ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

NGUYỄN ĐĂNG LUYỆN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MÔ HÌNH
MÁY BAY TRỰC THĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




THÁI NGUYÊN, 2016
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------o0o------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Tên đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHO MÔ HÌNH
MÁY BAY TRỰC THĂNG

Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trung tâm Ứng dụng tiến bộ Khoa học và Công nghệ.
Xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô
hình máy bay trực thăng” do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Nhƣ Hiển hƣớng dẫn là công
trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ
rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung
của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

HỌC VIÊN

Nguyễn Đăng Luyện

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

-1-


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của
nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo, gia đình và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển,
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện
luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô ở Khoa Điện, phòng thí nghiệm

1.1. Khái quát về lich sử phát triển máy bay trực thăng……………………................12
1.2. Giới thiệu về hệ thông Twin Rotos Mimo System (TRMS)……………………..17
1.2.1. Mô hình hệ TRMS……………………………………………................17
1.2.2. Cấu trúc cơ khí của hệ TRMS…………………………………………..20
1.3. Kết luận…………………………………………………………………………..20
CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TWIN ROTOS MIMO SYSTEM
2.1. Giới thiệu chung……………………………………………………….................22
2.2. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo phƣơng pháp Newton…………………22
2.3. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo Euler-Lagrange (EL) …………………34
2.3.1. Trục quay tự do………………………………………………................34
2.3.2. Thanh đối trọng…………………………………………..…………….36
2.3.3. Trục quay…….……………………………………….………………..37
2.4. Kết luận…………………………………………………………………………..42
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID
3.1. Giới thiệu chung.....................................................................................................43
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID.....................................................................................46
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)..............................................46
3.2.1.1. Phƣơng pháp Ziegler – Nichols........................................................................46
3.2.1.2. Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick ........................................................47
HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

-3-


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

3.2.1.3. Phƣơng pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn................................................47
3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số.......................................................................48



Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Trực thăng của Treremukhin ......................................................................13
Hình 1.2 : Trực thăng K24 của Iacốplép......................................................................13
Hình 1.3 : Máy bay trực thăng EC 225........................................................................14
Hình 1.4 : Máy bay lên, xuống nhờ cánh quạt chính………………….……...............16
Hình 1.5 : Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra một mô men cân bằng với momen do cánh quạt
chính gây lên…………………………………………………...……...........................17
Hình 1.6 : Hệ thống Twin rotor mimo system: Mô hình của một máy bay trực thăng
nhƣng đƣợc đơn giản hóa.………………………………..………..….........................17
Hình 1.7 : Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System)……………………..……………18
Hình 1.8a: Mặt chiếu đứng của TRMS ………………………..…..…..…..................19
Hình 1.8b: Mặt chiếu bằng của TRMS ………………………………..…..................19
Hình 2.1: Các lực tác dụng vào TRMS tạo ra mômen trọng lƣợng .............................24
Hình 2.2: Mômen các lực trong mặt phẳng ngang ……………………..……………29
Hình 2.3: Sơ đồ khối biểu diễn đầu vào và đầu ra của hai cánh quạt ..........................32
Hình 2.4: Twin roto mimo system ……………………………….………..................35
Hình 2.5: Hình chiếu đứng của hệ thống TRMS với αh=0………………...................35
Hình 2.6: Hình chiếu bằng của hệ thống TRMS……...…………………....................36
Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống TRMS……………………….……….…....................41
Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID..................................................................43
Hình 3.2: Đồ thị quá độ................................................................................................47
Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển……………………………….………................48
Hình 3.4: Hàm thuộc biến ngôn ngữ ……………………………………………..............52
Hình 3.5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.…...................................................................52

Hình 4.4: Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID..............68
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ với góc pitch................................68
Hình 4.6: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ với góc yaw.................................69
Hình 4.7: Cấu trúc mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định ...........69
Hình 4.8: Kết quả mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định với góc
pitch...............................................................................................................................70
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng so sánh 2 bộ điều khiển PID và Mờ chỉnh định với góc
yaw................................................................................................................................70

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

-6-


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

TRMS

Twin Roto MIMO System

Hệ Twin Roto nhiều vào nhiều ra

Hệ nhiều vào - nhiều ra
Euler-Lagrange
Dòng điện xoay chiều
Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân
Dòng điện một chiều
Bộ biến đổi tƣơng tự -số

BẢNG KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

Vv/h

V

điện áp trên cực động cơ chính/phụ

Uv/h

V

điện áp điều khiển động cơ chính/phụ trong máy tính

Rav/h





vị trí trong mặt phẳng ngang

αv

rad

vị trí trong mặt phẳng đứng

g

m/s2

gia tốc trọng trƣờng

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

-7-


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

m

kg

khối lƣợng


m

trọng tâm của thanh ngang

P1

J

thế năng của thanh ngang

mt

kg

khối lƣợng phần phụ của thanh ngang

mtr

kg

khối lƣợng động cơ phụ

mts

kg

khối lƣợng vành bảo vệ roto phụ

mm


m

bán kính vành bảo vệ rotor chính/phụ

rmm/t

m

bán kính rotor động cơ chính/phụ

K2

J

động năng của thanh đối trọng

P2

J

thế năng của thanh đối trọng

J2

kgm2

mb

kg


HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

-8-


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

lcb

m

khoảng cách từ đối trọng đến điểm quay

rcb

m

bán kính của đối trọng

Lcb

m

chiều dài của đối trọng

K3

J


khối lƣợng phần sau của chốt quay

h

m

chiều dài của chốt quay

h1

m

chiều dài phần sau của chốt quay

K4/5

J

động năng của rotor chính/phụ

Jmm

kgm2

mô men quán tính của rotor động cơ

Jm/tp

kgm2

Nm

tổng hợp mô men trong mặt đứng(ảnh hƣởng tới góc  v )

Mh

Nm

tổng hợp mô men trong mặt bằng(ảnh hƣởng tới góc  h )

Mm/t

Nm

tổng hợp mô men tác động lên rotor chính/phụ

Bm/tr

kgm2/s hệ số ma sát nhớt của động cơ chính/phụ

Bv/h

kgm2/s hệ số ma sát nhớt của khớp quay trong mặt phẳng
đứng/bằng

Fv/h

Nm

ma sát trƣợt khớp quay trong mặt phẳng đứng/bằng

cuộc sống.
Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID để
điều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chƣa tối ƣu hoặc ít bền vững đối với sự
thay đổi tham số trong quá trình vận hành. Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợp
cho các đối tƣợng có tham số không chính xác. Việc ứng dụng kỹ thuật mờ xây dựng
bộ điều khiển cho các quá trình có tham số thay đổi là hƣớng nghiên cứu còn mới mẻ
và có khả năng đáp ứng các yêu cầu chất lƣợng cao. Chính vì vậy chúng em thực hiện
đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho mô hình máy bay trực
thăng” nhằm mục đích tiếp cận với hƣớng nghiên cứu mới trên.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ điều khiển
3. Dự kiến kết quả đạt đƣợc
- Xây dựng mô hình toán của đối tƣợng điều khiển
- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cũng nhƣ thông số bộ điều khiển
- Mô phỏng hệ thống
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 10 -


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

Trong phạm vi đề tài, để xây dựng thuật toán điều khiển tác giả sử dung các
phƣơng pháp sau
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán của mô hình máy bay trực thăng,
thiết kế bộ điều khiển
- Mô phỏng kết quả hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink.

quay. Năm 1869, kĩ sƣ điện Lôđƣghin đã nêu ra dự án trực thăng với động cơ điện.
Năm 1870, nhà bác học Rƣcachép đã nghiên cứu cánh quạt không khí. Nhà bác học
Tre-nốp khởi thảo sơ đồ trựcc thăng có các cánh quay bố trí dọc ngang và đồng trục.
Cuối thế kỉ XIX, các nhà bác học Menlêđêép, Giucốpski, Traplƣghin đã chú ý nghiên
cứu khí cụ bay dẫn tới thời kì các khí cụ bay nậng hơn không khí có cơ sở lý luận khoa
học sâu sắc. Năm 1891, một học trò của Giucốpski là Iurép đã nêu ra 1 dự án có lý lẽ
vững vàng về trực thăng 1 cánh quay với cánh quạt đuôi cùng những thiết bị điều
khiển tự động nghiêng cánh quay.

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 12 -


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

Hình1.1. Trực thăng của Treremukhin

Sau cánh mạng tháng 10, công nghiệp hàng không của Liên Xô bắt đầu phát
triển, các công trình nghiên cứu về trực thăng liên tiếp đƣợc tiến hành. Năm 1925, tại
trƣờng đại học thuỷ khí, một nhóm dƣới sự lãnh đạo của Iurep đã nghiên cứu hoàn
thiện trực thăng. Kết quả là 1930 đã tạo đƣợc trực thăng Xôviết đầu tiên. Kĩ sƣ
Treremukhin, ngƣời lãnh đạo, đồng thời là ngƣời thử nghiệm trực thăng (Hình 1.1) đã
lập kỉ lục thế giới về độ cao trực thăng: 605 m.
Năm 1948, trực thăng Mi1 đã đƣợc thử nghiểm cho các số liệu kĩ thuật khá nên
đã đƣợc sản xuất hàng loạt. Năm 1952, Mi4 cũng đã đƣợc chế tạo .Cũng vào năm ấy
trực thăng 2 cánh quay K24 của Iacốplép đã đƣợc thực hiện (Hình 1.2) . Năm 1958,
trực thăng hạng nặng Mi6 đã đƣợc hoàn thiện với kỉ lục về tốc độ và trọng tải. Đến

Hình1.3. M y

y trực thăng

22

cao. Đó là lý do giải thích việc ra đời muộn hơn 1/2 thế kỉ của trực thăng so với máy
bay cánh cứng, gây trở ngại cho việc sản xuất trực thăng.

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 14 -


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

Máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phƣơng tiện bay có động
cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay
đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong
đời sống thƣờng nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự.
Nếu so sánh với máy bay phản lực thì máy bay trực thăng có kết cấu, cấu tạo
phức tạp hơn rất nhiều, khó điều khiển, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nhiên
liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn rất nhiều. Nhƣng bù lại những nhƣợc điểm đó, khả
năng cơ động linh hoạt, khả năng cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và
tính năng bay đứng của nó làm cho loại máy bay này là không thể thay thế đƣợc. Thực
tế là máy bay trực thăng có thể đến bất cứ nơi nào chỉ cần bãi đáp có kích thƣớc lớn
gấp rƣỡi đƣờng kính cánh quạt là nó đều có thể hạ cánh và cất cánh đƣợc.
Vì các đặc tính kỹ thuật đặc biệt mà các máy bay cánh cố định không thể có đƣợc

động học trong khi bản thân máy bay không cần chuyển động. Vì vậy, máy bay trực
thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi.
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay
để nâng nó bay trong không khí. Lực nâng đƣợc tạo ra nhờ sự tƣơng tác với không khí.
Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và ngƣợc lại không
khí tác dụng lên cánh quạt một phạn lực hƣớng lên trên. Do đó, khi không có không
khí lực nâng này sẽ không còn, hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực thăng
để bay ra khỏi tầng khí quyển dù công suất của động cơ có lớn đến đâu. Vì ngoài trái
đất là chân không.

Hình1.4. M y

y n xuống nh c nh qu t ch nh

Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn mômen xung lƣợng
khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của máy bay sẽ có
xu hƣớng quay theo chiều ngƣợc lại.

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 16 -


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi mà máy bay có thể
chuyển hƣớng sang phải sang trái dễ dàng.


Với hai đầu vào (điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc và
ngang, các vận tốc góc). Hệ thống TRMS là một hệ thống đƣợc thiết kế dƣới dạng mô
hình máy bay hai cánh quạt và đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiều
luật điều khiển đƣợc áp dụng để điều khiển nó. Do tính phức tạp của quỹ đạo phi
tuyến, sự ảnh hƣởng của các khớp nối giữa các cánh quạt (Hình 1.8a và 1.8b),

Hình 1.7: Hệ TRMS(Twin Rotor MIMO System)

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 18 -


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

Với hai đầu vào (điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc và
ngang, các vận tốc góc). Hệ thống TRMS là một hệ thống đƣợc thiết kế dƣới dạng mô

Hình 1.8a: Mặt chiếu đứng củ TRMS

hình máy bay hai cánh quạt và đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiều
luật điều khiển đƣợc áp dụng để điều khiển nó.
Do tính phức tạp của quỹ đạo phi tuyến, sự ảnh hƣởng của các khớp nối giữa các
cánh quạt (Hình 1.6), sự thay đổi của khí động lực học tác dụng lên cánh quạt do vậy
vấn đề nghiên cứu bộ điều khiển cho hệ thống TRMS là một thử thách, một vấn đề
mới và phức tạp cho các đề tài nghiên cứu về nó.

Hình 1.8b: Mặt chiếu ằng củ TRMS

bởi sự thay đổi tốc độ của các rotor. Bởi vậy, các đầu vào điều khiển là điện áp cấp
cho động cơ một chiều. Thay đổi giá trị điện áp dẫn đến tốc độ góc của cánh quạt thay
đổi, sự thay đổi này dẫn đến làm thay đổi vị trí tƣơng ứng của dầm. Tuy nhiên, sự
ghép chéo đƣợc quan sát giữa hoạt động của các rotor, mỗi rotor ảnh hƣởng đến cả hai
vị trí góc.
1.3. Kết luận
Khi nghiên cứu về Twin Rotor MIMO System (TRMS), ta nhận thấy: Đây là một
hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra có hiện tƣợng xen kênh rõ rệt. Nó hoạt động
HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 20 -


Luận văn tốt nghiệp

Chuyên ngành KTĐK và TĐH

giống nhƣ máy bay trực thăng nhƣng góc tác động của các rotors đƣợc xác định và các
động lực học đƣợc điều khiển bởi các tốc độ của các động cơ. Hiện tƣợng xen kênh
đƣợc quan sát giữa sự hoạt động của các động cơ, mỗi động cơ đều ảnh hƣởng đến cả
hai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch angle).
Ngoài ra hệ thống này luôn luôn hoạt động với bất định mô hình. Tính bất định là
không có thông tin, có thể không đƣợc mô tả và đo lƣờng. Tính bất định mô hình có
thể bao gồm bất định tham số và các động học không mô hình. Nhƣ đã giải thích trong
[8], bất định tham số có thể do tải biến đổi, các khối lƣợng và các quán tính ít biết đến,
hoặc không rõ và các thông số ma sát biến đổi chậm theo thời gian,... Trong lý thuyết
điều khiển, bất định mô hình đƣợc xem xét từ quan điểm của mô hình hệ thống vật lý.
Các động học không mô hình và bất định tham số có ảnh hƣởng tiêu cực đến hiệu suất
bám và thậm chí có thể dẫn đến không ổn định. Nếu cấu trúc mô hình đƣợc giả định là
đúng, nhƣng hiểu biết chính xác về các thông số đối tƣợng không rõ, thì điều khiển

khiển hệ thống nào đó nếu nhƣ không biết gì về nó cả.
Mô hình của đối tƣợng dƣới dạng toán học đƣợc gọi là mô hình danh định. Do
vậy, có thể nói rằng, một hệ thống điều khiển danh định là đƣợc thể hiện dƣới dạng
các phƣơng trình toán học. Từ đây, ta nhận thức đƣợc rằng mô hình hóa đối tƣợng
dƣới dạng các phƣơng trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong phân tích hệ
thống và thiết kế bộ điều khiển. Việc mô tả toán học cho đối tƣợng càng sát với mô
hình vật lý thì việc điều khiển nó càng đạt chất lƣợng cao nhƣ mong muốn. Tuy nhiên,
việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều với
các đối tƣợng không ổn định và có tính phi tuyến cao.
2.2. Xây dựng mô hình toán của TRMS theo phƣơng pháp Newton
Các lực tác dụng vào hệ thống TRMS là thành phần phi tuyến (dòng điện qua
rotor, vị trí). Để biểu diễn hệ thống nhƣ một hàm truyền (một dạng biểu diễn động lực

HV: Nguyễn Đăng Luyện – K16

- 22 -