Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do bằng phương pháp bền vững tổng hợp µ

Bài viết trình bày việc đề xuất bộ điều khiển bền vững tổng hợp µ cho hệ thống điều khiển phi tuyến mô hình thu nhỏ máy bay trực thăng (TRMS). Thực tế, điều khiển hệ phi tuyến dưới ảnh hưởng của nhiễu và các sai số không xác định luôn gặp nhiều khó khăn và thách thức.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do bằng phương pháp bền vững tổng hợp µ CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỀN VỮNG TỔNG HỢP µ ANALYSIS AND DESIGN OF HELI-2-DOF CONTROL SYSTEM VIA µ SYNTHESIS ROBUST CONTROL METHOD ĐẶNG XUÂN KIÊN, NGUYỄN TRƯỜNG PHI Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất bộ điều khiển bền vững tổng hợp µ cho hệ thống điều khiển phi tuyến mô hình thu nhỏ máy bay trực thăng (TRMS). Thực tế, điều khiển hệ phi tuyến dưới ảnh hưởng của nhiễu và các sai số không xác định luôn gặp nhiều khó khăn và thách thức. Bài báo giới thiệu phương pháp điều khiển bền vững tổng hợp µ cho hệ TRMS, so sánh kết quả với phương pháp điều khiển bền vững H∞, kết quả mô phỏng đã chứng minh được phương pháp đề xuất đạt được ổn định và chất lượng bền vững. Từ khóa: Mô hình máy bay trực thăng, điều khiển bền vững tổng hợp µ, điều khiển bền vững H∞. Abstract In this paper, we propose the robust µ_synthesis controller for a twin rotor MIMO system (TRMS) which is considered as a helicopter nonlinear system. In fact, the problem of controlling nonlinear system has many interesting challenges under the effect of the disturbance and the uncertainty of control system. We present a robust control method via µ_Synthesis approach to compare with the H∞ robust control method, the simulation results illustrated the designed robust µ_synthesis controller achieved both stability and performance robustness for the entire family of TRMS model. Keywords: Twin Rotor MIMO System, µ_Synthesis robust control, H∞ robust control. 1. Đặt vấn đề Hệ thống điều khiển mô hình máy bay trực thăng (TRMS) - MIMO Twin Rotor [1-2] thương mại được phát triển bởi nhiều hãng chuyên sản xuất thiết bị thí nghiệm trên thế giới, trong đó hãng Feedback Instruments đã chế tạo hệ MIMO Twin Rotor (hình 1) dùng cho các thực nghiệm và đang dần được sử dụng phổ biến làm mô hình nghiên cứu trong các trường đại học, phòng thí nghiệm như một công cụ để kiểm chứng cho tính hiệu quả của các lý thuyết điều khiển tự động vì nó khá gần gũi trong thực tế. Hình 1. Mô hình hệ thống MIMO Twin Rotor của hãng Feedback Instruments [1] Với đối tượng trong hình 1, mục tiêu điều khiển là làm cho thanh chính của hệ bám theo quỹ đạo mong muốn hoặc giữ ổn định tại một vị trí đặt chính xác và nhanh chóng. Có rất nhiều phương pháp để điều khiển giữ ổn định cho hệ MIMO Twin Rotor, từ các phương pháp kinh điển [3-5] đến các phương pháp điều khiển hiện đại [6-7]. Hiện nay, các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển trượt, thích nghi, mạng nơron và ứng dụng các thuật toán phỏng sinh học như tối ưu kiểu đàn ong (Artificial Bee Colony) [8], tối ưu kiểu bầy đàn (Particle Swarm Optimization) [9] cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi bởi tính hiệu quả của nó, đặc biệt là điều khiển các hệ thống có tính phi tuyến cao như hệ MIMO Twin Rotor nhưng các nghiên cứu trên chưa xem xét đến khía cạnh bền vững trong điều khiển. Với hệ MIMO Twin Rotor, trong một nghiên cứu gần đây các tác giả đã tính toán và mô phỏng hệ thống điều khiển có áp dụng tiêu chí bền vững H∞ [10] vào mô phỏng cho kết quả khá tốt. Trong bài báo này, tác giả dựa trên phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bền vững thông qua tiêu chuẩn D-K (µ_Synthesis) phân tích điều khiển mô hình máy 24 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 52 - 11/2017  CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 bay trực thăng hai bậc tự do. Kết quả tính toán thiết kế và mô phỏng được kiểm chứng và đánh giá so sánh với phương pháp điều khiển bền vững H∞ [10]. 2. Mô hình toán học hệ thống máy bay trực thăng hai bậc tự do Hình 2. Mô hình cân bằng hệ TRMS Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định mô hình động học của máy bay trực thăng (TRMS) bằng các phương pháp Newton, phương pháp Lagrange. Trong bài báo này, các tác giả . đề xuất sử dụng mô hình Euler - Lagrange cho đối tượng TRMS [2], trong đó ta gọi  v và  v lần . lượt là góc và vận tốc góc của trục chính (pitch), gọi  h và  h lần lượt là góc và vận tốc góc của trục đuôi (yaw). Giả thiết đối tượng làm việc trong điều kiện phòng thí nghiệm áp suất không khí, nhiệt độ ổn định để đơn giản trong tiếp cận bài toán điều khiển, bỏ qua phương trình khí động lực học của cánh quạt mà tiến hành khảo sát để lấy số liệu xây dựng mô hình toán. Các phương trình toán sau khi rút gọn, ta được phương trình (1) và (2): d 2 v   mm  m   m  Jv     mmr  mms  lm   t  mtr  mts  lt  * g *cos v   b lb  mclc  * g *sin v dt 2   2   2    2   lm * Fv (Wm )  v * kv  khv * uh  m  m  m    m  mmr  mms  lm   t  mtr  mts  lt   b lb  mclc   * h *cos v *sin v 2  2   2   2  (1) d 2 h Jh  lt * Fh (w t ) ...