Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor MIMO trong không gian biến khớp", chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (mã số 9520216), được nghiên cứu sinh Đinh Văn Nghiệp thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Như Hiển và GS.TS Nguyễn Doãn Phước (bảo vệ năm 2018).

  • Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Thiết bị Twin Rotor MIMO System (TRMS) do hãng Feedback Instruments Ltd chế tạo từ năm 1998 là một đối tượng thực nghiệm điển hình cho hệ chuyển động nhiều đầu vào – nhiều đầu ra (MIMO). Hệ thống này có đặc tính phi tuyến bậc cao, tham số bất định, chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu khí động học và tương tác xen kênh phức tạp giữa hai trục chuyển động. Mặc dù nhà sản xuất đã tích hợp sẵn bộ điều khiển PID kinh điển, chất lượng đáp ứng đầu ra vẫn tồn tại sai lệch tĩnh và thời gian quá độ lớn. Mặt khác, các nghiên cứu trước đây đa phần dựa trên mô hình toán đơn giản hóa dạng Newton (bỏ qua chiều dài chốt quay, hiệu ứng bề mặt và động học động cơ truyền động), hoặc sử dụng các thuật toán điều khiển tối ưu, dự báo áp dụng trên mô hình tuyến tính hóa/mô hình rời rạc phải dùng bộ quan sát trạng thái phức tạp, làm suy giảm khả năng thực thi thời gian thực. Do đó, yêu cầu xây dựng một mô hình toán học phản ánh chính xác hơn động lực học của hệ và thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến bền vững bám quỹ đạo thời gian thực là vấn đề cấp thiết.
  • Mục tiêu nghiên cứu:
    1. Mục tiêu 1: Xây dựng mô hình động học phi tuyến của TRMS có độ chính xác cao, xét đến các yếu tố vật lý thực tế như chiều dài chốt quay và hiệu ứng bề mặt để làm cơ sở cho thiết kế điều khiển.
    2. Mục tiêu 2: Thiết kế thuật toán điều khiển RHC (Receding Horizon Control) kết hợp với LQR (Linear Quadratic Regulator) cho hệ phi tuyến liên tục có nhiễu và sai lệch mô hình. Kiểm chứng chất lượng điều khiển bằng lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm thời gian thực trên thiết bị TRMS.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị Twin Rotor MIMO System (TRMS 33-220), hệ thống gồm hai cánh quạt vuông góc gắn trên thanh ngang chuyển động trong hai mặt phẳng.
    • Phạm vi không gian và biến trạng thái: Luận án khảo sát chuyển động góc trong mặt phẳng đứng (góc pitch $\alpha_v \in [-1{,}22; 1{,}22]\text{ rad}$) do cánh quạt chính truyền động và chuyển động góc trong mặt phẳng ngang (góc yaw $\alpha_h \in [-2{,}82; 2{,}82]\text{ rad}$) do cánh quạt đuôi truyền động. Nghiên cứu thực hiện trong không gian biến khớp 4 bậc tự do gồm vị trí góc thanh ngang và góc quay của các cánh quạt.
    • Phạm vi thời gian và thực nghiệm: Dữ liệu và thực nghiệm được tiến hành trên hệ thống phần cứng TRMS kết nối với card dSPACE DS1103 tại phòng thí nghiệm chuyên ngành, hoàn thành năm 2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án phân tích chi tiết các xu hướng nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển TRMS trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Các hướng nghiên cứu mô hình hóa:
    • Feedback Instruments Ltd (1998): Xây dựng mô hình toán dựa trên định luật 2 Newton gồm hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động hai góc, nhưng bỏ qua chiều dài chốt quay và hiệu ứng bề mặt, giả định ma sát trơn.
    • Akabar Rahideh (2007): Khảo sát mô hình hộp trắng (Newton, Euler-Lagrange), mô hình hộp đen (mạng nơ-ron) và hộp xám; đánh giá mô hình Euler-Lagrange chính xác hơn mô hình Newton nhưng chưa xét đến động học của động cơ một chiều truyền động cánh quạt.
    • Wen-Hua Chen và cộng sự (2001): Xây dựng mô hình bằng phương pháp Euler-Lagrange với 4 phương trình trạng thái nhưng không đánh giá độ chính xác và tồn tại sai lệch tham số so với công bố của nhà sản xuất.
  • Các hướng nghiên cứu điều khiển kinh điển và tối ưu:
    • Điều khiển PID và biến thể: Chỉnh định thông số PID bằng thuật toán di truyền (GA) và mạng nơ-ron ([5], [19], [23], [27], [28], [31], [48]); kết hợp logic mờ với PID ([7], [8]); điều khiển mờ trượt dựa trên PID (Huang); tối ưu hóa bầy đàn PSO-PID (Pramit Biswas và cộng sự [39]); PID tích hợp khâu lọc vi phân (Sumit Kumar Pandey và Vijaya Laxmi [44]); chỉnh định tham số PID qua hàm sigmoid liên tục (Abdullah Ates và cộng sự [9]); thiết kế PID bền vững theo định lý ổn định Kharitonov ([46]). Các phương pháp này nhìn chung thời gian quá độ còn dài hoặc chỉ dừng ở mức mô phỏng.
    • Điều khiển tối ưu LQR/LQG và $H_\infty$: Tuyến tính hóa hệ thống để áp dụng LQR dẫn đến chất lượng đáp ứng kém (Bhanu Pratap [46]); kết hợp LQR với thành phần tích phân giảm sai lệch tĩnh nhưng thời gian quá độ còn lớn (Andrew Phillips và Ferat Sahin [10]); áp dụng LQG kèm bộ lọc Kalman khử dao động cao tần (Ahmed [14], [45]); tối ưu ma trận trọng số LQG bằng thuật toán vi khuẩn tìm kiếm thức ăn BF (Agrawal [11]); điều khiển bền vững $H_\infty$ trên mô hình tuyến tính hóa ([30]).
    • Điều khiển dự báo (MPC): Áp dụng Newton MPC phản hồi trạng thái rời rạc kết hợp bộ quan sát (Akabar Rahideh [42]); MPC trên mô hình tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng ([32]).
    • Điều khiển trượt (SMC): Tách TRMS thành hai hệ con coi thành phần xen kênh là bất định, dẫn đến thời gian quá độ thực nghiệm lớn: 20 giây ở mặt đứng và 17 giây ở mặt ngang ([18]); thiết kế mặt trượt phi tuyến ([43]); điều khiển trượt không dùng bộ quan sát ([33]); tối ưu hóa mặt trượt ([34]).
    • Điều khiển áp đặt mô men (AFC) và mô hình ngược: Kết hợp PID với sách lược Active Force Control dùng mạng nơ-ron và logic mờ ước lượng ma trận quán tính ([35]); bù điện áp thông qua mô hình ngược động cơ một chiều ([35]); điều khiển thích nghi mô hình ngược một kênh mặt đứng sử dụng bộ điều chỉnh PD và mạng nơ-ron ([12]).
    • Nghiên cứu tại Việt Nam: Ứng dụng điều khiển dự báo tối ưu cho hệ song tuyến với cửa sổ dự báo vô hạn trên mô hình Newton ([2]); thiết kế bộ điều khiển thích nghi ISS dựa trên mô hình Euler-Lagrange kết hợp 2 mạch vòng PID tốc độ nhưng chưa bù động học cơ cấu chấp hành, dẫn đến đáp ứng thực nghiệm vẫn còn sai lệch tĩnh ([16]).
  • Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Khắc phục sự thiếu hụt về động học cơ cấu chấp hành và các yếu tố hình học thực tế (chiều dài chốt quay, hiệu ứng bề mặt cánh quạt) trong mô hình toán; giải quyết hạn chế của các bộ điều khiển MPC/LQR truyền thống (vốn đòi hỏi tuyến tính hóa hoặc mô hình rời rạc dùng bộ quan sát); phát triển thuật toán RHC kết hợp LQR cho hệ phi tuyến liên tục có khả năng kháng nhiễu, chạy thời gian thực và tích hợp mạch vòng mô men dòng điện để bù trực tiếp động học cơ cấu chấp hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

  • Khung lý thuyết và khái niệm áp dụng:
    • Cơ học giải tích Euler-Lagrange: Thiết lập phương trình chuyển động của hệ nhiều vật rắn liên kết trong không gian biến khớp $q = [\alpha_v, \alpha_h, \alpha_m, \alpha_t]^T$, dựa trên hàm Lagrange $L = K - V$ (trong đó $K$ là tổng động năng, $V$ là tổng thế năng).
    • Nguyên lý điều khiển đường chân trời lùi (Receding Horizon Control - RHC): Giải bài toán tối ưu hóa trạng thái tại mỗi bước thời gian trên cửa sổ trượt liên tục để tìm tín hiệu điều khiển tối ưu.
    • Bộ điều chỉnh cầu phương tuyến tính (Linear Quadratic Regulator - LQR): Tích hợp vào quy luật điều khiển nhằm bảo đảm tính ổn định, tối ưu hóa hàm mục tiêu năng lượng và sai lệch trạng thái, thông qua việc giải phương trình vi phân Riccati ma trận biến đổi theo thời gian.
    • Cấu trúc mạch vòng kín mô men (Torque Loop): Khai thác đặc tính cơ - điện của động cơ DC một chiều kích từ vĩnh cửu, sử dụng quan hệ giữa dòng điện phần ứng và mô men điện từ để bù trễ động học cơ cấu chấp hành.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp giải tích và mô hình hóa: Xác định tọa độ hình học, ma trận biến đổi quay $R_x(\alpha_v)$, $R_z(\alpha_h)$, tính toán vận tốc và bình phương vận tốc các khối tâm $P_1, P_2, P_3$; tổng hợp mô men khí động học, mô men ma sát nhớt, ma sát trượt Coulomb tại các trục quay ($B_v, F_v, B_h, F_h$), mô men hiệu ứng con quay vi sai (Gyroscope) và hệ số hiệu ứng bề mặt $\kappa$.
    • Phương pháp mô phỏng số: Cài đặt mô hình động học phi tuyến trên môi trường MATLAB/Simulink thông qua khối S-Function để đánh giá sai lệch quỹ đạo với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy $1(t)$ và hàm sin.
    • Phương pháp thực nghiệm thời gian thực: Lập trình giải phương trình Riccati trực tiếp trên vi xử lý điều khiển dSPACE DS1103 với phần mềm ControlDesk; thu thập dữ liệu phản hồi góc từ encoder hai kênh A/B và dòng điện phần ứng động cơ qua mạch cảm biến chuyên dụng.
  • Nguồn tư liệu và dữ liệu:
    • Thông số kỹ thuật chuẩn của mô hình TRMS 33-220 do hãng Feedback Instruments Ltd cung cấp.
    • Dữ liệu đo góc quay thanh ngang từ hai cảm biến quang góc (encoder xung TTL).
    • Tín hiệu vận tốc góc cánh quạt thu từ hai máy phát tốc DC tích hợp trên trục động cơ.
    • Tín hiệu dòng điện phần ứng đo từ mô-đun cảm biến dòng có độ nhạy cao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều khiển Twin Rotor MIMO System (TRMS)

Chương 1 trình bày khái quát cấu tạo cơ học và nguyên lý vận hành của hệ thống TRMS do hãng Feedback Instruments chế tạo. Cánh quạt chính tạo lực nâng điều khiển góc $\alpha_v$, cánh quạt đuôi tạo lực đẩy điều khiển góc $\alpha_h$. Tác giả so sánh nguyên lý khí động học giữa TRMS và máy bay trực thăng:

Đặc điểm TRMS Máy bay trực thăng
Vị trí điểm quay Nằm giữa hai cánh quạt (trục chốt quay) Tại đỉnh trục cánh quạt chính
Điều chỉnh lực nâng Điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt chính Điều chỉnh góc tới của cánh gió, tốc độ quay không đổi
Điều chỉnh góc ngang Điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt đuôi Điều chỉnh góc tới của cánh cánh quạt đuôi
Khả năng bay tự do Không có (chuyển động quay tại chỗ) Có khả năng bay lượn trong không gian 3 chiều

Chương này phân tích bản chất của hiện tượng xen kênh: chuyển động quay của mỗi cánh quạt tạo ra mô men động lượng, sự thay đổi tốc độ quay gây ra phản lực bù trừ theo định luật bảo toàn mô men động lượng, tác động trực tiếp đến vận tốc góc của trục còn lại. Tác giả tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu sử dụng PID, SMC, LQR, LQG, MPC, điều khiển mờ, mạng nơ-ron và khẳng định sự cần thiết phải kết hợp RHC với LQR trên nền tảng mô hình giải tích chính xác.

Chương 2: Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS

Chương 2 thiết lập mô hình động lực học hoàn chỉnh cho TRMS bằng phương pháp Euler-Lagrange trên cơ sở 5 giả thiết kỹ thuật: bảo toàn năng lượng toàn phần, vật liệu đồng nhất, liên kết cứng, các bộ phận xem như chất điểm và chỉ quan tâm động học động cơ DC truyền động.

Hệ trục tọa độ quy chiếu $xyz$ gắn tại gốc $O_1$ trên thanh ngang; vị trí các khối tâm thanh ngang $P_1$, thanh đối trọng $P_2$, chốt quay $P_3$ được xác định qua ma trận quay $R_r = R_x(\alpha_v)R_z(\alpha_h)$. Động năng ($K_1 \dots K_5$) và thế năng ($V_1 \dots V_3$) của thanh ngang, thanh đối trọng, chốt quay và hai cánh quạt được tích phân giải tích. Hàm Lagrange được viết dưới dạng:

$$L(\alpha_v, \alpha_h, \dot{\alpha}v, \dot{\alpha}h, \Omega_m, \Omega_t) = \sum{i=1}^5 K_i - \sum{j=1}^3 V_j$$

Phương trình vi phân Lagrange suy rộng dẫn đến phương trình ma trận biểu diễn trong không gian biến khớp $q = [\alpha_v, \alpha_h, \alpha_m, \alpha_t]^T$:

$$M(\alpha_v)\ddot{q} + C(\alpha_v, \alpha_h, \dot{\alpha}_v, \dot{\alpha}h, \Omega_m, \Omega_t)\dot{q} + G(\alpha_v) = M{ext}$$

Trong đó ma trận quán tính $M(\alpha_v) \in \mathbb{R}^{4 \times 4}$, véc-tơ lực Coriolis và ly tâm $C$, véc-tơ trọng trường $G(\alpha_v)$, và véc-tơ mô men ngoại lực $M_{ext} = [M_v, M_h, M_m, M_t]^T$. Mô men ngoại lực xét đến hệ số hiệu ứng bề mặt:

$$\kappa = \frac{1}{1 - \left(\frac{r_{mr}}{4(H - l_m \sin \alpha_v)}\right)^2}$$

Thành phần mô men xen kênh con quay vi sai là $\text{sign}(\Omega_m)k_g l_m k_{fvm}\Omega_m^2 \dot{\alpha}h \cos \alpha_v$, ma sát chốt quay ($B_v, F_v, B_h, F_h$), và lực cản cáp điện $C_c(\alpha_h - \alpha{h0})$.

Đánh giá định lượng chất lượng mô hình thông qua mô phỏng MATLAB/Simulink và kiểm chứng trên đối tượng thực cho thấy:

Dạng tín hiệu đặt Góc kiểm tra Sai lệch mô hình nhà sản xuất so với thực tế Sai lệch mô hình luận án so với thực tế
Tín hiệu bước nhảy $1(t)$ Góc đứng $\alpha_v$ $0{,}1\text{ rad}$ $0{,}1\text{ rad}$
Tín hiệu bước nhảy $1(t)$ Góc ngang $\alpha_h$ $0{,}9\text{ rad}$ $0{,}2\text{ rad}$
Tín hiệu điều hòa sin Góc ngang $\alpha_h$ Lệch pha hoàn toàn, phân kỳ Bám sát quỹ đạo thực nghiệm

Kết quả chứng minh mô hình đề xuất giảm sai lệch góc ngang từ $0{,}9\text{ rad}$ xuống còn $0{,}2\text{ rad}$.

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bám vị trí đặt cho TRMS

Chương 3 đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi phi tuyến RHC kết hợp LQR cho hệ phương trình trạng thái thời gian liên tục:

$$\dot{x} = f(x, u) + \delta, \quad y = g(x) + \theta$$

Với $x \in \mathbb{R}^n$ là véc-tơ trạng thái, $u \in \mathbb{R}^m$ là véc-tơ tín hiệu điều khiển đầu vào, $\delta$ và $\theta$ đại diện cho thành phần bất định mô hình và nhiễu ngoài.

Quy luật điều khiển RHC giải bài toán tối ưu trên cửa sổ trượt liên tục để tìm chuỗi điều khiển tương lai, kết hợp với phản hồi LQR để ổn định động học sai số quanh quỹ đạo đặt. Thuật toán bù sai số bám ở bước trước vào giá trị đặt của bước hiện tại. Luận án phân tích cấu trúc điều khiển khi thay đổi các ma trận trọng số phạt $Q$ và $R$, chứng minh rằng việc hiệu chỉnh thích nghi các ma trận trọng số này cho phép triệt tiêu dao động biên độ lớn và bảo đảm tính bền vững khi hệ thống chịu nhiễu tác động.

Chương 4: Kết quả thí nghiệm

Chương 4 kiểm chứng thuật toán điều khiển đề xuất trên hệ thống thực nghiệm phần cứng TRMS kết nối máy tính qua card dSPACE DS1103.

  • Cấu hình phần cứng và phần mềm:
    • Card dSPACE DS1103 giao tiếp thông qua thư viện RTI1103_Simulink và RTI1103_Master PowerPC.
    • Phần mềm ControlDesk quản lý giao diện giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu thời gian thực.
    • Hai encoder quang đo góc $\alpha_v, \alpha_h$; hai máy phát tốc đo vận tốc cánh quạt; cảm biến dòng đo dòng phần ứng $i_{am}, i_{at}$.
    • Hệ thống tạo nhiễu chủ động: sử dụng quạt gió ngoài có mô-đun công suất điều chỉnh để thổi luồng khí động học nhiễu loạn tác động trực tiếp vào cánh quạt TRMS.
  • Giải thuật thời gian thực:
    • Luận án cài đặt và lập trình thành công thuật toán giải phương trình vi phân Riccati trực tiếp trong thời gian thực trên chip PowerPC của card DS1103.
    • Bổ sung mạch vòng điều chỉnh dòng điện/mô men cho động cơ truyền động, chuyển đổi lệnh điều khiển thành điện áp điều khiển phần ứng, giúp loại trừ hằng số thời gian trễ của động cơ ($T_{mr}, T_{tr}$).
  • Kết quả đáp ứng thực nghiệm:
    • Tín hiệu sin - sin đồng thời hai kênh: Hệ thống bám chính xác quỹ đạo góc với sai lệch biên độ nhỏ, khắc phục triệt để hiện tượng trễ pha do tác động xen kênh.
    • Tín hiệu sin kênh đứng - hằng số kênh ngang: Góc ngang duy trì ổn định không bị trôi dạt khi góc đứng dao động liên tục.
    • Tín hiệu bước nhảy (step): Triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh, thời gian xác lập nhanh hơn rõ rệt so với bộ điều khiển PID truyền thống có sẵn trên thiết bị.
    • Thực nghiệm dưới tác động của nhiễu khí động: Khi bật quạt tạo nhiễu, bộ điều khiển RHC kết hợp LQR vẫn giữ vững góc đặt và nhanh chóng dập tắt dao động do nhiễu luồng khí gây ra.

Kết quả và những đóng góp mới

  • Đóng góp mới về lý luận:
    1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán động lực học phi tuyến cho hệ TRMS trong không gian biến khớp bằng phương pháp Euler-Lagrange. Mô hình phản ánh trung thực hơn đối tượng thực tế nhờ bổ sung chiều dài chốt quay, mô men quán tính chi tiết của vành bảo vệ, đối trọng, dây dẫn, lực ma sát Coulomb/nhớt và hệ số hiệu ứng bề mặt.
    2. Bổ sung cấu trúc điều khiển bền vững mới cho hệ phi tuyến liên tục thông qua sự kết hợp giữa điều khiển đường chân trời lùi RHC và bộ điều chỉnh tối ưu LQR. Thiết lập thuật toán giải phương trình ma trận Riccati thời gian thực không cần rời rạc hóa tuyến tính.
  • Đóng góp mới về thực tiễn:
    1. Cài đặt thành công thuật toán điều khiển RHC kết hợp LQR trên phần cứng dSPACE DS1103, vận hành thời gian thực trên hệ thống thực nghiệm TRMS 33-220.
    2. Thiết kế và bổ sung mạch vòng điều khiển mô men dựa trên cảm biến dòng điện phần ứng có độ nhạy cao, giải quyết triệt để vấn đề bù trễ động học của cơ cấu chấp hành động cơ DC.
  • Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
    • Đề xuất ứng dụng cấu trúc RHC kết hợp LQR và giải pháp mạch vòng mô men dòng điện cho các hệ thống chuyển động khí động học phi tuyến khác như thiết bị bay không người lái (UAV), máy bay trực thăng mô hình hoặc tay máy robot nhiều bậc tự do.
    • Khuyến nghị khai thác cấu hình phần cứng card dSPACE DS1103 cùng phần mềm ControlDesk trong nghiên cứu và đào tạo thực hành điều khiển nâng cao tại các cơ sở giáo dục đại học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của luận án:
    • Mô hình toán học vẫn phải dựa trên một số giả thiết đơn giản hóa: xem các thành phần cơ khí là vật rắn tuyệt đối, bỏ qua biến dạng đàn hồi của trục và thanh ngang, coi các bộ phận tập trung thành chất điểm đồng nhất.
    • Hệ thống thí nghiệm chỉ thực hiện trong phạm vi góc quay giới hạn của giá đỡ TRMS đặt trên bàn thí nghiệm (2 bậc tự do chuyển động quay), chưa mở rộng ra không gian 6 bậc tự do bay tự do.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu nhận dạng trực tuyến các tham số khí động học biến đổi theo thời gian và nhiệt độ làm việc của động cơ.
    • Mở rộng thuật toán điều khiển thích nghi bền vững cho các đối tượng bay tự do trong không gian 3 chiều có xét đến tác động của gió giật ngẫu nhiên cường độ mạnh.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học: Tham khảo phương pháp luận thiết lập mô hình Euler-Lagrange cho cơ cấu nhiều vật và kỹ thuật giải phương trình Riccati thời gian thực.
    • Giảng viên chuyên ngành Tự động hóa: Sử dụng tài liệu để biên soạn bài giảng về điều khiển tối ưu, điều khiển dự báo MPC và thực hành phần cứng trên dSPACE DS1103.
    • Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển bay: Ứng dụng giải pháp mạch vòng dòng điện bù trễ động học cơ cấu chấp hành và cấu trúc RHC-LQR trong thiết kế hệ thống lái tự động cho UAV nhiều cánh quạt.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
    • Quy trình toán học biến đổi tọa độ và thiết lập phương trình vi phân Euler-Lagrange trong Chương 2 (các công thức từ 2.7 đến 2.15).
    • Thuật toán phối hợp RHC với LQR trên mô hình thời gian liên tục trong Chương 3.
    • Sơ đồ ghép nối phần cứng cảm biến dòng điện, cấu hình khối giao tiếp RTI1103 trên MATLAB/Simulink và giao diện ControlDesk trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt mấu chốt giữa mô hình toán của tác giả và mô hình do nhà sản xuất cung cấp là gì?
Mô hình của nhà sản xuất (Feedback Instruments Ltd) sử dụng định luật Newton 2, bỏ qua chiều dài chốt quay ($h$), không xét đến hiệu ứng bề mặt $\kappa$ và xem ma sát là trơn. Mô hình Euler-Lagrange của tác giả biểu diễn trong không gian biến khớp 4 bậc tự do, xét đầy đủ chiều dài chốt quay, mô men quán tính của đối trọng, thanh ngang, vành bảo vệ cánh quạt, hiệu ứng con quay vi sai xen kênh, lực cản đàn hồi của dây dẫn và hệ số hiệu ứng bề mặt theo độ cao thanh ngang.

2. Độ chính xác của mô hình mới được chứng minh bằng số liệu cụ thể nào?
Trong thử nghiệm đáp ứng với tín hiệu đặt bước nhảy $1(t)$, sai lệch vị trí góc ngang $\alpha_h$ giữa đối tượng thực và mô hình của nhà sản xuất lên tới $0{,}9\text{ rad}$, trong khi sai lệch đối với mô hình của tác giả giảm xuống chỉ còn $0{,}2\text{ rad}$. Ở góc đứng $\alpha_v$, cả hai mô hình đều có mức sai lệch là $0{,}1\text{ rad}$. Khi đặt tín hiệu sin, mô hình nhà sản xuất bị lệch pha hoàn toàn và phân kỳ, còn mô hình đề xuất bám sát quỹ đạo thực tế.

3. Tại sao tác giả phải bổ sung mạch vòng điều khiển mô men trong cấu trúc thực nghiệm?
Ở hệ thống TRMS nguyên bản, tín hiệu điều khiển là điện áp đặt trực tiếp vào bộ khuếch đại công suất động cơ DC, dẫn đến độ trễ do hằng số thời gian điện - cơ của động cơ ($T_{mr}, T_{tr}$). Bổ sung mạch vòng mô men (thông qua đo dòng điện phần ứng bằng cảm biến chuyên dụng) giúp triệt tiêu quán tính điện từ của động cơ, biến động cơ thành cơ cấu chấp hành tạo mô men trực tiếp, từ đó nâng cao tốc độ đáp ứng và độ chính xác bám quỹ đạo.

4. Thiết bị và công cụ phần cứng nào được sử dụng để kiểm chứng thời gian thực?
Hệ thống sử dụng bộ thí nghiệm TRMS 33-220 kết nối với máy tính qua card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1103. Phần mềm điều khiển gồm MATLAB/Simulink (khối thư viện RTI1103_Simulink, RTI1103_Master PowerPC) và phần mềm điều khiển giám sát dSPACE ControlDesk. Tín hiệu đo gồm 2 cảm biến quang (encoder), 2 máy phát tốc DC và mô-đun cảm biến đo dòng điện phần ứng động cơ.

5. Luận án tạo nhiễu thực nghiệm bằng cách nào để đánh giá tính bền vững của bộ điều khiển?
Tác giả lắp đặt thêm một quạt gió tạo luồng khí động học thổi trực tiếp vào hệ thống TRMS trong quá trình vận hành. Tốc độ và cường độ luồng gió nhiễu được điều khiển thông qua một mô-đun công suất và mô-đun nguồn riêng biệt nhằm kiểm tra khả năng kháng nhiễu và độ ổn định của thuật toán RHC-LQR.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đinh Văn Nghiệp đã giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển chuyển động bám quỹ đạo cho hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS) có tính phi tuyến và xen kênh phức tạp. Bằng việc xây dựng mô hình toán Euler-Lagrange chính xác trong không gian biến khớp và đề xuất thuật toán thích nghi bền vững kết hợp giữa RHC và LQR, công trình đã cải thiện rõ rệt chất lượng điều khiển so với các giải pháp hiện hành. Toàn bộ thuật toán được cài đặt và kiểm chứng thành công trong thời gian thực trên card dSPACE DS1103 với cơ chế bù động học cơ cấu chấp hành, cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy cho việc phát triển các hệ thống điều khiển khí động học phi tuyến.