Đang tạo bản xem trước...
NGUYỄN ĐÌNH TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ THỐNG TWIN ROTOR NHIỀU VÀO RA Ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số: 8520114 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. PHAN ĐÌNH HIẾU Hà Nội – 2026 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin khẳng định rằng đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát và điều khiển phi tuyến cho hệ thống Twin Rotor nhiều vào ra” là kết quả nghiên cứu do tôi trực tiếp thực hiện, dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn. Các tài liệu tham khảo cũng như kết quả nghiên cứu của các tác giả khác được sử dụng trong luận văn, đều đã được ghi rõ nguồn và trích dẫn đầy đủ theo quy định. Những nội dung trình bày trong luận văn được thể hiện một cách trung thực và chưa xuất hiện trong bất kỳ công trình khoa học nào trước đây. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về tính chính xác, trung thực cùng các nội dung mang tính khoa học của luận văn này. Hà Nội, ngày ...... tháng ...... năm 2026 Học viên Nguyễn Đình Trường
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn thạc sĩ, tôi đã nhận được nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ quý báu từ các cá nhân và tập thể. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Đình Hiếu - giảng viên hướng dẫn, người đã tận tâm định hướng, góp ý chuyên môn và dành nhiều thời gian hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện cũng như hoàn thiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa/viện đào tạo đã trang bị cho tôi nền tảng kiến thức chuyên ngành vững chắc, giúp tôi có cơ sở để triển khai đề tài nghiên cứu này. Và thêm nữa, tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn đồng hành, chia sẻ kinh nghiệm và hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Đặc biệt, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc tới gia đình - những người đã luôn bên cạnh động viên và tạo điều kiện thuận lợi để tôi yên tâm học tập và hoàn thành chương trình nghiên cứu. Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và các nhà khoa học để tiếp tục hoàn thiện hơn nội dung nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày ...... tháng ...... năm 2026 Học viên Nguyễn Đình Trường
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................ii MỤC LỤC........................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT......................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................. vii DANH MỤC BẢNG......................................................................................viii MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài. ...................................................................................... 1 2. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 3 3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................... 5 4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 5 5. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 6 6. Bố cục của luận văn................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TWIN ROTOR....................... 8 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống TRMS ..................................................... 8 1.2. Cấu trúc hệ thống TRMS...................................................................... 10 1.3. Các khó khăn khi thiết kế hệ thống điều khiển TRMS ........................ 13 1.3.1. Tính phi tuyến của hệ thống .......................................................... 13 1.3.2. Tương tác giữa các kênh điều khiển (Cross-Coupling)................. 14 1.3.3. Tác động của nhiễu và bất định mô hình....................................... 14 1.3.4. Hệ thống cảm biến và điều khiển .................................................. 15
iv 1.3.5. Thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và thử nghiệm......................... 16 1.4. Ứng dụng TRMS.................................................................................. 16 1.4.1. Nghiên cứu điều khiển phi tuyến................................................... 16 1.4.2. Đào tạo kỹ thuật điều khiển........................................................... 17 1.4.3. Kiểm tra và phát triển thuật toán học máy .................................... 17 1.4.4. Mô phỏng hệ thống máy bay trực thăng........................................ 18 1.4.5. Nghiên cứu tương tác giữa các kênh điều khiển ........................... 18 1.4.6. Thử nghiệm các kỹ thuật tối ưu hóa .............................................. 18 1.5. Kết luận. ............................................................................................... 19 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TWIN ROTOR ........................................................................................................... 20 2.1. Mô hình động lực học hệ thống twin rotor........................................... 20 2.1.1. Vị trí và vận tốc các cánh tay đòn, thanh đối trọng và khớp xoay 20 2.1.2. Biểu thức năng lượng .................................................................... 24 2.1.3. Phương trình Lagrange .................................................................. 27 2.2. Cơ sở lí thuyết bộ quan sát trạng thái hệ thống.................................... 29 2.2.1. Khái niệm và phân loại bộ quan sát............................................... 29 2.2.2. Giới thiệu bộ quan sát GPI ............................................................ 42 2.3. Các bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống twin rotor. ......................... 48 2.3.1. Điều khiển trượt SMC ................................................................... 48 2.3.2. Điều khiển thích nghi..................................................................... 49 2.3.3. Điều khiển mờ ............................................................................... 50
v 2.3.4. Điều khiển bằng mạng neural........................................................ 51 2.4. Kết luận. ............................................................................................... 54 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT GPI VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DÙNG MẠNG RBFNN....................................................................... 55 3.1. Thiết kế bộ quan sát GPI...................................................................... 55 3.1.1. Xây dựng bộ quan sát cho hệ thống Twin Rotor sử dụng kỹ thuật quan sát GPI............................................................................................. 55 3.1.2. Đánh giá khả năng hội tụ của bộ quan sát GPI cho hệ TRMS...... 59 3.2. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến sử dụng điều khiển trượt thích nghi kết hợp mạng nơ ron RBF ................................................................................. 61 3.3. Phân tích tính ổn định hệ thống TRMS................................................ 63 3.4. Kết luận. ............................................................................................... 64 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ............................... 66 4.1. Mô hình toán học và các tham số mô phỏng........................................ 66 4.2. Kết quả mô phỏng và so sánh, đánh giá chất lượng hệ thống TRMS.. 69 4.2.1. Kết quả mô phỏng.......................................................................... 69 4.2.2. Phân tích hiện tượng dao động tần số cao(chettering) .................. 76 4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu ...................................................... 76 4.3. Kết luận. ............................................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 79 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................ 82 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................................... 86 PHỤ LỤC........................................................................................................ 87
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt TRMS Twin Rotor MIMO System Hệ thống Twin Rotor MIMO GPI Generalized Proportional Integral Bộ quan sát tỷ lệ tích phân tổng quát TITO Two-Input Two-Output Hai đầu vào hai đầu ra MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra RBFNN Radial Basic Function Neural Network Mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm UAV Unmanned Aerial Vehicle Thiết bị bay không người lái PSO Particle Swarm Optimization Thuật toán tối ưu bầy đàn SMC Sliding Mode Control Bộ điều khiển trượt PID Proportional–Integral–Derivative Điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân LQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều khiển tuyến tính bậc hai GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền MPC Model Predictive Control Điều khiển dự đoán mô hình MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương nhỏ nhất ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo SMO Sliding Mode Observer Bộ quan sát trượt NNO Neural Network Observer Bộ quan sát mạng nơ-ron
vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cấu trúc vật lý của hệ thống Twin Roto MIMO System................ 10 Hình 1.2. Cấu trúc phần cơ và điện của hệ TRMS ......................................... 13 Hình 2.1. Hệ thống Twin Roto Mimo............................................................. 22 Hình 2.2. Hình chiếu đứng của hệ Twin Roto Mimo ..................................... 22 Hình 2.3. Hình chiếu bằng của hệ Twin Roto Mimo...................................... 23 Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ quan sát trạng thái Luenberger................................ 31 Hình 2.5. Quá trình thực hiện của bộ quan sát Kalman.................................. 32 Hình 2.6. Sơ đồ bộ quan sát GPI cho hệ thống TRMS................................... 42 Hình 2.7. Mạch điều khiển hệ thống TITO..................................................... 50 Hình 2.8. Sơ đồ điều khiển FGSPID............................................................... 51 Hình 2.9. Bộ điều khiển thích nghi sử dụng mô hình ngược .......................... 52 Hình 2.10. Cấu trúc của bộ điều khiển AFC................................................... 53 Hình 3.1. Cấu trúc của RBFNN ...................................................................... 62 Hình 3.2. Sơ đồ bộ quan sát GPI và điều khiển hệ thống TRMS ................... 63 Hình 4.1. Sơ đồ khối mô tả hệ thống điều khiển TRMS trên Matlab............. 68 Hình 4.2. Đặc tính về góc đảo lái và góc chao dọc........................................ 69 Hình 4.3. Đặc tính về tín hiệu điều khiển các góc TRMS ............................. 70 Hình 4.4. Đặc tính về tín hiệu điều khiển các góc TRMS khi không bù nhiễu ......................................................................................................................... 70 Hình 4.5. Đặc tính của nhiễu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng từ bộ quan sát..................................................................................................................... 71
viii Hình 4.6. Hàm các thành phần không xác định được lấy từ RBFNN ............ 71 Hình 4.7. Đặc tính về góc đảo lái và góc chao dọc đầu vào dạng sin............. 72 Hình 4.8. Đặc tính về tín hiệu điều khiển các góc TRMS đầu vào dạng sin.. 73 Hình 4.9. Đặc tính về tín hiệu điều khiển các góc TRMS khi không bù nhiễu ......................................................................................................................... 73 Hình 4.10. Đặc tính của nhiễu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng từ bộ quan sát..................................................................................................................... 74 Hình 4.11. Hàm các thành phần không xác định được lấy từ RBFNN .......... 74 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh TRMS và trực thăng.......................................................... 11 Bảng 2.1. So sánh các bộ quan sát trạng thái hệ thống................................... 41 Bảng 4.1. Các tham số mô phỏng cho hệ TRMS............................................ 66 Bảng 4.2. Đánh giá đáp ứng trường hợp tín hiệu đặt dạng bước nhảy........... 75 Bảng 4.3. Đánh giá đáp ứng trường hợp tín hiệu đặt dạng sin ....................... 75
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Nhiều công nghệ tiên tiến ngày nay như trí tuệ nhân tạo, điều khiển tự động, và robot thông minh giữ vai trò quan trọng then chốt trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, chất lượng cũng như mức độ tự động của quá trình sản xuất công nghiệp. Sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy ngành điều khiển tự động đạt được nhiều thành tựu nổi bật. Đáng chú ý, các hệ thống thực tế hiện nay thường có đặc điểm phi tuyến, đa biến và chịu tác động của nhiều yếu tố bất định. Vậy nên, việc nghiên cứu, thiết kế và phát triển các phương pháp điều khiển phi tuyến trở nên cần thiết nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động cũng như độ tin cậy trong vận hành của hệ thống [1], [2]. Lý thuyết điều khiển hiện đại cung cấp nhiều công cụ hữu ích, đặc biệt là phương pháp tiếp cận theo hướng không gian trạng thái, cho phép phân tích và xây dựng hệ điều khiển một cách tổng quát. Cách tiếp cận này đặc biệt phù hợp với các hệ đa biến có cấu trúc phức tạp [3]. Ngoài ra, nhiều phương pháp tiên tiến như điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi và mạng nơ ron nhân tạo được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhằm xử lý các hệ phi tuyến có sự biến đổi tham số và tồn tại nhiều yếu tố không chắc chắn [4], [5]. Một trong những đối tượng tiêu biểu thường được sử dụng trong nghiên cứu điều khiển phi tuyến là hệ Twin Rotor Mimo System (TRMS). Hệ này có tính phi tuyến cao và tồn tại sự tương tác giữa các kênh điều khiển. Do đó, TRMS thường được xem như một mô hình thực nghiệm nhằm khảo sát và kiểm chứng hiệu quả của các thuật toán điều khiển hiện đại [6]. Xuất phát từ các yêu cầu thực tiễn đặt ra, đề tài "Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát và điều khiển phi tuyến hệ thống Twin Rotor nhiều vào ra" không chỉ là một
2 hướng nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao, mà còn là hành trình khám phá chuyên sâu nhằm củng cố nền tảng kiến thức chuyên môn, nhằm hình thành tư duy khoa học và tiếp cận các phương pháp điều khiển tiên tiến trong ngành robot và điều khiển tự động. Dưới đây là những lý do chi tiết về sự chọn đề tài: Tính ứng dụng thực tế: Hệ thống Twin Rotor MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) thường được ứng dụng như một hệ thống phục vụ thí nghiệm mô phỏng chuyển động của trực thăng và các UAV để tăng cường hiệu suất và khả năng kiểm soát. Các nhóm nghiên cứu trực thăng và UAV có thể triển khai hệ thống Twin Rotor MIMO để thử nghiệm và phát triển các thuật toán kiểm soát mới, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và khả năng kiểm soát của các hệ thống bay tự động. Thách thức khoa học và phát triển công nghệ: Hệ thống Twin Rotor MIMO có tính hiện đại và phức tạp. Đây là hệ thống nhiều tín hiệu vào và ra phức tạp, đòi hỏi một bộ điều khiển có độ chính xác cao và hiệu quả. Việc nghiên cứu về bộ điều khiển hiện đại sẽ đối mặt với những thách thức khoa học - công nghệ, qua đó thúc đẩy sự sáng tạo và hoàn thiện các kỹ thuật điều khiển tiên tiến. Hệ thống này không chỉ đặt ra thách thức với việc kiểm soát vận động và ổn định, đồng thời còn đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn về độ chính xác và đồng đều giữa những biến vào và biến ra. Sự phức tạp này đòi hỏi một bộ điều khiển hiện đại, với khả năng tiếp nhận và xử lý thông tin từ nhiều nguồn đầu vào và điều chỉnh nhanh chóng để duy trì hiệu suất tối ưu. Cải thiện hiệu suất: Tối ưu hóa hệ thống Twin Rotor MIMO có thể dẫn đến việc cải thiện hiệu suất toàn diện, từ khả năng điều khiển với sự chuẩn xác đến tăng cường
Hiển thị 11 trang đầu. Tải tài liệu để xem đầy đủ.
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!
Bình luận (0)
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!