Tóm tắt Luận văn Ứng dụng điều khiển trượt cho điều khiển chuyển động của xe đi dưới nước
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HOÀNG ANH ĐỨC
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
CỦA XE ĐI DƯỚI NƯỚC
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số : 60.52.02.16
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2015
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN MINH TRÍ
Phản biện 1: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI
Phản biện 2: TS. TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC
Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
Thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại Đại học Đà Nẵng
vào ngày 27 tháng 6 năm 2015
* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Xe đi dưới nước không người lái là sự phát triển mới nhất
của các nổ lực nghiên cứu về biển. Làm việc trong môi trường biển
là một thách thức lớn với nhiều lý do. Môi trường biển có nhiều rối
loạn như gió, sóng, dòng chảy, các lực thủy động học và thủy tĩnh
nên ảnh hưởng và làm gián đoạn đến hoạt động nghiên cứu của con
người. Kết quả là các hoạt động có xu hướng diễn biến phức tạp và
tốn thời gian. Vì vậy xe đi dưới nước là phương tiện tối ưu, là một
giải pháp mới cho việc đạt được các mục tiêu mong muốn trong môi
trường biển.
Hoạt động quân sự, thăm dò đáy biển, nghiên cứu môi
trường… đạt hiệu quả cao nhờ sự phát triển của xe đi dưới nước tự
hành. Theo các ứng dụng khác nhau nên phần điện và cơ khí của xe
cũng được thiết kế khác nhau. Ví dụ nếu xe sử dụng để thăm dò đáy
biển sâu thì cần phải thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt trong chuyển động
để nó có thể đi đến những không gian nhỏ dễ dàng hơn.
Xe đi dưới nước có mô hình toán phi tuyến, phức tạp, có
nhiều xáo trộn và tham số không chắc chắn. Trong nội dung luận văn
này, giới thiệu mô hình tổng quát của xe đi dưới nước với sáu bậc tự
do. Nghiên cứu tách mô hình với một bậc tự do điều khiển chuyển
động về phía trước của xe đi dưới nước.
Khi điều khiển chuyển động của xe đi dưới nước, việc thiết
kế bộ điều khiển cần có độ bền vững, ít bị ảnh hưởng do nhiễu của
2
mô hình. Điều khiển trượt (SMC) là một phương pháp điều khiển
bền vững để đối phó với vấn đề không chắc chắn tham số và rối loạn
của hệ thống phi tuyến nói chung và mô hình xe đi dưới nước nói
riêng. Vì vậy tôi chọn đề tài này nhằm thiết kế bộ điều khiển trượt
ứng dụng điều khiển chuyển động xe đi dưới nước.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động của xe đi
dưới nước và mô hình hóa.
- Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển trượt điều khiển
chuyển động của xe đi dưới nước.
- Nghiên cứu các phương pháp hạn chế hiện tượng rung
của bộ điều khiển trượt và ứng dụng.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp mô phỏng
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đơn giản hóa mô hình toán học của xe đi dưới nước.
- Đánh giá bộ điều khiển trượt trong điều khiển chuyển
động của xe đi dưới nước.
- Ứng dụng phương pháp hạn chế hiện tượng rung mới
bằng cách thay hàm dấu bởi một hàm liên tục khác
5. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chương 1. Hệ thống điều khiển chuyển động của xe đi
dưới nước và mô hình hóa
3
Hệ thống điều khiển chuyển động của xe đi dưới nước
Mô hình hóa
Chương 2. Tìm hiểu điều khiển trượt và các phương
pháp hạn chế hiện tượng rung
Tổng quan điều khiển trượt
Các phương pháp hạn chế hiện tượng rung đã được nghiên
cứu và ứng dụng
Chương 3. Phương pháp đề nghị hạn chế hiện tượng
rung của đề tài và ứng dụng điều khiển chuyển động của xe đi
dưới nước.
Trình bày vấn đề
Phương pháp hạn chế hiện tượng rung của đề tài
Ứng dụng điều khiển chuyển động xe đi dưới nước
Chương 4. Mô phỏng điều khiển chuyển động xe đi dưới
nước và đánh giá kết quả đạt được
Mô phỏng chuyển động xe đi dưới nước
Đánh giá kết quả đạt được
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
4
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐI
DƯỚI NƯỚC VÀ MÔ HÌNH HÓA
1.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE ĐI DƯỚI
NƯỚC
1.1.1. Giới thiệu
Các mô hình thực tế của hầu hết các phương tiện dưới nước
là một hàm phi tuyến.
̇
(1.1)
1.1.2. Các véc tơ không gian trạng thái của xe đi dưới
nước
1.1.3. Động học xe đi dưới nước
1.2. MÔ HÌNH HÓA
1.2.1. Mô hình động lực học tổng quát của xe đi dưới
nước
Theo [Fossen, 1994], mô hình động lực học phi tuyến tổng
quát của xe đi dưới nước sáu bậc tự do là:
̈
̇
̇
̇
̇
(1.8)
Phương trình (1.8) bỏ qua sự nhiễu loạn của môi trường, ví
dụ như dòng chảy ngầm.
1.2.2. Ma trận khối lượng và quán tính
(1.9)
5
1.2.3. Ma trận Coriolis và lực hướng tâm
̇
̇
̇
(1.12)
(1.19)
1.2.4. Thủy động lực học
̇ ̇ ̇
1.2.5. Trọng lực và lực nổi
1.2.6. Lực và mô men điều khiển đầu vào
Hình 1.4. Mô hình vật lý xe đi dưới nước
1.2.7. Xây dựng mô hình toán điều khiển chuyển động
về phía trước cho xe đi dưới nước
a. Các giả định cho xe đi dưới nước
Các giả định sau đây được thực hiện:
o Tốc độ của xe thấp, do đó lực nâng thủy động học có thể
được bỏ qua.
o Xe đi dưới nước hoạt động với tốc độ tương đối thấp, tối
đa là 1 m/s. Vì vậy cho nên lực nâng thủy động học có thể được bỏ
qua.
6
o Xe đi dưới nước đối xứng theo ba mặt phẳng
o Các xe đi dưới nước đối xứng qua mặt phẳng x-z và gần
đối xứng qua mặt phẳng y-z. Mặc dù xe không đối xứng qua mặt
phẳng x-y nhưng nó được giả định là đối xứng qua mặt phẳng này,
do đó có thể đơn giản trong việc tách các bậc tự do. Xe đi dưới nước
có thể được giả định là đối xứng qua ba mặt phẳng khi xe hoạt động
ở tốc độ tương đối thấp.
o Mô men đảm bảo sự ổn định theo phương ngang
Xe đi dưới nước vẫn gần ổn định theo phương ngang trong
các thí nghiệm của chúng trong nước [Vervoort, 2008].
o Gốc xoay theo phương chuyển động về phía trước (Roll)
và gốc xoay theo phương ngang (Pitch) có thể được bỏ qua
Các bậc tự do xoay theo phương chuyển động về phía trước
và xoay theo phương ngang của xe đi dưới nước được điều khiển và
có thể được bỏ qua khi xe đạt đến sự ổn định theo mặt phẳng ngang.
Vì vậy các thông số tương ứng không cần phải xác định.
o Hệ quy chiếu thân xe ở trung tâm của lực hấp dẫn
o Mô hình không có rối loạn môi trường
Xe ngập sâu dưới nước thường chịu tác động của những rối
loạn môi trường như dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm biến đổi
chậm và có thể dẫn đến một chuyển động của xe đi dưới nước
(AUV) theo phương ngang. Chuyển động này là khó kiểm soát vì
vậy ở đây giả thiết không có sự tác động của các dòng hải lưu.
o Các bậc tự do của xe có thể được tách riêng
7
Giả định rằng tách chuyển động dọc theo một bậc tự do
không ảnh hưởng đến các bậc tự do khác. Việc tách là phù hợp với
mô hình của xe đi dưới nước đối xứng và không phụ thuộc vào dòng
chảy đại dương. Các thành phần tác động do thủy động lực học là
không đáng kể khi ở tốc độ thấp. Khi một bậc tự do được tách riêng
thì ma trận Coriolis và lực hướng tâm trở nên không đáng kể và có
thể được bỏ qua. Kết quả là mô hình động lực học của xe theo (1.8)
được viết lại như sau:
̈
̇
̇
(1.20)
b. Mô hình toán điều khiển chuyển động về phía trước của
xe đi dưới nước
Với mô hình toán được định nghĩa (1.8) và được đơn giản
hóa theo (1.20) khi tách riêng các bậc tự do, chúng ta có thể viết lại
cho một bậc tự do như sau:
| |
̈
̇
̇
̇
(1.21)
̇
̇
̇
|
̇
|
̇
̇
Thành phần là tham số trọng lực và lực nổi bằng không ở
̇
bậc tự do chuyển động về phía trước và chuyển động theo phương
ngang của thân xe. Đồng thời khi điều khiển chuyển động về phía
trước (surge) thì thành phần tuyến tính rất nhỏ so với thành phần
̇
bậc hai
do tác động của thủy động lực học vì vậy có thể bỏ
̇
|
̇
|
̇
qua theo tài liệu [Hoerner, 1992]. Do đó, (1.21) được viết lại:
| |
(1.22)
̈
̇
̇
̇
̇
̇
|
̇
|
Phương trình (1.22) mô tả toán học khi điều khiển chuyển
động về phía trước của xe đi dưới nước.
8
CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG RUNG
2.1. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
2.1.1. Đối tượng điều khiển
2.1.2. Mặt trượt
2.1.3. Động lực học tương đương của Filippov
2.1.4. Luật điều khiển trượt
2.1.5. Đặc điểm của điều khiển trượt
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG RUNG
ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
2.2.1. Phương pháp tiếp cận lớp biên
2.2.2. Phương pháp dùng hàm tích phân - bão hòa
2.2.3. Phương pháp điều chỉnh độ rộng lớp biên
9
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP ĐỀ NGHỊ ĐỂ HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG
RUNG CỦA ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG XE ĐI DƯỚI NƯỚC
3.1. TRÌNH BÀY VẤN ĐỀ
3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ NGHỊ HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG
RUNG CỦA ĐỀ TÀI
Để hạn chế hiện tượng rung, sử dụng phương pháp
Lyapunov trong điều khiển trượt (SMC). Chọn hàm Lyapunov:
(3.5)
Tín hiệu vào phải thỏa mãn bất đẳng thức sau:
̇
̇
(3.6)
Nhận xét 1: Trong phương pháp thiết kế này, vế phải của
(3.6) là khác với luật điều khiển trượt (SMC) thông thường (điều
̇
kiện trượt (2.5)). Mặc dù có sự khác biệt, cũng có giá trị âm với
các tín hiệu điều khiển xác định. Chúng ta gọi (3.6) là điều kiện
trượt, trong đó η là một hằng số xác định dương.
Giả thiết 1: Các ước lượng sai số trên f(x) bị chặn bởi một
hàm đã biết F(x) để:
̂
| |
(3.7)
̂
trong đó là hàm đã biết.
Phát biểu 1: Đối với hệ phi tuyến bậc hai được cho bởi
phương trình:
̈
(3.8)
10
Lựa chọn luật điều khiển là:
̂
̇
̃
̈
với
(3.9)
Thỏa mãn điều kiện (3.6).
Chứng minh:
Các điều kiện trượt như sau:
̇
̇
̃
̇
( ̃ ̃)
̈
̂
( )
Theo (3.6) ta có:
̇
̇
(3.10)
(3.11)
Do đó:
Phát biểu 2: Đối với hệ phi tuyến bậc hai được cho bởi
phương trình:
̈
(3.12)
với
Lựa chọn luật điều khiển với:
̂
̂
(3.13)
(3.14)
Trong đó:
̂
̇
̂ ̃
̈
11
̂
(3.15)
(3.16)
√
̂
(3.17)
√
Thỏa mãn điều kiện (3.6).
Chứng minh:
Với s và
̂ được định nghĩa theo (3.3) và (3.14) , sử dụng
(3.13) trong biểu thức của
̇
:
̂
̂
̂
̂
̇
̇
( ) ( ̃
̈
)
(3.18)
(3.20)
Theo giả thiết 1, ta có:
̂
̇
{ ( ) ( ̃
̈
)}
̂
̂
Do đó:
̂
Vậy (3.12) thỏa mãn (3.6).
Nhận xét 2:
Từ (3.15) ta thấy, k không xác định khi , tuy nhiên vẫn
xác định được một tín hiệu điều khiển u(t). Bởi vì các mẫu số s trong
các phương trình (3.11) và (3.15) được hạn chế bằng việc nhân với s
trong biểu thức của tín hiệu điều khiển u(t).
3.3.
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO XE
ĐI DƯỚI NƯỚC
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển chuyển
động xe đi dưới nước
12
a. Các thông số của xe đi dưới nước
;
̇
| |
̇
̇
b. Thiết kế bộ điều khiển trượt thông thường
̂
̂
̇
| |
̇ ̇
̇
| |
̂ (
̈
̃)
̇
̇
̇
̂ | ( ̈ ̃)| (3.22)
̇
Tính toán và ước lượng các tham số, ta có:
̂
̂ ;
̇
̇
| |
̇
̂
| |
;
| |
̇
;
̇
̇
̇
√
√
3.3.2. Hạn chế hiện tượng rung theo phương pháp tiếp
cận lớp biên
Bộ điều khiển trượt tiếp cận lớp biên với các thành phần như
sau:
̇
̂
̇
|
| |
̂ ̂ (
̈
̃)
̇
̇
̇
̇
|
̂
̇
|
|
|
̈
̇
||
̇
̂ |
̃|
|
̇
|
̇
|
̇
̇
̇
̇
̇
̅
̇
̇
̃ ̃
̅
̂
{
3.3.3. Hạn chế hiện tượng rung trong bộ điều khiển
trượt theo đề xuất của đề tài
̂
̂
(3.33)
̇
̂
̂
̇
̂ ̃
̈
;
̂
| |
̇ ̇
13
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
4.1. MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CÁC BỘ ĐIỀU
KHIỂN TRƯỢT
Bảng 4.1. Các thông số mô phỏng
Thông số
Giá trị
3
35
4.1.1. Mô phỏng bộ điều khiển trượt thông thường
4.1.2. Mô phỏng bộ điều khiển trượt tiếp cận lớp biên
4.1.3. Mô phỏng bộ điều khiển trượt theo đề xuất
4.2. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
4.2.1. Kết quả mô phỏng với u thông thường
a. Đáp ứng đầu ra x
Dap ung voi bo dieu khien thong thuong
2
Tin hieu dat
Tin hieu ra
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.6. Tín hiệu x với bộ điều khiển thông thường
14
b. Tín hiệu điều khiển u
Bo dieu khien truot thong thuong
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.7. u của bộ điều khiển trượt thông thường
c. Sai lệch tĩnh
Sai lech tinh bo dieu khien thong thuong
0.2
0.15
0.1
0.05
X: 5.24
Y: 0.01076
0
-0.05
-0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.9. Sai lệch tĩnh với điều khiển thông thường
4.2.2. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển hạn chế hiện
tượng rung theo phương pháp tiếp cận lớp biên
a. Tín hiệu ra x ( )
15
Dap ung voi bo dieu khien tiep can lop bien
2
1.5
1
Tin hieu dat
Tin hieu ra
X: 5.03
Y: 1.049
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.10. Đáp ứng với bộ điều khiển lớp biên
b. Tín hiệu điều khiển u
Bo dieu khien truot tiep can lop bien
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.11. Bộ điều khiển trượt tiếp cận lớp biên
c. Sai lệch tĩnh
Sai lech tinh
0.2
0.15
0.1
X: 5.29
Y: 0.05446
0.05
0
-0.05
-0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.13. Sai lệch tĩnh với bộ điều khiển lớp biên
16
4.2.3. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển trượt đề
xuất
a. Đáp ứng tín hiệu x
Dap ung voi bo dieu khien de xuat
2
Tin hieu dat
Tin hieu ra
1.5
X: 4.98
Y: 1.064
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.14. Tín hiệu ra với bộ điều khiển đề xuất
b. Tín hiệu điều khiển u
Bo dieu khien truot de xuat
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.15. Bộ điều khiển trượt đề xuất
c. Sai lệch tĩnh
17
Sai lech tinh bo dieu khien de xuat
0.2
0.15
0.1
X: 5.18
Y: 0.07088
0.05
0
-0.05
-0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thoi gian (s)
Hình 4.17. Sai lệch tĩnh với bộ điều khiển đề xuất
4.2.4. So sánh và đánh giá các kết quả đạt được
a. So sánh bộ điều khiển trượt lớp biên và đề xuất
So sánh các tín hiệu ra
Hình 4.18. So sánh tín hiệu ra của hai bộ điều khiển
Theo lý thuyết đã nghiên cứu, bộ điều khiển trượt tiếp cận
lớp biên đã làm cho tín hiệu điều khiển mềm hơn, biên độ dao động
nhỏ hơn. Tuy nhiên, để đạt được điều đó thì chất lượng điều khiển
của nó cũng bị hạn chế. Độ quá điều chỉnh của tín hiệu ra lớn hơn,
sai lệch lớn.
Bảng 4.2. So sánh độ quá điều chỉnh của bộ điều khiển tiếp
cận lớp biên và bộ điều khiển đề xuất
18
Tín hiệu điều khiển
Độ quá điều chỉnh
PO (%)
4.9
Tiếp cận lớp biên
Đề xuất
6.5
So sánh các tín hiệu điều khiển
Hình 4.20. So sánh u lớp biên và u đề xuất
Từ hình vẽ 4.20 cho kết quả của bộ điều khiển trượt đề
xuất và bộ điều khiển trượt tiếp cận lớp biên.
Sai lệch tĩnh của các bộ điều khiển được so sánh trong hình
vẽ 4.23 và được tổng hợp trong bảng 4.3.
Hình 4.21. So sánh sai lệch tĩnh của các bộ điều khiển
Tải về để xem bản đầy đủ
26 trang
25880
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Ứng dụng điều khiển trượt cho điều khiển chuyển động của xe đi dưới nước", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_ung_dung_dieu_khien_truot_cho_dieu_khien_ch.pdf
