## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống công nghiệp và kỹ thuật. Theo ước tính, hơn 90% các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) do tính đơn giản và hiệu quả của nó. Tuy nhiên, các bộ điều khiển PID truyền thống thường chưa tối ưu và kém bền vững khi tham số hệ thống thay đổi trong quá trình vận hành, đặc biệt với các hệ thống phi tuyến và nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO).

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 thống Twin Rotor MIMO System (TRMS) - một mô hình thí nghiệm mô phỏng máy bay trực thăng với đặc tính phi tuyến và hiện tượng xen kênh rõ rệt giữa các rotor. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học chính xác của TRMS, thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi để chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển, đồng thời mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình TRMS được gắn trên trụ tháp tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, trong năm 2016. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định, độ chính xác và khả năng thích nghi của bộ điều khiển trong điều kiện bất định mô hình và tham số thay đổi, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong các hệ thống điều khiển phi tuyến phức tạp.

---

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết điều khiển PID:** Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), được sử dụng phổ biến trong điều khiển các hệ thống SISO. Ưu điểm của PID là khả năng triệt tiêu sai số tĩnh và đáp ứng nhanh, tuy nhiên việc hiệu chỉnh tham số PID tối ưu là thách thức lớn.

- **Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control - FLC):** Điều khiển mờ thích hợp với các hệ thống có tham số không chính xác hoặc thay đổi, cho phép điều chỉnh tham số PID một cách thích nghi dựa trên các luật mờ và tập mờ.

- **Mô hình toán học TRMS:** Mô hình Twin Rotor MIMO System được xây dựng dựa trên phương pháp Newton và Euler-Lagrange, mô tả động học phi tuyến của hệ thống với các biến trạng thái gồm góc quay, vận tốc góc của rotor chính và rotor phụ, cùng các mômen lực tác động.

- **Khái niệm chuyên ngành:** Hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output), mô hình phi tuyến, hiện tượng xen kênh (cross-coupling), mô hình toán học danh định, bất định mô hình, điều khiển thích nghi.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Dữ liệu thu thập từ mô hình thí nghiệm TRMS tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, bao gồm các thông số vật lý, điện áp điều khiển, góc quay và vận tốc góc của rotor.

- **Phương pháp phân tích:** Xây dựng mô hình toán học phi tuyến của TRMS theo phương pháp Newton và Euler-Lagrange; thiết kế bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID; mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink để đánh giá hiệu suất.

- **Timeline nghiên cứu:** Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán học (3 tháng); thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển PID và mờ (4 tháng); mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống (2 tháng); tổng hợp kết quả và hoàn thiện luận văn (1 tháng).

---

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Mô hình toán học TRMS:** Đã xây dựng thành công mô hình phi tuyến gồm 6 phương trình vi phân mô tả động học hệ thống, trong đó các tham số vật lý như khối lượng rotor chính 0,236 kg, rotor phụ 0,221 kg, chiều dài thanh đối trọng 0,290 m được xác định chính xác.

- **Hiệu quả bộ điều khiển PID truyền thống:** Bộ điều khiển PID với tham số hiệu chỉnh theo phương pháp Ziegler-Nichols cho phép hệ thống ổn định nhưng có độ quá điều chỉnh lớn, sai số dao động khoảng 20%, thời gian đáp ứng chưa tối ưu.

- **Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID:** Áp dụng điều khiển mờ để chỉnh định tham số PID giúp giảm sai số dao động xuống dưới 10%, thời gian đáp ứng giảm khoảng 30% so với PID truyền thống, đồng thời tăng khả năng thích nghi với biến đổi tham số hệ thống.

- **So sánh mô phỏng:** Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID vượt trội hơn về độ ổn định và chính xác so với bộ PID thông thường, đặc biệt trong điều kiện bất định mô hình và hiện tượng xen kênh giữa các rotor.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện hiệu suất điều khiển là do bộ điều khiển mờ có khả năng điều chỉnh tham số PID trực tuyến dựa trên các luật mờ, giúp thích nghi với sự thay đổi tham số và phi tuyến của hệ thống TRMS. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng PID truyền thống, việc kết hợp điều khiển mờ đã nâng cao đáng kể chất lượng điều khiển, giảm sai số và tăng tính ổn định.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh góc pitch và yaw của hệ thống dưới tác động của hai bộ điều khiển, thể hiện rõ sự giảm dao động và thời gian đáp ứng nhanh hơn của bộ điều khiển mờ. Bảng số liệu so sánh các chỉ tiêu như sai số ổn định, thời gian đáp ứng và độ quá điều chỉnh cũng minh họa hiệu quả vượt trội.

---

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID trong các hệ thống điều khiển phi tuyến MIMO:** Động viên các đơn vị nghiên cứu và sản xuất áp dụng để nâng cao hiệu quả điều khiển, đặc biệt trong các hệ thống máy bay trực thăng và robot công nghiệp.

- **Phát triển phần mềm mô phỏng và hiệu chỉnh tham số điều khiển:** Hỗ trợ kỹ thuật viên và nhà nghiên cứu trong việc thiết kế và tinh chỉnh bộ điều khiển phù hợp với từng hệ thống cụ thể, đảm bảo độ chính xác và ổn định.

- **Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư điều khiển:** Tổ chức các khóa học về điều khiển mờ và PID nâng cao, giúp nhân lực có thể vận dụng hiệu quả các thuật toán điều khiển hiện đại.

- **Nghiên cứu mở rộng ứng dụng điều khiển mờ cho các hệ thống phức tạp khác:** Khuyến khích nghiên cứu áp dụng trong các lĩnh vực như tự động hóa nhà máy, phương tiện bay không người lái, và các hệ thống điều khiển đa biến khác.

---

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa:** Học tập mô hình toán học và phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho hệ thống phi tuyến MIMO.

- **Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực điều khiển tự động:** Áp dụng kiến thức và phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho các hệ thống thực tế có tham số thay đổi.

- **Giảng viên và nhà nghiên cứu:** Tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu mới về điều khiển mờ và điều khiển thích nghi trong các hệ thống phức tạp.

- **Doanh nghiệp sản xuất và phát triển thiết bị điều khiển:** Ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và độ ổn định của các thiết bị điều khiển công nghiệp.

---

## Câu hỏi thường gặp

1. **Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID là gì?**  
Là bộ điều khiển kết hợp thuật toán PID với kỹ thuật điều khiển mờ để tự động điều chỉnh tham số PID theo điều kiện vận hành, giúp hệ thống thích nghi tốt hơn với biến đổi và phi tuyến.

2. **Tại sao cần thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống TRMS?**  
TRMS là hệ thống phi tuyến, nhiều đầu vào - nhiều đầu ra với hiện tượng xen kênh phức tạp, do đó bộ điều khiển truyền thống khó đạt hiệu quả cao, cần bộ điều khiển thích nghi để đảm bảo ổn định và chính xác.

3. **Phương pháp nào được sử dụng để hiệu chỉnh tham số PID trong luận văn?**  
Luận văn sử dụng các phương pháp cổ điển như Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick kết hợp với điều khiển mờ để chỉnh định tham số PID một cách thích nghi.

4. **Hiệu quả của bộ điều khiển mờ so với PID truyền thống như thế nào?**  
Bộ điều khiển mờ giảm sai số dao động xuống dưới 10%, thời gian đáp ứng giảm khoảng 30%, đồng thời tăng khả năng thích nghi với biến đổi tham số so với PID truyền thống.

5. **Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?**  
Nghiên cứu có thể ứng dụng trong điều khiển máy bay trực thăng, robot công nghiệp, các hệ thống điều khiển phi tuyến phức tạp khác, giúp nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành.

---

## Kết luận

- Đã xây dựng thành công mô hình toán học phi tuyến chính xác của hệ thống TRMS dựa trên phương pháp Newton và Euler-Lagrange.  
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID giúp cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển so với bộ PID truyền thống.  
- Mô phỏng kết quả cho thấy giảm sai số dao động dưới 10% và rút ngắn thời gian đáp ứng khoảng 30%.  
- Nghiên cứu góp phần nâng cao khả năng điều khiển các hệ thống phi tuyến MIMO với tham số thay đổi và hiện tượng xen kênh.  
- Đề xuất mở rộng ứng dụng và đào tạo chuyên sâu để phát triển công nghệ điều khiển mờ trong các lĩnh vực kỹ thuật hiện đại.

**Hành động tiếp theo:** Áp dụng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID trong các hệ thống thực tế, đồng thời phát triển nghiên cứu mở rộng về điều khiển thích nghi và điều khiển mờ cho các hệ thống phức tạp hơn.