Tải bản đầy đủ (.pdf) (78 trang)

Thiết kế bộ điều khiển góc nâng cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do bằng phương pháp μ synthesis

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.03 MB, 78 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN THANH DANH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC NÂNG
CHO MƠ HÌNH MÁY BAY
TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP µ-SYNTHESIS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 12 - 2018


GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN THANH DANH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC NÂNG
CHO MƠ HÌNH MÁY BAY
TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG


PHƯƠNG PHÁP µ-SYNTHESIS
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 1481031006

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN

TP. HCM 12 - 2018


LUẬN VĂN ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Đặng Xuân Kiên

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Võ Công Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM ngày 05
tháng 12 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1.
2.
3.
4.
5.

Chủ tịch Hội đồng

Uỷ viên phản biện 1
Uỷ viên phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên thư kí

PGS. TS. Đồng Văn Hướng
PGS. TS. Võ Cơng Phương
PGS. TS. Dương Hồi Nghĩa
TS. Trần Thanh Vũ
TS. Võ Nguyên Sơn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐTVT

PGS. TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: NGUYỄN THANH DANH.
Sinh ngày 15 tháng 8 năm 1991.
Hiện là học viên lớp cao học khoá 2016 – 2018, chuyên ngành: Kĩ thuật
điều khiển và Tự động hố, TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI
TP.HCM

Tơi xin cam đoan đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC NÂNG CHO
MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP

µ-SYNTHESIS” do PGS.TS. Đặng Xuân Kiên hướng dẫn, là cơng trình nghiên

cứu thực sự của riêng tơi. Các số liệu để xây dựng mơ hình điều khiển và những
kết quả thu được trong luận văn là trung thực. Tất cả các tài liệu tham khảo đều
có nguồn gốc, xuất xứ.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và các yêu cầu của thầy hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn
chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật.
TP.HCM, ngày tháng 10 năm 2018
Người viết cam đoan

Nguyễn Thanh Danh


2

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS. Đặng Xuân Kiên,
người đã hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Trong quá trình thực
hiện luận văn gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hỗ trợ tận tình của thầy và sự
cố gắng của bản thân, tơi đã hồn thành luận văn này.
Bên cạnh đó tôi xin chân thành cảm ơn đến Trường ĐH GTVT TP.HCM
và q thầy, q cơ khác, trong suốt q trình đào tạo khố cao học các thầy, cơ
đã truyền đạt những kiến thức rất quan trọng để giúp tơi có đủ kiến thức học tập
nghiên cứu và hoàn thành đề tài.
Tôi xin cảm ơn các bạn, các anh, chị, em lớp cao học Tự động hóa khóa
2016 – 2018 đã hỗ trợ và giúp đỡ tơi trong suốt khóa học.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ về thời gian và
động viên tinh thần của gia đình tơi trong suốt thời gian tơi học tập và hoàn
thành luận văn.

Học viên thực hiện
Nguyễn Thanh Danh


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................2
MỤC LỤC .........................................................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..........................................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................................................................. ...11
1.1. Lí do chọn đề tài. .................................................................................................................... ...11
1.2. Một số nghiên cứu hiện nay về mơ hình máy bay trực thăng – TRMS. .. .....13
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .......................................................... ..14
1.3.1.

Đối tượng nghiên cứu. ................................................................................................ ..14

1.3.2.

Phạm vi nghiên cứu. .................................................................................................... ..14

1.4. Mục tiêu của đề tài. ............................................................................................................... ..14

1.5. Công việc thực hiện. ............................................................................................................. ..15
1.6. Cấu trúc của luận văn. ........................................................................................................ ..15
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TWIN ROTOR MIMO SYSTEM ......16

2.1. Giới thiệu tổng quan về mơ hình TRMS. .................................................................... 16
2.2. Mơ hình tốn học của hệ TRMS. ..................................................................................... 17
2.2.1.

Các lực tác dụng lên mặt phẳng đứng.................................................................. 17


4

2.2.2.

Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang. .............................................................. 19

2.2.3.

Mô hình tốn học hệ TRMS. ...................................................................................... 21

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ................................................................ 22
3.1. Khái niệm điều khiển bền vững. ....................................................................................... 22
3.2. Hệ đa biến tuyến tính MIMO. ........................................................................................... 23
3.3. Mơ hình khơng chắc chắn. ................................................................................................... 25
3.3.1.

Mơ hình khơng chắc chắn có cấu trúc. ................................................................ 25

3.3.2.


Mơ hình khơng chắc chắn không cấu trúc......................................................... 26

3.3.3.

Phương pháp xây dựng mô hình khơng chắc chắn. ...................................... 29

3.3.4.

Cấu trúc chuẩn M – ∆.................................................................................................... 29

3.4. Tính ổn định nội. ....................................................................................................................... 30
3.4.1.

Định lý ổn định nội. ......................................................................................................... 31

3.4.2.

Hàm nhạy và hàm bù nhạy. ....................................................................................... 31

3.5. Ổn định bền vững. .................................................................................................................... 32
3.6. Chất lượng điều khiển bền vững. ..................................................................................... 34
3.7. Phương pháp điều khiển độ lợi vòng (Loop-shaping). ......................................... 35
3.8. Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững. .............................................................. 36
3.8.1.

Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững theo chuẩn H2. .................... 37

3.8.2.


Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững H∞............................................... 39

3.9. Phương pháp điều khiển tối ưu – bền vững µ-synthesis. .................................... 39
3.9.1.

Trị suy biến có cấu trúc – Structured singular value (SSV). ................... 39


5

3.9.2.

Các tính chất của SSV. .................................................................................................. 40

3.9.3.

Tổng hợp µ (µ-synthesis) bằng phương pháp D – K iteration. ............... 41

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRMS .............. 45
4.1. Thơng số mơ hình hệ TRMS............................................................................................... 45
4.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững theo phương pháp µ – synthesis. .............. 45
4.2.1.

Mơ hình khơng chắc chắn hệ TRMS. ................................................................... 45

4.2.2.

Đặc tính hệ thống vịng kín. ........................................................................................ 50

4.2.3.


Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp µ – synthesis. ........................... 53

CHƯƠNG 5. MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM NGHIỆM BỘ ĐIỀU
KHIỂN BỀN VỮNG TRÊN HỆ TRMS. ................................................................................... ...62
5.1. Mơ hình thực nghiệm. ......................................................................................................... ...62
5.1.1.

Mơ hình cơ khí. .............................................................................................................. ...62

5.1.2.

Hệ thống điều khiển..................................................................................................... ...63

5.2. Kiểm nghiệm bộ điều khiển bền vững trên mơ hình thực nghiệm ............. ...66
..

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................... 69
DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ..................................... ...71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. ...72
PHỤ LỤC .................................................................................................................................................... ...72


6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MIMO: Multi Input Multi Output – Hệ nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra.
TRMS: Twin Rotor MIMO System – Hệ máy bay trực thăng hai bậc tự do.

SSV: Structured Singular Value – Trị suy biến có cấu trúc.

PWM: Pulse Width Modulation – Bộ điều rộng xung.
ESC: Electronic Speed Controller – Bộ điều khiển tốc độ điện tử.


7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Thơng số vật lí của mơ hình TRMS.
Bảng 4.2. Thơng số danh định và sai số của mơ hình.


8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Máy bay trực thăng. ............................................................................................................... 12
Hình 1.2. Hệ thống truyền động của cánh quạt chính và cánh quạt đi. .......................... 13
Hình 1.3. Mơ hình vật lí hệ TRMS. .................................................................................................... 14
Hình 2.1. Mơ hình tổng quát hệ TRMS............................................................................................. 16
Hình 2.2. Các lực tác dụng lên mặt phẳng đứng. .......................................................................... 17
Hình 2.3. Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang. ........................................................................ 20
Hình 3.1a. Đối tượng điều khiển kinh điển. .................................................................................... 22
Hình 3.1b. Đối tượng điều khiển bền vững. .................................................................................... 22
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển vịng kín kinh điển .......................................................... 23
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống điều khiển dưới ảnh hưởng của nhiễu. .......................................... 23
Hình 3.4. Sơ đồ ngun lí hệ thống điều khiển đa biến điển hình......................................... 23
Hình 3.5. Mối quan hệ vào – ra của hệ MIMO dùng hàm truyền.......................................... 24
Hình 3.6. Mối quan hệ vào – ra của hệ MIMO dùng phương trình trạng thái. ................ 24
Hình 3.7. Mơ hình nhiễu nhân. .............................................................................................................. 27
Hình 3.8. Mơ hình nhiễu cộng. .............................................................................................................. 27
Hình 3.9. Mơ hình nhiễu cộng ngược. ............................................................................................... 28

Hình 3.10. Mơ hình nhiễu nhân ngược. ............................................................................................. 28
Hình 3.11. Mơ hình cấu trúc chuẩn M – . ...................................................................................... 30
Hình 3.12. Cấu trúc hệ thống điều khiển vịng kín. ..................................................................... 30
Hình 3.13. Cấu trúc hệ thống điều khiển vịng kín bỏ qua hàm truyền khâu hồi tiếp. . 31


9

Hình 3.14. Cấu trúc điều khiển vịng kín mơ hình khơng chắc chắn. .................................. 32
Hình 3.15. Hệ thống điều khiển vịng kín đơn biến. .................................................................... 32
Hình 3.16. Hệ thống đa biến cấu trúc M – . ................................................................................. 33
Hình 3.17. Biểu đồ Nyquist của hàm truyền độ lợi L. ................................................................ 35
Hình 3.18. Độ lợi vịng và các đặc tính ràng buộc. ...................................................................... 36
Hình 3.19. Cấu trúc hệ MIMO dạng P – K. ..................................................................................... 36
Hình 3.20. Cấu trúc hệ thống chuẩn M –

với bộ điều khiển K. .......................................... 42

Hình 4.1. Mơ hình tuyến tính hóa của hệ TRMS. ......................................................................... 46
Hình 4.2. Thơng số mơ hình khơng chắc chắn dưới dạng LFT. ............................................. 48
Hình 4.3. Mơ hình TRMS dưới dạng upper – LFT. ..................................................................... 49
Hình 4.4. Mơ hình khơng chắc chắn hệ TRMS. ............................................................................ 49
Hình 4.5. Quan hệ ngõ vào – ngõ ra mơ hình khơng chắc chắn hệ TRMS. ...................... 49
Hình 4.6. Đáp ứng tần số vịng hở hệ TRMS. ................................................................................ 50
Hình 4.7. Sơ đồ khối hệ vịng kín với các hàm trọng số chất lượng. ................................... 50
Hình 4.8. Sơ đồ khối hệ vòng hở hệ TRMS với các hàm trọng số chất lượng. ............... 52
Hình 4.9. Cấu trúc mơ hình kết nối nội hệ thống vịng hở........................................................ 53
Hình 4.10. Cấu trúc hệ thống vịng kín theo phương pháp µ-synthesis. ............................. 53
Hình 4.11. Đáp ứng tần số của mơ hình chuẩn M. ....................................................................... 55
Hình 4.12. Đáp ứng tần số của hàm Wp-1. ....................................................................................... 56

Hình 4.13. Đáp ứng tần số của hàm Wu-1. ....................................................................................... 56
Hình 4.14. Đáp ứng tần số của hàm trọng số nhiễu. .................................................................... 57


10

Hình 4.15. Chỉ tiêu ổn định bền vững của bộ điều khiển µ. ..................................................... 58
Hình 4.16. Chỉ tiêu chất lượng bền vững của bộ điều khiển µ. .............................................. 58
Hình 4.17. Trị suy biến của hệ thống vịng kín và mơ hình chuẩn M. ................................. 59
Hình 4.18. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển bền vững hệ TRMS. ........................................... 59
Hình 4.19. Đáp ứng của hệ TRMS với tín hiệu tham chiếu hàm bước. .............................. 59
Hình 4.20. Đáp ứng của hệ TRMS với tín hiệu tham chiếu sóng vng. ........................... 60
Hình 4.21. Đáp ứng của hệ TRMS với tín hiệu tham chiếu sóng sine. ............................... 61
Hình 5.1. Mơ hình thực nghiệm hệ TRMS. ..................................................................................... 62
Hình 5.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ TRMS. ............................................................................ 63
Hình 5.3. Chương trình điều khiển nhúng vào KIT STM32F4. ............................................. 65
Hình 5.4. Giao diện điều khiển và giám sát trên Matlab – Simulink. .................................. 66
Hình 5.5. Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS với các góc đặt khác nhau. ............................ 67
Hình 5.6. Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS với các góc đặt khác nhau. ............................. 67


11

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Lí do chọn đề tài.
Trong những năm gần đây, các đối tượng bay được quan tâm nghiên cứu và ứng

dụng ngày càng nhiều trong nhiều lĩnh vực như quân sự, dân sự,… Mặt khác, sự phát

triển của các phương pháp điều khiển làm cho việc điều khiển để các đối tượng bay
hoạt động ổn định và chính xác.
Máy bay trực thăng là một đối tượng bay gần gũi với con người. Máy bay trực
thăng có ưu điểm là khả năng cơ động cao, cất hạ cánh không cần sân bay và có thể
bay thẳng đứng. Tuy nhiên, với cấu tạo phức tạp, việc điều khiển ổn định được vị trí
của máy bay trực thăng trong khơng gian dưới tác động của các ngoại lực là một thách
thức cho hệ thống điều khiển.
Xuất phát từ những thực tế trên, được sự đồng ý của PGS.TS Đặng Xuân Kiên và
sự giúp đỡ của Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM, tác
giả tập trung nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển bền vững để giữ ổn định cho mơ hình máy
bay trực thăng hai bậc tự do (Twin Rotor MIMO System). Đề tài có tên: “THIẾT

KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC NÂNG CHO MƠ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG
HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP µ-SYNTHESIS”.
Trong máy bay trực thăng, lực nâng sinh ra bằng cách điều khiển công suất của
cánh quạt, gọi là rotor chính. Khi rotor chính quay sinh ra lực nâng và momen phản ứng.
Momen phản ứng này có xu hướng làm cho thân máy bay quay theo chiều ngược lại. Trên
hầu hết các máy bay trực thăng, có một cánh quạt nhỏ gần đuôi được gọi là rotor đuôi.
Rotor đuôi quay ngược chiều với rotor chính để triệt tiêu momen phản ứng sinh ra.


12

Hình 1.1. Máy bay trực thăng
Cánh quạt chính
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để nâng nó bay trong khơng khí.
Khi cánh quạt chính quay trong khơng khí (định luật Bernoulli) tạo ra một vùng chênh
lệch áp suất theo hướng thấp phía trên mặt phẳng rotor chính và tạo ra lực nâng. Mỗi
cánh quạt tạo ra một phần bằng nhau của lực nâng, trọng lượng của máy bay chia đều
cho số lượng cánh quạt. Bằng cách thay đổi mặt phẳng quay của cánh quạt chính sẽ

giúp máy bay tiến ra trước – lùi ra sau hay bay sang phải sang trái.
Cánh quạt đi
Cánh quạt đi đóng vai trị quan trọng vì hoạt động của cánh quạt đuôi tạo ra
momen bù lại momen phản lực của cánh quạt chính tạo ra. Nhờ đó, máy bay trực thăng
có thể giữ ổn định hướng đi chuyển hoặc chuyển hướng dễ dàng.
Đối với một máy bay trực thăng điển hình, cánh quạt đuôi (tail rotor) được liên kết
với cánh quạt chính (main rotor) nhờ hệ dẫn động như ở Hình 1.2. Trong thiết kế nói
trên, cánh quạt đi liên kết với cánh quạt chính thơng qua hệ thống truyền động trục
hoặc đai và hộp số. Có nghĩa là khi cánh quạt chính quay thì cánh quạt đi cũng quay
theo một tỉ lệ nhất định.


13

Hình 1.2. Hệ thống truyền động của cánh quạt chính và cánh quạt đuôi.
Tuy nhiên, với hệ thống thuần túy về mặt cơ khí thì chất lượng điều khiển của hệ
này là khơng cao. Vì vậy, cần có một bộ điều khiển điện tử được sử dụng để tăng tính
hiệu quả hoạt động trong thực tế. Đây là một trong những bài toán điều khiển trong
máy bay trực thăng.
1.2.

Một số nghiên cứu hiện nay về mơ hình máy bay trực thăng – TRMS.
Mơ hình máy bay trực thăng hai bậc tự do (TRMS) là mơ hình khơng mới, nhưng

do là mơ hình đa biến và tính phi tuyến cao nên có rất nhiều cơng trình đã và đang
nghiên cứu. Nhiều phương pháp điều khiển khác nhau từ cổ điển đến hiện đại đã được
áp dụng. Sau đây là một số cơng trình nghiên cứu gần đây về mơ hình TRMS:
Nhóm tác giả S. Pandey và V. Laxmi [1] áp dụng bộ điều khiển tối ưu LQR để
điều khiển hệ TRMS và so sánh kết quả với bộ điều khiển PID. Kết quả mô phỏng
Matlab – Simulink cho thấy bộ điều khiển LQR cho chất lượng tốt hơn.

Nhóm tác giả T. Uzunovic, J. Velagic, N. Osmic, A. Badnjevic và E. Zunic [2] sử
dụng mạng nơ-ron để thiết kế bộ điều khiển góc nâng của hệ TRMS. Kết quả mơ phỏng và
thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển nhóm tác giả nghiên cứu đã đạt kết quả tốt.
Nhóm tác giả A.P.S. Ramalakshmi, P.S. Manoharan, K. Harshath và M.Varatharajan

[3] đã sử dụng phương pháp Model Predictive Control – MPC để điều khiển hệ TRMS


14

và so sánh kết quả đạt được với bộ điều khiển PID. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
cho thấy các chỉ tiêu chất lượng bộ điều khiển MPC tốt hơn.
Nhóm tác giả A. Aras và O. Kaynak [4] đã kết hợp giải thuật mờ và nơ-ron để áp
dụng điều khiển hệ TRMS. Kết quả mô phỏng Matlab – Simulink đã cho thấy bộ điều
khiển bước đầu đã điều khiển bám được quỹ đạo đối với góc Pitch và góc Yaw của mơ
hình TRMS.
1.3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.3.1. Đối tượng nghiên cứu.
Trong phạm vi đề tài, tác giả sử dụng mơ hình TRMS mơ phỏng máy bay trực
thăng hai bậc tự do. Mơ hình TRMS là một mơ hình có tính phi tuyến cao và đang
được sử dụng rộng rãi trong các phịng thí nghiệm.

Hình 1.3. Mơ hình vật lí hệ TRMS.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu.
Hệ thống TRMS là hệ có tính phi tuyến cao, phức tạp cho việc điều khiển. Vì
vậy, trong khn khổ giới hạn của đề tài, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu thiết kế
bộ điều khiển bền vững để giữ ổn định góc nâng cho hệ TRMS.

1.4.

Mục tiêu của đề tài.


15

-

Thiết kế bộ điều khiển bền vững µ-synthesis để điều khiển góc nâng của trục

chính (góc Pitch) và góc xoay của trục đi (góc Yaw), đảm bảo cho hệ thống giữ ổn
định dưới các tác động của nhiễu ngoại lực và nhiễu tín hiệu.
-

Thiết kế bộ điều khiển bền vững µ-synthesis để điều khiển góc nâng của trục

chính (góc Pitch) và góc xoay của trục đi (góc Yaw), đảm bảo cho hệ thống giữ ổn
định dưới ảnh hưởng của sai số mơ hình do tính chất phi tuyến và do sự thay đổi theo
thời gian.
1.5.

Công việc thực hiện.

-

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình tốn của hệ TRMS.

-


Thiết kế, mơ phỏng bộ điều khiển bền vững trên Matlab – Simulink để đạt được

mục tiêu nghiên cứu.
-

Thiết kế và thi công mơ hình thực nghiệm hệ TRMS.

-

Kiểm nghiệm lại bộ điều khiển trên mơ hình thực nghiệm.

1.6.

Cấu trúc của luận văn.
Luận văn gồm có 5 chương và được trình bày theo cấu trúc như sau:

-

Chương 1: trình bày tổng quan về máy bay trực thăng, thực trạng nghiên cứu về

hệ thống TRMS trên thế giới, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
-

Chương 2: trình bày tổng quan về mơ hình vật lí hệ TRMS, xây dựng mơ hình

tốn dựa trên mơ hình vật lí.
-

Chương 3: trình bày cơ sở lí thuyết về bộ điều khiển bền vững, các bước để xây


dựng bộ điều khiển bền vững µ-synthesis.
-

Chương 4: trình bày các bước thiết kế bộ điều khiển bền vững, mô phỏng bộ

điều khiển bền vững hệ TRMS trên Matlab – Simulink.
-

Chương 5: trình bày các thành phần của mơ hình thực nghiệm hệ TRMS và kết

quả của bộ điều khiển bền vững trên mơ hình thực nghiệm.
-

Phần tổng kết các kết quả đạt được, các ưu – nhược điểm của đề tài và đề xuất

hướng phát triển tiếp theo.


16

CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TWIN ROTOR MIMO SYSTEM
2.1.

Giới thiệu tổng quan về mơ hình TRMS.
Máy bay trực thăng là một phương tiện có kết cấu và nguyên lí hoạt động phức tạp.

Việc sử dụng trực tiếp mơ hình tốn của máy bay trực thăng dùng để khảo sát sẽ tăng
độ phức tạp, gây khó khăn trong quá trình nghiên cứu. Vì vậy, mơ hình TRMS là dạng
mơ hình thu nhỏ, giản lược của máy bay trực thăng ngồi thực tế nhằm giảm độ phức
tạp trong q trình phân tích và mơ phỏng hệ thống.

Hệ TRMS gồm có 2 cánh quạt gắn trên 2 động cơ tương ứng. Cánh quạt chính
(main rotor) và cánh quạt đi (tail rotor) dùng để tạo lực đẩy theo chiều ngang và
chiều dọc. Cánh quạt chính dùng để tạo ra lực nâng để nâng hạ hệ thống theo chiều
dọc, tạo ra góc quay quanh trục Pitch. Cánh quạt đuôi dùng để tạo ra lực để đổi hướng
sang trái hoặc phải, tạo ra một góc quay quanh trục Yaw. Trong điều kiện phịng thí
nghiệm, việc thay đổi lực nâng trên các trục được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp
cấp vào các động cơ gắn vào các cánh quạt tương ứng.

Hình 2.1. Mơ hình tổng quát hệ TRMS


17

Hệ thống cơ khí của hệ TRMS được đơn giản hóa thành các các điểm có khối
lượng bao gồm cánh quạt chính, cánh quạt đi, thanh đối trọng và đối trọng. Với mơ
hình cơ khí này, hệ thống chuyển động được ở hai mặt phẳng ngang và dọc được mô tả
bởi hai biến là góc ngang (góc Yaw) và góc dọc (góc Pitch).
2.2.

Mơ hình tốn học của hệ TRMS.
2.2.1. Các lực tác dụng lên mặt phẳng đứng.
Động cơ đuôi

Đối trọng
Động cơ chính

Hình 2.2. Các lực tác dụng lên mặt phẳng đứng.
Như hình 2.2, ta có một số thơng số của mơ hình như sau:
-


mts: khối lượng khung đi.

-

mtr: khối lượng động cơ và cánh quạt đuôi.

-

mt: khối lượng phần đuôi của thanh xoay.

-

mcb: khối lượng của đối trọng.

-

mb: khối lượng của thanh đối trọng.

-

mms: khối lượng khung chính.

-

mmr: khối lượng động cơ và cánh quạt chính.


18

-


mm: khối lượng phần chính của thanh xoay.

-

lcb: chiều dài thanh đối trọng.

-

lc: khoảng cách từ khớp quay đến đối trọng.

-

lm: chiều dài phần chính của thanh xoay.

-

lt: chiều dài phần đuôi của thanh xoay.

-

g: gia tốc trọng trường.
Theo định luật II New-ton về chuyển động ta có:

d2v

M J
v

v


Trong đó:

dt2

(2.1)

-

Jv: tổng mơ-men qn tính tương đối so với trục ngang.

-

Mv: mơ-men tổng các lực trong mặt phẳng đứng.

-

αv: góc của thanh xoay với mặt phẳng đứng (góc Pitch).

Và ta có:

M M M M M M
v

v1

v2

v3


v4

(2.2)

v5

Mô-men trọng lực tác dụng lên thanh xoay:
  m

M
v1









m

  2

 mmr

m

l




ms  m





m



t

 2

 mtr

m

 

lt g  cos  v

ts

 




m





b

l

cb

 2

 mcb lc   g  sinv



(2.3)
Mô-men lực đẩy tác dụng lên thanh xoay:

M v 2  lm  Fv Wm 
Trong đó:
-

Mv2 là mơ-men của lực đẩy được tạo ra bởi cánh quạt chính.

-

Fv(Wm) là hàm phụ thuộc của vận tốc góc cánh quạt chính và lực

đẩy. Mơ-men của lực li tâm xung quanh trục dọc:

(2.4)


19

M

 m
v 3





m

 2

 mmr

m

l



ms  m






m



t

 2

 mtr

m

l

ts  t



m








b

l

cb

 2

 mcb l c



2

  h  cos  v  sinv 

(2.5)
Trong đó:
-

Mv3 là mơ-men của lực li tâm xung quanh trục dọc.

-

ωh là vận tốc góc của thanh xoay.
Mô-men lực ma sát xung quanh trục ngang:

M v 4 v  k fv

(2.6)


Trong đó:
-

Mv4: mơ-men của lực ma sát xung quanh trục ngang.

-

ωv : vận tốc góc của thanh xoay quanh trục ngang.

-

kfv: hệ số ma sát theo trục ngang.
Mơ-men được tạo ra từ q trình điều khiển góc Yaw:

M v 5  k hv uh

(2.7)

Trong đó:
-

uh: tín hiệu điều khiển góc Yaw.

-

khv: hệ số mơ-men tác động của cánh quạt đuôi lên trục Pitch.
2.2.2. Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang.
Như hình 2.3, theo định luật I New-ton về chuyển động ta có:


d 2h

M J
h

Trong đó:

h

dt2

-

Jh: tổng mơ-men qn tính tương đối so với trục dọc.

-

Mh: mơ-men tổng các lực trong mặt phẳng ngang.

-

αh: góc của thanh xoay với mặt phẳng ngang (góc Yaw).

(2.8)


20

Động cơ đi


Động cơ chính

Hình 2.3. Các lực tác dụng lên mặt phẳng ngang.
Và ta có:

M h  M h1  M h 2  Mh3

(2.9)

Mô-men lực đẩy tác dụng lên thanh xoay:

M h1  lt  Fh Wt cosv

(2.10)

Trong đó:
-

Mh1: mơ-men của lực đẩy được tạo ra bởi cánh quạt đi.

-

Fh(Wt): hàm phụ thuộc của vận tốc góc cánh quạt đuôi và lực
đẩy. Mô-men lực ma sát xung quanh trục dọc:

M h 2 h  kfh

(2.11)

Trong đó:

-

Mh2: mơ-men của lực ma sát xung quanh trục dọc.

-

ωh: vận tốc góc của thanh xoay quanh trục dọc.

-

kfh: hệ số ma sát theo trục dọc
Mơ-men được tạo ra từ q trình điều khiển góc Pitch:

M h 3  kvh  cosv uv
Trong đó:
-

uv: tín hiệu điều khiển góc Pitch.

(2.12)


21

kvh: hệ số mơ-men tác động của cánh quạt chính lên trục Yaw.

-

2.2.3. Mơ hình tốn học hệ TRMS.
Từ các biểu thức từ (2.2) đến (2.7), ta có phương trình tốn mơ tả mơ hình cánh

quạt chính:

Jv

2

v

d

  m



dt2



m

  2

 mmr

m

l




ms  m





m



t

 2

 

m

 mtr

lt g  cosv

ts

 

(2.13)
mb l  m l  g  sinv  l F W v  k fv  k hv  u h
 2


 m
m

  m

2



m l

 mmr  mms  l m
  mtr  mts  lt
 lcb
   h  cos  v  sinv
 2

 2
  2

Từ các biểu thức từ (2.9) đến (2.12), ta có phương trình tốn mơ tả mơ hình


cb c 

cb

m

m v


m

t

b

cb

c

cánh quạt đuôi:
2
J d h  l  F W  cos   k  k  cos  u
h

dt2

t

h

t

v

h

fh


vh

v

(2.14)
v

Kết luận:
Chương 2 đã hoàn thành việc thiết lập mơ hình tốn của hệ TRMS bằng các
phương pháp tốn học và các thơng số vật lí. Mơ hình tốn của hệ sẽ được sử dụng để
mơ phỏng bộ điều khiển bền vững được trình bày trong các chương sau.


22

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
Lý thuyết điều khiển bền vững (Robust Control Theory) bắt đầu phát triển từ
cuối thập niên 70 – đầu thập niên 80 với những kĩ thuật điều khiển có tính tới giới hạn
của sự không chắc chắn của đối tượng trong hệ thống điều khiển.
Kĩ thuật điều khiển bền vững với phương pháp chỉnh độ lợi vòng (Loopshaping) đã được phát triển bởi các giáo sư Mc.Farlan và Glover của Đại học
Cambrige; phương pháp dựa trên việc tối thiểu hóa vùng nhạy – vùng S (sensitive) của
hệ thống xét trong miền tần số, đảm bảo hệ thống sẽ không đi lệch ra khỏi quỹ đạo dự
kiến khi nhiễu tác động vào hệ thống. Đây là một trong những phương pháp đầu tiên
đặt nền tảng cho sự phát triển của lý thuyết điều khiển bền vững.
Các phương pháp điều khiển bền vững trong không gian trạng thái phát triển
hơn trong thời gian gần đây (từ những năm 1980) như:
-

Phương pháp phân tích µ và Km.


-

Điều khiển H∞ và các phương pháp liên quan.

-

Tối ưu lồi nâng cao, phương pháp điều khiển bền vững với các ràng buộc bất

đẳng thức tuyến tính LMI.
3.1.

Khái niệm điều khiển bền vững.
Điều khiển bền vững là phương pháp tìm ra bộ điều khiển để duy trì được đáp

ứng của hệ thống và sai số của tín hiệu trong một phạm vi cho phép (chấp nhận được
và thỏa mãn các tiêu chuẩn ổn định bền vững) dưới ảnh hưởng của các thành phần
không xác định của hệ thống điều khiển.


+
u(t)

G

y(t)

u(t)

G


+ Σ

Hình 3.1a. Đối tượng điều khiển kinh điển. Hình 3.1b. Đối tượng điều khiển bền vững.

Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến độ bền vững của hệ thống bao gồm:


×