Modeling and Fractional-Order Control of Twin Rotor MIMO System

Abebe Alemu Wendimu

Master's thesis

Abstract:

This Diploma thesis focuses on the modeling and fractional order control of a Twin Rotor Multiple Input-Multiple Output System (TRMS). The thesis begins with a comprehensive literature review, exploring the modeling and implementation of fractional order Proportional-Integral-Derivative (FOPID) controllers for TRMS systems. This review includes an analysis of the advantages and disadvantages of each proposed system, and along with the testing methodologies for these approaches and their performance evaluation in real-time scenarios. Subsequently, the thesis focuses on the modeling of nonlinear TRMS system based on first princiles. A detailed non-linear model of the TRMS system is developed and compared against both linear and real-time experimental data for both elevation/pitch angle and azimuth/yaw angle. The static characteristics of both the main-elevation and tail-azimuth are then explored and depicted. The impacts of the main rotor on azimuth angle and the tail rotor on elevation angle are carefully studied. Factors affecting real-time model measurements are also incorporated in this study. The thesis then shifts its focus to the identification of TRMS system parameters using various approaches, including the "fminsearch" algorithm in MATLAB, as well as the ARX and ARMAX models. The results of each identification method are compared, and further controllability, observability, stability analysis are conducted based on "fminsearch" linear identification models for elevation and azimuth. The core of the thesis centers around the design of both Integer-Order PID (IOPID) and FOPID controllers for the TRMS system. Various optimization algorithms, such as Particle Swarm Optimization (PSO), Genetic Algorithm (GA), and Nelder-Mead (NM), are employed to optimize the controller parameters. The performance and effectiveness of each optimization technique are evaluated and compared.Furthermore, the thesis presents a comprehensive comparison of the designed controllers, considering factors such as stability, rise time, overshoot, settling time, and other parameters. The analysis and comparison provide valuable insights into the performance and suitability of the different controller designs for the TRMS system. In conclusion, this MSc thesis makes significant contributions to the field of fractional order control by addressing the non-linear modeling, identification, and control design aspects of TRMS systems. The findings and results presented in this thesis serve as a foundation for developing advanced control strategies for similar systems in the future, with potential applications in areas such as aerospace and robotics.}

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.

Keywords

Identifikace, nelineární modelování, regulátory neceločíselného řádu, TRMS

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 8. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Radek Matušů, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Master programme / field:
Automatic Control and Informatics in Industry 4.0 / Automatic Control and Informatics in Industry 4.0