Thiết Kế Bộ Điều Khiển Góc Nâng Cho Mô Hình Máy Bay Trực Thăng Hai Bậc Tự Do

• Tác giả: Nguyễn Thanh Danh
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Xuân Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Góc Nâng Cho Máy Bay Trực Thăng Hai Bậc Tự Do Bằng Phương Pháp µ-Synthesis
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lí do chọn đề tài
• 1.2. Một số nghiên cứu hiện nay về mô hình máy bay trực thăng – TRMS
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Công việc thực hiện
• 1.6. Cấu trúc của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TWIN ROTOR MIMO SYSTEM
• 2.1. Giới thiệu tổng quan về mô hình TRMS
• 2.2. Mô hình toán học của hệ TRMS
• 2.2.1. Các lực tác dụng lên mặt phẳng đứng
• 2.2.2. Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRMS
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TRÊN HỆ TRMS
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Bộ Điều Khiển Góc Nâng Trực Thăng

Máy bay trực thăng ngày càng được quan tâm trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến dân sự. Khả năng cơ động cao, cất hạ cánh thẳng đứng là những ưu điểm nổi bật. Tuy nhiên, điều khiển máy bay trực thăng ổn định, đặc biệt là góc nâng, là một thách thức lớn. Luận văn này tập trung vào thiết kế bộ điều khiển bền vững để giải quyết vấn đề này trên mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do (TRMS) bằng phương pháp µ-Synthesis. Bài toán điều khiển góc nâng trực thăng đòi hỏi sự chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhiễu và sai số mô hình.

1.1. Giới thiệu mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do TRMS

TRMS là mô hình thu nhỏ, giản lược của máy bay trực thăng, giúp giảm độ phức tạp trong phân tích và mô phỏng. Mô hình TRMS có tính phi tuyến cao và có rất nhiều công trình đã và đang nghiên cứu. Mô hình gồm hai cánh quạt: cánh quạt chính tạo lực nâng và cánh quạt đuôi điều khiển hướng. Thay đổi điện áp cấp vào động cơ điều khiển các cánh quạt này.

1.2. Ứng dụng của phương pháp µ Synthesis trong điều khiển

Phương pháp µ-Synthesis là một kỹ thuật điều khiển mạnh mẽ, được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển robust cho các hệ thống có độ không chắc chắn cao. Nó tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống đồng thời đảm bảo tính ổn định. Phương pháp này phù hợp cho bài toán điều khiển góc nâng máy bay trực thăng.

II. Thách Thức Điều Khiển Góc Nâng Máy Bay Trực Thăng 2 DOF

Việc duy trì ổn định góc nâng và góc phương vị cho máy bay trực thăng là một bài toán phức tạp. Ảnh hưởng của nhiễu loạn từ môi trường, sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành, và tính phi tuyến của hệ thống là những yếu tố gây khó khăn. Điều khiển tự động hiệu quả đòi hỏi một hệ thống điều khiển có khả năng chống nhiễu, bám quỹ đạo và duy trì ổn định máy bay trực thăng trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau. Cấu trúc điều khiển cần được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu khắt khe về performance robust.

2.1. Ảnh hưởng của nhiễu loạn và sai số mô hình

Nhiễu loạn từ gió, rung động và các yếu tố bên ngoài khác ảnh hưởng trực tiếp đến động lực học máy bay trực thăng. Sai số trong mô hình toán học do đơn giản hóa hoặc không chính xác trong xác định tham số cũng làm giảm hiệu quả của bộ điều khiển. Cần một thiết kế bộ điều khiển robust để giảm thiểu ảnh hưởng này.

2.2. Tính phi tuyến và đa biến của hệ thống

Hệ thống máy bay trực thăng là một hệ thống MIMO (Multi-Input Multi-Output) phức tạp với nhiều biến liên quan. Tính phi tuyến trong aerodynamics và helicopter dynamics làm cho việc xây dựng mô hình chính xác trở nên khó khăn. Các phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống có thể không đủ mạnh để giải quyết bài toán này.

III. Phương Pháp µ Synthesis Giải Pháp Điều Khiển Robust Ưu Việt

Phương pháp µ-Synthesis là một kỹ thuật điều khiển tối ưu - bền vững được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển robust cho các hệ thống có độ không chắc chắn cao. Nó dựa trên việc tối thiểu hóa trị suy biến có cấu trúc (Structured Singular Value - SSV) để đảm bảo tính ổn định và performance robust của hệ thống. Phương pháp này phù hợp với bài toán điều khiển góc nâng máy bay trực thăng vì nó có thể xử lý đồng thời cả nhiễu loạn và sai số mô hình. Phương pháp này sử dụng µ-Analysis và LMI (Linear Matrix Inequalities).

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp µ Synthesis

µ-Synthesis hoạt động bằng cách lặp đi lặp lại quá trình D-K iteration. Quá trình này bao gồm hai bước chính: D-Scale và K-Synthesis. D-Scale được sử dụng để giảm ảnh hưởng của độ không chắc chắn. K-Synthesis là việc thiết kế bộ điều khiển bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều khiển H∞. Quá trình lặp lại cho đến khi đạt được hiệu suất mong muốn.

3.2. Ưu điểm so với các phương pháp điều khiển khác

So với các phương pháp điều khiển truyền thống như PID hoặc LQR, µ-Synthesis có khả năng xử lý tốt hơn độ không chắc chắn và nhiễu loạn. So với điều khiển H∞, µ-Synthesis có thể đạt được hiệu suất cao hơn trong các hệ thống có độ không chắc chắn có cấu trúc. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn tốt hơn cho bài toán điều khiển góc nâng máy bay trực thăng.

3.3. Tổng hợp µ µ synthesis bằng phương pháp D K iteration

Tổng hợp µ (µ-synthesis) bằng phương pháp D – K iteration là một quy trình lặp đi lặp lại để thiết kế bộ điều khiển robust cho các hệ thống có độ không chắc chắn. Quá trình này bao gồm việc tìm một ma trận tỷ lệ D sao cho chuẩn H∞ của hệ thống vòng kín được tối thiểu hóa. Sau đó, một bộ điều khiển K được thiết kế để đạt được chuẩn H∞ tối thiểu này. Quá trình này được lặp lại cho đến khi đạt được hiệu suất mong muốn.

IV. Thiết Kế Mô Phỏng Bộ Điều Khiển Góc Nâng TRMS Bằng MATLAB

Để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp µ-Synthesis, bộ điều khiển được thiết kế và mô phỏng trên MATLAB/Simulink. Mô hình máy bay trực thăng được xây dựng dựa trên các phương trình động học. Quá trình thiết kế bộ điều khiển bao gồm việc xác định các hàm trọng số, thực hiện D-K iteration và đánh giá hiệu suất của hệ thống vòng kín. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có khả năng ổn định góc nâng và góc phương vị của máy bay trực thăng một cách hiệu quả. Tài liệu gốc cung cấp thông số mô hình và quá trình tuyến tính hóa hệ TRMS.

4.1. Xây dựng mô hình toán học và không chắc chắn trong Simulink

Việc xây dựng mô hình toán học chính xác là bước quan trọng đầu tiên. Mô hình phải bao gồm cả các yếu tố không chắc chắn như sai số tham số và nhiễu loạn. Các khối Simulink được sử dụng để mô phỏng động lực học máy bay trực thăng và hệ thống điều khiển.

4.2. Thực hiện D K iteration và đánh giá hiệu suất

Quá trình D-K iteration được thực hiện bằng cách sử dụng các công cụ có sẵn trong MATLAB. Hiệu suất của bộ điều khiển được đánh giá bằng cách xem xét các chỉ số như thời gian quá độ, độ vọt lố và khả năng chống nhiễu. Kết quả mô phỏng được so sánh với các phương pháp điều khiển khác.

4.3. Mô phỏng các đáp ứng của hệ TRMS và phân tích kết quả

Các đáp ứng của hệ thống TRMS với các tín hiệu tham chiếu khác nhau, chẳng hạn như hàm bước, sóng vuông và sóng sine, được mô phỏng. Phân tích kết quả cho phép đánh giá khả năng bám quỹ đạo, độ ổn định và khả năng chống nhiễu của bộ điều khiển. Các chỉ số chất lượng như thời gian quá độ, độ vọt lố và sai số ổn định được tính toán.

V. Kiểm Nghiệm Bộ Điều Khiển Robust trên Mô Hình Thực Nghiệm TRMS

Để đánh giá tính khả thi của bộ điều khiển trong thực tế, một mô hình thực nghiệm TRMS được xây dựng. Bộ điều khiển được triển khai trên một hệ thống điều khiển nhúng. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy bộ điều khiển hoạt động ổn định và đáp ứng tốt với các tín hiệu điều khiển. So sánh với kết quả mô phỏng, kết quả thực nghiệm có sự khác biệt do ảnh hưởng của các yếu tố không mô hình hóa.

5.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm và hệ thống điều khiển

Mô hình thực nghiệm TRMS được xây dựng với các thành phần cơ khí và điện tử. Hệ thống điều khiển bao gồm cảm biến, bộ xử lý và các bộ truyền động. Việc hiệu chỉnh và kiểm tra các thành phần này là rất quan trọng.

5.2. Triển khai bộ điều khiển và thu thập dữ liệu

Bộ điều khiển được triển khai trên hệ thống điều khiển nhúng. Dữ liệu được thu thập và xử lý để đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển. Giao diện điều khiển và giám sát trên Matlab – Simulink giúp theo dõi quá trình hoạt động.

5.3. Đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng. Sự khác biệt giữa hai kết quả này được phân tích để xác định các yếu tố không mô hình hóa. Việc cải thiện mô hình toán học có thể giúp giảm sự khác biệt này.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cho Điều Khiển Góc Nâng

Luận văn đã trình bày một phương pháp thiết kế bộ điều khiển bền vững cho máy bay trực thăng hai bậc tự do bằng phương pháp µ-Synthesis. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển có khả năng ổn định góc nâng và góc phương vị một cách hiệu quả. Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc cải thiện mô hình toán học, áp dụng các kỹ thuật điều khiển tối ưu và thử nghiệm trên các mô hình phức tạp hơn. Các công trình nghiên cứu của tác giả được liệt kê.

6.1. Tổng kết kết quả đạt được và hạn chế

Luận văn đã đạt được mục tiêu thiết kế bộ điều khiển robust cho máy bay trực thăng. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế như sự khác biệt giữa mô phỏng và thực nghiệm và độ phức tạp của phương pháp µ-Synthesis.

6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển thích nghi để xử lý độ không chắc chắn theo thời gian, sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để tìm các tham số của bộ điều khiển và thử nghiệm trên các mô hình máy bay trực thăng phức tạp hơn.