Xây dựng phương pháp điều khiển thích nghi trên nền tối ưu cho hệ lái tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN NỀN TỐI ƯU CHO HỆ LÁI TÀU THỦY BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN NỀN TỐI ƯU CHO HỆ LÁI TÀU THỦY Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn giáo viên hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày … tháng … năm 2022 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS GS.TS i i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến GS.TS P, PGS.TS dành nhiều thời gian, tâm huyết để hướng dẫn, định hướng, tạo động lực nghiên cứu hỗ trợ nghiên cứu sinh mặt để hoàn thành luận án Cho phép nghiên cứu sinh bày tỏ biết ơn sâu sắc tới Thầy Cơ nhóm sở Lý thuyết điều khiển tự động có chia sẻ quý báu kiến thức, phương pháp nghiên cứu lời động viên tới NCS suốt tiến trình nghiên cứu đề tài Trong suốt trình học tập, nghiên cứu nghiên cứu sinh luôn nhận giúp đỡ tận tình Thầy Cơ Khoa Tự động hóa, Trường Điện-Điện tử Phịng Đào tạo, Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ mặt chuyên môn, hỗ trợ thủ tục q trình học tập hồn thành luận án Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Hải Phòng, đặc biệt Khoa Điện Cơ, nơi công tác tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trình thực đề tài nghiên cứu Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời biết ơn tới đồng nghiệp, gia đình, người thân ln động viên, chia sẻ, ủng hộ giúp đỡ NCS suốt toàn thời gian thực nghiên cứu Hà Nội, ngày … tháng… năm 2022 Nghiên cứu sinh ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận án Chương 1.1 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Mơ hình động lực học tổng quát tàu thủy 1.1.1 Các chuyển động tàu thủy hệ quy chiếu 1.1.2 Mơ hình động lực học tàu thủy sáu bậc tự 1.1.3 Mơ hình động lực học tàu thủy ba bậc tự mặt phẳng nằm ngang 13 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước điều khiển chuyển động tàu thủy 15 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 15 1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 16 1.3 Hướng nghiên cứu luận án 19 1.4 Cơ sở phương pháp luận luận án 19 1.5 1.4.1 Mạng nơ-ron xấp xỉ hàm 19 1.4.2 Ổn định UUB 20 1.4.3 Giải thuật quy hoạch động thích nghi cho hệ phi tuyến 22 Kết luận chương 32 Chương 2.1 ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU TÀU THỦY KHI CÓ MƠ HÌNH 33 Tổng hợp điều khiển cho hệ lái tàu thủy 33 2.1.1 Biến đổi mơ hình tàu thủy 33 iii 2.1.2 Mô tả toán điều khiển tối ưu cho tàu thủy 35 2.1.3 Thiết kế điều khiển bám tối ưu dựa cấu trúc Actor-Critic 35 2.1.4 Phát biểu định lý chứng minh tính ổn định hệ kín 39 2.1.5 Mơ kiểm chứng 42 2.2 Thiết kế điều khiển bám tối ưu dựa cấu trúc ADP-RISE cho tàu thủy có nhiễu đầu vào 46 2.2.1 Tổng hợp điều khiển bám tối ưu dựa sở cấu trúc Actor-Critic 46 2.2.2 Thiết kế điều khiển phản hồi RISE 49 2.2.3 Phát biểu định lý chứng minh tính ổn định hệ kín 51 2.2.4 Mô so sánh đánh giá 56 2.3 Thiết kế điều khiển bám tối ưu dựa giải thuật ADP kết hợp với ước lượng nhiễu DO cho tàu có nhiễu đầu vào 65 2.4 2.3.1 Thiết kế điều khiển bù nhiễu 65 2.3.2 Tổng hợp điều khiển bám tối ưu dựa sở cấu trúc Actor-Critic 67 2.3.3 Phương pháp xác định véc-tơ hàm kích hoạt 69 2.3.4 Phát biểu định lý chứng minh tính ổn định hệ kín 72 2.3.5 Mơ phỏng, so sánh đánh giá 76 Kết luận chương 83 Chương 3.1 3.2 3.3 ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU TÀU THỦY KHI KHÔNG CĨ MƠ HÌNH 84 Phương trình HJI bám quỹ đạo ổn định phương pháp 84 3.1.1 Biến đổi mô hình tàu thủy 84 3.1.2 85 Phương trình Hamilton-Jacobi-Isaacs cho toán điều khiển bám tối ưu quỹ đạo 3.1.3 Sự suy giảm nhiễu độ ổn định giải pháp cho phương trình HJI 87 Thuật tốn off-policy IRL để giải phương trình HJI bám quỹ đạo 88 3.2.1 Thuật toán off-policy RL cho điều khiển tối ưu bền vững 88 3.2.2 Phân tích hội tụ thuật toán 3.1 89 3.2.3 Thuật toán off-policy IRL cho điều khiển tối ưu bền vững 95 3.2.4 Phân tích hội tụ thuật toán 3.2 97 3.2.5 Thuật toán off-policy IRL cho điều khiển tối ưu bền vững sử dụng mạng nơ-ron 98 3.2.6 Mô phỏng, so sánh đánh giá 101 Kết luận chương 108 iv KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 109 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐƯỢC CƠNG BỐ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC 118 v v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh Mục Các Ký Hiệu STT Ký hiệu ¡ ¡ ¡ Giải thích Tập số thực n n´ m Không gian tọa độ thực (không gian Euclide) Tập ma trận có kích thước thực Wx Ì ¡ n´ m n chiều chứa phần tử số n Wx Y (W) Tập luật điều khiển chấp nhận C (v) Ma trận Coriolis lực hướng tâm phương tiện hàng hải C A (v) D Ma trận suy giảm thủy động lực học tuyến tính Dn (v) Ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến 10 D (v) Ma trận suy giảm thủy động lực học 11 g(h) Véc-tơ lực đẩy lực trọng trường 12 I0 13 J 1(h) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài 14 J 2(h) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc 15 J (h) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài vận tốc góc 16 m Tập compact Ma trận Coriolis lực hướng tâm thủy động lực học khối lượng nước kèm Ma trận quán tính hệ thống xung quanh điểm O Khối lượng vật rắn vi ... KHOA HÀ NỘI XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN NỀN TỐI ƯU CHO HỆ LÁI TÀU THỦY Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghi? ?n cứu... hoạch động thích nghi cho hệ phi tuyến 22 Kết luận chương 32 Chương 2.1 ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU TÀU THỦY KHI CĨ MƠ HÌNH 33 Tổng hợp điều khiển cho hệ lái tàu thủy ... thủy 33 2.1.1 Biến đổi mơ hình tàu thủy 33 iii 2.1.2 Mơ tả tốn điều khiển tối ưu cho tàu thủy 35 2.1.3 Thiết kế điều khiển bám tối ưu dựa cấu trúc Actor-Critic 35 2.1.4