Tóm tắt Luận án Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

Luận án đã tổng hợp được bộ điều khiển trượt đầu cuối nhanh cải tiến

cho hệ thống tự động bám sát mục tiêu trên đài quan sát cơ động, đảm

bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0 sớm hơn so với trượt đầu cuối nhanh.

Trên cơ sở mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến và kỹ thuật phân vùng

trạng thái, luận án đã xây dựng được thuật toán điều khiển FTESMVSC phản ứng nhanh, bền vững cho hệ bám mục tiêu của ĐQS cơ

động, nhằm bù trừ ảnh hưởng do sự rung lắc của sàn xe và sự chuyển

hướng của phương tiện, đảm bảo cho hệ thống luôn làm việc hiệu quả

pdf27 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 04/03/2022 | Lượt xem: 117 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tóm tắt Luận án Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
g hiệu quả nhằm tối ưu hóa các chỉ tiêu chất lượng mong muốn. Nhận xét: Các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay tương đối giống nhau về cấu trúc vật lý. Tuy nhiên tính mục đích của đối tượng khác nhau nên sẽ cần có thuật toán tổng hợp khác nhau, đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Đặc biệt, với ĐQS cơ động, cần xây dựng luật điều khiển bền vững, tác động nhanh trong khoảng thời gian hữu hạn để bù được những thay đổi của sự rung lắc có tần số cao và sự chuyển hướng của phương tiện. 1.2. Hệ truyền động bám và cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám 1.2.1. Khái niệm hệ truyền động bám và cấu trúc của hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động Hệ truyền động (HTĐ) bám là một hệ thống kín trong đó đầu vào có thể thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, đầu ra được điều khiển bám theo đầu vào với độ chính xác mong muốn [30]. Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động 1.2.2. Cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám CCCH của hệ truyền động bám (TĐB) có thể là các động cơ điện (động cơ DC, động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, động cơ bước, đông cơ BLDC, động cơ PMSM). Đối với cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ PMSM, hiện nay, nhiều thuật toán và phương pháp điều khiển động cơ đã được tích hợp sẵn trong các bộ biến tần. Tuy nhiên, bản thân các bộ điều khiển sẵn có này chỉ hoạt động tốt ở chế độ xác lập. Còn ở chế độ bám, do sự thay đổi liên tục của số liệu đầu vào nên chỉ riêng bộ biến tần sẽ không đáp ứng được yêu cầu đặt ra, cần bổ sung các bộ điều khiển vòng ngoài. 5 1.3. Tổng quan về tổng hợp hệ thống bám trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại ứng dụng cho điều khiển cơ hệ của ĐQS 1.3.1. Phân loại kỹ thuật điều khiển 1.3.2. Một số phương pháp tổng hợp hệ thống có liên quan Xem xét cơ hệ quay/quét của ĐQS [15], [29], [37] như một tay máy có hai khớp quay được truyền động bởi các động cơ điện có liên kết cứng, gắn liền với sàn của phương tiện cơ động. Với cấu trúc như vậy cơ hệ của ĐQS là một hệ Euler-Lagrange phi tuyến đa biến. Với việc thiết kế cơ hệ cân tâm, trọng tâm của các khâu đặt tại tâm của khâu, cũng chính là gốc của các hệ tọa độ nên trọng lực hầu như không ảnh hưởng tới cơ hệ. Do vậy, động lực học của cơ hệ có dạng: ( ) ( , )D q q C q q q d u   (1.2) * Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping. * Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron. * Tổng hợp luật điều khiển thích nghi tham số Li-Slotine. * Hệ lô-gic mờ và ứng dụng trong nhận dạng và điều khiển. 1.3.3. Một số luật điều khiển trượt truyền thống Đối với những hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu và có sự bất định về tham số, để tổng hợp hệ điều khiển bám có chất lượng cao thì điều khiển cấu trúc biến đổi hoạt động theo nguyên lý trượt sẽ là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống và khắc phục được các yếu tố bất định [16], [18], [81]. * Thuật toán SMC thông thường: Chọn mặt trượt có dạng: e eS q Iq   hay e eS q q   (1.8) Chọn tác động điều khiển dạng: 1 1ˆ ˆ sgn( )equ B u B K S    , * 1 2( , ,..., );n iK diag k k k k R  (1.9) Điều kiện tồn tại chế độ trượt: 01 ( ); 1,...,i eqk b u b h i n        (1.23) * SMC truyền thống với kỹ thuật lớp biên và hàm bão hòa: Để giảm hiện tượng chattering, trong [80] đã thay hàm dấu trong (1.9) bởi hàm bão hòa (1.24), sử dụng kỹ thuật lớp biên trong điều khiển trượt [59]. sgn : sat ; 1,..., : i i i i i i i p s p i n p s        ; i i i s p   ; 0i  (1.24) 6 * Thuật toán SMC truyền thống sử dụng hàm tích phân bão hòa: 0 1: satPI( ) : ; 1,..., 1: i i i i i t i i I i i i t i i s p p k p dt s i n s                (1.25) Tác động điều khiển: 1 1ˆ ˆ satPI( )equ B u B K p    (1.26) Giả thiết luôn chọn được iI k đủ lớn thỏa mãn: 0; 0 ; 1,..., 0; 0 i i i I i i i I i i p k p p i n p k p p          (1.27) Luật điều khiển (1.26) với K chọn theo (1.23) và satPI( )p chọn theo (1.25) đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0 . 1.3.4. Kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối với mặt trượt phi tuyến Kỹ thuật trượt đầu cuối đã được nhiều học giả đề xuất và ứng dụng vào điều khiển tay máy [72], [83], [84], [89], cho thấy luật điều khiển đảm bảo cho độ dốc mặt trượt lớn, khống chế được phạm vi sai lệch bám trong thời gian hữu hạn, có thể rút ngắn được quá trình quá độ và không phải tạo ra những thiết bị bù phức tạp. Mặt trượt đầu cuối (TSM): ,i i i i r i e i es q q   với: *, ; ,i i i ir N r  lẻ, *;i i ir R   (1.33) Khi trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt ( 0is  ), sai lệch bám là: (0) 0 i i i i i i i i r r i i e i e i r q t q                  trong (0) ( ) i i i i r i e s i i i q t r        Mặt trượt đầu cuối nhanh (FTSM): i i i i i r i e i e i es q q q     , *, ; ,i i i ir N r  lẻ; *; ,i i i ir R    (1.34) Bổ đề 1.1: (Bổ đề về khoảng thời gian hữu hạn trong TSM/FTSM) [83], [84] Điểm cân bằng 0 ie q  của phương trình vi phân liên tục không Lipschitz (1.33) và (1.34) là điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có nghĩa là với điều kiện đầu 0(0)i ie eq q trạng thái của hệ hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn 0( )ieT q và ở lại trên đó mãi mãi (nếu không có tác động từ bên ngoài), với: 7 0 0 (1.33) ( ) ( ) i i i i i r i e e i i i T q q r         ;   0 0 (1.34) ( ) ln ( ) i i i i i r i e ii e i i i i q T q r            Trong đó: *, ; ,i i i ir N r  lẻ; *; , ; 1, 2i i i ir R i     . Bổ đề 1.2 [83], [84]: Nếu tìm được một hàm Lyapunov mở rộng ( ) ie V q đảm bảo: ( ) ( ) ( ) 0i i i i i r e i e i eV q V q V q     , thì thời gian để hệ xác lập là:   0 0 ( ) ( ) ln ( ) i i i i i r i e ii e i i i i V q T q r            , *,i ir N  lẻ *; ,i i i ir R    . 1.4. Đặt bài toán Xét ĐQS có mô tả toán học dưới dạng một phương trình Euler- Lagrange: ( ) ( , )D q q C q q q d u   ; D là ma trận quán tính, D=(dij)2x2 và det(D) ≠ 0; C là ma trận coriolis và hướng tâm, C =(cij)2x2; u là véc-tơ mô- men tổng quát; q là véc-tơ biến khớp; d là vec-tơ nhiễu do chuyển động của phương tiện gây ra. Giả thiết: 1) Cơ hệ quay/quét của ĐQS không bị mất cân bằng động học khi quay quanh tâm của đài. Trọng tâm khối tà và phương vị trùng với tâm của ĐQS. 2) Cơ hệ của ĐQS luôn chịu tác động của nhiễu do sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. Nhiễu này gây ra sai lệch góc bám được xác định từ hệ quang ảnh. 3) Véc-tơ nhiễu d bị chặn trong từng thành phần của nó: 0; 1,...,id d i n  Gọi: dq là véc-tơ góc đặt bám; q là véc-tơ góc thực; eq là véc-tơ sai lệch góc bám, e dq q q  . Yêu cầu đặt ra là xây dựng được thuật toán điều khiển để cho 0eq  trong khoảng thời gian hữu hạn. Kết luận chương: Đối với đối tượng có mô tả toán học dạng phương trình Euler-Lagrange, các luật điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật điều khiển trượt, mạng nơ-ron, lô-gic mờ đang dành được nhiều sự quan tâm; trong đó vẫn cần phát triển tiếp kỹ thuật lớp biên để hạn chế chattering. Nhiệm vụ của luận án là tổng hợp luật điều khiển thích nghi với tham số của hệ thống, đảm bảo hệ thống ổn định bền vững và đưa sai lệch góc bám hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn, giảm thiểu rung lắc cơ học trong hệ truyền động. Hướng phát triển kỹ thuật điều khiển trượt FTSM sẽ là giải pháp tốt cho bài toán ổn định đường ngắm và bám sát mục tiêu của ĐQS cơ động. 8 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐÀI QUAN SÁT TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 2.1. Tư thế, vị trí, vận tốc của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất 2.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu Hệ tọa độ cố định mặt đất, hệ tọa độ chuẩn, hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ liên kết chuẩn. 2.1.2. Mô tả toán học tư thế phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất sin tan cos tanBx By Bz          (2.4a) cos sinBy Bz      (2.4b) sin sec cos secBy Bz        (2.4c) 2.1.3. Mô tả toán học vị trí và vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất * Vận tốc tịnh tiến của phương tiện: sinf Bxv a g   (2.12)  sin cosf By Bzv a g     (2.13)  cos cosf Bz Byv a g      (2.14) * Vị trí của phương tiện: cos cosox fr v   cos sinoy fr v   sinoz fr v   (2.16) (2.17) (2.18) 2.2. Mô hình động lực học cơ hệ quay/quét của ĐQS 2.2.1. Gắn các hệ tọa độ với cơ hệ của ĐQS Biểu diễn cơ hệ của ĐQS cơ động như hình 2.4. 2.2.2. Phương trình động lực học kênh tà 2 sin 2 2 Ez EyEx Em E E E E E J JJ M f i i          (2.35) Với:  E Ev Ec Ed E Ef M M M i    (2.36) 2.2.3. Phương trình động lực học kênh phương vị   1 sin 2 Az Am Ez Ey A A A A A J M J J f i i          (2.47) Với:  A Av Ac Ad A Af M M M i    (2.48) 9 2.3. Mô hình khối CCCH biến tần-động cơ PMSM Khi công suất động cơ được chọn đủ lớn, ở chế độ điều khiển tốc độ, động học của khối CCCH được mô tả bởi khâu quán tính có hàm truyền: ( ) ( )m s M s  ≜ 1 k s  (2.56) Khi biến tần hoạt động ở chế độ điều khiển trực tiếp mô-men, động học của khối biến tần-động cơ PMSM được mô tả bởi khâu tỉ lệ giữa mô-men và điện áp điều khiển đưa vào biến tần [39], [93], [94]. m m vM k u (2.57) 2.4. Xác định sai lệch góc bám mục tiêu dựa trên độ lệch tâm ảnh của thiết bị quan sát  0M M M x xx P k       ;  0M M M y yy P k       (2.63) 2.5. Mô hình toán của ĐQS cơ động 2.5.1. Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình Euler-Lagrange ( ) ( , )vu D q q C q q q d   (2.65) Với:      A; ; ; T T T v vA vE mA E mEu u u q d f k f k    (2.65a) 2 2 Ey Ezsin cos 0 0 Az A A mA Ex E E mE J J J i k D J i k                   (2.65b) sin 2 sin 2 2 2 sin 2 0 2 Ez Ey Ez Ey A A mA A A mA Ez Ey E E mE J J J J i k i k C J J i k                         (2.65c)             2 2 Ad Bz Ay Ax Ay Ey Ez Ay Ax Ex sin2 sin cos 1 sin2 2 cos sin Bz Ez Ey Az Ey Ez Ez Ey Ay Ez Ey Ay Ey Ez Ax Ex M J J J J J J J J J J J J J J                                         Ed Ax Ex Ez Ey 2 2 Ez Ey cos 2 1 2 sin 2 2 Bz Ay Ay Bz Bz Ay M J J J J J                   Với cách chọn C như (2.65c), 2D C sẽ là ma trận đối xứng lệch. 10 2.5.2. Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình hồi quy ( , , )vu Y q q q d  (2.66) T Ey ExAz Ez Ez Ey A A mA A A mA A A mA E E mE J JJ J J J i k i k i k i k             (2.66a) 2 2 2 sin 2 sin cos 0 ( , , ) sin 2 0 0 0 2 A A mA E E mE i k Y q q q i k                          (2.66b) Kết luận chương: Chương 2 đã xây dựng mô hình toán học của ĐQS cơ động, bao gồm các khối xử lý ảnh; khối cơ hệ quay/quét chịu tác động trực tiếp của chuyển động phương tiện, khối CCCH gồm động cơ PMSM đi kèm với bộ khuếch đại công suất; tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh sang sai lệch góc bám nhằm khép kín vòng điều khiển. Kết quả nghiên cứu trong chương 2 được công bố trong công trình khoa học số 8. Việc xây dựng mô hình động học của ĐQS cơ động sẽ làm tiền đề để tổng hợp các thuật toán điều khiển bám góc, đáp ứng chỉ tiêu kỹ chiến thuật đề ra. Mô hình của khối CCCH và cơ hệ quay/quét được tích hợp dưới dạng phương trình Euler-Lagrange; dựa trên mô hình này, thuật toán điều khiển sẽ được thực hiện trong chương 3. Mô hình tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh của mục tiêu từ pixel sang đơn vị radian nhằm đưa ra sai lệch cho bộ điều khiển hoạt động. Các tính toán này sẽ được luận án đánh giá kết quả dựa trên thông số thực tế của ĐQS đưa vào mô phỏng trong chương 4. Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI QUAN SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ LÔ-GIC MỜ VỚI KỸ THUẬT PHÂN VÙNG TRẠNG THÁI VÀ MẶT TRƯỢT ĐẦU CUỐI NHANH CẢI TIẾN 3.1. Thuật toán PID-ITAE cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định Hệ số PID-ITAE: 2 32.75 1.75 1 ; ; / / / A n A n A n P I D A L A L A L T T T K K K K J K J K J        (3.3) Bộ lọc trước: 2( ) I p D P I K G s K s K s K    (3.4) - Bước 1: Chọn độ quá chỉnh % và thời gian xác lập sT ; - Bước 2: Tính  theo công thức 21 % 100e     ; 11 - Bước 3: Tính n theo công thức 4n sT  ; - Bước 4: Tính các thông số của bộ điều khiển PID theo (3.3); - Bước 5: Tính hàm truyền của bộ lọc trước theo (3.4). 3.2. Hệ lô-gic mờ và hàm bão hòa mờ 3.2.1. Hệ lô-gic mờ Bộ suy luận mờ được thiết kế có dạng SISO với biến đầu vào sgni i i iS p k p   ; đầu ra là tác động điều khiển bổ sung iFK . Mờ hóa iS bằng hàm thuộc μAj(μSj) dạng Gauss với 5 tập mờ tương ứng với 5 biến ngôn ngữ j = 1, ...5. Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm [6]. Luật mờ: R1: Nếu 0iS  (dương lớn – DL) thì 0iFK  (dương lớn – DL); R2: Nếu 0iS  (âm lớn – AL) thì 0iFK  (âm lớn – AL); R3: Nếu 0iS  (dương nhỏ – DN) thì 0iFK  (dương nhỏ – DN); R4: Nếu 0iS  (âm nhỏ – AN) thì 0iFK  (âm nhỏ – AN); R5: Nếu 0iS  (bằng không – BK) thì 0iFK  (bằng không – BK). 3.2.2. Hàm bão hòa mờ     sgn : ( ) sgn fuzzy( sgn ) : Di i i i i i i Di i i i i i i i i k s k p s satF p k s k p p k p s             (3.6) fuzzy( sgn )i i ip k p là hàm đặc tính mờ có cùng dấu với đối số của nó và thỏa mãn fuzzy(0 ) 0i  ; i i ip s  ; i là độ dày biên iB của mặt trượt is . Giá trị i có thể được xác định bằng thuật toán điều khiển thích nghi. 3.3. Thuật toán điều khiển cho ĐQS hoạt động trong chế độ cơ động 3.3.1. Luật điều khiển ASF-VSC cấu trúc biến đổi trượt mờ thích nghi dựa trên kỹ thuật phân vùng trạng thái và hàm bão hòa mờ Định lý 3.1: Hệ thống có mô tả toán học bởi (2.65): ( ) ( , )vu D q q C q q q d   , sẽ ổn định tiệm cận và có sai lệch bám eq hội tụ về 0 với luật điều khiển: ˆˆ ( )v r ru Dq Cq satF p   (3.7) và mặt trượt: e eS q Iq   (3.8) trong đó: r d eq q q  ; * 1 2( , ,..., ); ; 1, 2n idiag R i       ; e dq q q  là sai lệch bám; I là ma trận đơn vị; Dˆ , Cˆ là đánh giá của D, C; Dˆ , Cˆ nhận được thông qua chỉnh định thích nghi 1ˆ ( , , , )Tm r rK Y q q q q S  ; ˆ là 12 đánh giá của véc-tơ tham số  có các thành phần phụ thuộc mô-men quán tính của cơ hệ và tham số động học của CCCH; d bị chặn trong từng thành phần của nó; ( )satF p là hàm bão hòa mờ được định nghĩa theo (3.6). Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ASF-VSC 3.3.2. Xây dựng bộ suy luận mờ hoạt động bên trong vùng lân cận mặt trượt với kỹ thuật phân vùng trạng thái Hình 3.4: Mô tả biên iB , mặt trượt, ảnh pha và luật chọn FK 13 Kỹ thuật phân vùng trạng thái: Khi nhiễu làm cho quỹ đạo trạng thái của hệ ra xa mặt trượt, chọn FK lớn để tăng tính bền vững và đưa quỹ đạo trạng thái hệ thống tiến nhanh về mặt trượt. Khi quỹ đạo trạng thái của hệ tiến đến gần mặt trượt, chọn FK nhỏ nhằm giảm mức độ thay đổi của tín hiệu điều khiển. Khi quỹ đạo trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt, chọn 0FK  để loại bỏ sự thay đổi dấu liên tục của tín hiệu điều khiển. 3.3.3. Luật điều khiển cấu trúc biến đổi FTESM-VSC phát triển từ kỹ thuật trượt đầu cuối nhanh với mặt trượt cải tiến Phát triển thêm kỹ thuật TSM/FTSM [83], [84], luận án đề xuất chọn mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến (FTESM - Fast Terminal Extended Sliding Mode):   i i i i i r i e i i e i es q l q q      (3.26) Với: i ie MT i q q q  ; *,i ir N  lẻ, *; ,i i i ir R    ; iMTq là góc của mục tiêu;  2( ) ln 1 0 i ii e e l q q    ; 0 1  . Khẳng định 3.1: Với cùng tham số và các điều kiện ban đầu, trượt đầu cuối nhanh cải tiến (3.26) hội tụ về 0 nhanh hơn so với mặt trượt đầu cuối nhanh (1.34). Sau khi hội tụ về 0, trạng thái của hệ sẽ ở lại trên đó mãi mãi (nếu không có tác động từ bên ngoài). Định lý 3.2: (Định lý về luật điều khiển thời gian hữu hạn) Xét đối tượng có mô tả động học: ( , ) ( ) vq h q q B q u     với: 1( ) ( ); ( , ) ( ) ( , ) ; ( )B q D q h q q B q C q q q B q d   , trong đó: D là ma trận quán tính, C là ma trận coriolis và hướng tâm của một cơ hệ Euler-Lagrange 2 biến; vu là tín hiệu điều khiển; q là góc khớp; d là nhiễu tác động lên cơ hệ. Giả thiết: - Xác định được sai lệch góc bám e MTq q q  ; MTq là góc mục tiêu cần bám; - Các tham số quán tính trong ( )B q và ( , )h q q có thể xác định rõ; - Véc-tơ nhiễu  bị chặn trong từng thành phần: 0; 1,...,i i n   . Luật điều khiển: 1 1 2( )v e e e e cu B q h q L q Q q Q q B u            với: 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 , 1 1 e e e e q q Q diag q q              ;  1 2 1 2 1 1 ,e eQ diag q q      ; 14 1 2( , )diag    ; i i i r    ; *,i ir N  lẻ, i ir  ; cu satF là hàm bão hòa mờ định nghĩa theo (3.2); 1 2( , )diag   ; 1 2( , )diag    ; *,i i R   ;     1 22 21 1ln , lne eL diag q q    ; 0 1  , sẽ đảm bảo cho hệ thống tiến đến mặt trượt: 1 2 1 2 ( ) T e e e eS q L q q q          , và đưa sai lệch góc bám eq hội tụ về 0 trong khoảng thời gian hữu hạn. Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển FTESM-VSC * Ngoài biên: 0 ie q  trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn:   0 0 0 0 ( ) sgn ( )1 ( ) ln ln ( ) i i i i i i i r i e i Di i e i i ei s e i i i i Di i q k s q k s q T q r k k              (3.45) * Trong biên: 0 ie q  trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn: 15   0 0 0 0 ( ) sgn ( )1 ( ) ln ln ( ) i i i i i i i r i e i Di i e i i ei s e i i i i Di i q k s q k s q T q r k k                (3.51) 3.4. Xác định góc mục tiêu trong hệ tọa độ chuẩn làm đầu vào bám cho ĐQS khi mục tiêu và phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định mặt đất    2 21 2arctan ; arctand gM gM d gM gM gMy x z x y    (3.56) 3.5. Xác định góc đường ngắm của ĐQS trong hệ tọa độ chuẩn khi phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định mặt đất      0221 2 23 21 0 cos sin arctan arctan ; arcsin cos cos t f t f v dt a a a v dt                 (3.67) Kết luận chương: Xem xét động học hệ thống dưới dạng tuyến tính, chương 3 đã tổng hợp luật điều khiển PID theo chuẩn ITAE đang được sử dụng cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định, đóng vai trò là bộ điều khiển đối chứng. Kết quả này này đã được công bố trong các công trình khoa học số 1, 3. Xem xét mô tả toán học của ĐQS cơ động dưới dạng phương trình Euler-Lagrange, chương 3 đã tổng hợp và xác lập 2 luật điều khiển ASF-VSC và FTESM-VSC áp dụng cho trường hợp có đánh giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (ASF-VSC) và trường hợp không cần đánh giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (FTESM-VSC). Kết quả này đã được công bố trong các công trình khoa học số 2, 6 và 7. Một hướng áp dụng hiệu quả khác là sử dụng đồng thời cả 2 luật trên, trong đó FTESM- VSC là luật điều khiển chủ yếu, còn ASF-VSC được sử dụng với vai trò xác định tham số hệ thống ban đầu và dự phòng nóng trong việc đánh giá tham số khi có sự bất định xảy ra. Khi đó ASF-VSC sẽ thực hiện chức năng tự động dò tìm tham số thực (auto-tuning). Chương 4: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI QUAN SÁT VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 4.1. Thông số cơ hệ và chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS * Cơ cấu chấp hành: Động cơ, biến tần của hãng Delta [92]: Công suất 750W; mô-men cực đại: max 2,39T Nm ; mô-men quán tính động cơ: JM = 16 1,13.10-4kgm2; hệ số ma sát tải: b = 10-3 Nm/(rad/s); hệ số điều chỉnh mô- men: KM = 0,717 Nm/V. * Hộp giảm tốc và tỉ số truyền: Hộp số Harmonic, tỉ số truyền của kênh tà, phương vị 160Ei  , 160Ai  , coi hiệu suất 100%A E   . * Chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS: Thể hiện trong bảng 4.1. 4.2. Thực nghiệm chủ động thu thập số liệu và nhận dạng 4.2.1. Nhận dạng hàm truyền đạt của khâu biến tần - động cơ PMSM 3100,8591 W ( ) 1 0,0483 1 IM k s s s     (4.2) 4.2.2. Thực nghiệm thu thập số liệu chuyển động phương tiện Số liệu về tham số mô tả chuyển động của phương tiện được đo và ghi lưu trên một số tuyến đường trong khu Đô thị Việt Hưng, Hà Nội (ĐTVH), dựa trên thiết bị IMU ADIS16354 và mô-đun GPS. Tốc độ tịnh tiến và các góc Euler biểu diễn tư thế của phương tiện thể hiện trên hình 4.3 đến 4.5. Hình 4.3: Góc chuyển hướng của phương tiện trong khu ĐTVH Hình 4.4: Góc nghiêng của phương tiện trong khu ĐTVH Hình 4.5: Vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong khu ĐTVH 17 Hình 4.6 (a, b, c) thể hiện sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện trong khu ĐTVH, đo trong 600s. Kết quả đo được thống kê trong bảng 4.2. a) Tốc độ lắc ngang của sàn xe b) Tốc độ lắc dọc của sàn xe c) Tốc độ chuyển hướng của phương tiện Hình 4.6: Tốc độ góc của phương tiện trong khu ĐTVH Bảng 4.2: Thông số thực nghiệm một số tuyến đường ở Hà Nội Thông số đo đạc thực nghiệm (giá trị lớn nhất) Khu ĐTVH Vòng xuyến ĐTVH Khu đô thị Sài Đồng Tốc độ lắc dọc, lắc ngang ±4o/s ±3o/s ±6o/s Tốc độ chuyển hướng ±25o/s ±30o/s ±30o/s Vận tốc phương tiện 60km/h 15km/h 45km/h Góc nghiêng dọc, nghiêng ngang của sàn xe ±7o ±5o ±5o 18 4.3. Tính toán góc mở và hệ số quy đổi góc từ đầu ra xử lý ảnh 120 2 0,046 16384 xG rad    ; 90 2 0,035 16384 yG rad    (4.4) 16384 640 13907( / ) 120 2 yx x y x y PP k k pixel rad G G         (4.5) Giá trị tính toán trong (4.4) cho thấy nếu góc của mục tiêu lớn hơn các giá trị góc mở (4.4) của camera, mục tiêu sẽ ra khỏi trường nhìn hẹp. 4.4. Mô tả quỹ đạo mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất trong một số bài huấn luyện thực tế Hai kịch bản mục tiêu với các thông số trong bảng 4.6 [29] dựa trên một số bài huấn luyện thực tế trong cPPK 37mm-2N, tạo ra mục tiêu giả, làm đầu vào cho hệ bám góc để thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển. Bảng 4.6: Thông số mô phỏng mục tiêu Quỹ đạo bay Cự ly (m) Góc hướng (ly giác) Độ cao (m) P (m) Vận tốc (m/s) D0 1 0t H P v Đường thẳng 9500 1500 350 1000 150 Vòng tròn 9500 1500 350 3000 150 4.5. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cố định với luật điều khiển PID-ITAE Bộ điều khiển PID: 0,0243 ( ) 0,0134 0,0023CG s s s    (4.15) Bộ tiền xử lí: 2 0,0243 ( ) 0,0023 0,0134 0,0243 PG s s s     (4.16) Hình 4.11: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±0,15o Nhận xét: Với góc nghiêng nhỏ dưới ±0,15o sai lệch góc bám khoảng 5mrad (hình 4.11). Tuy nhiên khi góc nghiêng trong dải ±2o, sai lệch góc bám tăng lên 10 lần (hình 4.12). 19 Hình 4.12: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±2o Hình 4.14: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±7o Nhận xét: Kết quả mô phỏng trên hình 4.14 cho thấy vấn đề ổn định đường ngắm của ĐQS chịu ảnh hưởng rất lớn của góc nghiêng bệ. Khi góc nghiêng bệ ĐQS càng lớn thì sai lệch góc bám càng lớn. 4.6. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cơ động với luật điều khiển FTESM-VSC và kỹ thuật phân vùng trạng thái 4.6.1. Thủ tục thực hiện quá trình mô phỏng 4.6.2. Tham số mô phỏng, suy luận mờ và đáp ứng quá độ của hệ thống   5(0,005;0,005); (7 / 9;7 / 9); 5 5 ; 10TK diag diag        ; (20,20); (2,2); (5,5); (10,10);Ddiag diag K diag K diag     a) Theo kênh phương vị b) Theo kênh tà Hình 4.16: Đặc tính vào ra của hàm isatF theo mô-men chuẩn hóa 20 Khi quá độ, ĐQS có tốc độ góc lớn nhất 120o/s; hệ xác lập trước 1s. Hình 4.17: Đáp ứng quá độ góc từ 0 ÷ 90o 4.6.3. Kết quả mô phỏng sai lệch góc bám và mô-men điều khiển của ĐQS cơ động bám mục tiêu với luật FTESM-VSC * Mô phỏng trong trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay thẳng Hình 4.19: Sai lệch góc bámmục tiêu bay thẳng Hình 4.21: Mô-men điều khiển trong thời gian 380s ÷ 420s Nhận xét: Sai lệch góc bám mục tiêu không vượt quá 0,5mrad (hình 4.19). Ở những thời điểm phương tiện chuyển hướng cần lượng mô-men điều khiển PV nhiều hơn. Nhìn chung, mô-men điều khiển có đặc tính tốt, không có chattering (hình 4.21). * Mô phỏng trong trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay vòng Hình 4.22: Sai lệch góc bám mục tiêu bay vòng 21 Hình 4.24: Mô-men điều khiển trong thời gian 50s ÷ 100s Nhận xét: Hình 4.22 cho thấy sai lệch góc bám không vượt quá 0,5mrad. Quan sát mô-men điều khiển trên hình 4.24 trong thời gian 50-100s thấy rằng mô-men điều

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftom_tat_luan_an_nghien_cuu_tong_hop_he_thong_tu_dong_bam_sat.pdf
Tài liệu liên quan