Tài liệu điều khiển trượt thích nghi

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------- PHAN MINH THÂN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Chuyên ngành: Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: .................................................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Họ tên học viên : PHAN MINH THÂN Phái : Nam Nơi sinh Ngày tháng năm sinh : 19-10-1980 : Bến Tre Chuyên ngành : Tự Động Hóa Tên đề tài MSHV : 01507728 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Nội dung Chương 1 : TỔNG QUAN Chương 2 : MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG Chương 3 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI Chương 4 : KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN Chương 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Ngày giao đề tài…………… ngày……tháng……năm………. Ngày hoàn thành đề tài……. .ngày……tháng……năm………. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA TS. NGUYỄN ĐỨC THÀNH TRƯỞNG PHÒNG ĐT_SĐH TRƯỞNG KHOA QL_CN LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin chân thành tri ân đến tất cả quý thầy cô thuộc bộ môn Điều Khiển Tự Động, khoa Điện-Điện tử, Trường đại học Bách Khoa TPHCM đã nhiệt tình trang bị những kiến thức quý báo cũng như phương pháp nghiên cứu và giúp đở tôi trong quá trình học tập để hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, ban quản lý bộ môn Tự Động Hóa khoa Điện, Trường đại học Công Nghiệp TPHCM đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình công tác cũng như trong học tập. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Kari Unneland, tác giả bài báo nghiên cứu máy bay trực thăng hai bậc tự do và những thông số kỹ thuật do hãng Quanser cung cấp. Song song đó tôi gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn học viên cao học K18 đã giúp đỡ chia sẽ những khó khăn trong học tập và trong thời gian thực hiện luận văn. Đặc biệt tôi xin chân thành tri ân sâu sắc đến thầy PGS.TS.Dương Hoài Nghĩa (Phó trưởng khoa Điện-Điện tử trường đại học Bách Khoa TPHCM) đã tận tình hướng dẫn, quan tâm trong suốt quá trình làm luận văn. Cuối cùng tôi biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong gia đình tôi, không ngừng động viên trong quá trình học tập, thông cảm và giúp đở tôi trong cuộc sống để tôi an tâm trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học Bách khoa TPHCM. TP_HCM, ngày……..tháng………năm 2009 Học viên Phan Minh Thân TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Điều khiển trượt ra đời năm 1960. Lý thuyết điều khiển trượt được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và quan tâm, với ưu điểm về trạng thái ổn định và tính bền vững giúp hệ thống luôn ổn định ngay cả khi có tín hiệu nhiễu từ môi trường tác động vào hệ thống, hay thông số của đối tượng thay đổi theo thời gian. Bên cạnh đó việc thiết kế bộ điều khiển trượt cần biết chính xác mô hình toán học của đối tượng. Trong thực tế, mô hình động học của đối tượng đôi lúc không thể biết chính xác, đồng thời nếu biên độ của luật điều khiển trượt lớn sẽ làm cho quỹ đạo pha của hệ thống dao động quanh mặt trượt. Điều này sẽ gây ra nhiều hạn chế, điển hình như cơ cấu cơ khí bị mài mòn gây ra sai số cấu trúc lớn theo thời gian, hay là làm nóng mạch điện tử (tiêu tốn công suất vô ích trên các linh kiện). Để khắc phục những hạn chế trên, người ta kết hợp luật điều khiển trượt với luật điều khiển thích nghi sử dụng hệ mờ hoặc mạng neuron hàm cơ sở xuyên tâm RBFNN ( Radial Basis Function Neural Network ) nhận dạng luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa, để ước lượng các hàm phi tuyến trên cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov cho đối tượng. Giải thuật điều khiển trượt thích nghi được áp dụng điều khiển mô hình máy bay trực thăng do hãng Quanser cung cấp. Đối tượng này là hệ phi tuyến MIMO tương đối phức tạp, các thông số mô hình có thể thay đổi, điển hình là khối lượng của máy bay có thể tăng hay giảm theo thời gian. Kết quả điều khiển được kiểm chứng với phần mềm mô phỏng Matlab. ABSTRACT SMC (Sliding Mode Control) appeared in 1960. The controller was rapidly interested in and developed by researchers all over the word because of the stability and robustness against disturbances and the change of parameters of the system. However to design SMC, the exact models of plants has to be known. In reality, mathematical models of complex plants do not specify exactly. Moreover the SMC may create chattering phenomenon around sliding surface. This restriction are the main reason to cause unwanted effects such as making mechanical structures error and increasing temperature on the components of electronic circuits. To solve the these problems, the different controller is proposed with combining sliding mode law and adaptive law based on fuzzy logic or RBFNN ( Radial Basis Function Neural Network ) to indentify linear feedback control law and estimate nonlinear functions. Lyaponov stable theory is used to design this controller. In the thesis, adaptive sliding mode control algorithm is applied to control a two degree of freedom helicopter which is a complex MIMO nonlinear system of Quanser provider. Adaptive law is used when the mass of helicopter changed. The adaptive sliding mode controller is simulated to check on the stability of the controller. MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu ......................................................................................... 1 1.2 Đối tượng điều khiển ....................................................................... 3 1.2.1 Phần cứng mô hình máy bay trực thăng ................................. 3 1.2.2 Kết cấu phần cứng .................................................................... 4 1.2.3 Kết nối board điều khiển ........................................................... 6 1.2.4 Kết nối bộ khuếch đại công suất ............................................... 7 1.3 Mạch điều khiển và mạch động lực............................................. 10 1.3.1 Board Quanser MultiQ PCI................................................... 10 1.3.2 Giới thiệu Wincon 4.1 ............................................................. 11 1.4 Bài toán điều khiển ....................................................................... 17 1.5 Mục tiêu luận văn.......................................................................... 19 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG 2.1 Đặc tính động máy bay trực thăng ............................................ 20 2.1.1 Phân tích lực và moments tác động lên hệ thống ................ 20 2.1.2 Mô hình đơn giản của hệ thống ............................................. 21 2.2 Ảnh hưởng của ngoại lực tác động lên hệ thống ....................... 24 2.2.1 Ma trận chuyển đổi ................................................................. 25 2.2.2 Ảnh hưởng của trọng lực lên tâm khối hệ thống ................. 26 2.2.3 Năng lượng thế năng và động năng....................................... 27 2.2.4 Moment quay tác động lên hệ thống ..................................... 29 2.3 Phương trình toán mô tả hệ thống ............................................. 31 2.3.1 Phương trình Euler – Lagrange ............................................ 31 2.3.2 Ma trận quán tính của hệ thống ............................................ 31 2.3.3 Giải phương trình Euler – Lagrange .................................... 32 2.3.4 Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống ............................. 34 2.4 Các thông số của máy bay trực thăng ........................................ 35 CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 3.1 Giới thiệu........................................................................................ 38 3.2 Lý thuyết điều khiển trượt .......................................................... 39 3.3 Phương pháp chọn mặt trượt và hiện tượng dao động ............. 41 3.3.1 Phương pháp chọn mặt trượt................................................. 41 3.3.2 Hiện tượng dao động quanh mặt trượt ................................. 41 3.4 Xây dựng bộ điều khiển trượt bám ............................................. 43 3.4.1 Mô hình vật lý máy bay trực thăng ....................................... 43 3.4.2 Bộ điều khiển trượt ................................................................. 46 3.5 Xây dựng bộ điều khiển trượt bám thích nghi........................... 55 3.5.1 Lý thuyết điều khiền thích nghi ............................................ 59 3.5.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi gián tiếp ................ 61 3.5.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi trực tiếp ................ 65 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mô phỏng điều khiển trượt bám ................................................. 72 4.1.1 Khi thông số bộ điều khiển và mô hình không đổi............... 73 4.1.2 Ảnh hưởng của thông số bộ điều khiển................................. 75 4.1.3 Ảnh hưởng của thông số mô hình.......................................... 82 4.2 Mô phỏng điều khiển trượt bám thích nghi ............................... 84 4.2.1 Khi thông số bộ điều khiển thay đổi...................................... 84 4.2.2 Khi thông số mô hình thay đổi............................................... 86 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận ..................................................................................................... 88 5.2 Phương hướng phát triển ........................................................................ 89 Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 90 Phụ lục Chương trình M-file và sơ đồ Simulink ...................... 92 1 ___________________________________________________________________ Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Từ giữa thế kỷ 20, nhân loại đã chứng kiến cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Đặc trưng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật này là kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin và công nghệ tự động hóa. Trong đó công nghệ tự động hoá luôn được coi trọng, ứng dụng và phát triển. Việc ứng dụng công nghệ tự động hoá mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt như đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm , tiết kiệm nguyên vật liệu, nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc của người lao động, đóng vai trò tích cực trong việc giữ gìn bảo vệ môi sinh … Bước sang thế kỷ 21, kỹ thuật tự động hoá tiếp tục được phát triển theo hướng tối ưu hóa với việc dần chuyển sang ứng dụng các lý thuyết điều khiển thông minh vào công nghiệp và đời sống. Ngày càng nhiều Robot thông minh có khả năng độc lập hoạt động với rất nhiều mục đích chuyên biệt khác nhau ra đời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống từ Robot bán hàng tự động, Robot lau nhà đến các Robot y tá làm việc trong các bệnh viện hay Robot hỗ trợ người tàn tật…Không những thế, nó còn được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng và đặc biệt là ngành khoa học vũ trụ như các hệ thống điều khiển tên lửa đạ đạo, máy bay không người lái, điều khiển tàu vũ trụ, điều khiển các Robot tự hành do thám các hành tinh…mở ra những chân trời mới cho loài người. Tất cả đều được áp dụng từ các giải thuật điều khiển thông minh hiện đại. CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 2 ___________________________________________________________________ Trong công nghiệp,cùng với việc phát triển theo hướng hiện đại hóa, song song với các giải thuật điều khiển kinh điển lâu đời, các giải thuật thông minh cũng đang ngày càng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong các hệ thống. Ban đầu là sự kết hợp các giải thuật kinh điển với các giải thuật thông minh như Bộ điều khiển mờ PID điều khiển lò nhiệt, mực chất lỏng, cánh tay Robot…và thu được kết quả rất khả quan, đặc biệt là các hệ thống phức tạp, mà thông tin về đối tượng không đầy đủ hoặc thiếu độ tin cậy. Tuy nhiên, Bộ điều khiển mờ PID gặp khó khăn khi đối tượng thay đổi mạnh theo điều kiện môi trường, yêu cầu phải cập nhật liên tục thông số bộ điều khiển. Khi đó, các bộ điều khiển thông minh khác liên tục ra đời khắc phục những khuyết điểm trên như bộ điều khiển tối ưu, bền vững, trượt thích nghi… Chính vì tầm quan trọng của lĩnh vực điều khiển thông minh như đã đề cập ở trên, trong những năm gần đây lý thuyết điều khiển hiện đại đã được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học và cao học ngành điều khiển tự động, trường Đại học Bách khoa TP HCM. Và từ những nền tảng kiến thức đó đã có nhiều luận án nghiên cứu lý thuyết điều khiển trượt thích nghi. Có thể kể đến một vài công trình như là: Điều khiển nhiệt độ, điều khiển arcrobot, điều khiển hệ cần cẩu, điều khiển máy bay trực thăng, điều khiển hệ con lắc ngược … trong đó mô hình máy bay trực thăng là một đối tượng phi tuyến điển hình rất khó điều khiển. Đã có nhiều tác giả của nhiều trường đại học trên thế giới đề nghị các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng đa số còn dừng lại ở dạng lý thuyết và tài liệu nghiên cứu. Vì vậy, việc điều khiển thành công mô hình máy bay trực thăng bằng lý thuyết điều khiển hiện đại chứng tỏ chúng ta đã tiếp cận tốt xu hướng hiện đại và hoàn toàn có đủ khả năng để thiết kế các hệ thống điều khiển hiện đại phục vụ cho đời sống, công nghiệp hay thậm chí cho khoa học vũ trụ. CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 3 ___________________________________________________________________ Trong luận văn này, tôi chọn giải thuật điều khiển trượt thích nghi. Nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu mô hình trượt điều khiển mô hình máy bay trực thăng theo đáp ứng theo tín hiệu đặt mong muốn. 1.2 Đối tượng điều khiển 1.2.1 phần cứng máy bay trực thăng Hình 1.1 Mô hình máy bay trực thăng Mô hình máy bay trực thăng có các phần chính như sau : • Hai động cơ DC điều khiển hai góc quay ( pitch and yaw angle). • Góc pitch là góc nâng hay hạ thân máy bay so với phương nằm ngang. • Góc yaw là góc xoay thân máy bay so với phương thẳng đứng. • Hai nguồn cung cấp điện áp độc lập cho hai động cơ. • Hai đường tín hiệu hồi tiếp được đo bởi hai encoder trục pitch và trục yaw CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 4 ___________________________________________________________________ 1.2.2 Kết cấu phần cứng Hình 1.2a Các thành phần máy bay trực thăng Hình 1.2b kết cấu động cơ máy bay trực thăng CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 5 ___________________________________________________________________ Hình 1.2c Kết cấu động cơ máy bay trực thăng STT Giải thích STT Giải thích 13 Khối trục quay quanh trục yaw 1 Cánh quạt động cơ sau 2 Khung bảo vệ cánh quạt động cơ 14 Khối lồng dây điều khiển sau 3 Động cơ sau (động cơ trục yaw) 15 Encoder trục yaw 4 Encoder trục pitch 16 Đế mô hình máy bay 5 Trục yaw 17 Kết nối D/A động cơ trước 6 Thân máy bay 18 Không sử dụng 7 Cánh quạt động cơ trục pitch 19 Kết nối động cơ sau 8 Động cơ trước (động cơ trục pitch) 20 Kết nối encoder trục yaw 9 Khung bảo vệ cánh quạt động cơ 21 Không sử dụng trước 10 Mạch điện cho động cơ và encoder 22 Kết nối encoder trục yaw 11 Không sử dụng 23 Không sử dụng 12 Mạch kết nối động cơ 24 Không sử dụng CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 6 ___________________________________________________________________ 1.2.3 Kết nối với board điều khiển Hình 1.3a Kết nối board điều khiển máy bay trực thăng Chi tiết về cách sử dụng board Quanser MultiQ PCI như sau Hình 1.3b Sơ đồ khối của board CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 7 ___________________________________________________________________ 1.2.4 Kết nối bộ khuếch đại công suất Hình 1.4a Bộ khuếch đại công suất UPM-2405 Hình 1.4b Bộ khuếch đại công suất UPM-1503 CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 8 ___________________________________________________________________ Bộ khuếch đại UPM2405 được sử dụng cho động cơ Pitch, sử dụng cáp nối có nhãn hiệu “Gain 5” cho ngõ ra của bộ nguồn tới động cơ Pitch. Khi tín hiệu điều khiển qua bộ nguồn này thì sẽ được khuếch đại lên 5 lần. Bộ khuếch đại UPM1503 được sử dụng cho động cơ Yaw, sử dụng cáp nối có nhãn hiệu “ Gain 3” cho ngõ ra của bộ nguồn tới động cơ Yaw. Khi đó tín hiệu điều khiển qua bộ này sẽ được khuếch đại lên 3 lần. Sơ đồ kết nối từ bộ khuếch đại công suất đến động cơ Hình 1.4c Sơ đồ kết nối mạch công suất CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 9 ___________________________________________________________________ Hình 1.5 Kết nối đế mô hình máy bay trực thăng Cap Từ nơi Đến nơi Giải thích Board chuyển đổi DAC 1 Tín hiệu điều khiển bộ với cổng kết nối khuếch đại công suất UPM-2405 port #0 UPM-2405 Board chuyển đổi DAC 2 Tín hiệu điều khiển bộ với cổng kết nối khuếch đại công suất UPM-1503 port #1 3 4 5 UPM-1503 Bộ khuếch đại công Động cơ trước cổng kết Cáp kết nối động cơ suất UPM-2405 nối port #0 trước với độ lợi 5 lần Bộ khuếch đại công Động cơ sau cổng kết Cáp kết nối động cơ suất UPM-1503 nối port #1 sau với độ lợi 3 lần Encoder trục yaw Board (encoder kênh #0) Tín hiệu hồi tiếp góc pitch đến board kênh #0 6 Encoder trục pitch Board (encoder kênh #1) Tín hiệu hồi tiếp góc kênh#1 CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa yaw đến board HVTH: Phan Minh Thân 10 ___________________________________________________________________ 1.3 Mạch điều khiển và mạch động lực 1.3.1 Giới thiệu Board Quanser MultiQ PCI Card Quanser MultiQ PCI là card giao tiếp đa năng có: 9 48 kênh vào ra số 9 20 trong số 48 kênh có thể ngắt theo cạnh 9 7 trong số những ngõ ra số có thể được sử dụng như ngõ ra tràn bộ đếm 9 Những kết nối vào ra số theo chuẩn cổng nghiệp 9 Bộ định thì kiểm soát có thể chọn những thời điểm khác nhau để reset Bus PCI 9 6 bộ đếm tăng giảm 24 bit được xếp thành 3 cặp. ƒ Có thể chọn tầm cho ngõ vào của encoder; có 3 chế độ nhân tầm 1x, 2x, 4x từ ngõ vào của encoder loại Incremental, ngõ vào số. ƒ Có thể phát ngắt khi bộ đếm tràn. ƒ Có thể đặt trước giá trị tràn hay xóa giá trị tràn. ƒ Ngõ vào của bộ đếm thứ hai có thể giữ lại giá trị tràn của bộ đếm thứ nhất. ƒ Có thể sử dụng như bộ tạo ngắt định kỳ có thể lập trình được. 9 16 ngõ vào analog dạng vi sai, độ phân giải 14 bit 9 4 ngõ ra analog (13 bit) CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân 11 ___________________________________________________________________ 1.3.2 Giới thiệu về WinCon 4.1 WinCon là trình ứng dụng thời gian thực chạy trong Win XP hay Win 2000. Chúng ta có thể chạy mô hình Simulink trong WinCon ở thời gian thực trên cùng máy tính. Dữ liệu có được từ việc chạy đoạn mã có thể được vẽ trực tiếp trong Scope của WinCon, và thông số mô hình có thể được thay đổi trực tiếp từ WinCon như thay đổi trong Matlab. WinCon gồm hai phần riêng biệt: WinCon Client và WinCon Server. Hai phần này giao tiếp với nhau thông qua thủ tục TCP/ IP. WinCon Client chạy trong thời gian thực, còn WinCon Server chạy trong chế độ người sử dụng. WinCon hỗ trợ hai dạng kết nối với máy tính. Kết nối nội (như 1 máy đơn), kết nối từ xa ( từ hai hay nhiều máy trở lên). ¾ Kết nối nội: 9 WinCon Client chạy đoạn mã thời gian thực trên cùng một máy và tại cùng một thời điểm như WinCon Server.Hình 1.14 cho ta cách hiểu về kết nối nội Hình 1.6 Cách kết nối nội 9 Khi đó người dùng tương tác với chương trình chạy thời gian thực thông qua WinCon Server. CBHD: PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa HVTH: Phan Minh Thân