nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển hệ phi tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ TÊN ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN” TRẦN THỊ TUYẾT Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN” Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ Học viên : TRẦN THỊ TUYẾT Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Văn Vỳ HỌC VIÊN Trần Thị Tuyết BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy giáo.TS Nguyễn Văn Vỳ và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt kê. Tác giả Trần Thị Tuyết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan 3 Lời mở đầu 9 Chƣơng 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi 11 1.1. Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển thích nghi 11 1.2. Đặc điểm chung của hệ Điều khiển thích nghi 12 1.2.1. Định nghĩa 12 1.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi 13 1.2.3. Phân loại 14 1.3. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 17 1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp 18 1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 18 1.4. Hệ Điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC 20 1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ Điều khiển thích nghi 21 1.6. Hệ thống Điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính 22 1.7. Kết luận chƣơng 1 24 Chƣơng 2: Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC 25 2.1. Đặc điểm của hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC 25 2.1.1. Sơ đồ cấu trúc MRAC 25 2.1.2. Phân loại MRAC 27 2.1.2.1. Theo quan điểm cấu trúc 27 2.1.2.2. Theo quan điểm ứng dụng 28 2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ MRAC 30 2.2. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo tối ƣu cục bộ 32 2.3. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov 41 2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lý thuyết ổn định tuyệt đối và nguyên lý dƣơng của hệ thống động 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 2.5. Kết luận chƣơng 2 51 Chƣơng 3: Tổng hợp hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu hệ truyền động điện một chiều 52 3.1. Đặt bài toán 52 3.2. Tổng hợp MRAC cho hệ truyền động điện một chiều 53 3.2.1. Xây dựng mô hình toán học động cơ điện một chiều 53 3.2.1.1. Chế độ xác lập 53 3.2.1.2. Chế độ quá độ 54 3.2.2. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong vùng gián đoạn của dòng điện phần ứng 57 3.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ thích nghi cho động cơ điện một chiều 60 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 60 3.3.2. Tổng hợp luật điều khiển thích nghi cho mạch vòng tốc độ 62 3.3.3. Tính toán mạch vòng thích nghi 65 3.4. Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ 74 3.5. Xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab – Simulink 77 3.6 Kết quả mô phỏng 78 3.7. Kết luận chƣơng 3 93 KẾT LUẬN CHUNG 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. 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 Là ma trận hằng số của mô hình mẫu. X m , X s Là các véctơ trạng thái của mô hình mẫu. u(t) Tín hiệu điều khiển. x(t) Véctơ trạng thái của hệ. y(t) Tín hiệu. 2. Chữ viết tắt ĐKTN Điều khiển thích nghi. MIT Massachusetts Institute of Technology. MRAC Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. MRC Điều khiển theo mô hình mẫu. STR Điều khiển tụ chỉnh. SISO Một tín hiệu vào – Một tín hiệu ra. APPC Điều khiển thích nghi áp đặt cực. PPC Điều khiển áp đặt cực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi 13 Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại 14 Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC 15 Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR. 16 Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR. 17 Hình 1.6. Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 18 Hình 1.7. Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 19 Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC. 21 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính. 23 Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý 23 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC 26 Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu nối tiếp 27 Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song 27 Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song, nối tiếp 28 Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp 29 Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu gián tiếp 29 Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu 31 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi 35 Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số j b  40 Hình 2.10: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số j a  41 Hình 2.11: Luật điều khiển trên cơ sở hàm Lyapunop 43 Hình 2.12: Cấu trúc hệ một thông số 44 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thích nghi theo mô hình trên 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 cơ sở ổn định tuỵêt đối (thích nghi thông số). Hình 2.14. Phương pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung U p2 (t) 45 Hình 2.15: Cấu trúc hệ phản hồi 47 Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi 49 Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi đầy đủ. 50 Hình 3.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 52 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi 55 Hình 3.3: Sơ đồ khối mô tả mạch vòng dòng điện động cơ 56 Hình 3.4: Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ 56 Hình 3.5: Sơ đồ khối của động cơ điện một chiều trong chế độ dòng điện gián đoạn 58 Hình 3.6: Các đặc tính I=f(Uđk); I = f(  ) ở vùng dòng điện gián đoạn 59 Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá của động cơ điện một chiều trong vùng dòng điện gián đoạn khi từ thông không đổi (  = const) 59 Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 61 Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạch vòng dòng điện đã được biến đổi 61 Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ biến thiên tham số 63 Hình 3.11:Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ĐKTN động cơ điện một chiều Hình 3.12: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ truyền động điện 74 Hình 3.13. Mô hình động cơ điện một chiều khi chưa có ĐKTN 75 Hình 3.14. Mô hình động cơ điện một chiều khi có ĐKTN 76 Hình 3.15. Mô hình mẫu của đối tượng 76 Hình 3.16. Bộ Điều khiển thích nghi 77 Hình 3.17: Đặc tính ra của hệ khi Mc = 0 78 Hình 3.18. Đặc tính ra của hệ khi M C thay đổi nhảy cấp 79 Hình 3.19. Đặc tính ra của hệ khi mômen quán tính thay đổi 80 Hình 3.20. Đặc tính ra của hệ khi mômen quán tính thay đổi 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Hình 3.21. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác 82 Hình 3.22. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp 83 Hình 3.23. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên 84 Hình 3.24. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp 85 Hình 3.25. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiê 86 Hình 3.26. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên 87 Hình 3.27. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng sin ngẫu nhiên 88 Hình 3.28. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 89 Hình 3.29. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng sin có chu kỳ 90 Hình 3.30. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 91 Hình 3.31. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thống cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trƣớc và chứa 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 có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian - Có thể là biến thiên chậm hoặc nhanh theo thời gian. Điều khiển các hệ thống nói trên các bộ điều khiển thông thƣờng nói chung không đáp ứng đƣợc. Hệ điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay 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. Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, 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. Đƣợc sự hƣớng dẫn của Thầy giáo TS. Nguyễn Văn Vỳ, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển hệ phi tuyến” Kết cấu của luận văn gồm: Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi Chương 2: Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC Chương 3: Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu hệ truyền động điện một chiều [...]... thi gian Cui thp k 80 cỏc cụng trỡnh nghi n cu v h KTN bn vng, c bit l MRAC cho cỏc i tng cú thụng s bin thiờn theo thi gian tuyn tớnh Cỏc nghi n cu ca nhng nm 90 tp chung vo ỏnh giỏ kt qu ca cỏc nghi n cu nm 80 v nghi n cu cỏc lp i tng phi tuyn cú tham s bt nh Nhng c gng ny ó c a ra mt s lp s MRAC xut phỏt t h thng phi tuyn 1.2 - c im chung ca h thng iu khin thớch nghi 1.2.1 nh ngha S húa bi Trung tõm... khin thớch nghi l phi tuyn 1.7 Kt lun chng 1 iu khin thớch nghi l phng phỏp iu khin hin i cú nhiu u im nờn c ỏp dng vo iu khin cỏc h thng phc tp trong thc t iu khin thớch nghi cú nhiu phng phỏp Trong thi gian gn õy cỏc phng phỏp iu khin thớch nghi phỏt trin v hon thin vi tc nhanh c bit cỏc h thng iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu v cỏc h t chnh ó t c nhiu kt qu minh chng cho iu ú tụi nghi n cu h... tip Trong h KTN do cha bit cỏc thụng s ca i tng iu khin nờn cỏc thụng s ca b iu khin phi c cỏc lut thớch nghi cp nht Do ú, vic thit k lut thớch nghi s bao gm c vic chn lut thớch nghi v chng minh s n nh ca h thng Vic thit k lut thớch nghi thng gm cỏc bc sau: + Chn lut thớch nghi cú cha cỏc bin thụng s + Chn lut thớch nghi iu chnh nhng thụng s ny + Phõn tớch c tớnh hi t ca h thng S húa bi Trung tõm Hc... toỏn trc tip khụng phi qua gii phng trỡnh Vỡ vy m DSTR l kiu ỏnh giỏ mụ hỡnh i tng khụng qua tng minh đánh giá on-line tham số 0(t) u ys Bộ điều khiển Đối tƯợng Hỡnh 1.5 H KTN t iu chnh trc tip: DSTR * H thớch nghi t chnh lai: Kt hp c hai phng phỏp trờn ta cú h t chnh thớch nghi lai, tc l cựng lỳc ta ỏnh giỏ c tham s b iu khin v tham s i tng nhm trỏnh gii phng trỡnh i s õy l h thớch nghi t chnh nhm kt... nghi iu chnh h s khuch i S ca h c mụ t trờn hỡnh 1.2 Bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại u Bộ điều khiển Đối tƯợng ym y Hỡnh 1.2 H KTN iu chnh h s khuch i S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 õy l s xõy dng theo nguyờn tc ca mch phn hi v b iu khin cú th thay i thụng s bng b iu chnh h s khuch i c im ca nú cú th lm gim nh hng ca s bin thiờn thụng s b H iu khin thớch nghi. .. hỡnh 2.4 C CU THCH NGHI U Y + Thớch nghi thụng s Mễ HèNH MU H THNG IU CHNH Hỡnh 2.2: H thng KTN cú mụ hỡnh mu ni tip Mễ HèNH MU U + H THNG IU CHNH Thớch nghi thụng s Y - C CU THCH NGHI Hỡnh 2.3: H thng KTN cú mụ hỡnh mu song song S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 27 Mễ HèNH MU + U Y H THNG IU CHNH Mễ HèNH MU Thớch nghi thụng s Y C CU THCH NGHI Hỡnh 2.4: H thng... ca Lyapunov hoc lý thuyt n nh tuyt i ca Pụpụp v nguyờn lý dng ng h hi t v sai s l nh nht ym Mô hình mẫu + u e(t) Bộ điều khiển Đối tƯợng Ys cơ cấu thích nghi Hỡnh 1.3 S cu trỳc h KTN theo mụ hỡnh mu ca MRAC c H iu khin thớch nghi t chnh (Self-Tuning-Regulator-STR) H iu khin thớch nghi t chnh c phỏt biu ch yu cho h giỏn on STR l h rt mm do Tu theo vic la chn lut ỏnh giỏ v lut iu khin m ta cú nhiu... t cỏc im cc ca h kớn vo vựng mong mun Cu trỳc ca h PPC cho i tng dng SISO tuyn tớnh dng c ch ra Hỡnh 1.8 r Bộ điều khiển C(0* ) c u Đối tƯợng điều khiển G s (S) y Hỡnh 1.8 H iu khin PPC Cu trỳc ca h iu khin C (C* ) v vect tham s (C* ) c chn sao cho cỏc im cc ca hm truyn h kớn ( t r n y ) phi bng cỏc giỏ tr mong mun Vect (C* ) c xỏc nh t phng trỡnh i s: C* = F( * ) Trong ú vect * l vect cỏc h s ca... khin thớch nghi thay th * trong lut iu c khin bng vộc t thụng s ỏnh giỏ * T ú ta cú phng phỏp iu khin thớch c nghi theo mụ hỡnh mu (MRAC) Vộc t (t) cú th thu c bng phng phỏp ỏnh giỏ trc tip hoc phng phỏp ỏnh giỏ giỏn tip, t ú ta cú th chia phng phỏp iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu thnh hai phng phỏp: + Phng phỏp iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu trc tip + Phng phỏp iu khin thớch nghi theo mụ... v cỏc h t chnh ó t c nhiu kt qu minh chng cho iu ú tụi nghi n cu h iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu MRAC S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 Chng II H IU KHIN THCH NGHI THEO Mễ HèNH MU iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu l mt phng phỏp quan trng trong iu khin thớch nghi iu ny c nghi n cu trong h truyn ng in t ng m ú th hin rừ c cỏc yu t ca iu khin theo mụ hỡnh . hành nghi n cứu đề tài luận văn tốt nghi p là Nghi n cứu ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển hệ phi tuyến Kết cấu của luận văn gồm: Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi. gián tiếp 18 1.4. Hệ Điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC 20 1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ Điều khiển thích nghi 21 1.6. Hệ thống Điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính 22 1.7 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1 - Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế mà các hệ điều khiển tự