Modeling and Fractional-Order Control of Twin Rotor MIMO System

Abstract

Tato diplomová práce se zaměřuje na modelování laboratorní soustavy Twin Rotor Multiple Input-Multiple Output System (TRMS) a její řízení s využitím regulátorů neceločíselného řádu. Práce začíná důkladným přehledem literatury, který zkoumá modelování a implementaci proporcionálně-integračně-derivačních regulátorů neceločíselného řádu (FOPID) pro systémy TRMS. Tento přehled zahrnuje zkoumání výhod a nevýhod každého navrhovaného přístupu, způsob ověřování pro každou z těchto navržených metod a zkoumání výkonu metody v podmínkách reálného času. Následně se práce zaměřuje na modelování nelineárního systému TRMS na základě matematicko-fyzikální analýzy. Je vytvořen podrobný nelineární model systému TRMS a porovnán s lineárními a experimentálními daty v reálném čase, a to jak pro elevaci (vertikální pohyb), tak pro azimut (horizontální pohyb). Statické charakteristiky hlavní rotor-elevace a zadní rotor-azimut jsou poté zkoumány a zobrazeny. Pečlivě jsou zkoumány vlivy hlavního rotoru na azimutální úhel a zadního rotoru na elevační úhel. Faktory ovlivňující měření modelu v reálném čase jsou také zahrnuty do této studie. Práce poté zaměřuje svou pozornost na identifikaci parametrů systému TRMS pomocí různých přístupů, včetně algoritmu "fminsearch" v MATLABu a modelů ARX a ARMAX. Výsledky každého identifikačního postupu jsou porovnány, a následně provedena analýza říditelnosti, pozorovatelnosti a stability na základě lineárních identifikačních modelů "fminsearch" pro elevaci a azimut. Jádrem práce je návrh PID regulátorů jak celočíselného (IOPID), tak také neceločíselného (FOPID) řádu pro soustavu TRMS. Různé optimalizační algoritmy, jako je Particle Swarm Optimization (PSO), Genetic Algorithm (GA) a Nelder-Mead (NM), jsou použity k optimalizaci parametrů regulátorů. Výkon a efektivnost každého optimalizačního postupu jsou vyhodnoceny a porovnány. Dále práce představuje podrobné srovnání navržených regulátorů, zohledňující faktory jako stabilita, doba ustálení, překmit a další parametry. Analýza a srovnání poskytují cenné poznatky o výkonu a vhodnosti různých návrhů regulátorů pro soustavu TRMS. Závěrem lze říci, že tato diplomová práce přináší významný přínos do oblasti řízení založeného na neceločíselných řádech tím, že se zabývá nelineárním modelováním, identifikací a návrhem řízení soustavy TRMS. Výsledky a závěry prezentované v této práci budou sloužit jako základ pro vývoj pokročilých řídicích strategií pro podobné systémy v budoucnosti, s potenciálním uplatněním v oblastech jako letecký průmysl a robotika.