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 (2)

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 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 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. Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ. Học viên: HOÀNG VĂN TÁ. Người hướng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỴ 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 THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 L u Ë n v ¨ n Th ¹ c s ü - 3 - 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 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 n L u Ë n v ¨ n Th ¹ c s ü - 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 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 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 L u Ë n v ¨ n Th ¹ c s ü - 5 - 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 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 r c - t nu . e du . v n L u Ë n v ¨ n Th ¹ c 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 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 θ m , θ s Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng θ ˆ Véc tơ tham số xấp xỉ ~ Sai lệch giữa véc tơ tham số xấp xỉ và véc tơ tham số Γ Ma trận chỉnh định thích nghi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 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 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 66 hạn. Hình 4.5 Sơ đồ thay thế của động cơ một chiều kích từ độc lập 67 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc của động cơ khi từ thông không đổi 70 Hình 4.7 Sơ đồ khối mô tả mạch vòng dòng điện động cơ 70 Hình 4.8 Sơ đồ khối của mạch vòng tốc độ động cơ. 71 Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ. 71 Hình 4.10 Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống. 77 Hình 4.11 Mô đun đối tượng điều khiển 77 Hình 4.12 Khối vectơ tín hiệu lọc ω. 78 Hình 4.13 Véc tơ tham số θ của bộ điều khiển. 79 Hình 4.14 Khối mô đun chuẩn hoá 79 Hình 4.15 Mô đun điều khiển Up 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. 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. Nội dung tập trung nghiên cứu những đặc điểm của hệ phi tuyến, phương pháp mô tả hệ phi tuyến và áp dụng ĐKTN vào điều khiển hệ phi tuyến. Chương 3: Tổng hợp hệ ĐKTN bền vững theo mô hình mẫu. Nội dung đặt ra là sử dụng luật điều khiển theo mô hình mẫu kết hợp với luật thích nghi bền vững để tạo nên hệ ĐKTN bền vững. Chương 4: Bài toán ứng dụng. Ứng dụng ĐKTNBV vào điều khiển hệ quấn băng vật liệu điện. [...]... tƣợng có thông số biến thiên theo thời gian tuyến tính Các nghi n cứu của những năm 90 tập trung vào đánh giá kết quả của nghi n cứu những năm 80 và nghi n 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 khi n thích nghi Hệ Điều khi n thích nghi là hệ điều khi n tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khi n có thể thay... hệ cụ thể Trong trƣờng hợp mà các tham số là thay đổi trong phạm vi nhỏ thì điều khi n bền vững có thể áp dụng đƣợc Ngƣợc lại khi các giới hạn này là không biết trƣớc thì phƣơng pháp điều khi n bền vững là không mang lại hiệu quả Hƣớng nghi n cứu thứ hai là Điều khi n thích nghi Hệ Điều khi n thích nghi là hệ điều khi n tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khi n có thể thay đổi theo sự biến thiên. .. tính bền vững của hệ trong khi vẫn sử dụng luật điều khi n thông thƣờng Điều khển thích nghi các hệ phi tuyến là phƣơng pháp chiếm ƣu thế để điều khi n các hệ tổng quát trong thực tế Từ những năm 1995 trở lại đây hàng năm có hàng trăm công trình của các nhà điều khi n học công bố về điều khi n phi tuyến thích nghi Điều khi n phi tuyến thích nghi thƣờng đƣợc ứng dụng để điều khi n các hệ phi tuyến có. .. phi tuyến có tham số không biết trƣớc xuất hiện trong phƣơng trình vi phân phi tuyến của hệ Do tính phức tạp của hệ điều khi n các hệ phi tuyến, việc nghi n cứu tính bền vững của hệ điều khi n phi tuyến thích nghi ít đƣợc quan tâm Các phƣơng pháp điều khi n tuyến tính khi đƣợc áp dụng vào hệ phi tuyến đều có chung nhƣợc điểm là: Vùng ổn định của hệ đƣợc trang bị bộ điều khi n giảm đi Hệ ĐKTN thƣờng... Các hệ phi tuyến đƣợc quan tâm đặc biệt do nó phản ánh sát với các hệ thực Điều khi n thích nghi hệ phi tuyến là phƣơng pháp chiếm ƣu thế để điều chỉnh các hệ tổng quát trong thực tế Nó thƣờng đƣợc ứng dụng để điều khi n các hệ phi tuyến có tham số không biết trƣớc Để có thể nghi n cứu và nâng cao đƣợc tính bền vững của hệ khi thiết kế bộ điều khi n ta cần ta cần phải phân loại và nghi n cứu các đặc tính. .. đánh giá các tham số gây ra Nếu kết hợp ĐKBV và ĐKTN ta sẽ có phƣơng pháp Điều khi n thích nghi bền vững (ĐKTNBV) Nội dung là: Thiết kế đƣợc bộ điều khi n tận dụng đƣợc ƣu điểm của cả Điều khi n thích nghi và Điều khi n bền vững Hƣớng nghi n cứu này đã đƣợc khởi điểm từ 1994 trở lại đây Điều khi n thích nghi bền là phƣơng pháp chiếm ƣu thế để điều khi n các hệ tổng quát trong thực tế Điều này phù hợp... bền vững khi điều khi n hệ phi tuyến Khi điều khi n các hệ thực thì tính bền vững của hệ nhƣ phân tích ở trên là không đƣợc đảm bảo Các hệ thống cần điều khi n trong thực tế đều là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trƣớc, biến thiên theo thời gian và chứa phần tử phi tuyến không thể mô hình hoá đƣợc, đồng thời trong quá trình làm việc hệ chịu ảnh hƣởng của nhiễu đến hệ từ môi trƣờng Khi. .. vững của hệ bằng cách các khác nhau Hệ Điều khi n thích nghi bền vững điển hình gồm hai phần chính: bộ đánh giá thông số và luật điều khi n vì vậy thiết kế hệ điều khi n thích nghi bền vững cũng đi theo hai hƣớng sau đây: + Nghi n cứu các bộ đánh giá đặc biệt để đạt đƣợc tính bền vững của hệ + Tìm các luật điều khi n bền vững để ứng dụng vào sơ đồ ĐKTN Đa số các hệ hệ ĐKTNBV đều đi theo hƣớng thứ hai... sau: Điều khi n bền vững (ĐKBV) và Điều khi n thích nghi (ĐKTN) Theo hƣớng thứ nhất thì bộ điều khi n là bộ điều khi n tĩnh (Tham số của bộ điều khi n không biến thiên) Tín hiệu điều khi n là một hàm không chứa vi phân của trạng thái Đã có nhiều phƣơng pháp điều khi n 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. .. của hệ điều khi n thích nghi Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khi n Khối 2: Phần điều khi n thích nghi S y Phần cơ bản của hệ gồm : + Đối tƣợng S + Thiết bị điều khi n R + Mạch phản hồi cơ bản + Tín hiệu vào của hệ u + Tín hiệu ra của hệ y Phần điều khi n 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 . THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHI N CỨU NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ ĐIỀU KHI N THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHI N HỆ PHI TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC ĐỘNG. HOÀNG VĂN TÁ THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 Số hóa. CÔNG NGHI P LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHI N CỨU NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ ĐIỀU KHI N THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHI N HỆ PHI TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC ĐỘNG. Ngành: TỰ ĐỘNG. quả Hƣớng nghi n cứu thứ hai là Điều khi n thích nghi. Hệ Điều khi n thích nghi là hệ điều khi n tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khi n có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao