Tóm tắt Luận án 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

ã 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 31 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 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: 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: 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 3 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 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. Bộ truyền cơ khí Khối liên kết chéo đầu ra    X Y Z Động cơ PMSM .. .. .. .. .. .... .. .. Quadrotor Bộ điều khiển Khối liên kết chéo đầu vào Hình 1.10. Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển. Trong đó: eiM [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; 1 2 3 4, , ,d d d d    bốn tốc độ đặt của các cánh quạt 1 2 3 4, , ,d d d dU U U U 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); 2 2 2 21 1 2 3 4( )U b     ; 2 2 2 2 4( )U lb   ; 2 2 3 1 3( )U lb   ; 2 2 3 1 3( )U lb   ; 2 2 2 2 4 1 2 3 4( )U d     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 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: 1 1 1 2 1 3 (cos cosψsinθ sin sinψ)U / / (cos sinψsinθ cosψsin )U / / cos cos U / / x n y n z n X m K X F m Y m K Y F m Z m g K Z F m                            (2.16) Phương trình động lực học chuyển động quay của quadrotor như sau: 2 1 3 2 4 3 ( ) / / / / ( ) / / / / ( ) / / / YY ZZ XX P XX XX n XX ZZ XX YY P YY YY n YY XX YY ZZ ZZ n ZZ I I I J I U I M I I I I J I lbU I M I I I I dU I M I                                      (2.17) Trong đó: , ,XX YY ZZI I I là mô men quán tính của quadrotor quanh trục X, Y, Z; 1 /xK k m ; 2 /yK k m ; 3 /yK k m là các hằng số; 1k , 2k , 3k là các hệ số lực cản; 1 2 3, ,n n nF F F là lực cản của các loại 29 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 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. 5 nhiễu; 1 2 3, ,n n nM M M là các thành phần mô men cản của nhiễu Phương trình trạng thái mô tả động lực học của quadrotor: 11 1 6 4 6 5 4 1 21 2 4 5 6 4 6 2 31 3 4 5 3 4 7 5 8 6 9 P 8YY ZZ 2 n1 7 9 8 XX XX XX XX 8 9 U (sinx sinx cosx sinx cosx ) U (cosx sinx sinx sinx cosx ) U g (cosx cosx ) ( , ) J Ω(I I ) U M I I I I n x n y n z F x K x m m F x K x m m F x K x m m x x x x x x X f X U x x x x x x x                                   P 7 3ZZ XX n 2 7 YY YY YY YY n3XX YY 4 9 7 8 ZZ ZZ ZZ 10 1 11 2 12 3 J Ω U(I I ) M - I I I I M(I I ) U I I I x x x x x x x x x x                                        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: 13 14 14 15 15 16 15 15 14 16 16 16 14 15 14 3 3 ( ) 2 2 ( , ) c m r m d q TP TP TP q d m d d d qd r m m d q d q x x M x p x p L L x x J J J L uX f X u R x x p x x L L L uLR x x p x x p x L L L L                                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   1 1 1 2 2 3 3 7 5 8 6 9 7 9 8 8 2 1 8 / / / / / / ( ) / ( / ) / / 6 4 6 5 4 1 x n 2 4 5 6 4 6 1 y n 3 4 5 1 z n 4 YY ZZ XX TP XX XX n XX x (sinx sinx cosx sinx cosx )U m K x F m x (cosx sinx sinx sinx cosx )U m K x F m x g (cosx cosx )U m K x F m x x x x x x x I I I x x J I x U I M I x                                     9 7 7 3 2 9 7 8 4 3 10 1 11 2 12 3 13 1 1 13 1 1 1 14 15 1 1 14 1 1 14 1 1 13 15 1 1 15 ) / ( / ) / / ( ) / / / ( / ) ( / ) (1 / ) ( / ) ( / ) ( / ) (1 / ZZ XX YY TP YY YY n YY XX YY ZZ ZZ n ZZ d q d m d d d d q r d I I I x x J I x U I M I x I I I x x U I M I x x x x x x x R L x L L p x x L u x R L x L L x x L x L                            1 1 2 15 1 1 1 14 1 1 1 1 13 14 01 1 15 1 15 16 2 2 16 2 2 2 17 18 2 2 17 2 2 17 2 2 16 18 2 2 18 2 2 18 2 2 2 ) (3 / 2 ) (3 / 2 ) ( ) ( / ) ( / ) (1/ ) ( / ) ( / ) ( / ) (1/ ) (3 / 2 ) q q TP m r TP m d q pt d q d m d d d d q r d q q TP m r u x J p x J p L L x X M k x k x x R L x L L p x x L u x R L x L L x x L x L u x J p                        2 17 2 2 2 2 16 17 02 2 18 2 18 19 3 3 19 3 3 3 20 21 3 3 20 3 3 20 3 3 19 21 3 3 21 3 3 21 3 3 3 20 3 3 3 3 (3 / 2 ) ( ) ( / ) ( / ) (1 / ) ( / ) ( / ) ( / ) (1 / ) (3 / 2 ) (3 / 2 ) ( ) TP m d q pt d q d m d d d d q r d q q TP m r TP m d q x J p L L x x M k x k x x R L x L L p x x L u x R L x L L x x L x L u x J p x J p L L x                       2 19 20 03 3 21 3 21 22 4 4 22 4 4 4 23 24 4 4 23 4 4 23 4 4 22 24 4 4 24 4 4 2 24 4 4 4 23 4 4 4 4 22 23 04 4 24 4 24 ( / ) ( / ) (1/ ) ( / ) ( / ) ( / ) (1 / ) (3 / 2 ) (3 / 2 ) ( ) pt d q d m d d d d q r d q q TP m r TP m d q pt x M k x k x x R L x L L p x x L u x R L x L L x x L x L u x J p x J p L L x x M k x k x                                                                 (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 27 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 Thoi gian t(s) ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) ∆n = n2 – n4 Hình 4.49. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ 26 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 4.46. Vị trí chuyển động dài của quadrotor 7 Hệ truyền động điện động cơ cánh quạt 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 31 2 4 2 7 9 8 8 8 8 8 3 31 2 4 8 9 7 7 7 7 7 9 7 8 4 ( ) ( ) ( ) / / PYY ZZ P P P XX XX XX XX XX XX PZZ XX P P P YY YY YY YY YY YY XX YY ZZ ZZ JI I J J J U x x x x x x x I I I I I I J UI I J J J x x x x x x x I I I I I I x I I x x I U I                                 (2.40) - Hệ con thứ 3 (S2): mô tả động lực học điều khiển chuyển động tịnh tiến của quadrotor 1 6 4 6 5 4 1 2 4 5 6 4 6 2 3 4 5 3 (sin sin cos sin cos ) / (cos sin sin sin cos ) / (cos cos ) / 1 x 1 y 1 z x x x x x x U m K x x x x x x x U m K x x g x x U m K x                 (2.41) - Hệ con thứ 4: là hệ phương trình vi phân mô tả hệ truyền động điện động cơ cánh quạt quadrotor 8 13 14 14 15 15 16 15 15 14 16 16 16 14 15 14 3 / 2 3 ( ) / 2 / / / / / / / / m r TP m d q TP c TP d q m d d d d d m q r m d q q x x x p x J p x x L L J M J x Rx L L p x x L u L x Rx L L p x x L p x L u L                        (2.42) Cấu trúc phân chia chuyển động được biểu diễn trong hình 2.7. 3 C 2 C 1 C           d d d Z Y X           d d d Z Y X              d d d              d d d U U U 4 3 2               d d d d 4 3 2 1               4 3 2 U U U 1 S                  dt...              2 S           Z Y X     dt...           Z Y X               4 3 2 1     1UdU1 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 1 1 2 2( ( ) ( )) ( ) ( )đm đm d đm qx f x f x h h u h h u         (3.7) 25 Hình 4.42. Tốc độ của các động cơ ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) ∆n = n2 – n4 Hình 4.43. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ 24 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: Xd X Yd Y Zd Z Hình 4.40. Vị trí chuyển động dài của quadrotor Hình 4.41. Các góc Euler Hình 4.44. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục tọa độ X, Y, Z 9 Ở đây : 1 2 3 2 0 / / ( ) / / / ( ) ( ) 3 / 2 [ ( ) ] ( ) ( ) / dm ddm ddm qdm m r qdm ddm dm dm qdm qdm ddm m r ddm qdm rdm m r qdm dm dm m TPdm qdm rdm ddm qdm ddm qdm dm ptdm r dm r TPdm R i L L p i L f x R i L L p i L p L f x f x p J i L L i i f x k k M J                                     1 1 / 0 0 ddm dm L h            , 2 0 1 / 0 dm qdmh L            , 1 2 3 ( ) ( ) ( ) ( ) f x f x f x f x            , 1 1 0 0 h             , 2 2 0 0 h             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: 1 2( )dm dm d dm qx f x h u h u G    (3.11) 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 : 1 d re    ; 2 dd de i i  (3.14) Bước 1: Xác định luật điều khiển điện áp ,d qu u theo phương pháp điều khiển trượt. - Phương trình đối với qs : 1 1 1 2 1 0 t qs k e e k e dt    - Phương trình đối với d s : 2 2 0 t d sds e k e dt   Ở đây 1 2,k k là các hằng số. Hàm Lyapunov được lựa chọn như sau: 2 2 1 0.5 0.5d qV s s  ; Để 1 0V  luật điều khiển trượt thiết kế như sau:  1 2 1 ( )d ddm dd dm sd d d d du L i f k e k s G sign s      (3.24) 10  1 1 3 3 3 1 1 1 2 2/q qdm d dm d dm dm d ddm dmu L k k f f N N f N u L N f         2 1 1 1 2 2 3 3 1 3 2( ) /q q q qk s k e N G N G N G k G sign s N       (3.25) Bước 2: Xác định luật thích nghi, cập nhật các tham số thay đổi. Hàm Lyapunov được xây dựng như sau: (3.67) 2 2 2 2 1 1 1 2 2 3 30.5 / 0.5 / 0.5 /V V G G G         (3.27) Ở đây, 1 1 1ˆG G G  ; 2 2 2ˆG G G  ; 3 3 3ˆG G G  và 1 , 2 , 3 là các hằng số thích nghi. Lấy vi phân hàm Lyapunov theo thời gian và thay 1V  vào ta thu được: - Luật thích nghi tham số được viết như sau: 1 1 1 ˆ ( )q dG s N s    ; 2 2 2 ˆ qG s N   ; 3 3 1 3 ˆ ( ) qG k N s    - Luật điều khiển chế độ trượt thích nghi du và qu có dạng như sau:  1 1 2ˆ / ( )d ddm dd dm sd d d d d d du L i f G k e k s s s        (3.79) 2 1 1 3 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 1 3 2 1 / ( / ) ˆ ˆ ˆ ˆ ( ) q qdm d dm d dm d ddm dm dm q q q q q q u L N k k f N f u L N f N f N G N G N G k G k e k s s s                       Hệ thống điều khiển tốc độ được biểu diễn trên hình 3.1 Động cơ PMSM Tính toán bù phụ tải Luật thích nghi Măt trượt r  qi di qi di r  qi - di- Hình 3.1. Hệ thống tính toán bộ điều khiển trượt thích nghi 23 Hình 4.36. Tốc độ của các động cơ Hình 4.37. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ Hình 4.39. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z 22 Xd X Yd Y Zd Z Hình 4.34. Vị trí chuyển động dài của quadrotor Hình 4.35. Các góc Euler Hình 4.38. Tốc độ chuyển động thẳng của quadrotor theo các trục X, Y, Z 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 dmn 3000 V/p Từ thông rotor 1 0,0825 Wb Hằng số mô men K 0,776 N.m/A Số đôi cực pm 1 Điện trở của Stato động cơ R 12,4  Điện cảm dọc trục của động cơ dL 9,7.10 -3 H Điện cảm ngang trục của động cơ qL 330,4.10 H Mô men quán tính của động cơ PMSMJ 41,67.10 Kg.m 2 Hệ số ma sát nhớt B 0,0001 Nmsec Các tham số của bộ điều khiển được chọn như sau: 1 1250k  , 50dk  , 410sdk  , 270d  , 30qk  , 210sqk  , 130q  , 1 0.067  , 2 0.01  , 3 0.067  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 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 4.1. Tổng hợp bộ điều khiển và ổn định trạng thái các góc Euler 1C 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 2 3 4, ,U U U được biến đổi thành các biến điều khiển mới * * *2 2 4, ,U U U và có dạng như phương trình (4.7) * 2 2 20 7 8 9 21 8 1 2 3 4 * 3 3 30 7 8 9 31 7 1 2 3 4 * 4 4 40 7 8 9 U U f (x ,x ,x ) f (X ,Ω ,Ω ,Ω ,Ω ) U U f (x ,x ,x ) f (X ,Ω ,Ω ,Ω ,Ω ) U U f (x ,x ,x )            (4.7) 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: 2 3 2 20,5 ( 0,125) /c do XX do XXW K W I K W I s    (4.19) 2 3 3 30,5 ( 0,125) /c do YY do YYW K W I K W I s    (4.20) (4.18) 2 3 4 40,5 ( 0,125) /c do ZZ do ZZW K W I K W I s    (4.21) 4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ dài C2 của quadrotor 21 ∆n = n1-n3 Thoi gian t(s) Thoi gian t(s) ∆n = n2 – n4 Hình 4.31. Sự thay đổi tốc độ của các động cơ Hình 4.33. Sai số vị trí theo các trục X, Y và Z 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: 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 Hình 4.32. Tốc độ chyển động thẳng của quadrotor theo các trục X, Y, Z Hình 4.29. Các góc Euler Hình 4.30. Tốc độ của các động cơ 13 Bộ điều khiển tốc độ là bộ điều khiển tỷ lệ có dạng như (4.24) 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 ˆ ˆ ˆ( ); ( ); ( )d d dU n x x U n x x U n x x      (4.24) 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: 2 2 2 1 2 1 1 1 2 1(4 ) / 8 1 / 8 4 / 8đkX X X X X X X X X X XW T T T K T K s T T T K s    (4.32)