Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG
CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2012
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TS. Nguyễn Văn Vỵ
Nguyễn Thị Bích Thủy
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn là của riêng tôi làm
theo định hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Vỵ, không sao
chép của ngƣời khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Bích Thủy
BAN GIÁM
HIỆU
KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC
CB HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC
HỌC VIÊN
TS. Nguyễn Văn Vỵ
Nguyễn Thị Bích Thủy
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tâm và nghiêm khắc
của TS. Nguyễn Văn Vỵ. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy đã
1.2. Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi 6
1.2.1. Định nghĩa 6
1.2.2. Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi 6
1.2.3. Phân loại 7
1.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuyếch đại 7
1.2.3.2. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 8
1.2.3.3. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR). 8
1.3. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 10
1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp 11
1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 12
1.4. Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực - APPC 14
1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi 15
1.6. Hệ thống điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính 15
1.7. Kết luận chƣơng 1 17
CHƢƠNG 2. HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU 19
2.1. Đặc điểm của hệ MRAC 19
2.1.1. Sơ đồ cấu trúc MRAC 19
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
iv
2.1.2. Phân loại MRAC 21
2.1.2.1. Quan điểm cấu trúc 21
2.1.2.2. Theo quan điểm ứng dụng 22
2.1.3. Nguyên lí làm việc của hệ MRAC 24
2.2. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo thuyết tối ƣu cục bộ 26
2.3. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov 35
2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lí thuyết ổn định tuyệt đối và
nguyên lí dƣơng của hệ thống động 38
2.5. Kết luận chƣơng 2 44
CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP MRAC CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
vi
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU
Ký hiệu
Ý nghĩa
θ
Véctơ tham số xấp xỉ
sm
θ,θ
Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng.
V(.)
Hàm Lyapunov.
A
S
(t), B
S
(t)
Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của
nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống.
A
m
, B
m
Điều khiển thích nghi áp đặt cực.
PPC
Điều khiển áp đặt cực.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi 6
Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuyếch đại 7
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC 8
Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR 9
Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR 10
Hình 1.6. Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 11
Hình 1.7. Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 12
Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC 14
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính 16
Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý 16
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC 20
Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu nối tiếp 21
Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song 21
Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song, nối tiếp 22
Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp 23
Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu gián tiếp 23
Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu 25
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi 30
Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số
j
b
34
Hình 4.3 . Mô hình hệ thống khi có ĐKTN 75
Hình 4.4. Mô hình mẫu của đối tƣợng 75
Hình 4.5. Bộ điều khiển thích nghi 76
Hình 4.6: Đặc tính ra của hệ khi đƣờng kính cuộn dây và M
c
thay đổi 76
Hình 4.7: Đặc tính ra của hệ khi lƣợng đặt và phụ tải thay đổi 77
Hình 4.8: Đặc tính ra của hệ khi J và M
c
thay đổi 78
Hình 4.9: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác 79
Hình 4.10: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp 80
Hình 4.11: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên 81
Hình 4.12: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 82
Hình 4.13: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng hình sin có chu kì 83
Hình 4.14: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 84
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết của Điều khiển
thích nghi để nâng cao chất lƣợng điều khiển cho đối tƣợng phi tuyến và áp
dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay các bộ điều khiển trong thực tế chủ yếu sử dụng bộ điều khiển
PID. Bộ điều khiển PID với các tham số đƣợc lựa chọn phù hợp nói chung
đáp ứng đƣợc các yêu cầu của đối tƣợng điều khiển là tuyến tính. Tuy nhiên
các hệ thống cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến, có
Nội dung của phần này là tìm hiểu những vấn đề chung về ĐKTN
Chương 2 : Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.
Nội dung của phần này là đi sâu vào phƣơng pháp Điều khiển thích
nghi theo mô hình mẫu, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều khiển cho bài toán ứng
dụng ở Chƣơng 3
Chương 3 : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu
Từ các nghiên cứu lý thuyết tiến hành tổng hợp bộ điều khiển cho đối
tƣợng cụ thể là hệ truyền động quấn băng vật liệu dùng động cơ một chiều.
Chương 4. Kiểm nghiệm, đánh giá chất lƣợng
Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển bằng mô phỏng
nhờ phần mềm MATLAB - SIMULINK
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.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
3
thay đổi và có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình ổn định quỹ đạo bay, tốc
độ bay. Ngay từ năm 1958 trên cơ sơ lý thuyết về truyển động của Boocman,
lý thuyết điều khiển tối ƣu…Hệ thống điều khiển hiện đại này đã ra đời. Ngay
sau khi ra đời lý thuyết này đã đƣợc hoàn thiện nhƣng chƣa đƣợc thực thi vì
số lƣợng tính toán quá lớn mà chƣa có khả năng giải quyết đƣợc. Ngày nay
nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, 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 đƣợc Whitaker đề xuất khi giải
quyết vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm 1958. Phƣơng pháp độ
nhạy 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. Thời gian đó việc điều
khiển các chuyến bay do còn tồn tại nhiều hạn chế nhƣ thiếu phƣơng tiện tính
toán, xử 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
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
5
khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỉ 50 và đầu năm 1966. Thập kỉ
60 là thời gian 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 Lyapunov đã đƣợc phát triển. Một loạt các lý thuyết nhƣ điều
khiển đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông
số…ra đời cho phép tiếp tục phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN. Vào
năm 1996 Park và các đồng nghiệp đã tìm phƣong pháp mới để tính toán lại
luật thích nghi sử dụng luật MIT ứng dụng vào các sơ đồ MRAC của những
năm 50 bằng cách ứng dụng lý thuyết Lyapunov. Tiến bộ của lý thuyết điều
khiển những năm 50 cho phép nâng cao hiểu biết về ĐKTN và đóng góp
nhiều vào đổi mới lĩnh vực này.
Những năm 70 sự phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính đã tạo ra
các lớp đối tƣợng phi tuyến có tham số bất định. Những cố gắng này đã đƣợc
đƣa ra một số lớp sơ đồ MRAC xuất phát từ hệ thống phi tuyến.
1.2. Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi
1.2.1. Định nghĩa
Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc của bộ
điều khiển có thế thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất
lƣợng ra của hệ đảm bảo các chỉ tiêu đã định trƣớc.
1.2.2. Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi
Cấu trúc tổng quát của hệ ĐKTN đƣợc mô tả trên hình 1.1 Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi
Hệ gồm hai khối sau:
*Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển bao gồm:
+ Đối tƣợng: S
+ Thiết bị điều khiển: R
+ Mạch phản hồi cơ bản:
- Tín hiệu vào của hệ: u
- Tín hiệu ra của hệ: y
* Khối 2: Phần điều khiển thích nghi bao gồm:
+ Khâu nhận dạng: I
+ Thiết bị tính toán: T.T
+ Cơ cấu thích nghi: A
1.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuyếch đại
Đây là sơ đồ xây dựng theo nguyên tắc của mạch phản hồi và bộ điều
khiển có thể thay đổi thông số bằng bộ điều chỉnh hệ số khuyếch đại. Đặc
điểm của nó có thể làm giảm ảnh hƣởng của sự biến thiên thông số(Hình 1.2)
Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuyếch đại
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
8
u
e(t)
+
-
Y
s
m
y
M« h×nh mÉu
Bé ®iÒu khiÓn
§èi t¦îng
c¬ cÊu thÝch nghi
1.2.3.2. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
Mô hình mẫu đƣợc chọn sao cho đặc tính của mô hình mẫu là đặc tính
mong muốn ( Hình 1.3). Mô hình mẫu chọn càng sát đối tƣợng thì kết quả
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
9
Bé ®iÒu khiÓn
§èi t¦îng
u
y
s
TT th«ng sè
0 (t) = F[0(t)]
c
®¸nh gi¸ on-line
tham sè 0(t)
*Hệ điều khiển thích nghi tự động gián tiếp:
ISTR là hệ tƣờng minh vì các tham số đƣợc đánh giá on-line trên mô
hình của đối tƣợng và dùng để tính toán lại các tham số của bộ điều khiển. Sơ
đồ ISTR đƣợc chỉ ra ở hình 1.4. Gọi là véc tơ giá trị đánh giá của đối
tƣợng.
C
là véc tơ đánh giá tham số của bộ điều khiển, P( ) là mô hình tham
số hoá của đối tƣợng.
Bộ đánh giá tham số on-line xác định tham số đánh giá tại mỗi thời điểm t
là (t) dùng để tính toán lại bộ điều khiển nhƣ là tham số thật của đối tƣợng
thông qua giải phƣơng trình đại số:
C
(t) = F ( (t)) tại mỗi thời điểm t. Khi
đó bộ điều khiển có luật C (
C
(t)) để điều khiển đối tƣợng nhƣ trƣờng hợp
tham số của nó đã biết. Nhƣ vậy tham số của nó đƣợc biết gián tiếp thông qua
việc giải phƣơng trình đại số nên đƣợc gọi là ISTR.
Bé ®iÒu khiÓn
giá các giá trị của vec tơ tham số
C
là
C
(t) tại thời điểm và giá trị này đƣợc
dùng để cập nhật lại tham số bộ điều khiển theo thời gian thực.
Nhƣ vậy tham số của bộ điều khiển đƣợc tính toán trực tiếp không phải
qua giải phƣơng trình. Vì vậy mà DSTR là kiểu đánh giá mô hình đối tƣợng
không qua tƣờng minh.
*Hệ thích nghi tự chỉnh lại:
Kết hợp cả hai phƣơng pháp trên ta có hệ tự chỉnh thích nghi lại, tức là
cùng lúc ta đánh giá cả tham số bộ điều khiển và tham số đối tƣợng nhằm
tránh giải phƣơng trình đại số. Đây là hệ thích nghi tự chỉnh nhằm kết hợp ƣu
điểm của cả hai hệ trên.
Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR
1.3. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
MRAC ( model reference adaptive control ) xuất phát từ phƣơng trình
điều khiển theo mô hình mẫu (MRC). Trong phƣơng pháp điều khiển theo mô
hình mẫu nếu ta không biết vec tơ tham số của đối tƣợng
*
cú thụng s thay i v cu trỳc khụng bit trc thỡ phng phỏp iu khin
trờn cn kt hp vi phng phỏp KTN thay th
C
*
trong lut iu khin
bng vec t thụng s ỏnh giỏ
C
. T ú xut hin phng phỏp iu khin
thớch nghi theo mụ hỡnh mu (MRAC).
Theo cỏch thu c vect (t), MRAC cú hai phng phỏp:
1.3.1. Phng phỏp MRAC trc tip
Trong phng phỏp MRAC trc tip, thụng s ca b iu khin
C
(t)
cn xỏc nh theo yờu cu v cht lng ca i tng iu khin v biu
din di dng tham s trong mụ hỡnh i tng iu khin :
G
S
(p,
*
) G
S
(p,
C
*
)
Ti mi thi im b ỏnh giỏ s tớnh trc tip
C
*
(t) t tớn hiu vo u
12
Bộ điều khiển
C(0 )
u
Mô hình mẫu
W (s)
M
m
y
_
+
c
Bộ xác định tham
số làm việc 0*
c
Đối tƯợng
c
Bộ tính toán
0 (t) = F[0(t)]
Y
s
thut toỏn ca b ỏnh giỏ
C
(t) sao cho tho món yờu cu cht lng ca h
thng iu khin.
1.3.2. Phng phỏp MRAC giỏn tip
Trong phng phỏp ny mụ hỡnh i tng c xõy dng vi vec t
tham s
*
cha xỏc nh no ú. Ti mi thi im ng vi mi tớn hiu vo
S
(
*
) vi
*
cha xỏc nh. Hỡnh 1.7. S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu giỏn tip
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
13
Hệ MRAC có thể nhƣ một hệ bán thích nghi, trong đó đặc tính mong
muốn đƣợc tạo ra từ mô hình mẫu.
Mô hình mẫu là một mô hình toán học đƣợc xây dựng trên cơ sở các
tiêu chuẩn đặt trƣớc. Trong trƣờng hợp này, việc so sánh giữa tín hiệu đặt
trƣớc với tín hiệu đầu ra của hệ, chính là so sánh giữa tín hiệu ra của mô hình
mẫu với tín hiệu ra của quá trình.
Mô hình mẫu đƣợc mô tả bởi phƣơng trình:
.
(t).U
s
Y
= C.X
s
Trong đó:
X
m
, X
s
: Là các vectơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình.
A
m
, B
m
: Là các ma trận hằng của mô hình mẫu.
A
s
(t), B
s
(t) : Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của
nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống.
Y
m
, Y
s
: Là các vectơ tín hiệu ra của mô hình và của hệ thống.
Sai lệch tín hiệu ra là:
Điều khiển thích nghi áp đặt cực (adaptive pole placement control-
APPC) xuất phát từ hệ điều khiển áp đặt cực (PPC) áp dụng cho các đối tƣợng
tuyến tính dừng có tham số xác định.
Trong điều khiển PPC các yêu cầu chất lƣợng đƣợc chuyển hoá thành
các vị trí mong muốn của các điểm cực của hệ kín. Luật điều khiển có phản
hồi sẽ đƣợc tạo ra để áp đặt các điểm cực của hệ kín vào vùng mong muốn.
Cấu trúc của hệ PPC cho đối tƣợng dạng SISO tuyến tính dừng đƣợc chỉ ra ở
Hình 1.8.
Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC
Cấu trúc của hệ điều khiển C (
C
*
) và vectơ tham số (
C
*
) đƣợc chọn
sao cho các điểm cực của hàm truyền hệ kín ( từ r đến y ) phải bằng các giá trị
mong muốn. Vectơ (
C
*
) đƣợc xác định từ phƣơng trình đại số:
C
*
= F(
0*
)
§èi t¦îng ®iÒu
khiÓn G (S)
Copyright: Tài liệu đại học ©