Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt
p : //
ww w .
l
r c
- t
nu .
e du . v
n
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ
THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI
TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC
ĐỘNG.
HOÀNG VĂN TÁ
THÁI NGUYÊN, NĂM 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt
ww w .
l
r c
- t
nu .
e du . v
n
THÁI NGUYÊN, NĂM 2009
L
u
Ë
n v ¨
n
e du . v
n
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn đúng theo nội
dung đề
cƣơng
cũng nhƣ nội dung mà cán bộ hƣớng dẫn giao cho. Nội dung luận
văn, các phần trích lục các tài liệu hoàn toàn chính xác. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Tác giả luận
văn
Hoàng Văn
Tá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt
p : //
ww w .
l
r c
- t
nu .
e du . v
4
-
MỤC
LỤC
Lời cam đoan 3
MỤC LỤC
4
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
7
LỜI NÓI ĐẦU
9
CHƢƠNG
MỞ ĐẦU
11
CHƢƠNG
I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
14
1.1 Lịch sử phát triển của hệ Điều khiển thích nghi 15
1.2 Các sơ đồ Điều khiển thích nghi 17
1.2.1 ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại 19
1.2.2 Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu 19
1.2.3 Hệ ĐKTN tự chỉnh 20
1.3. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 23
1.3.1
Phƣơng
pháp MRAC trực tiếp 23
l
r c
- t
nu .
e du . v
n
L
u
Ë
n v ¨
n
pháp “vùng chết” 51
3.2 Hệ MRAC bền vững với các luật thích nghi chuẩn hoá 52
3.3 Kết luận của
chƣơng
III. 60
CHƢƠNG
IV. BÀI TOÁN ỨNG DỤNG
62
1.1. Chọn đối
tƣợng
điều khiển 63
4.2 Nhận dạng đối
tƣợng
điều khiển 67
4.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 71
4.4 Khảo sát kết quả bằng mô phỏng 75
4.5 Kết luận của
chƣơng
4. 87
KẾT LUẬN 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89
θ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt
p : //
ww w .
l
s
ü
-
6
-
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT
TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
ĐKTN Điều khiển thích nghi
ĐKTNBV Điều khiển thích nghi bền vững
APPC Adaptive Pole Placement Control - Điều khiển vị trí thích ứng
SISO Single Input – Single Output - Đầu vào đơn - Đầu ra đơn
STR Self Tuning Regualator
MRAC Model Referance Adaptive Control - Điều khiển thích nghi theo
mô hình mẫu
MIT Massachusetts Institute of Technology - Viện Công nghệ
Massachusetts
x(t) Véc tơ trạng thái của hệ
y(t) Tín hiệu
u(t) Tín hiệu điều khiển
X
m
, X
s
Tên các hình vẽ
Trang
Hình 1.1 Câu truc chung cua hê điêu khiên thich nghi
18
Hình 1.2 Hê ĐKTN điêu chinh hê sô khuyêch đai
19
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRac
20
Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR
21
Hình 1.5 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR
22
Hình 1.6 Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp
24
Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp
25
Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ điều khiển
33
Hình 2.2 Mô tả sai lệch cộng
34
Hình 2.3 Biểu diễn sai lệch nhân
35
Hình 2.4 Các biểu diễn sai lệch số
36
Hình 2.5 Hệ thống kín tổng quát
38
Hình 2.6 Hệ ĐKTN bền vững
45
Hình 3.1 MRAC bền vững có động học không cấu trúc và có nhiễu giới 59
hạn
80
Hình 4.16 Luật đánh giá vectơ tham số θ
p
của đối tượng
80
Hình 4.17 Đặc tính ra của hệ khi r và M
c
nhảy cấp
81
Hình 4.18 Đặc tính ra của hệ khi r và Mc thay đổi
82
Hình 4.19 Đặc tính ra của hệ khi r và M
c
thay đổi
83
Hình 4.20 Đặc tính ra của hệ khi r và Mc thay đổi
84
Hình 4.21 Đặc tính ra của hệ khi r và Mc thay đổi
85
Hình 4.22 Đặc tính ra của hệ khi lượng thay đổi và chịu nhiễu
86
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, kỹ
thuật máy tính cho phép xử lý được số lượng phép tính lớn, các thuật toán phức tạp
nên lý thuyết về Điều khiển thích nghi đã được ứng dụng rất rộng rãi và phát triển
rất mạnh mẽ, đặc biệt là cho các hệ phi tuyến. (Phần tuyến tính coi như đã được
nghiên cứu hoàn chỉnh). Điều khiển thích nghi đang được ứng dụng vào điều khiển
các hệ thống lớn, các hệ có thông số biến đổi và đòi hỏi cao về chất lượng điều
khiển. Điều khiển thích nghi đảm bảo khả năng xây dựng các bộ điều khiển đáp ứng
thời gian thực và nâng cao chất lượng điều khiển cho các đối tượng phức tạp.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô giáo trong khoa
Sau đại học và các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành được bản luận văn tốt
nghiệp này.
Thái Nguyên, ngày 28 tháng 09 năm
2009
Học
viên
Hoàng Văn
Tá
CH
Ƣ
ƠNG
MỞ ĐẦU
I. Mục tiêu của đề tài.
Luận văn tập trung nghiên cứu việc thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi
tuyến, thoả mãn tính thích nghi đối với các tham số không biết
trƣớc
thay đổi theo
thời gian và bền vững đối với nhiễu ảnh hƣởng từ môi trƣờng. Trong đó có chứa
phần tử phi tuyến không thể hoặc khó mô hình hoá. Các hệ phi tuyến này có thể mô
tả bằng các hệ
phƣơng
trình vi phân phi tuyến. Các bộ điều khiển
đƣợc
thiết kế sao
cho tận dụng
đƣợc
các
có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian - Có thể là biến
thiên chậm hoặc nhanh theo thời gian.
Điều khiển các hệ thống nói trên các bộ điều khiển thông
thƣờng
nói chung
không đáp ứng đƣợc.
Khi cần thiết kế các bộ điều khiển có khả năng điều khiển các hệ phi tuyến
có phần tử không mô hình hoá đƣợc, các tham số không biết trƣớc và chịu ảnh
hƣởng của nhiễu từ môi trƣờng, thƣờng
đƣợc
thiết kế theo hai
hƣớng
sau: Điều
khiển bền vững (ĐKBV) và Điều khiển thích nghi (ĐKTN).
Theo
hƣớng
thứ nhất thì bộ điều khiển là bộ điều khiển tĩnh (Tham số của bộ
điều khiển không biến thiên). Tín hiệu điều khiển là một hàm không chứa vi phân
của trạng thái. Đã có nhiều
phƣơng
pháp điều khiển bền vững ra đời. Các phƣơng
pháp này nói chung đều dựa vào điều kiện ổn định biên do vậy chúng không thể
tổng quát
đƣợc
mà chỉ phù hợp cho các hệ cụ thể.
Trong
trƣờng
hợp mà các tham số là thay đổi trong phạm vi nhỏ thì điều
khiển bền vững có thể áp dụng đƣợc.
Ngƣợc
tuyến tính và
đƣợc
cải tiến để dùng cho các hệ phi tuyến.
Nhƣợc
điểm cơ bản của
phƣơng
pháp ĐKTN là hệ không bền vững đối với
nhiễu và các phần tử phi tuyến không thể mô hình hoá đƣợc. Ngoài ra các phƣơng
pháp này đều cần giả thiết là các tham số thay đổi chậm theo thời gian. Hạn chế này
do quá trình xây dựng luật đánh giá các tham số gây ra.
Nếu kết hợp ĐKBV và ĐKTN ta sẽ có
phƣơng
pháp Điều khiển thích nghi
bền vững (ĐKTNBV). Nội dung là: Thiết kế
đƣợc
bộ điều khiển tận dụng
đƣợc
ƣ
u
điểm của cả Điều khiển thích nghi và Điều khiển bền vững.
Hƣớng
nghiên cứu này
đã
đƣợc
khởi điểm từ 1994 trở lại đây
Điều khiển thích nghi bền là
phƣơng
pháp chiếm
ƣu
thế để điều khiển các hệ
phƣơng
pháp trên vào điều khiển thiết bị phi
tuyến: hệ truyền động quấn băng vật liệu sử dụng động cơ một chiều.
Sau khi Tổng hợp bộ điều khiển, tiến hành đánh giá chất
lƣợng
điều khiển
bằng mô phỏng nhờ phần mềm MATLAB SIMULINK
Kết luận chung: Từ các kết quả thực nghiệm nhận
đƣợc
ta tiến hành đánh giá
nội dung của
phƣơng
pháp và rút ra kết luận chung về đề tài.
CHƢƠNG
I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHƢƠNG
I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.1. Lịch sử phát triển của ĐKTN
Trong các hệ điều khiển tự động truyền thống, các xử lý điều khiển thƣờng
dùng các mạch phản hồi là chính. Các điều khiển loại này còn tồn tại nhƣợc điểm
khó khắc phục là trong quá trình làm việc các yếu tố ảnh
hƣởng
tới hệ thống từ môi
trƣờng
liên tục bị thay đổi, đồng thời bản thân tham số của hệ cũng bất định dẫn tới
chất
lƣợng
ra của hệ cũng thay đổi theo.
lƣợng
phép tính quá lớn mà
chƣa
có khả năng giải quyết
đƣợc.
Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ thông tin, kỹ thuật điện, điện tử, máy tính cho phép giải
đƣợc
những bài toán
đó một cách thuận lợi nên hệ thống ĐKTN
đƣợc
ứng dụng rất rộng rãi vào thực tế.
Hệ ĐKTN có mô hình mẫu MRAC đã đựợc Whitaker đề xuất khi giải quyết
vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm 1958. Phƣơng pháp độ nhậy và luật
MIT đã
đƣợc
dùng để thiết kế luật thích nghi với mục đích đánh giá các thông số
không biết
trƣớc
trong sơ đồ MRAC
Trong công việc điều khiển các chuyến bay do còn tồn tại nhiều hạn chế nhƣ:
thiếu
phƣơng
tiện tính toán, sử lý tín hiệu và lý thuyết cũng chƣa thật hoàn thiện .
Đồng thời những chuyến bay thí nghiệm bị tai nạn làm cho việc nghiên cứu về lý
thuyết điều khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỷ 50 và đầu năm1960.
Thập kỷ 60 là thời kỳ quan trọng nhất trong việc phát triển các lý thuyết tự
động, đặc biệt là lý thuyết ĐKTN. Kỹ thuật không gian trạng thái và lý thuyết ổn
định dựa theo luật Liapynốp đã
đƣợc
lƣợng
ra theo mong muốn cho một lớp đối
tƣợng
của các động học không mô hình
hoá
đƣợc
trong đó có đối
tƣợng
chuẩn đang xét.
Yêu cầu của bài toán ĐKTN bền vững là đảm bảo tính bền vững của hệ khi
điều khiển những đối
tƣợng
có thông số không biết
trƣớc,
biến đổi theo thời gian và
trong quá trình làm việc hệ chịu nhiễu tác động.
Cuối thập kỷ 80 có các công trình nghiên cứu về hệ ĐKTN đặc biệt là
MRAC cho các các đối
tƣợng
có thông số biến thiên theo thời gian tuyến tính.
Các nghiên cứu của những năm 90 tập trung vào đánh giá kết quả của
nghiên cứu những năm 80 và nghiên cứu các lớp đối
tƣợng
phi tuyến có tham số bất
định. Những cố gắng này đã
đƣa
ra một lớp sơ đồ ĐKTN bền vững .
1.2. Các sơ đồ Điều khiển thích nghi
Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc và tham số
của bộ điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất
+ Tín hiệu ra của hệ y
Phần điều khiển thích nghi gồm :
+ Khâu nhận dạng I
+ Thiết bị tính toán TT
+ Cơ cấu thích nghi A
Khâu nhận dạng có nhiệm vụ đánh giá các biến đổi của hệ thống do tác dụng
của tải, nhiễu và các yếu tố khác Kết quả nhận dạng đƣợc đƣa vào thiết bị tính
toán. Kết quả tính toán đƣợc
đƣa
vào cơ cấu thích nghi để tính toán tự chỉnh các
thông số và cấu trúc của bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất
lƣợng
của hệ
nhƣ
mong
muốn.
Các hệ ĐKTN có thể
đƣợc
chia thành 2 nhóm chính :
+ Hệ điều khiển trực tiếp (có mô hình mẫu).
+ Hệ điều khiển gián tiếp (có mô hình ẩn).
Trong hệ điều khiển trực tiếp các thông số của bộ điều chỉnh sẽ đƣợc hiệu
chỉnh trong thời gian thực theo giá trị sai số giữa đặc tính mong muốn và đặc tính
thực
Trong hệ Điều khiển thích nghi gián tiếp việc điều chỉnh thông số của bộ
điều khiển
đƣợc
thực hiện qua 2 giai đoạn :
1. Đánh giá thông số của mô hình đối tƣợng.
2. Trên cơ sở các đánh giá của thông số của đối tƣợng,
Bộ điều chỉnh gồm 2 mạch vòng: mạch vòng trong là mạch vòng cơ bản. Mạch
vòng ngoài là mạch vòng hiệu chỉnh. Tín hiệu vào của mạch vòng này là sai lệch tín
hiệu của mô hình mẫu và của đối tƣợng.
Mô hình mẫu
đƣợc
chọn sao cho đặc tính ra Y
m
của mô hình mẫu là đặc tính
mong muốn. Mô hình mẫu chọn càng sát đối
tƣợng
thực thì kết quả điều khiển
càng
chính xác.
MÔ HÌNH MẪU
y
m
+ e(t)
u
BỘ
ĐIỀU KHIỂN
_
ĐỐI T
Ƣ
ỢNG
Y
s
CƠ CẤU
THÍCH NGHI
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC
định.
ƣu
hoặc cực tiểu biến thiên. Luật đánh giá có thể chọn các luật đánh
giá: on-line
nhƣ
bình
ph
ƣ
ơng
cực tiểu truy hồi,
phƣơng
pháp Građiên (Projection),
phƣơng
pháp xấp xỉ ngẫu nhiên.
Dựa vào thuật toán cập nhật tham số ta chia STR thành 2 loại chính:
+ STR trực tiếp : DSTR
+ STR gián tiếp: ISTR
* Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh gián tiếp ISTR
ISTR là hệ tƣờng minh vì các tham số đƣợc đánh giá on-line trên mô hình
tƣờng
minh của đối
tƣợng
và dùng để tính toán lại các tham số của bộ điều khiển.
Sơ đồ hệ ISTR trên hình 1.4
Gọi θ là véc tơ tham số giá tri đánh giá của đối
tƣợng
θ và θ
C
là véc tơ giá trị
đánh giá tham số của bộ điều khiển
θ
))
Đánh giá on-line
Tham số
θ
(t
)
u
Bộ điều khiển Đối tƣợng
Ys
Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp ISTR
Nhƣ
vậy tham số của nó
đƣợc
biết gían tiếp thông qua việc giải
ph
ƣ
ơng
trình
đại số nên
đƣợc
gọi là ISTR
* Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp DSTR
Trong hệ DSTR (Hình 1.5) các tham số của mô hình P(θ
C
) đƣợc biểu diễn
theo tham số của đối
tƣợng
sao cho thoả mãn các yêu cầu chất lƣợng.
§¸nh gi¸ on-line
Kết hợp cả 2
phƣơng
pháp trên ta có hệ tự chỉnh thích nghi lai, tức là cùng
lúc ta đánh giá cả tham số bộ điều khiển và tham số đối tƣợng nhằm tránh giải
c
phƣơng
trình đại số. Đây là hệ thích nghi tự chỉnh nhằm kết hợp
ƣu
điểm của cả hai
hệ trên.
Trong một số tài liệu
ngƣời
ta gọi hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh STR là
hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực APPC vì hầu hết các bộ điều khiển
đƣợc
thiết kế
theo
phƣơng
pháp áp đặt cực.
1.3 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC).
Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu xuất phát từ phƣơng pháp điều
khiển theo mô hình mẫu.
Trong
ph
ƣ
ơng
pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MRAC), nếu ta không
biết θ
*
thì ta không thể tính
. Từ đó ta có
phƣơng
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
(MRAC).
Vector θ(t) có thể thu đƣợc bằng phƣơng pháp đánh giá trực tiếp hoặc
phƣơng
pháp đánh giá gián tiếp, từ đó ta có thể chia
phƣơng
pháp điều khiển thích
nghi theo mô hình mẫu thành hai
phƣơng
pháp :
+
Phƣơng
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp.
+
Phƣơng
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp.
1.3.1.
Ph
ƣ
ơng
pháp MRAC trực tiếp:
Trong
phƣơng
pháp MRAC trực tiếp, thông số của bộ điều khiển θ
c
(t), cần
xác định theo yêu cầu về chất
lƣợng
đƣợc
chỉ ra trên hình 1.6
Y
m
MÔ HINH
W
M
(S)
u
BÔ ĐIÊU KHIÊN
C(
θ
C
)
ĐỐI
T
Ƣ
ỢNG
G
S
(s,
θ
* )
⇒
G
S
( s,
θ
pháp MRAC gián tiếp.
Trong phƣơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp các
thông số của đối
tƣợng đƣợc
nhận biết trong quá trình làm việc và
đƣợc
sử dụng để
tính toán các thông số của bộ điều khiển.
Trong
phƣơng
pháp này mô hình đối
tƣợng đƣợc
xây dựng với vector tham
số θ
*
chƣa
xác định nào đó. Tại mỗi thời điểm ứng với mỗi tín hiệu vào u(t) và tín
Copyright: Tài liệu đại học ©