Tài liệu Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor tt.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG VĂN HUY NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PHI TUYẾN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Đào Hoa Việt 2. TS Hoàng Quang Chính Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số /QĐ-HV, ngày tháng năm 2018 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi giờ 00 ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia 1 MỞ ĐẦU DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Hoàng Văn Huy, Hoàng Quang Chính (2012), Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ trượt bền vững cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu; Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6, VCM tháng 12 năm 2012, trang 265-271. 2. Hoàng Quang Chính, Đào Hoa Việt, Hoàng Văn Huy, Phạm Ngọc Sâm (2016), Mô phỏng hệ điều khiển độ cao quadrotor dùng động cơ một chiều không tiếp xúc, Số 43 trang 65-73, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. 3. Tran Duc Chuyen, Nguyen Thanh Tien, Hoang Van Huy, Dao Hoa Viet (2015), Designing A Synthesizing Adaptive Backstepping Sliding Mode Controller for Drive Systems Tracking Electric Mechanisms Using Synchronous Ac Motors, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, page: 64-72. Volume 5, Issue 3, March 2015. 4. Hoang Van Huy, Hoang Quang Chinh, Dao Hoa Viet (2017), Synthesis of the Quadrotor Control Loop Using Feedback Linearization and Optimum Modulus Methods, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – Học viện Kỹ thuật Quân sự, Số 186 (10-2017) trang 87-99 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu: Hệ truyền động điện của cơ cấu chấp hành điều khiển 4 cánh quạt của quadrotor là hệ thống truyền động nhiều động cơ làm việc có sự liên hệ ràng buộc với nhau, trong quá trình điều khiển quadrotor, việc nghiên cứu đưa ra các thuật toán điều khiển khi có những liên hệ ràng buộc của các hệ truyền động cánh quạt của quadrotor nhằm nâng cao chất lượng điều khiển là một vấn đề khoa học và tính thực tiễn cao. Với tính cấp thiết như vậy, hướng nghiên cứu của luận án được lựa chọn là “Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động điện phi tuyến chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc ứng dụng trong điều khiển quadrotor” Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học của quadrotor khi kể đến động lực học của hệ truyền động cánh quạt; nghiên cứu lý thuyết hệ điều khiển trượt, thích nghi ứng dụng điều khiển động cơ chấp hành trong hệ truyền động cánh quạt quadrotor; tổng hợp bộ điều khiển với cách tiếp cận phương pháp tuyến tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng cho mô hình động lực học của quadrotor. Đối tượng nghiên cứu là robot bay quadrotor với các hệ truyền động cánh quạt sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Xây dựng mô hình động lực học quadrotor có tính đến hệ truyền động điện động cơ cánh quạt. Phân tích đánh giá những yếu tố có liên hệ ràng buộc giữa các tác động đầu vào/ra của hệ thống; nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển cho hệ truyền động cánh quạt quadrotor trong trường hợp sử dụng động cơ điện PMSM; nghiên cứu, ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi và phương pháp tối ưu đối xứng trong việc tổng hợp các vòng điều khiển quadrotor; tiến hành mô phỏng hệ điều khiển quadrotor với mô hình khi tính đến động cơ chấp hành là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển trượt, thích nghi, thuật toán điều khiển tuyến tính hóa phản hồi và tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ điều khiển quadrotor. Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink làm công cụ cho nghiên cứu mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ chấp 2 31 hành là động cơ điện PMSM. Những đóng góp mới của luận án: Xây được mô hình đầy đủ hệ thống điều khiển quadrotor khi kể đến động cơ chấp hành có liên hệ giữa các kênh thông qua các tín hiệu điều khiển, để từ đó xây dựng được cấu trúc của hệ điều khiển và quy luật điều khiển khi kể đến hệ truyền động động cơ quay cánh quạt. Trên cơ sở phân chia chuyển động, luận án đã xây dựng được một phương pháp để thiết kế một hệ thống phức tạp chứa nhiều kênh và nhiều mối liên hệ ràng buộc, chỉ ra trình tự thiết kế các bộ điều khiển thành phần và bài toán thiết kế tổng hợp cả hệ thống. Tổng hợp được bộ điều khiển trượt, thích nghi cho hệ truyền động cánh quạt sử dụng động cơ PMSM, có khả năng làm việc bền vững và ổn định cao khi có sự thay đổi thông số của quadrotor và phụ tải. Tính đúng đắn của thuật toán nêu ra đã được kiểm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm. Tổng hợp được bộ điều khiển quadrotor theo phương pháp tuyến tính hóa phản hồi, trượt thích nghi và tối ưu đối xứng khi kể đến động học động cơ chấp hành quay cánh quạt có mô hình phi tuyến (động cơ điện PMSM) Cấu trúc của luận án: Luận án gồm: Phần mở đầu, bốn chương và kết luận, trình bày trong 151 trang thuyết minh, 113 hình vẽ, đồ thị và phần phụ lục: Chương 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển quadrotor và hệ truyền động điện chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc với nhau Chương 2: Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển và cấu trúc tổng quát của hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động lực học động cơ chấp hành Chương 3: Tổng hợp bộ điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu quay cánh quạt bằng phương pháp trượt thích nghi ứng dụng trong hệ thống điều khiển quadrotor Chương 4: Tổng hợp hệ điều khiển góc và điều khiển vị trí của quadrotor khi kể đến động học của động cơ chấp hành hình phi tuyến. Kết quả thực hiện được tóm tắt như sau: 1. Những nghiên cứu đã thực hiện trong luận án Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện cho cơ cấu chấp hành để quay cánh quạt quadrotor với mô hình đầy đủ bao gồm động cơ chấp hành và mô hình động lực học của quadrotor. Hệ thống là sự kết hợp các bộ điều khiển thành phần trong một thể thống nhất. Đây thực sự là một hệ thống nhiều kênh có cấu trúc phức tạp, chứa rất nhiều sự ràng buộc giữa các kênh mà người thiết kế cần phải được kể đến trong quá trình thiết kế bộ điều khiển cho từng kênh và tổng thể hệ thống, với mục tiêu cuối cùng là bảo đảm cho quadrotor điều khiển được theo các quỹ đạo cho trước. Do tính phức tạp của hệ thống điều khiển lên việc kiểm chứng phương pháp thiết kế và các thuật toán được thực hiện bằng mô phỏng trên công cụ Matlab Simulink để chứng minh khả năng làm việc của hệ thống với các chương trình điều khiển khác nhau. Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng ứng với sự thay đổi nhiễu, đây là trường hợp đặc trưng của quadrotor. Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp quadrotor điều khiển theo chương trình có giai đoạn hạ cánh. Nghiên cứu phản ứng của hệ thống điều khiển trong trường hợp quadrotor khi di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác cho trước với. 2. Một số kiến nghị về những tồn tại và hướng phát triển của luận án Trên cơ sở bộ điều khiển đã tổng hợp được, tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng điều khiển thực tế. Luận án là tài liệu tham khảo cho các đồng nghiệp để sử dụng trong giảng dạy, đào tạo đại học và sau đại học chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự đông hóa, cơ điện tử. 30 3 Trường hợp 2: Nghiên cứu quá trình ổn định tốc độ, có tác động của Mc thay đổi. Kết quả thực nghiệm được thực hiện khi lượng vào tốc độ không đổi với tốc độ đặt 2500 vòng/phút. Ta tiến hành thay đổi phụ tải đặt vào động cơ tại thời điểm t = 0,33s và t = 0,73s, ta có các kết quả như sau: Chương 1 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHỨA NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ LIÊN HỆ RÀNG BUỘC VỚI NHAU a) b) Hình 4.69. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ  b) dòng điện isd và dòng điện isq Trường hợp 3: Nghiên cứu quá trình ổn định tốc độ và hãm động cơ. Ta tiến hành thay đổi tốc độ từ 2800 vòng/phút xuống tốc độ 1500 vòng/phút, ta có các kết quả như sau: 1.1. Tổng quan về hệ truyền động điện chứa nhiều động cơ có liên hệ ràng buộc với nhau 1.2. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển quadrotor Quadrotor là mô hình với bốn động cơ gắn trên một cấu trúc hình chữ thập, mỗi cánh quạt được nối với động cơ thông qua hộp số. Cánh quạt “trước” và cánh quạt “sau” quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi đó cánh quạt bên “phải” và bên “trái” quay cùng chiều kim đồng hồ. Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển như hình 1.10. Khối liên kết chéo đầu vào Bộ điều khiển Động cơ PMSM …….. …….. Bộ truyền cơ khí …….. …….. …….. …….. …….. …….. …….. X  Khối liên kết chéo đầu ra Y Quadrotor  Z Hình 1.10. Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển. a) b) Hình 4.70. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ  b) dòng điện isd và dòng điện isq Nhận xét: Quan sát kết quả thực nghiệm của các trường hợp ta khẳng định rằng thuật toán tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi được tổng hợp trong chương 3 là hoàn toàn đúng đắn và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với hệ thống điều khiển quadrotor. 4.7. Kết luận chương 4 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận án đã tập trung giải quyết thành công bài toán tổng hợp hệ điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ chấp hành có mô Trong đó: M ei [N.m] mô men của động cơ thứ i; ri [rad.s-1] tốc độ góc của động cơ thứ i; ωdi [rad.s-1] là tốc độ góc đặt của động cơ thứ i; 1d ,  2 d , 3d ,  4 d bốn tốc độ đặt của các cánh quạt U1d ,U 2 d ,U 3d ,U 4 d bốn tín hiệu điều khiển đặt; i [rad.s-1] tốc độ của cánh quạt thứ i; X, Y, Z là vị trí chuyển động của khối tâm quadrotor dọc theo trục xE, yE, zE;  , , các góc Euler (roll, pitch, yaw); U1  b(12  22  32  24 ) ; U 2  lb( 22   42 ) ; U 3  lb(12  32 ) ; U 3  lb(12  32 ) ; U 4  d (12   22  32   42 ) là tín hiệu để điều khiển thay đổi độ cao, thay đổi góc roll, góc pitch và đổi góc yaw. 1.3. Đánh giá chung về các phương pháp điều khiển quadrotor  4 29 1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5. Đặt bài toán nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mô hình đối tượng điều khiển và cấu trúc tổng quát của hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động lực học động cơ chấp hành; phân tích và vận dụng nguyên lý phân chia chuyển động để tiến hành phân chia hệ thống điều khiển quadrotor thành hệ thống điều khiển với các vòng điều khiển lệ thuộc; thực hiện tổng hợp các bộ điều khiển bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi, trượt thích nghi và tối ưu đối xứng. Mô phỏng hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động cơ chấp hành và tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm. 1.6. Kết luận chương 1 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH 2.1. Mô hình động lực học quadrotor Sử dụng phương pháp Newton - Euler cho mô hình và thực hiện biến đổi ta nhận được phương trình động lực học chuyển động tịnh tiến của quadrotor như sau:  X  (cos cosψsinθ  sin sinψ)U1 / m  K x X  Fn1 / m   (2.16) Y  (cos sinψsinθ  cosψsin )U1 / m  K yY  Fn 2 / m     Z  cos  cos  U1 / m  g  K z Z  Fn 3 / m Phương trình động lực học chuyển động quay của quadrotor như sau:   (IYY  I ZZ ) / I XX  J P  / I XX  U 2 / I XX  M n1 / I XX       (I ZZ  I XX ) / IYY  J P   / IYY  lbU 3 / IYY  M n 2 / IYY (2.17)         (I XX  IYY ) / I ZZ  dU 4 / I ZZ  M n 3 / I ZZ Trong đó: I XX , IYY , I ZZ là mô men quán tính của quadrotor quanh trục X, Y, Z; K x  k1 / m ; K y  k2 / m ; K y  k3 / m là các hằng số; k1 , k 2 , k3 là các hệ số lực cản; F1n , F2 n , F3n là lực cản của các loại Hình 4.62. Hình ảnh mô hình thực nghiệm điều khiển một kênh truyền động cho một cánh của quadrotor 4.6.2. Các kết quả thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được tổng hợp theo phương pháp trượt thích nghi để điều khiển một kênh truyền động cho một cánh quạt của quadrotor, kết quả thực nghiệm với các trường hợp sau: Trường hợp 1: Nghiên cứu quá trình khởi động, tăng tốc và điều khiển động cơ đến một tốc độ cho trước. Ta tiến hành thay đổi tốc độ từ 0 đến 209 rad/s (1000 vòng/phút) và đến 418 rad/s (2000 vòng/phút). Ta có các kết quả như sau: a) b) Hình 4.68. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực của động cơ  b) dòng điện isd và dòng điện isq 28 5 nhiễu; M 1n , M 2 n , M 3n là các thành phần mô men cản của nhiễu Phương trình trạng thái mô tả động lực học của quadrotor: Hình 4.51. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z Kết luận chung: Qua các mô phỏng cho thấy bộ điều khiển động cơ truyền động các quạt và hệ thống điều khiển quadrotor hoạt động tốt, hạn chế được sự ảnh hưởng ràng buộc giữa các kênh điều khiển quadrotor; hạn chế sự ảnh hưởng của nhiễu loạn khi quadrotor hoạt động, hệ thống làm việc tốt, đáp ứng được các yêu cầu điều khiển quadrotor, điều này thể hiện tính đúng đắn của các thuật toán đề ra. 4.6. Khảo sát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 4.6.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm Mô hình thực nghiệm điều khiển một kênh truyền động cho một cánh quạt của quadrotor được biểu diễn như hình 4.62. U1 Fn1   x1  (sinx 6sinx 4  cosx 6sinx5cosx 4 ) m  K x x1  m   x  (cosx sinx sinx  sinx cosx ) U1  K x  Fn2 4 5 6 4 6 y 2  2 m m  F U  x  g  (cosx cosx ) 1  K x  n3 4 5 z 3  3 m m  x  x  4 7  x5  x8   x6  x9 X  f ( X ,U )   (I  I ) J P x8Ω U2 Mn1    x7  x9 x8 YY ZZ  IXX IXX IXX IXX   U M (I  I ) J x Ω  x8  x9 x7 ZZ XX  P 7   3 - n 2 I I I IYY  YY YY YY   x9  x7 x8 (IXX  IYY )  U4  Mn3  IZZ IZZ IZZ   x10  x1  x11  x2   x12  x3 2.2. Mô hình hệ truyền động chấp hành quay cánh quạt Phương trình trạng thái mô tả động lực học của động cơ PMSM có dạng như sau:  x13   x14   X  f ( X , u )     x15    x16   x14  M 3 3 pm r x15  pm ( Ld  Lq ) x15 x16  c 2 J TP 2 J TP J TP  Lq u R x15  pm x14 x16  d Ld Ld Ld  uq L R  x16  d pm x14 x15  r pm x14  Ld Lq Ld Lq 2.3. Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor Mô hình đối tượng điều khiển của hệ điều khiển quadrotor như hình (2.39) 6 27  x1  (sinx6 sinx4  cosx6 sinx5 cosx4 )U 1 / m  K x x1  Fn1 / m   x2  (cosx4 sinx5 sinx6  sinx4 cosx6 )U 1 / m  K y x2  Fn 2 / m  x3   g  (cosx4 cosx5 )U 1 / m  K z x3  Fn3 / m   x4  x7  x  x 8  5  x6  x9   x7   ( IYY  I ZZ ) / I XX  x9 x8  ( J TP / I XX ) x8   U 2 / I XX  M n1 / I XX   x8   I ZZ  I XX ) / IYY  x9 x7  ( J TP / IYY ) x7   U 3 / IYY  M n 2 / IYY  x   ( I  I ) / I  x x  U / I  M / I XX YY ZZ 7 8 4 ZZ n3 ZZ  9  x10  x1   x11  x2  x12  x3   x13  ( R1 / Ld 1 )x13  ( Lq1 / Ld 1 )pm1 x14 x15  (1 / Ld 1 )ud 1   x14  ( R1 / Ld 1 ) x14  ( Ld 1 / Lq1 ) x13 x15  (r1 / Ld 1 ) x15  (1 / Lq1 )uq1  2  x15  (3 / 2 J TP1 )pm1r1 x14  (3 / 2 J TP1 )pm1 ( Ld 1  Lq1 ) x13 X 14  M 01  k1 x15  k pt1 x15  x16  ( R2 / Ld 2 ) x16  ( Lq 2 / Ld 2 ) pm 2 x17 x18  (1 / Ld 2 )ud 2   x17  ( R2 / Ld 2 ) x17  ( Ld 2 / Lq 2 ) x16 x18  (r 2 / Ld 2 ) x18  (1 / Lq 2 ) uq 2  2  x18  (3 / 2 J TP 2 ) pm 2 r 2 x17  (3 / 2 J TP 2 ) pm 2 ( Ld 2  Lq 2 ) x16 x17  M 02  k2 x18  k pt 2 x18   x19  ( R3 / Ld 3 ) x19  ( Lq 3 / Ld 3 ) pm3 x20 x21  (1 / Ld 3 )ud 3  x  ( R / L ) x  ( L / L ) x x  ( / L ) x  (1 / L )u 3 d3 20 d3 q3 19 21 r3 d3 21 q3 q3  20 2  x21  (3 / 2 J TP 3 ) pm3r 3 x20  (3 / 2 J TP 3 ) pm 3 ( Ld 3  Lq 3 ) x19 x20  M 03  k3 x21  k pt 3 x21   x22  ( R4 / Ld 4 ) x22  ( Lq 4 / Ld 4 ) pm 4 x23 x24  (1 / Ld 4 )ud 4   x23  ( R4 / Ld 4 ) x23  ( Ld 4 / Lq 4 ) x22 x24  (r 4 / Ld 4 ) x24  (1 / Lq 4 )uq 4  x  (3 / 2 J ) p  x  (3 / 2 J ) p ( L  L ) x x  M  k x  k x 2 TP 4 m 4 r 4 23 TP 4 m4 d4 q4 22 23 04 4 24 pt 4 24  24 Hình 4.47. Các góc Euler Hình 4.50. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục tọa độ X, Y, Z Hình 4.48. Tốc độ của các động cơ ∆n = n1-n3 ∆n = n2 – n4 (2.39) * Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển quadrotor Từ các phương trình (2.16) và (2.17). Sơ đồ khối mô tả mối liên hệ ràng buộc của mô hình động lực học quadrotor khi kể đến hệ truyền động chấp hành cánh quạt được biểu diễn trên hình 2.6 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.49. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ 26 7 Hệ truyền động điện động cơ cánh quạt Hình 4.45. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z Tình hướng 3: Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau: k = 0,0025; kpt = 0,002; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1; 0.05] Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,07. Tham số động cơ PMSM được điều chỉnh thay đổi như sau: Mô men quán tính quy đổi về trục động cơ thay đổi đến giá trị 1,5JTP = 5,35.10-4 [kg.m2]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5 Ld =14,50.10-3 [H]; điện cảm dọc trục thay đổi đến giá trị 1,5Lq = 37,36.10-3 [H]; điện trở Stato thay đổi đến giá trị 1,2R = 14,8 [Ω]. Các kết quả mô phỏng thu được như sau: Hình 2.6. Sơ đồ mô tả mối liên hệ ràng buộc của mô hình động học quadrotor khi kể đến hệ truyền động động cơ chấp hành cánh quạt. 2.4. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor khi kể đến động học động cơ chấp hành Sử dụng phương pháp phân chia chuyển động [79] để phân chia mô hình động lực học quadrotor thành các hệ con sau: - Hệ con thứ nhất: Hệ TĐĐ động cơ cánh quạt, đầu vào là các tốc độ đặt, được xác định từ quy luật chuyển động của quadrotor - Hệ con thứ hai (S1): mô tả động lực học trạng thái các góc Euler J  ( I YY  I ZZ ) J  J  J  U  x9 x8  P 1 x8  P 2 x8  P 3 x8  P 4 x8  2  x7  I XX I XX I XX I XX I XX I XX   ( I ZZ  I XX ) J  J  J  J  U x9 x7  P 1 x7  P 2 x7  P 3 x7  P 4 x7  3  x8  IYY I YY I YY I YY I YY I YY   x9  ( I XX  I YY ) x7 x8 / I ZZ  U 4 / I ZZ   (2.40) - Hệ con thứ 3 (S2): mô tả động lực học điều khiển chuyển động tịnh tiến của quadrotor  x1  (sin x6 sin x4  cos x6 sin x5 cos x4 )U 1 / m  K x x1  (2.41)  x2  (cos x4 sin x5 sin x6  sin x4 cos x6 )U 1 / m  K y x2   x3   g  (cos x4 cos x5 )U 1 / m  K z x3 - Hệ con thứ 4: là hệ phương trình vi phân mô tả hệ truyền động điện động cơ cánh quạt quadrotor Hình 4.46. Vị trí chuyển động dài của quadrotor 8 25  x13  x14   x14  3 pm r x15 / 2 J TP  3 pm x15 x16 ( Ld  Lq ) / 2 J TP  M c / J TP (2.42)   x15   Rx15 / Ld  Lq pm x14 x16 / Ld  ud / Ld  x   Rx / L  L p x x / L   p x / L  u / L 16 d d m 14 15 q r m 14 d q q  16 Cấu trúc phân chia chuyển động được biểu diễn trong hình 2.7.  Xd     Yd  Z   d C  X d     Yd   Z   d 3 C  d     d     d 2 C U 2d     U 3d  U   4d   1 d      2d     3d     4d   1     2     3    4 S 1 U 1d             U 2    U3    U 4  1  ...dt           S 2  X     Y   Z     ...dt X    Y  Z   U1 Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ điều khiển quadrotor 2.6. Đánh giá và nhận xét 2.7. Kết luận chương 2 Đã trình bày được việc xây dựng mô hình động lực học quadrotor khi tính đến động lực học của hệ truyền động điện động cơ cánh quạt là động cơ PMSM. Phân tích và đưa ra các đánh giá, nhận xét rằng mô hình động lực học quadrotor khi có tính đến động lực học của hệ truyền động động cơ cánh quạt là rất phức tạp, do vậy cần phải áp dụng nhiều phương pháp tổng hợp hiện đại khác nhau để tổng hợp các bộ điều khiển như: tuyến tính hóa phản hồi, trượt, thích nghi và tối ưu đối xứng. Chương 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU QUAY CÁNH QUẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT THÍCH NGHI ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR 3.1. Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM Phương trình toán học của động cơ chấp hành PMSM được viết dưới dạng không gian trạng thái với sự bất định của các tham số được viết như phương trình (3.7) x  ( f đm ( x )  f ( x))  (h1đm  h1 )ud  (h2 đm  h2 )uq Hình 4.42. Tốc độ của các động cơ ∆n = n1-n3 ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.43. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ 24 9 Tình hướng 2: Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau: k = 0,002; kpt = 0,0018; M0 = [0.05; 0.1; 0.05; 0.1; 0.05] Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,06. Các kết quả mô phỏng thu được như sau: Ở đây :   Rdmiddm / Lddm  Lqdm pmr iqdm / Lddm    f1dm ( x)       Rdmiqdm / Lqdm  Lddm pmr iddm / Lqdm  rdm pmr / Lqdm  f dm ( x )   f 2 dm ( x )      f ( x)   3 pm / 2 JTPdm [iqdm rdm  (Lddm  Lqdm )iddm iqdm ]    3dm   2   (k ptdmr  kdmr  M 0 ) / J TPdm   f1 ( x)  1 / Lddm   0     ,  , h1dm   0  h2 dm  1 / Lqdm  f ( x )   f 2 ( x)  ,  0   0   f ( x)       3   0  1       h1   0  , h2    2  0  0      Trong các biểu thức trên, các giá trị f , h, R, i... có thêm chỉ số (dm) là các thành phần danh định đã biết,  là thành phần kể đến sự sai lệch gây ra do sự bất định của các tham số và các thành phần nhiễu khác, 1 ,  2 là các thành phần chưa biết. Phương trình (3.7) được viết lại như sau: (3.11) x  f dm ( x)  h1dm ud  h2 dm uq  G Xd X Yd Y Zd Z Giả thiết rằng G và tốc độ cánh quạt r là hằng số không rõ ràng và có thể được ước tính xấp xỉ bằng thuật thích nghi. Sai số tốc độ và dòng điện được xác định như sau : Hình 4.40. Vị trí chuyển động dài của quadrotor e1  d  r ; e2  idd  id (3.14) Bước 1: Xác định luật điều khiển điện áp ud , uq theo phương pháp điều khiển trượt. t - Phương trình đối với sq : sq  k1e1  e1  k2  e1dt 0 t - Phương trình đối với Hình 4.41. Các góc Euler Hình 4.44. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục tọa độ X, Y, Z sd : sd  e2  ksd  e2 dt 0 Ở đây k1 , k2 là các hằng số. Hàm Lyapunov được lựa chọn như sau: V  0.5s 2  0.5s 2 ; Để V  0 luật điều khiển trượt thiết kế như sau: 1 d q 1 ud  Lddm  idd  f1dm  k sd e2  k d sd  G1   d sign(sd )  (3.24) 10 23 uq  Lqdm  k1 d  k1 f 3dm  d  f 3dm N 3  N1 f1dm  N1ud / Lddm  N 2 f 2 dm  kq sq  k2 e1  N1G1  N 2G2  N3G3  k1G3 q sign(sq )  / N 2 (3.25) Bước 2: Xác định luật thích nghi, cập nhật các tham số thay đổi. Hàm Lyapunov được xây dựng như sau: (3.27) V2  V1  0.5G12 /  1  0.5G 22 /  2  0.5G 32 /  3 Ở đây, G  G  Gˆ ; G  G  Gˆ ; G  G  Gˆ và  ,  ,  là 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 (3.67) 3 các hằng số thích nghi. Lấy vi phân hàm Lyapunov theo thời gian và thay V1 vào ta thu được: - Luật thích nghi tham số được viết như sau:    Gˆ1   1 ( sq N1  sd ) ; Gˆ 2   2 sq N 2 ; Gˆ 3   3 (k1  N3 ) sq Hình 4.36. Tốc độ của các động cơ - Luật điều khiển chế độ trượt thích nghi ud và uq có dạng như sau:  ud  Lddm idd  f1dm  Gˆ1  ksd e2  kd sd  d sd / ( sd   d )  (3.79) uq  Lqdm / N 2  k1 d  k1 f 3dm  d  N1 (f1dm  ud / Lddm )  N 2 f 2 dm  N 3 f 3dm  N1Gˆ1  N 2Gˆ 2  N 3Gˆ 3  k1Gˆ 3  k 2 e1  kq sq  q sq ( sq  q )  Hình 4.37. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ Hệ thống điều khiển tốc độ được biểu diễn trên hình 3.1 Tính toán bù phụ tải iq iq - iq Động cơ PMSM - r id id Măt trượt id r Luật thích nghi Hình 3.1. Hệ thống tính toán bộ điều khiển trượt thích nghi Hình 4.39. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z 22 11 3.2. Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu theo phương pháp trượt thích nghi Bảng 1. Các tham số mô phỏng của động cơ điện PMSM Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Tốc độ định mức 3000 V/p ndm Từ thông rotor Hằng số mô men Số đôi cực Điện trở của Stato động cơ Điện cảm dọc trục của động cơ Điện cảm ngang trục của động cơ Xd X Yd Y 1 K pm R Ld Lq 0,0825 Wb 0,776 1 12,4 9,7.10-3 N.m/A 30, 4.103  H H Mô men quán tính của động cơ Kg.m2 J PMSM 1,67.10 4 Hệ số ma sát nhớt B 0,0001 Nmsec Các tham số của bộ điều khiển được chọn như sau: k1  1250 , Zd Z Hình 4.34. Vị trí chuyển động dài của quadrotor kd  50 , k sd  104 , d  270 , kq  30 , k sq  102 , q  130 ,  1  0.067 ,  2  0.01 ,  3  0.067 Hình 4.35. Các góc Euler Hình 4.38. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục X, Y, Z Hình 3.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển trượt thích nghi Thực hiện mô phỏng với các trường hợp: Khởi động động cơ với dạng tải đặc trưng cho động cơ quay cánh quạt; nghiên cứu khả năng làm việc của hệ thống truyền động điện khi tốc độ thay đổi; khi tải 12 21 thay đổi đột biến; khi tải có dạng mô men quạt gió; nghiên cứu khả năng làm việc của hệ thống truyền động điện khi biến đổi tham số của động cơ PMSM. 3.3. Kết luận chương 3 Tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng hợp bộ điều khiển trượt, thích nghi cho vòng điều chỉnh tốc độ động cơ điện PMSM, tiến hành mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ điện PMSM bằng công cụ Matlab – Simulink. Chương 4 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN GÓC, ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ DÀI VÀ VỊ TRÍ CỦA QUADROTOR KHI KỂ ĐẾN ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH ∆n = n2 – n4 ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.31. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ 4.1. Tổng hợp bộ điều khiển và ổn định trạng thái các góc Euler C1 bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi Bước 1: Kiểm tra các điều kiện về khả năng tổng hợp bộ điều khiển và ổn định các góc Euler bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi Bước 1: Xây dựng phép đổi biến để đưa hệ phi tuyến về hệ tuyến tính Các biến đầu vào điều khiển U 2 ,U 3 ,U 4 được biến đổi thành các biến điều khiển mới U 2* ,U 2* ,U 4* và có dạng như phương trình (4.7)  U*2  U 2  f 20 (x 7 , x 8 ,x 9 )  f 21 (X8 ,Ω1 ,Ω 2 ,Ω 3 ,Ω 4 )  *  U 3  U 3  f 30 (x 7 ,x 8 ,x 9 )  f 31 (X 7 ,Ω1 ,Ω 2 ,Ω 3 ,Ω 4 )  *  U 4  U 4  f 40 (x 7 ,x 8 ,x 9 ) (4.7) Hình 4.33. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z Thay biến mới vào phương trình (2.40). Thực hiện các biến đổi tuyến tính hóa hệ điều khiển các góc của quadrotor ta thu được hệ phương trình tuyến tính. Bước 3: Tổng hợp bộ điều khiển các góc  , θ, ψ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta thu được hàm truyền bộ điều khiển có dạng sau: (4.19) Wc  0,5K 22Wdo I XX  ( 0,125) K 23Wdo I XX / s Wc  0,5 K 32Wdo IYY  (0,125) K 33Wdo IYY / s Wc  0,5K 42Wdo I ZZ  (0,125) K 43Wdo I ZZ /s 4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ dài C2 của quadrotor (4.20) (4.21) Trường hợp 4: Nghiên cứu phản ứng của hệ thống khi thay đổi các thông số của quadrotor, của động cơ điện PMSM và các tác động của nhiễu. Khảo sát quadrotor với ba tình hướng ứng với ba bộ thông số và nhiễu khác nhau: Vị trí chuyển động dài của quadrotor theo phương X, Y và Z được đặt tại các giá trị: Xd = [-15 5 -10 -10] [m]; Yd = [5 -10 15 15] [m]; Zd = [20 10 30 30] [m]. Tình hướng 1: Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau: (4.18) k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729. Các kết quả mô phỏng thu được như sau: 20 13 Bộ điều khiển tốc độ là bộ điều khiển tỷ lệ có dạng như (4.24) (4.24) Uˆ  n ( x  x ); Uˆ  n ( x  x ); Uˆ  n ( x  x ) 1 1 1d 1 2 2 2d 2 3 3 3d 3 4.3. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí C3 Tổng hợp bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, ta có hàm truyền của bộ điều khiển theo tọa độ X, Y, Z như sau: (4.32) WđkX  (4T1 X  T2 X ) / 8T12X K X  1 / 8T12X K X s  4T1 X T2 X / 8T12X K X s Hình 4.32. Tốc độ chyển động thẳng của quadrotor theo các trục X, Y, Z Hình 4.29. Các góc Euler WđkY  (4T1Y  T2Y ) / 8T1Y2 KY  1 / 8T1Y2 KY s  4T1Y T2Y / 8T1Y2 KY s (4.33) WđkZ  (4T1Z  T2 Z ) / 8T12Z K Z  1 / 8T12Z K Z s  4T1Z T2 Z / 8T12Z K Z s (4.34) Bộ điều khiển vị trí theo các tọa độ X, Y, Z là bộ điều khiển PID 4.4. Tính toán tham số các bộ điều khiển khiển quadrotor khi kể đến động lực học động cơ chấp hành Để tính toán tham số các bộ điều khiển quadrotor, luận án đã sử dụng các công cụ toán học và mô phỏng thực nghiệm để tính chọn các tham số cho các bộ điều khiển. 4.4.1. Bảng thông số của quadrotor sử dụng trong tính toán các tham số bộ điều khiển và nghiên cứu mô phỏng Bảng các thông số của quadrotor được cho trong bảng 2 dưới đây. Bảng 2: Các tham số mô phỏng của quadrotor Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số lực nâng b 2,92.10-6 kg.m Hệ số lực kéo d 1,1. 10-7 kg. m2 Khối lượng Quadrotor m 2 kg Mômen quán tính trục x IXX 0,85.10-3 kg. m2 Mômen quán tính trục y IYY 0,85.10-3 kg. m2 Mômen quán tính trục z IZZ 1,81.10-3 kg. m2 Gia tốc trọng trường g 9,81 m s-2 KC từ tâm Quadrotor đến tâm l 0,2 m của động cơ 4.4.2. Tính toán các thông số bộ điều khiển ổn định các góc Euler C1 Hàm truyền bộ điều khiển các kênh góc  , , xác định như sau: Wc  0,5(  60) 2 .0,85.10 3  (  0,125)(  60)3 .0,85.10 3 / s  0,15  2,3 / s Wc  0,5(  80)2 .0,85.103  (  0,125)(  80)3 .0,85.103 / s  0,28  5,5 / s Hình 4.30. Tốc độ của các động cơ 14 19 Wc  0,5(  90) 2 .1,81.10 3  (  0,125)(  90)3 .1,81.10 3 / s  0,73  16, 4 / s 4.4.3. Tính toán các thông số bộ điều khiển tốc độ dài C2 Bộ điều khiển tốc độ dài của quadrotor có dạng như (4.35): Uˆ1  1,5( x1d  x1 ) , Uˆ 2  0,5( x2 d  x2 ) , Uˆ 3  0,5( x3d  x3 ) (4.35) 4.4.4. Tính toán các thông số bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí theo các tọa độ X, Y, Z có dạng như sau: WđkX  0,5  0,1 / s  0,35s ; WđkY  0,5  0,1 / s  0,35s WđkZ  0,5  0,1 / s  0,35s Đây là bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID 4.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor khi sử dụng động cơ PMSM bằng công cụ Matlab - Smulink như hình vẽ 4.13 Hình 4.27. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z Trường hợp 3: Khảo sát hệ thống điều khiển trong trường hợp điều khiển quadrotor theo chương trình có giai đoạn hạ cánh. Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau: k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05 Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729. Vị trí chuyển động dài của quadrotor theo phương X, Y và Z được đặt tại các giá trị: Xd = 5 [m]; Yd = 15 [m]; Zd = [30 0 0 ] [m]. Các kết quả mô phỏng thu được như sau: Xd X Yd Y Hình 4.13. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển quadrotor bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi khi sử dụng động cơ PMSM Việc mô phỏng được thực hiện khi có sự thay đổi của nhiễu loạn và sự thay đổi các thông số của động cơ điện PMSM theo các kịch bản sau đây: Trường hợp 1: Khảo sát hệ thống điều khiển quadrotor trong trường Zd Z Hình 4.28. Vị trí chuyển động dài của quadrotor 18 Hình 4.23. Các góc Euler 15 Hình 4.26. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục tọa độ X, Y, Z hợp quadrotor cất cánh theo phương thẳng đứng. - Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau: Thành phần tỷ lệ với tốc độ cánh quạt k = 0,001; thành phần tỷ lệ với bình phương tốc độ cánh quạt kpt = 0,0012; thành phần mô men cản M0 được giữ không đổi bằng 0,05 Nm; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729. - Vị trí chuyển động dài của quadrotor theo phương X, Y và Z được đặt tại các giá trị: Xd = 0 [m]; Yd = 0 [m]; độ cao Zd = 30 [m]. Các kết quả mô phỏng thu được như sau: Xd X Yd Y Zd Z Hình 4.24. Tốc độ của các động cơ ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Hình 4.25. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ Hình 4.16. Vị trí chuyển động dài của quadrotor Hình 4.17. Các góc Euler Hình 4.20. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục tọa độ X, Y, Z 16 ∆n = n1-n3 17 ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) Hình 4.18. Tốc độ của các động cơ ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) Hình 4.21. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z Trường hợp 2: Nghiên cứu khả năng làm việc của các bộ điều khiển giúp cho quadrotor chuyển hướng theo phương X và đạt vị trí mong muốn. Các hệ số của mô men phụ tải động cơ được đặt tại các giá trị sau: k = 0,001; kpt = 0,0012; M0 = 0,05 Nm ; hệ số lực cản của không khí tác động lên cánh quạt Kx = Ky = Kz = 0,03729. Trong trường hợp này quadrotor thực hiện cất cánh theo phương thẳng đứng (X = 0, Y = 0) tới độ cao Z = 25 [m]. Các kết quả mô phỏng thu được như sau: ∆n = n2 – n4 Thoi gian t(s) Hình 4.19. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ Xd X Yd Y Zd Z Hình 4.22. Vị trí chuyển động dài của quadrotor