NGHIÊN cứu điều KHIỂN tối ưu bền VỮNG CHO hệ có THÔNG số bất ĐỊNH

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MẠNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO HỆ CÓ THÔNG SỐ BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công. Phản biện 1: TS. Trần Xuân Minh Phản biện 2: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 10 h30 ngày 24 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trong thực tế có thể khẳng định rằng gần như tất cả các đối tượng vật lý đều là các đối tượng bất định, với hai nguyên nhân gây ra sự bất định là sự nhiễu loạn bên trong của đối tượng vật lý (dẫn tới mô hình không chắc chắn) và tín hiệu nhiễu từ môi trường bên ngoài đối tượng vật lý. Mô hình hóa đối tượng bất định là mô hình hóa đối tượng thuộc về một tập mô hình M, trong đó hai dạng mô hình không chắc chắn cơ bản là: Mô hình không chắc chắn có cấu trúc và mô hình không chắc chắn không có cấu trúc. Để điều khiển cho đối tượng bất định thì trong lý thuyết hệ thống chia ra làm điều khiển truyền thống và điều khiển hiện đại. - Điều khiển truyền thống sử dụng thông tin về tín hiệu đầu ra của đối tượng cấu thành tín hiệu đầu vào để đưa ra tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiển truyền thống được xây dựng dựa trên hàm hoặc ma trận truyền đạt của đối tượng để xác định các khâu phản hồi chuẩn (tỷ lệ, tích phân, vi phân). Do vậy nếu mô hình đối tượng không ổn định thì khả năng bền vững của thuật toán điều khiển là không đảm bảo. - Điều khiển hiện đại hay còn gọi là điều khiển động học lại sử dụng thông tin về biến trạng thái của đối tượng để đưa ra tín hiệu điều khiển đối tượng theo chiến lược điều khiển tuyến tính. Bộ điều khiển hiện đại được xây dựng trên cơ sở của hệ các phương trình Riccati là kết quả thu được từ quá trình tối ưu hóa hàm tiêu chỉ sai số tín hiệu điều khiển và biến trạng thái có kể đến cả sự không chắc chắn của mô hình đối tượng. Từ đặc điểm của các đối tượng vật lý thực thì hệ thống điều khiển đối tượng cần phải đảm bảo yêu cầu ổn định với tất cả các sự không chắc chắn của đối tượng, do đó phương pháp điều khiển bền vững H  hoặc tối ưu bền vững H 2 /H  là phù hợp nhất để điều khiển cho 2 các đối tượng vật lý thực, đặc biệt là các đối tượng bất định. Chính vì vậy, trong giới hạn luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu các đối tượng vật lý bất định và điều khiển tối ưu bền vững cho đối tượng bất định, kết quả nghiên cứu được áp dụng đề điều khiển xe hai bánh tự cân bằng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Phương pháp mô hình hóa đối tượng bất định giúp chúng ta kể đến tất cả các yếu tố không chắc chắn của đối tượng và kết quả của mô hình hóa sẽ giúp mô hình toán học của đối tượng phản ánh đúng bản chất của đối tượng vật lý thực. Điều khiển hỗn hợp H 2 /H ∞ là một kỹ thuật tiên tiến cho việc thiết kế bộ điều khiển tối ưu và bền vững cho các đối tượng bất định. Thiết kế bộ điều khiển hỗn hợp H 2 /H ∞ là nhằm đạt được cả độ ổn định bền vững và chất lượng điều khiển tốt. Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Từ nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó nghiên cứu về điều khiển bền vững đề điều khiển xe hai bánh tự cân bằng có tính khoa học và thực tiễn cao. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG VẬT LÝ BẤT ĐỊNH 1.1 Giới thiệu Mô hình hóa đối tượng vật lý (đối tượng điều khiển) là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong lý thuyết hệ thống, đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển. Mô hình hóa thường là một nhiệm vụ rất khó khăn do tính phức tạp và các yếu tố không chắc chắn của đối tượng vật lý. Theo lý thuyết hệ thống thì các yếu tố không chắc chắc có thể phân làm hai loại: Mô hình không chắc chắn: Nhiễu từ môi trường bên ngoài: 1.2 Chuẩn của tín hiệu và hệ thống 1.2.1 Chuẩn tín hiệu . 1.2.2 Chuẩn hệ thống 1.3 Mô hình không chắc chắn có cấu trúc 1.4 Mô hình không chắc chắn không cấu trúc 1.4.1 Mô hình nhiễu nhân Biểu thức mô hình nhiễu nhân: ~ m M {G =(1+ W )G: 1}        (1.8) Hình 1.1 Mô hình nhiễu nhân 4 1.4.2 Mô hình nhiễu cộng Hình 1.2 Mô hình nhiễu cộng 1.4.3 Mô hình nhiễu cộng ngược Hình 1.3 Mô hình nhiễu cộng ngược 1.4.4 Mô hình nhiễu nhân ngược 5 1.4.5 Xây dựng mô hình không chắc chắn 1.4.5.3 Các ví dụ xây dựng mô hình không chắc chắn Hình 1.5 Biểu đồ bode của m W (j )  Hình 1.6 Biểu đồ bode của đối tượng thực có hằng số không chắc chắn Hình 1.7 Biểu đồ bode của mô hình nhiễu nhân của đối tượng thực 6 Hình 1.8 Biểu đồ bode của m W (j )  1.4.5.4 Cấu trúc M-  Hình 1.11 Cấu trúc M -  của đối tượng bất định Ví dụ: Biến đổi cấu trúc dưới đây về cấu trúc M- Hình 1.12 Cấu trúc của đối tượng 7 Giải: Biến đổi cấu trúc hệ thống Hình 1.13 Biến đổi cấu trúc đối tượng Hàm truyền từ w 0 đến z 0 m W (s)K(s)G(s)H(s) M(s) 1 K(s)G(s)H(s)    (1.30) Trong thực tế gần như tất cả các đối tượng vật lý đều là các đối tượng bất định, với hai nguyên nhân gây ra sự bất định là sự nhiễu loạn bên trong của đối tượng vật lý (dẫn tới mô hình không chắc chắn) và tín hiệu nhiễu từ môi trường bên ngoài đối tượng vật lý. Mô hình hóa đối tượng bất định là mô hình hóa đối tượng thuộc về một tập mô hình M, trong đó hai dạng mô hình không chắc chắn cơ bản là: Mô hình không chắc chắn có cấu trúc và mô hình không chắc chắn không có cấu trúc. Từ kết quả của mô hình hóa đối tượng bất định ta có thể xây dựng hệ thống điều khiển ổn định được được đối tượng với tất cả sự không chắc chắn của đối tượng. 8 CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO HỆCÓ THÔNG SỐ BẤT ĐỊNH Để điều khiển cho đối tượng bất định thì trong lý thuyết hệ thống chia ra làm điều khiển truyền thống và điều khiển hiện đại. - Điều khiển truyền thống sử dụng thông tin về tín hiệu đầu ra của đối tượng cấu thành tín hiệu đầu vào để đưa ra tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiển truyền thống được xây dựng dựa trên hàm hoặc ma trận truyền đạt của đối tượng để xác định các khâu phản hồi chuẩn (tỷ lệ, tích phân, vi phân). Do vậy nếu mô hình đối tượng không ổn định thì khả năng bền vững của thuật toán điều khiển là không đảm bảo. - Điều khiển hiện đại hay còn gọi là điều khiển động học lại sử dụng thông tin về biến trạng thái của đối tượng để đưa ra tín hiệu điều khiển đối tượng theo chiến lược điều khiển tuyến tính. Bộ điều khiển hiện đại được xây dựng trên cơ sở của hệ các phương trình Riccati là kết quả thu được từ quá trình tối ưu hóa hàm tiêu chỉ sai số tín hiệu điều khiển và biến trạng thái có kể đến cả sự không chắc chắn của mô hình đối tượng. Từ đặc điểm của các đối tượng vật lý thực thì hệ thống điều khiển đối tượng cần phải đảm bảo yêu cầu ổn định với tất cả các sự không chắc chắn của đối tượng, do đó phương pháp điều khiển bền vững H  hoặc tối ưu bền vững H 2 /H  là phù hợp nhất để điều khiển cho các đối tượng vật lý thực, đặc biệt là các đối tượng bất định. 2.1 Tổng quan về điều khiển tối ưu bền vững 2.1.1 Nghiên cứu về điều khiển H  2.1.2. Nghiên cứu về điều khiển tối ưu bền vững H 2 /H  2.2. Các khái niệm cơ bản 2.2.1 Điều khiển bền vững [...]... bộ điều khiển tối ưu bền vững bậc 2 khi thay đổi tải lệch tâm - Thiết kế điều khiển bền vững theo định dạng vòng H cho hệ thống điều khiển cân bằng robot hai bánh thu được bộ điều khiển bậc cao (bậc 6) - Thiết kế điều khiển tối ưu bền vững có sử dụng thuật toán PSO cho hệ thống khiển cân bằng robot hai bánh thu được bộ điều khiển bậc hai - Chất lượng đáp ứng h(t) khi dùng bộ điều khiển tối ưu bền vững. .. bộ điều khiển bền vững bậc 6 để điều khiển hệ thống cân bằng robot trong Matllab – Simulink là tương đương - Để đơn giản cho việc thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng robot ta có thể dùng bộ điều khiển tối ưu bền vững (bậc 2) thay thế cho bộ điều khiển bền vững bậc 6 mà chất lượng bộ điều khiển vẫn được đảm bảo - Kết quả thực nghiệm cho thấy chất hệ thống điều khiển cân bằng robot sử dụng bộ điều khiển. .. theo thuật toán điều khiển tối ưu bền vững Kiến nghị 1 Cẩn nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng robot theo các phương pháp điều khiển khác để so sánh với phương pháp thiết kế điều khiển bền vững và tối ưu bền vững 2 Cần tiến hành nhiều thí nghiệm thực trong nhiều trường hợp hơn nữa để khẳng định tính đúng đắn của thuật toán điều khiển bền vững và điều khiển tối ưu bền vững và đưa vào ứng... của hệ thống cân bằng robot sử dụng bộ điều khiển bền vững và bộ điều khiển tối ưu bền vững 3.4 Kết quả thực nghiệm điều khiển trên mô hình robot hai bánh tự cân bằng Hình 3.10 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều khiển tối ưu bền vững bậc 2 Hình 3.11 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều khiển tối ưu bền vững bậc 2 khi có nhiễu 23 Hình 3.12 Đáp ứng của hệ. .. tiến cho việc thiết kế bộ điều khiển tối ưu và bền vững cho các hệ thống có nhiễu và có thông số thay đổi theo thời gian Thiết kế bộ điều khiển hỗn hợp H2/H∞ là nhằm đạt được cả độ ổn định bền vững và chất lượng điều khiển tốt, ví dụ độ bám tốt, năng lượng điều khiển nhỏ, vv Mặc dù điều khiển hỗn hợp H2/H∞ là phương pháp điều khiển tiên tiến, tuy nhiên nó không được sử dụng phổ biến như các bộ điều khiển. .. bền vững cho đối tượng vật lý bất định 3 Xây dựng được hệ thống điều khiển cân bằng robot theo thuật toán điều khiển định dạng H∞ và thu được bộ điều khiển gốc bậc 6 4 Kết quả của mô phỏng trên Matlab – Simukinl cho thấy có thể sử dụng bộ điều khiển tối ưu bền vững điều khiển cân bằng robot 5 Các kết quả mô phỏng thực thể hiện tính đúng đắn của thuật toán điều khiển cân bằng robot theo thuật toán điều. .. trừ động học sẵn có giữa phần tử điều khiển và đối tượng được điều khiển Nhưng theo điều khiển bền vững H bậc của phần tử điều khiển cao hơn bậc của đối tượng được điều khiển nên dẫn đến những phức tạp về tính khả năng xây dựng mạch điều khiển thực và thời gian đáp ứng theo thời gian thực Và nghiên cứu đề giảm bậc bộ điều khiển bền vững cũng được quan tâm nghiên cứu rất nhiều Điều khiển hỗn hợp H2/H∞... bộ điều khiển đạt được từ LDSP Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển cải tiến với bộ điều khiển đạt được từ LDSP 2.4.4.3 Lựa chọn các hàm nắn dạng W1,W2 2.5 Điều khiển tối ưu bền vững H2/H Hình 2.15 Hệ thống với nhiễu loạn mô hình đối tượng và nhiễu ngoài 14 Về mặt lý thuyết, phần tử điều khiển bền vững H có ưu điểm vượt trội so với các bộ điều khiển truyền thống PI, PID khi đối tượng là hệ động học bất định. .. khiển tối ưu bền vững đảm bảo cân bằng bền vững khi không có tải, khi có nhiễu và khi mang tải lệch tâm 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn đã nghiên cứu và giải quyết được những nội dung sau: Đề tài này đã hoàn thành một số công việc sau: 1 Xây dựng được các mô hình toán học mô tả các đối tượng vật lý bất định 2 Nghiên cứu và xây dựng được thuật toán thiết kế bộ điều khiển bền vững và tối ưu bền. .. của mô hình hệ thống cân bằng robot 18 Nhận xét: Mô hình hệ thống cân bằng robot là hệ thống không ổn định (có nghiệm phần thực dương) do đó cần phải thiết kế bộ điều khiển để ổn định hệ thống cân bằng robot 3.2 Thiết kế bộ điều khiển định dạng vòng H∞ đủ bậc Cấu trúc hệ thống điều khiển như hình 3.4: Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân bằng xe hai bánh Để thiết kế bộ điều khiển định dạng H . bất định. 2.1 Tổng quan về điều khiển tối ưu bền vững 2.1.1 Nghiên cứu về điều khiển H  2.1.2. Nghiên cứu về điều khiển tối ưu bền vững H 2 /H  2.2. Các khái niệm cơ bản 2.2.1 Điều khiển. tượng bất định ta có thể xây dựng hệ thống điều khiển ổn định được được đối tượng với tất cả sự không chắc chắn của đối tượng. 8 CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO HỆCÓ THÔNG SỐ BẤT. NGUYỄN MẠNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO HỆ CÓ THÔNG SỐ BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN