i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LÊ THỊ HUYỀN LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYỄN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Lê thị Huyền Linh, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu
của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham
khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa đƣợc công bố trên bất
cứ một công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 5 tháng 8 năm 2015
Tác giả luận án

Lê Thị Huyền Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... xi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ............................................................................. 1
2. Phạm vi, đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu ................................ 3
3. Mục tiêu của luận án .............................................................................................. 4
4. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án ..................................... 4
5. Bố cục của luận án ................................................................................................. 5
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

7

Giới thiệu tổng quan về điều khiển dự báo theo mô hình ................................ 7

1.1.1. Khái niệm ......................................................................................................... 7
1.1.2. Nguyên lý của điều khiển dự báo theo mô hình............................................... 8
1.1.3. Các thành phần chính trong điều khiển dự báo dựa trên mô hình ................. 10
1.2.



/>

v

2.1.4 Tóm lƣợc về nhận dạng trực tuyến hệ phi tuyến sử dụng mạng nơron nhân
tạo ................................................................................................................... 31
2.2.

Bài toán nhận dạng nhiễu cho lớp hệ phi tuyến có trễ ................................... 32

2.3.

Thuật toán nhận dạng nhiễu hệ phi tuyến có trễ trên cơ sở sử dụng mạng
nơron RBF khi chỉ có một thành phần nhiễu ................................................. 33

2.3.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng nhiễu ............................................................ 33
2.3.2. Ví dụ minh họa ............................................................................................... 42
2.4.

Tổng hợp tin hiệu bù nhiễu cho hệ thống có trễ với một kênh điều khiển ........... 45

2.5.

Thuật toán nhận dạng nhiễu hệ phi tuyến có trễ trên cơ sở sử dụng mạng
nơron RBF khi có nhiều thành phần nhiễu .................................................... 46

2.5.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng ........................................................................ 47
2.5.2. Ví dụ minh họa ............................................................................................... 54
2.6.


Xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng CSTR................................................ 71

3.4.1. Xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng CSTR với một tín hiệu điều khiển ... 76
3.4.2. Xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng CSTR với hai tín hiệu điều khiển .... 80
3.5.

Thiết kế mô hình nhận dạng các nhiễu cho đối tƣợng CSTR ........................ 82

3.5.1. Thiết kế mô hình nhận dạng nhiễu trên hai kênh h và Cb với một tín hiệu điều
khiển ............................................................................................................... 82
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi

3.5.2. Thiết kế mô hình nhận dạng nhiễu trên hai kênh h và Cb với hai tín hiệu điều
khiển ............................................................................................................... 88
3.6.

Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo dựa trên mô hình nội cho đối tƣợng
CSTR trên cơ sở đã nhận dạng và bù nhiễu ................................................... 93

3.6.1. Xây dựng bộ IMPC điều khiển một kênh Cb với một tín hiệu điều khiển ........... 93
3.6.2. Xây dựng bộ IMPC điều khiển đồng thời cả hai kênh Cb và h với hai tín hiệu
điều khiển ....................................................................................................... 95
3.7.

So sánh bộ điều khiển PID với bộ điều khiển IMPC đã đƣợc nhận dạng và bù

X(tk+ 1), X(tk+ 2 ),...

trạng thái thại thời điểm tk+1, tk+2

x(t )

đầu ra của đối tƣợng điều khiển

u(t ) , U(t )

tác động điều khiển

τ

thời gian trễ

ai

các thông số đặc trƣng cho động học của đối tƣợng

f ( ) , F(X, U)

vectơ các tác động nhiễu

fˆ ( X, U) , Fˆ ( X, U)

hàm đánh giá của f (X, U)

wi* , wij


f i (X )

các hàm cơ sở

C i , Cij

tâm của hàm cơ sở

s i , s ij

độ trải rộng của hàm cơ sở

e(t ) , E(t )
%
f (X)

sai số trạng thái đầu ra

P,Q

ma trận đối xứng xác định dƣơng

rmin (Q) , rmax (Q )

giá trị riêng nhỏ nhất, lớn nhất của ma trận Q

λ , λ0

hệ số dƣơng λ > 0 , λ0 > 0


X, U

các tập Compact

h

mức dung dịch

Cb

nồng độ dung dịch

l

khoảng cách từ van đến thành bình

T1, T2, T3

các van điện

T

hằng số thời gian

mv1, mv2, mv3

lƣu lƣợng của các dung dịch

K



HEICON

Hierarchical Constraint Control

IMPC

Internal Model Predictive Control

GPC

Generalized Predictive Control

LS

Least Squares

MAC

Model Algorithmic Control

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MPC

Model Predictive Control

NAV


Sequential Monte Carlo

SISO

Single Input Single Output

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Bảng phân loại một số phƣơng pháp sử dụng cho xây dựng mô hình, giải
bài toán tối ƣu cho đối tƣợng tuyến tính, phi tuyến trong MPC ............................... 14
Bảng 1.2. Bảng tóm lƣợc một số phƣơng pháp nhận dạng mô hình dự báo của một
số phƣơng pháp MPC ............................................................................................... 17
Bảng 1.3. Bảng tóm lƣợc một số kỹ thuật MPC của một số hãng trên thế giới ....... 17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hình ảnh về ứng dụng điều khiển trong công nghệ xử lý hóa chất ............ 8
Hình 1.2. Nguyên lý cơ bản của điều khiển dự báo dựa trên mô hình ....................... 9
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo dựa trên mô hình ........................ 11


xii

Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc của đối tƣợng có trễ trong kênh điều khiển, có nhiễu phụ
thuộc trạng thái tác động và kênh bù nhiễu trên cơ sở nhận dạng nhiễu .................. 59
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho lớp
đối tƣợng có trễ ......................................................................................................... 68
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho đối
tƣợng có trễ dựa trên cơ sở nhận dạng bằng mạng nơron đã có bù nhiễu ................ 70
Hình 3.3. Mô hình bình phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR ................................... 72
Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc nhận dạng các nhiễu cho đối tƣợng CSTR dùng
mạng nơron RBF và cơ cấu thích nghi AB với một tín hiệu điều khiển .................. 83
Hình 3.5. Sơ đồ khối mô tả đối tƣợng thực ............................................................... 83
Hình 3.6. Sơ đồ khối mô tả hàm nhiễu F(.) sử dụng một tín hiệu điều khiển ........... 84
Hình 3.7. Tín hiệu hàm nhiễu mức dung dịch f1 và nhiễu nồng độ dung dịch f2 của
đối tƣợng thực và sau khi nhận dạng sử dụng một tín hiệu điều khiển với thời gian
trễ

30s .................................................................................................................. 85

Hình 3.8. Đáp ứng mức dung dịch h và nồng độ dung dịch Cb sử dụng một tín hiệu
điều khiển với thời gian trễ

30s .......................................................................... 85

Hình 3.9. Sơ đồ khối mô tả hàm nhiễu F(.) + hàm sin trong trƣờng hợp sử dụng một
tín hiệu điều khiển ..................................................................................................... 86
Hình 3.10. Tín hiệu hàm nhiễu mức dung dịch f1 và nhiễu nồng độ dung dich f2 của
đối tƣợng thực và sau khi nhận dạng trong trƣờng hợp nhiễu có thêm hàm sin sử
dụng một tín hiệu điều khiển với thời gian trễ