Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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


Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ.
Học viên: HOÀNG VĂN TÁ.
Người hướng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỴ

THÁI NGUYÊN, NĂM 2009
LuËn v¨n Th¹c sü -3-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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

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
1.3.2 Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 24
1.4 Những khó khăn của ĐKTN khi đối tƣợng là phi tuyến 27
1.5 Kết luận chƣơng 1 29
CHƢƠNG II. TÍNH BỀN VỮNG CỦA HỆ ĐKTN
31
2.1 Độ bất định của mô hình hệ phi tuyến 32
2.1.1 Sai lệch có cấu trúc 33
2.1.2 Sai lệch không có cấu trúc 34
2.1.3 Mô hình tham số hoá 36
2.2 Điều khiển bền vững hệ phi tuyến 38
2.3 Khả năng mất ổn định của hệ ĐKTN khi đối tƣợng phi tuyến 39
2.3.1 Hiện tƣợng trôi tham số 40
2.3.2 Mất ổn định do hệ số lớn 41
2.3.3 Mất ổn định do tốc độ thích nghi nhanh 42
LuËn v¨n Th¹c sü -5-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.4 Điều khiển thích nghi bền vững 42
2.5. Kết luận chƣơng 2 46
CHƢƠNG III. TỔNG HỢP HỆ ĐKTN BỀN VỮNG
47
3.1. Các luật Điều khiển thích nghi bền vững 49
3.1.1 Phƣơng pháp chiếu 50
3.1.2. Phƣơng pháp hiệu chỉnh “Khe hở” 50
3.1.3 Phƣơng pháp “vùng chết” 51
3.2 Hệ MRAC bền vững với các luật thích nghi chuẩn hoá 52

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
Là các véc tơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình
A
m
, B
m
Là 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
V(.) Hàm Lyapunov
sm

,


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
hạn
59
Hình 4.1 Sơ đồ động học của cơ cấu
63
Hình 4.2 Cơ cấu quấn dây
64
Hình 4.3 Quy luật thay đổi tốc độ của động cơ
65
Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc của MRAC có sai lệch mô hình và có nhiễu giới
hạn.
66
Hình 4.5 Sơ đồ thay thế của động cơ một chiều kích từ độc lập


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 LuËn v¨n Th¹c sü -9-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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.
Trong quá trình mô tả người ta thường đưa ra các giả thiết như bỏ qua khâu
động khó mô hình hoặc coi tham số không biết không đổi theo thời gian. Tuy nhiên
trong thực tế các giả thiết đó không đáp ứng được, vì vậy ĐKTN khi điều khiển hệ
thực là không bền vững. Để ứng dụng ĐKTN điều khiển các hệ thực trong thực tế,
việc nâng cao tính bền vững cho hệ điều khiển thích nghi là một yêu cầu rất cần
thiết.
Với nội dung: “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”.
Nội dung của đề tài bao gồm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan về lý thuyết ĐKTN.
Nội dung của chương này là tìm hiểu những đặc điểm chung nhất của lý
thuyết ĐKTN, những ưu điểm, hạn chế của ĐKTN khi điều khiển hệ phi tuyến mạnh.
Chương 2: Tính bền vững của ĐKTN hệ phi tuyến.
LuËn v¨n Th¹c sü -11-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 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 ƣu điểm của Điều khiển thích nghi và Điều khiển bền vững

đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lƣợng ra của hệ đảm bảo các chỉ
tiêu đã định. ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhằm
duy trì đặc tính của đối tƣợng điều khiển nằm trong phạm vi mong muốn trong khi
thông số của đối tƣợng (Đã biết hoặc chƣa biết) biến thiên theo thời gian.
Đặc điểm chung của phƣơng pháp này là luật điều khiển đƣợc thiết kế dựa
trên giả thiết là các tham số là biết trƣớc. Sau đó tham số này đƣợc thay thế bởi
nhận dạng của chúng. Đây chính là phƣơng pháp Điều khiển thích nghi cho các hệ
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 ƣu
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
tổng quát trong thực tế. Điều này phù hợp với yêu cầu của nền sản xuất hiện đại vì
các hệ cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến có chứa các tham
số không biết trƣớc và các phần tử phi tuyến không thể hoặc rất khó mô hình hoá
trong việc xây dựng hệ thống phƣơng trình vi phân mô tả hệ. Ngoài ra trong quá
trình làm việc hệ còn bị nhiễu tác động từ môi trƣờng. Các tham số không biết trƣớc
LuËn v¨n Th¹c sü -13-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian (Có thể là biến thiên chậm hoặc
nhanh theo thời gian).
Vì vậy việc nghiên cứu để nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thích
nghi là rất cần thiết và cần tập trung nghiên cứu.


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
LuËn v¨n Th¹c sü -15-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LuËn v¨n Th¹c sü -16-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 phát triển. Một loạt các thuyết nhƣ: Điều kiển
đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông số ... ra đời
cho phép tiếp tục (Nghiên cứu lại) phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN. Vào
năm 1966 Park và các đồng nghiệp đã tìm đƣợc phƣơng 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 của Liapynop.
Tiến bộ của các 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 khả năng ứng dụng lý thuyết này vào thực tế.
Các hệ thống ĐKTN đã đƣợc ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp.
Tuy nhiên những thành công của thập kỷ 70 còn gây nhiều tranh luận trong
ứng dụng ĐKTN. Đầu năm 1979 ngƣời ta chỉ ra rằng những sơ đồ MRAC của thập
kỷ 70 dễ mất ổn định do nhiễu tác động. Tính bền vững trong ĐKTN trở thành mục
tiêu tập trung nghiên cứu của các nhà khoa học vào năm 1980. Khi đó ngƣời ta xuất
bản nhiều tài liệu về độ không ổn định do các khâu động học không mô hình hoá
đƣợc hoặc do nhiễu tác dụng vào hệ thống.
Những năm 80 nhiều thiết kế đã đƣợc cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết
ĐKTN bền vững. Một hệ ĐKTN đƣợc gọi là bền vững nếu nhƣ nó đảm bảo chất
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.

A
TT
I
R
S
2
+
_
u
y
1
LuËn v¨n Th¹c sü -18-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phần cơ bản của hệ 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
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

Đây là sơ đồ đƣợc xây dựng theo nguyên tắc của mạch phản hồi và bộ điều
chỉnh có thể thay đổi thông số bằng bộ điều chỉnh thông số. Đặc điểm của nó là có
thể làm giảm sự biến thiên thông số.

1.2.2 Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu.
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.
Bộ điều chỉnh hệ
số khuếch đại
khuÕch ®¹i

y
m

Bộ điều khiển Đối tƣợng
u
Ys
LuËn v¨n Th¹c sü -20-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC

m
Y
s
_
+
LuËn v¨n Th¹c sü -21-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên giá: on-line nhƣ bình phƣơng 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  là véc tơ tham số giá tri đánh giá của đối tƣợng  và 
C
là véc tơ giá trị
đánh giá tham số của bộ điều khiển 
C
.
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) đƣợc dùng để tính toán lại bộ điều khiển nhƣ là tham số thật của đối tƣợng
thông qua giải phƣơng trình đại số.

C


* H iu khin thớch nghi t chnh trc tip DSTR
Trong h DSTR (Hỡnh 1.5) cỏc tham s ca mụ hỡnh P(
C
) c biu din
theo tham s ca i tng sao cho tho món cỏc yờu cu cht lng.

Hỡnh 1.5 H KTN t iu chnh trc tip : DSTR

Khi ú mụ hỡnh c tham s hoỏ dng Pc(
C
) v b ỏnh giỏ on-line ỏnh
giỏ cỏc giỏ tr ca vộc t tham s
C
l
C
(t) ti mi thi im v giỏ tr ny dựng
cp nht li tham s b iu khin theo thi gian thc m khụng qua b tớnh toỏn
tham s. Vỡ vy m DSTR l kiu ỏnh giỏ mụ hỡnh i tng khụng tng minh
(Cũn gi l h iu khin thớch nghi khụng nhn dng).
Nh vy tham ca b iu khin c tớnh toỏn trc tip khụng phi qua gii

thì ta không thể tính đƣợc 
*
c
. Do đó phƣơng pháp điều khiển theo mô hình
mẫu (MRAC) chỉ áp dụng đƣợc với đối tƣợng có thông số và cấu trúc biết trƣớc và
không thay đổi.
Để giải quyết bài toán mà đối tƣợng có thông số và cấu trúc không biết trƣớc
hoặc thay đổi thì phƣơng pháp điều khiển theo mô hình cần kết hợp với phƣơng
pháp điều khiển thích nghi để thay thế 
*
c
trong luật điều khiển bằng vector thông
số đánh giá 
c
. Từ đó ta có phƣơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
(MRAC).
Vector (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. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp:
Trong phƣơng pháp MRAC trực tiếp, thông số của bộ điều khiển 
c
(t), cần
xác định theo yêu cầu về chất lƣợng của đối tƣợng điều khiển, đƣợc biểu diễn dƣới
dạng tham số trong mô hình đối tƣợng điều khiển: GS(p, 
*
)  GS(p, 


Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp

Phƣơng pháp MRAC trực tiếp vector 
c
(t) đƣợc điều chỉnh trực tiếp mà
không phải qua quá trình đánh giá thông số của đối tƣợng thực. Nhƣ vậy vấn đề cơ
bản của MRAC trực tiếp là chọn luật điều khiển C(
c
(t)) và thuật toán của bộ đánh
giá 
c
(t) sao cho thoả mãn yêu cầu chất lƣợng của hệ thống điều khiển.

1.3.2. Phƣơng 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 
*
chƣa xác định nào đó. Tại mỗi thời điểm ứng với mỗi tín hiệu vào u(t) và tín
u
MÔ HÌ NH
W
M
(S)

BỘ ĐIỀ U KHIỂ N
C(

và đƣợc
coi là giá trị đúng của đối tƣợng tại thời điểm đó và sử dụng giá trị đó để tính toán
các thông số bộ điều khiển 
c
(t) nhờ giải phƣơng trình: 
c
(t) = F((t)).
Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp

Luật điều khiển C(
c
(t)) đƣợc xây dựng ở mỗi thời điểm phải thoả mãn các
chỉ tiêu của hệ thống ứng với mô hình đánh giá của đối tƣợng G
S
(p, (t)). Nhƣ vậy
vấn đề chính của MRAC gián tiếp là chọn luật điều khiển C(
c
(t)) và bộ đánh giá

y
p

B
Ộ
X
Á
C
ĐỊ
N
H
T
H
A
M
SỐ
LÀ
M
VI
ỆC

*

BỘ TÍ NH TOÁ N

C
(t) = F[

(T)]