phần mở đầu, 04 chư ng và kết luận, được bố cục như sau: Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển Twin Rotor MIMO System (TRMS) Trong chư ng 1, là các nghiên cứu tổng quan về TRMS của nhà cung cấp thiết bị; thống kê và phân tích ưu nhược điểm của các phư ng pháp điều khiển hiện đại; các cấu tr c điều khiển đã được áp dụng cho TRMS trong các nghiên cứu trước đây. Nêu ra tính đặc thù và khó khăn khi tổng hợp điều khiển cho TRMS, từ đó đề xuất thuật toán điều khiển phù hợp với các đặc điểm hệ phi tuyến, có thông số bất định, tác động xen kênh và nhiễu. Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS Mô hình toán biểu diễn động học TRMS được nhà chế tạo thiết bị TRMS cung cấp dưới dạng phư ng trình Newton 2, chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới hệ (giả định đ n giản hóa hệ thống, như người ta cho rằng động lực học của hệ thống được mô tả bởi một dãy phư ng trình vi phân, ma sát của hệ thống là tr n,.
Mô hình toán biểu diễn động học TRMS xây dựng được trong chư ng này theo phư ng trình Lagrange có sai lệch với mô hình thực nh h n do có xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới hệ (chiều dài chốt quay, hiệu ứng bề mặt) so với mô hình do nhà sản xuất cung cấp. Với mô hình toán đầy đủ, chính xác h n là c sở để thiết kế bộ điều khiển th a mãn yêu cầu chất lượng đáp ứng ra của hệ trong phần tiếp theo. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bám vị trí đặt cho TRMS Điều khiển TRMS là một bài toán khó, có nhiều thách thức và hấp dẫn nhiều nhà nghiên cứu. Đến nay người ta đã áp dụng nhiều phư ng pháp điều khiển khác nhau cho TRMS.
Với một hệ phi tuyến nói chung và TRMS nói riêng, người ta mong muốn thiết kế bộ điều khiển khắc phục được sai số của mô hình và kháng được nhiễu. 4 Trong chư ng này, đề xuất điều khiển RHC với LQR áp dụng cho đối tượng mô hình liên tục, có nhiễu và sai lệch mô hình. Đề xuất này là đóng góp quan trọng của luận án. Kết quả thí nghiệm Thuật toán đề xuất được cài đặt chạy thực nghiệm trên TRMS và Card DS1103.
Giải phư ng trình Riccati trong thời gian thực trên Card DS1103. Sử dụng phư ng pháp áp đặt mô men khi áp dụng thuật toán điều khiển đề xuất cho TRMS để bù động học cho c cấu chấp hành. Kết quả thực nghiệm khẳng định thuật toán đề xuất hoàn toàn đ ng đắn. Phần kết luận: Đã nêu bật những đóng góp mới của luận án và những kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR MIMO SYSTEM (TRMS) 1. Khái quát chung về Twin Rotor MIMO System (TRMS) Chốt quay Cánh quạt đuôi Cánh quạt chính Đối trọng Hình 1. Twin Rotor MIMO System (TRMS) Trên hình 1.1 là hình ảnh của Twin Rotor MIMO System (TRMS). Đây là một hệ thống thí nghiệm được thiết kế bởi Feedback Instruments Ltd và được sử dụng trong ph ng thí nghiệm để phát triển và kiểm chứng các kỹ thuật điều khiển hiện đại.
TRMS bao gồm cánh quạt chính và cánh quạt đuôi được gắn vuông góc với nhau vào thanh ngang. Mỗi cánh quạt được truyền động độc lập bởi một động c một chiều kích từ vĩnh cửu, chiều quay của cánh quạt có thể đảo chiều được và tốc độ quay thay đổi được bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động c truyền động. Cánh quạt chính tạo động lực để thanh ngang chuyển động trong mặt đứng (vị trí góc trong mặt đứng 1.22rad ) như trên hình 1. Cánh quạt đuôi tạo động lực để thanh ngang chuyển động trong mặt ngang (vị trí góc trong mặt ngang 2.82rad ) như trên hình 1.
Thanh đối trọng được gắn vuông góc với thanh ngang tại vị trí điểm quay, vị trí của 6 đối trọng trên thanh đối trọng có thể thay đổi được để thực hiện thí nghiệm thay đổi thông số động học của đối tượng. Các vị trí trong không gian 3 chiều của TRMS [3] z R1 O1 y Cánh quạt đuôi P2 P1 Cánh quạt chính TRMS 33-220 Hình 1. Vị trí góc trong mặt đứng v của TRMS 7 O h y R3 Cánh quạt P3 đuôi P1 x Cánh quạt chính Hình 1. Vị trí góc trong mặt ngang h của TRMS Ngoài ra TRMS c n được nhà sản xuất trang bị các cảm biến.
Hai cảm biến vị trí góc (encoder) để đo chính xác vị trí góc của thanh ngang trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Mỗi động c được gắn một máy phát tốc để đo tốc độ quay và cũng chính tà tốc độ quay của cánh quạt. Khi xem xét để so sánh với máy bay trực thăng (M TT), thì ở MBTT để điều chỉnh lực khí động học thì điều chỉnh góc tới của cánh gió. Tuy nhiên, trường hợp TRMS thì góc tới của cánh gió không thay đổi được và lực khí động học được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ quay của động c truyền động.
ởi vậy, tín hiệu đầu vào điều khiển là điện áp phần ứng động c một chiều. Thay đổi biên độ điện áp phần ứng động c làm thay đổi tốc độ quay của cánh quạt, chính thay đổi này làm cho thanh ngang dịch chuyển đến vị trí mới. Chuyển động quay của cánh quạt tạo ra mô men động lượng, mô men động lượng này được bù bởi bộ phận c n lại của TRMS (theo định luật bảo toàn mô men động lượng). Rồi sau đó, chính điều này là nguyên nhân gây ra sự tư ng tác giữa hai chuyển động tư ng ứng trong hai mặt phẳng.
Ngoài ra, chính sự tư ng tác này ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc của thanh ngang trong cả hai mặt đứng và ngang. Sự tư ng tác trên chính là ảnh hưởng xen kênh. Ảnh hưởng xen kênh cũng tồn tại trong máy bay trực thăng và hầu hết các hệ nhiều vào nhiều ra. Ảnh hưởng xen kênh giữa các kênh khác nhau hoặc chuyển động trong các mặt làm cho bài toán mô hình hóa và điều khiển hệ trở thành 8 phức tạp.
Nói chung, tính chất làm việc của TRMS giống với máy bay trực thăng. Tuy nhiên, TRMS vẫn khác máy bay trực thăng ở một số điểm sau: Bảng 1. Điểm khác nhau giữa TRMS và máy bay trực thăng Điểm khác TRMS Máy bay trực thăng Vị trí điểm quay Giữ 2 cánh quạt Đỉnh của cánh quạt chính Lực nâng được điều Điều chỉnh tốc Điều chỉnh góc tới của các cánh của chỉnh qua độ của cánh quạt cánh quạt chính c n tốc độ quay của chính động c truyền động là không thay đổi Góc trong mặt Điều chỉnh tốc Điều chỉnh góc tới của các cánh của ngang được điều độ quay của cánh quạt đuôi chỉnh qua cánh quạt đuôi Điều chỉnh hướng không có Khả năng bay không có 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về TRMS Mặc dù không bay được, TRMS có nhiều đặc điểm khí động học của máy bay trực thăng.
Trải qua nhiều năm tồn tại đến nay đã có nhiều phiên bản của TRMS tuy nhiên nó vẫn giữ được đặc tính động học đặc trưng. TRMS là một điển hình cho hệ phi tuyến MIMO có ảnh hưởng xen kênh và nhiễu tác động. Mô hình hóa và điều khiển TRMS là bài toán rất hay, hấp dẫn và thách thức các nhà nghiên cứu. Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển TRMS.
Mô hình hóa TRMS Đi đầu trong nghiên cứu về TRMS là nhà sản xuất Feedback Instruments Ltd [24], họ xây dựng mô hình toán cho TRMS sử dụng phư ng pháp Newton. Tuy nhiên mô hình toán mà nhà sản xuất cung cấp không xét đến chiều dài của chốt quay. Mô hình toán của nhà sản xuất cung cấp (1.6): 9 l F vkv g A B cos v C sin v h2 A B C sin 2v 1 dSv m v m 2 (1.1) dt Jv dv J v ; v Sv tr t (1.2) dt Jv dSh lt Fh t cos v - hkh l F cos v - hkh t h2 t (1.3) dt Jh D sin v E cos 2 v F dh h dt (1.4) J cos v J mr m cos v h Sh mr m Sh Jh D sin 2 v E cos 2 v F duvv 1 uvv uv dt Tmr (1.5) m Pv uvv duhh 1 uhh uh dt Ttr (1.6) t Ph uhh Trong đó: m m A t mtr mts lt , B m mmr mms lm , 2 2 m m C b lb mcblcb , D b lb2 mcblcb2 , 2 3 m m E m mmr mms lm2 t mtr mts lt2 , 3 3 mts 2 F mmsrms 2 rts , J h D cos 2 v E sin 2 v F 2 Một trong những công trình nghiên cứu đầy đủ nhất về TRMS là luận án tiến sĩ của tác giả Akabar Rahideh [42]. Trong nghiên cứu này, tác giả nhận thức được rằng việc mô hình hóa là phần đầu tiên và quan trọng nhất trong bất kỳ bài toán thiết kế điều khiển dựa trên mô hình nào như là MPC, và mô hình chính xác là thiết yếu để có một hệ điều khiển chính xác.
Các tiếp cận về mô hình hộp trắng cần có kiến thức đầy đủ về đối tượng và có thể đạt được bằng các biểu thức về năng lượng 10 và khối lượng trong trường hợp các hệ khí động lực học. Việc khó nhất và mất thời gian của phân tích mô hình là nhận dạng tham số. Nói chung, mô hình vật l của một hệ đ i h i phải có thông tin ưu tiên về đối tượng và nó cũng là sự chi phối về thời gian. Trong nghiên cứu này, TRMS đã được mô hình hóa bởi phư ng pháp tiếp cận dựa vào Newton và Euler-Lagrange.
Các mô hình đã được đánh giá và so sánh thì thấy rằng mô hình dựa trên tiếp cận Euler-Lagrange chính xác h n Newton. Mặc dù mô hình Lagrange chính xác h n, nó cũng phức tạp h n và đây là điều không mong muốn từ quan điểm điều khiển.