Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Điều khiển thích nghi bền vững hệ Twin Rotor MIMO - Đinh Văn Nghiệp, ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐINH VĂN NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - NĂM 2018 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐINH VĂN NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TWIN ROTOR MIMO TRONG KHÔNG GIAN BIẾN KHỚP Chuyên ngành: Kỹthuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Như Hiển GS.TS Nguyễn Doãn Phước THÁI NGUYÊN - NĂM 2018 iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Đinh Văn Nghiệp, đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đinh Văn Nghiệp iv LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và các tổ chức.

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện-Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp-Đại học Thái Nguyên, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Phó giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Như Hiển và Giáo sư-tiến sĩ Nguyễn Doãn Phước, những người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi. Thầy giáo Nguyễn Ngọc Kiên, trưởng bộ môn Tự động hóa, người thầy tâm huyết luôn quan tâm, chỉ bảo, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa và Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động và Viện Điện của trường đại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh bản luận án này.

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em, người vợ yêu quý và hai con đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đinh Văn Nghiệp v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN. iv MỤC LỤC. V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

viii Các chữ viết tắt. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. xvi MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của đề tài luận án. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Mục tiêu của luận án. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Bố cục của luận án .5 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TWIN ROTOR MIMO SYSTEM (TRMS). Khái quát chung về Twin Rotor MIMO System (TRMS). Tình hình nghiên cứu trên thế giới về TRMS. Tình hình nghiên cứu trong nước về TRMS .19 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO TRMS.

Xây dựng mô hình toán động lực học cho TRMS. Mô phỏng và đánh giá chất lượng của mô hình .32 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BÁM VỊ TRÍ ĐẶT CHO TRMS. Các bộ điều khiển hiện nay. Đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi hệ phi tuyến RHC với LQR.

Kết quả mô phỏng ứng dụng với TRMS .58 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM. Cấu trúc điều khiển RHC với LQR cho TRMS trong thực nghiệm. Yêu cầu thiết bị, phần mềm thí nghiệm. Hệ thống thí nghiệm thuật toán điều khiển vị trí.

Kết quả thực nghiệm và nhận xét .77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.78 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 87 vii Phụ lục 1. Chương trình lập trình.

Cảm biến dòng điện độ nhạy cao. Các bước tiến hành thiết lập và chạy thực nghiệm. Một số hình ảnh hệ thực nghiệm TRMS sử dụng bộ điều khiển RHC với LQR .127 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các kí hiệu Ký hiệu Mô tả (ý nghĩa) v Chuyển vị góc trong mặt đứng của TRMS (Pitch angle) h Chuyển vị góc trong mặt ngang của TRMS (Yaw angle) m Chuyển vị góc của cánh quạt chính t Chuyển vị góc của cánh quạt đuôi m Vận tốc góc của cánh quạt chính t Vận tốc góc của cánh quạt đuôi v Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt đứng chưa xét ảnh hưởng xen kênh h Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt ngang chưa xét ảnh hưởng xen kênh m Từ thông của động cơ chính m Từ thông của động cơ đuôi B mr Hệ số ma sát nhớt của động cơ chính B tr Hệ số ma sát nhớt của động cơ đuôi Bv Hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt đứng Bh Hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt ngang eam Sức phản điện động phần ứng của động cơ chính eat Sức phản điện động phần ứng của động cơ đuôi eem f m Sức phản điện động phần ứng của động cơ chính eemf t Sức phản điện động phần ứng của động cơ đuôi Véc tơ đơn vị trong ei 3 Fv Ma sát trượt khớp quay trong mặt đứng Fh Ma sát trượt khớp quay trong mặt ngang Fv m  Lực đẩy do cánh quạt chính tạo ra Fh t  Lực đẩy do cánh quạt đuôi tạo ra g Gia tốc trọng trường h chiều dài của chốt quay h1 chiều dài phần sau của chốt quay ix H Chiều cao từ mặt đế đến chốt quay J1 Mô men quán tính của thanh ngang J2 Mô men quán tính của thanh đối trọng J3 Mô men quán tính của chốt quay J4 Mô men quán tính của đuôi chốt quay J mm Mô men quán tính của rotor động cơ một chiều J m ,prop Mô men quán tính của cánh quạt chính J t ,prop Mô men quán tính của cánh quạt đuôi J mr Tổng mô men quán tính của động cơ chính và cánh quạt chính J tr Tổng mô men quán tính của động cơ đuôi và cánh quạt đuôi Jv Tổng mô men quán tính trong mặt đứng Jh Tổng mô men quán tính trong mặt ngang kam Hằng số sức phản điện động của động cơ chính kat Hằng số sức phản điện động của động cơ đuôi kg Hệ số hiệu ứng Gyroscope K Động năng K1 Động năng của thanh ngang K2 Động năng của thanh đối trọng K3 Động năng của chốt quay K4 Động năng của cánh quạt chính K5 Động năng của cánh quạt đuôi lT 2 Khoảng cách từ trọng tâm của thanh đối trọng đến chốt quay lb Chiều dài của thanh đối trọng lcb Khoảng cách từ đối trọng đến chốt quay lm Chiều dài phần chính của thanh ngang lt Chiều dài phần đuôi của thanh ngang Lcb Chiều dài của đối trọng Lm Điện cảm phần ứng của động cơ chính L t Điện cảm phần ứng của động cơ đuôi iam Dòng điện phần ứng của động cơ chính iat Dòng điện phần ứng của động cơ đuôi m Khối lượng x mT 1 Tổng khối lượng của thanh ngang lT 1 Trọng tâm của thanh ngang mt Khối lượng phần phía bên cánh quạt đuôi của thanh ngang m tr Khối lượng động cơ đuôi m ts Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt đuôi mm Khối lượng phần phía bên cánh quạt chính của thanh ngang m mr Khối lượng động cơ chính m ms Khối lượng vành bảo vệ cánh quạt chính mb Khối lượng của thanh đối trọng mT 2 Tổng khối lượng của thanh đối trọng m cb Khối lượng của đối trọng mh khối lượng của chốt quay m h1 khối lượng phần sau của chốt quay Mv Tổng hợp mô men trong mặt phẳng đứng (ảnh hưởng tới góc  v ) Mh Tổng hợp mô men trong mặt phẳng bằng (ảnh hưởng tới góc  h ) Mm Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt chính Mt Tổng hợp mô men tác động lên cánh quạt đuôi rms Bán kính vành bảo vệ cánh quạt chính rts Bán kính vành bảo vệ cánh quạt đuôi rmm Bán kính rotor động cơ chính rm t Bán kính rotor động cơ đuôi rcb Bán kính của đối trọng Ram Điện trở phần ứng của động cơ chính R at Điện trở phần ứng của động cơ đuôi Sv Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt đứng có ảnh hưởng xen kênh Sh Vận tốc góc của thanh ngang trong mặt ngang có ảnh hưởng xen kênh Tmr Hằng số thời gian của hệ cánh quạt-động cơ chính Ttr Hằng số thời gian của hệ cánh quạt-động cơ đuôi m Mô men điện từ của động cơ chính t Mô men điện từ của động cơ đuôi uam Điện áp phần ứng động cơ chính truyền động cánh quạt chính u at Điện áp phần ứng động cơ đuôi truyền động cánh quạt đuôi xi um Điện áp điều khiển ứng với động cơ truyền động cánh quạt chính ut Điện áp điều khiển ứng với động cơ truyền động cánh quạt đuôi u vv Điện áp đặt vào phần ứng động cơ chính [25] uv Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động cơ chính [25] u hh Điện áp đặt vào phần ứng động cơ đuôi [25] uh Điện áp vào mạch khuếch đại công suất cho động cơ đuôi [25] V Thế năng V1 Thế năng của thanh ngang V2 Thế năng của thanh đối trọng V3 Thế năng của chốt quay Các chữ viết tắt A/D Analog / Digital AC Alternating Current DC Direct Current DMC Dynamical Matrix Control GA Genetic Algorithm ISS Input-to-State Stable LQG Linear Quadratic Gausian LQR Linear Quadratic Regulator LTI Linear Time - Invariant MBTT Máy bay trực thăng MIMO Multiple Input Multiple Output MPC Model Prediction Control PD Proportional–Derivative PID Proportional–Integral–Derivative PWM Pulse Width Modulation rad radian RHC Receding Horizon Control rpm revolutions per minute s second TRMS Twin Rotor MIMO System xii TTL Transistor-Transistor Logic UAV Unmanned Aerial Vehicle VDC Volts Direct Current xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Twin Rotor MIMO System (TRMS).

Các vị trí trong không gian 3 chiều của TRMS [3]. Vị trí góc trong mặt đứng  v của TRMS. Vị trí góc trong mặt ngang  h của TRMS. Bộ điều chỉnh PID với khâu lọc vi phân [44].

Bộ điều chỉnh PID dựa trên hàm sigmoid cho TRMS [9] .