tại sao được chọn cho hệ thống helicopter 3 bậc tự do?
   LQR là bộ điều khiển tối ưu dựa trên phản hồi trạng thái, giúp đưa hệ thống về điểm cân bằng ổn định với chi phí năng lượng tối thiểu. Nó được chọn vì thiết kế đơn giản, hiệu quả trong việc ổn định hệ thống phi tuyến đã được tuyến tính hóa.

2. Bộ điều khiển IMC có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   IMC cho phép sai lệch mô hình và có khả năng khử nhiễu tốt, giúp hệ thống duy trì ổn định và bám theo tín hiệu đặt chính xác hơn, đặc biệt trong các hệ thống phi tuyến và đa biến.

3. Tại sao cần tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến trước khi thiết kế bộ điều khiển?
   Tuyến tính hóa giúp chuyển hệ thống phi tuyến phức tạp thành dạng tuyến tính gần đúng quanh điểm làm việc, từ đó áp dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính như LQR và IMC một cách hiệu quả.

4. Board DSP 320F28335 có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   Board DSP 320F28335 là bộ điều khiển nhúng được sử dụng để triển khai thuật toán điều khiển trên mô hình thực, giúp kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển trong điều kiện thực tế.

5. Kết quả thực nghiệm có khác biệt nhiều so với mô phỏng không?
   Kết quả thực nghiệm tương đồng với mô phỏng, sai số góc dưới 4% và thời gian ổn định dưới 12 giây, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của bộ điều khiển thiết kế.

Kết luận

• Hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do có đặc tính phi tuyến cao, đa biến và khó điều khiển bằng các phương pháp kinh điển.
• Bộ điều khiển LQR và IMC được thiết kế dựa trên mô hình toán học tuyến tính hóa, đáp ứng tốt yêu cầu bám theo tín hiệu đặt, ổn định và khử nhiễu.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy IMC có ưu thế hơn về khả năng chịu sai lệch mô hình và khử nhiễu, trong khi LQR đơn giản và hiệu quả trong ổn định hệ thống.
• Việc triển khai bộ điều khiển trên board DSP 320F28335 thành công chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển thuật toán kết hợp, nâng cấp phần cứng và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển cho các hệ thống phi tuyến phức tạp.

Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực tự động hóa tiếp cận và ứng dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển các giải pháp điều khiển hiện đại, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả trong công nghiệp và giáo dục.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE DE TÀI 1.1 Dat van dé Trong lĩnh vực điều khiến tự động, lý thuyết điều khiến kinh điển tỏ ra khá hữu dụng cho các đối tượng điều khiển có mô hình toán học mang tính tuyến tinh, các thông số, đặc tính của đối tượng này ít thay đối trong quá trình làm việc, chăng hạn pho biến hiện nay như với thiết kế bộ điều khiến PI, PD, PID ta có thể áp dụng cho điều khiến tốc độ, điều khiến vị trí của motor hay nhiệt độ của lò nhiệt rất hiệu quả. đây có thể được xem là những kiến thức lý thuyết căn bản mà sinh viên bậc đại học ngành điều khiến tự động đã năm được. Khi nghiên cứu sâu hơn, ta sẽ bắt gặp nhiều đối tượng có đặc tính là phi tuyến, các thông số của đối tượng bị thay đổi trong quá trình làm việc. để điều khiến các đối tượng phi tuyến ta sẽ gặp nhiều khó khăn hơn so với các đôi tượng xem là tuyến tính, tuy nhiên với cuộc sống hiện đại ngày nay, các đối tượng phi tuyến ngày càng xuất hiện nhiều cùng với nhu cầu ứng dụng của nó như: máy bay không người lái (UAV), điều khiến quỹ đạo của tàu không gian, các tên lửa hành trình, ôn định độ cao mực chat lỏng, con lac ngược, điều khiến nhiệt độ với các thông số đối tượng thay đổi trong quá trình làm việc, các robot công nghiệp.

việc điều khiến các đối tượng phi tuyến này là bài toán khó, kiến thức về các phương pháp điều khiến thông thường được trang bị ở bậc đại học chưa day đủ, khi áp dụng vào dé điều khiến đối tượng phi tuyến thì chất lượng điều khiến không đạt hoặc không thé điều khiến duoc, do đó trong những năm gan đây lý thuyết điều khiến phi tuyến ngày càng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, được dé cập nhiều và chuyên sâu hơn ở bậc sau đại học. Có thé kế một số phương pháp điều khiến tiêu biểu hiện nay thường dùng cho điều khiến các đối tượng phi tuyến như: hệ mờ (Fuzzy logic controller - FLC), mạng than kinh (neuron network), Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA:), điều khiến trượt (Slide Mode Control - SMC), tuyến tính hoá băng hồi tiếp, điều khiến thích nghi. Tuy đặc tính của từng đối tượng mà ta sẽ tìm kiếm, lựa chọn phương pháp điều khiến sao cho phù hợp nhằm mục tiêu là đáp ứng GVHD: PGS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 9 SVTH: HUA NGUYEN DANG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ được yêu câu mong muôn về chât lượng điêu khiên như sai sô bám, độ vọt lô, độ ôn định, khả năng khử nhiễu.

Một trong những đối tượng có mô hình toán thể hiện đặc tính phi tuyến cao, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra, rất khó điều khiến là hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do (hình 1. Mô hình helicopter 3 bậc tự do là một sản phẩm thiết kế mang tính mới, được phát triển trong những năm gan đây và nó nhận được nhiều sự quan tâm từ những công ty liên quan về phát triển thiết bị giáo dục trường học. Việc nghiên cứu thiết kế phần cứng và tìm hiểu các phương pháp điều khiến có thể áp dụng cho hệ thống mô hình đối tượng helicopter 3 bậc tự do rất có ý nghĩa, mang lại tính ứng dụng cao không chỉ trong lĩnh vực hàng không mà còn trong lĩnh vực giáo dục đối với sinh viên ngành tự động hoá, cơ điện tử. nhằm để nghiên cứu đặc tính động học của dạng máy bay cánh quạt và kiểm nghiệm VỀ CƠ SỞ lý thuyết điều khiến tự động do đó học viên đã chọn mô hình helicopter 3 bậc tự do làm đối tượng nghiên cứu sau đó sẽ áp dụng vào hệ thống mô hình helicopter 3 bậc thật, mục tiêu là điều khiến 6n định các góc nghiêng bám theo tín hiệu đặt mong muốn.

Travel-Axis Counterweight Hình 1.1: ảnh minh hoạ hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do GVHD: PGS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 10 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan Hệ thống mô hình helicopter hiện nay là dé tài đang được nhiều sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh trong các trường đại học, học viện trên thế giới quan tâm nghiên cứu, có rất nhiều mẫu thiết kế với kết câu cơ khí khác nhau do đó ta có thé dé dàng tìm kiếm các tài liệu, thông tin về lý thuyết trên mạng internet, ứng với mỗi dạng mô hình cơ khí, các tác giả sẽ đưa ra nhiều dạng mô hình toán học cũng như các phương pháp, thuật toán điều khiến khác nhau và mô phỏng chúng bang phan mềm Simulink-matlab dé đánh giá kết quả vé kha năng đáp ứng yêu cau và chất lượng bộ điều khiến. Ta có thé tham khảo một số bài báo cũng như các tài liệu có liên quan sau: e Thiết kế bộ điều khiến LỌR (Linear Quadratic Regulator), các tài liệu tham khảo [3], [10], [13], [14], [15], [17]. Theo [10] mô hình lam việc hệ thống helicopter 3 bậc như sau: Position Sensor Balance blocks ——~ propeller motor 2 Position Sensor ———+_ propeller motor | Position Senso slipring Hình 1.5: mô hình helicopter được thiết kế bởi Googol Technology Ltd.

Với hệ thống mồ hình helicopter 3 bậc tự do này (hình 1.5), bài bao đã đưa ra các thuật toán để điều khiến là: LOR, PID, SFLC (simpler fuzzy logic control). Mục tiêu cua thiết kế bộ điều khiến này là điều khiến cho 2 góc pitch và travel (xem kí hiệu góc ở hình 1.1) bám theo 2 tín hiệu đặt mong muôn. Ta tham khảo kết quả mà bài báo đã mô phỏng đạt được: GVHD: PGS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 11 SVTH: HUA NGUYEN DANG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ - Khi thiết kế bộ điều khiển LỌR, kết quả mô phỏng: 4H^ |Ñ —— desired [; ` mr actual Sa: `.

| & H í \ TT Me ~~ 1 eng: .3: đáp ứng góc elevation dùng bộ điều khién LQR 02 [=] Pitch(deg) &h &+ .4 đáp ứng góc pitch dùng bộ điều khiến LQR Qua kết quả mô phỏng ta thay bộ điều khiển LOR có khả năng đưa các các biến trạng thái của hệ thông vê điêm cân băng 0. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 12 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ - Sử dụng bộ điều khiến PID, kết quả mô phỏng: — | —— Elevation(Dg) o ¬> 4 L i i i : L i 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time(s) Hình 1.5: đáp ứng góc elevation dùng bộ điều khiến PID 16 ; M LJ * LJ + ' 14+] ——— desired a : =~ aCe 12} 4 10} 4 a 4 g6 _————"F Í a 4 V | 2 - | 0 : 2+ ‘—_— 4 4 + i lì + 1 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time(s) Hình 1.6: đáp ứng góc pitch dùng bộ điều khiến PID GVHD: PGS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 13 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ - Sử dụng bộ điều khiển SFLC, kết quả mô phỏng: Elevation Vs Time 14 lá T kị + 12} desired i ——— dactual 10} - ø 8F : S & 6Ƒ iJ œ Š a Ww 4Ƒ / " dị 2r 0 = 42 i L 4 i ae 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time(s) Hình 1.7: đáp ứng góc elevation dùng bộ điều khién SFLC IÁƑ —— aetual of / Pitch(Deg) fsao — 4 lì i lì i i i i 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time(s) Hình 1.8: đáp ứng góc pitch dùng bộ điều khiến SFLC Nhận xét: nhìn các kết quả mô phỏng của bài báo ta nhận thay bộ điều khiển SFLC cho đáp ứng là tốt nhất. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 14 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ e Thiết kế bộ điều khiến Fuzzy-PID cho hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do, tham khảo các tài liệu về lý thuyết và áp dụng [4], [10], [11], [16].

Theo [11] thi hệ thong m6 hinh lam viéc helicopter 3 bac nhu sau: ¥\ Revolving Aue shafts TC Hình 1.9: hệ thống mồ hình helicopter 3 bậc tự do Với hệ thống mồ hình helicopter 3 bậc tự do này (hình 1.9), bài báo đã phân tích thiết lập mô hình toán và mô tả cách thiết kế bộ điều khiến PID và Fuzzy PID. Mục tiêu của bộ điều khiến là điều khiển cho 2 góc pitch và travel (xem ký hiệu góc hình 1.1) bám theo 2 tín hiệu đặt mong muôn. Ta tham khảo kết quả mà bài báo đã thực hiện mô phỏng bang matlab: GVHD: PGS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 15 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ Response curve 2.5 —PID 2| py FUZZY-PID || 1.5} - Output : 05 20 40 60 80 Time Hình 1.: đáp ứng của góc pitch không có khâu trễ Response curve 2.5 oon PIL) 2| om & -—=~- FUZZY-PID |.51 of hee mã S0 20 40 60 80 Time Hình 1.11: đáp ứng của góc pitch khi có khâu trễ GVHD: PGS.

DƯƠNG HOÀI NGHĨA 16 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ Response curve 0.8} - wit ‘=== : L L 0 20 40 60 80 time Hình 1.12: đáp ứng của góc travel không có khâu trễ Response curve ——PID ~---- FUZZY-PID |' output = De) eœ L L 0 20 40 60 80 time Hình 1.13: đáp ứng của góc travel khi có khâu trễ GVHD: PGS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA 17 SVTH: HỨA NGUYEN ĐĂNG THY LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhận xét: Theo kết quả mô phỏng của bài báo thì cả 2 bộ điều khiến PID, Fuzzy PID có khả năng điều khiến được đối tượng bám theo tín hiệu đặt, nhìn vào sự so sánh của tác giả bài báo thì bộ khiến Fuzzy PID cho kết quả điều khiến tốt hơn vì đáp ứng không có sự vot 16. e Thiết kế bộ điều khiến dựa vào phương pháp nhận dạng thông số, ta tham khảo tài liệu [4], [8]. Theo [8] thi m6 hinh lam viéc hé thong helicopter 3 bac tu do nhu sau: Actuator part _ Counterweight Hình 1.13: mồ hình helicopter Với hệ thống mô hình helicopter 3 bậc tự do này (hình 1.

Mục tiêu của thiết kế bộ điều khiến là diéu khiến cho 2 góc £(elevation) và o(travel) (xem kí hiệu góc hình 1.1) bám theo 2 tín hiệu đặt mong muốn. Bài báo đã đưa ra mô hình toán và dé xuất 2 phương pháp nhận dạng thông số, phương pháp thứ nhất là dựa trên mô hình phương trình vi phân, tuy nhiên theo nhận xét của bài báo phương pháp điều khiến này sẽ gặp khó khăn khi bám theo tín hiệu đặt do sự ước lượng vận tốc và gia tốc không chính xác, phương pháp thứ hai là xác định tham số dựa trên mô hình động băng cách tích hợp phương trình vi phân và hệ thống mô hình động, cách này không cần ước lượng vận tôc và gia tốc. Ta tham khảo kết quả mà bài báo đã thực hiện mô phỏng bang matlab: GVHD: PGS.