Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định( Luận văn thạc sĩ)

NGUYỄN MẠNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CĨ THƠNG SỐ BẤT ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ NGUYỄN MẠNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CĨ THƠNG SỐ BẤT ĐỊNH Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HỮU CƠNG - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Thái nguyên, tháng năm 2014 n văn Nguyễn Mạnh Đạt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii , Khoa Sau Đại học Thái nguyên, tháng năm 2014 Nguyễn Mạnh Đạt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC i ii Mục lục iii vi , đồ thị vi MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài .1 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG VẬT LÝ BẤT ĐỊNH 1.1 Giới thiệu 1.2 Chuẩn tín hiệu hệ thống 1.2.1 Chuẩn tín hiệu .4 1.2.2 Chuẩn hệ thống 1.3 Mơ hình khơng chắn có cấu trúc 1.4 Mô hình khơng chắn khơng cấu trúc .6 1.4.1 Mơ hình nhiễu nhân 1.4.2 Mơ hình nhiễu cộng 1.4.3 Mơ hình nhiễu cộng ngược 1.4.4 Mơ hình nhiễu nhân ngược 1.4.5 Xây dựng mơ hình khơng chắn .9 1.4.5.1 Phương pháp thứ 1.4.5.2 Phương pháp thứ hai 10 1.4.5.3 Các ví dụ xây dựng mơ hình khơng chắn 11 1.5 Kết luận chương 17 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CĨ THƠNG SỐ BẤT ĐỊNH 18 2.1 Tổng quan điều khiển tối ưu bền vững 18 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.1.1 Nghiên cứu điều khiển H 18 2.1.2 Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững H2/H .22 2.2 Các khái niệm 27 2.2.1 Điều khiển bền vững 27 2.2.2 Khái niệm ổn định nội 28 2.2.3 Định lý độ lợi nhỏ (Small Gain Theorem) 28 2.2.4 Ổn định bền vững .29 2.2.4.1 Định lý ổn định bền vững .29 2.2.4.2 Điều kiện ổn định bền vững sai số cộng 30 2.2.4.3 Điều kiện ổn định bền vững với sai số nhân đầu 30 2.3 Điều khiển bền vững H .31 2.3.1 Biểu Đồ Bode Đa Biến (Multivariable Bode Plot) 31 2.3.2 Hàm nhạy hàm bù nhạy 31 2.4 Thiết kế bền vững H∞ 37 2.4.1 Mô tả không gian H RH 37 2.4.2 Sai số mơ hình phân tích coprime .38 2.4.3 Bài toán ổn định bền vững H∞ 40 2.4.4 Nắn dạng vòng H∞ .45 2.4.4.1 Thủ tục thiết kế nắn dạng vòng H (LSDP – Loop Shaping Design Procedure) 45 2.4.4.2 Sơ đồ điều khiển .48 2.4.4.3 Lựa chọn hàm nắn dạng W1,W2 50 2.5 Điều khiển tối ưu bền vững H2/H 50 2.6 Kết luận chương 52 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG .53 3.1 Giới thiệu mơ hình xe hai bánh tự cân 53 3.1.1 Mô hình khí 53 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 3.1.2 Mơ hình tốn học .54 3.2 Thiết kế điều khiển định dạng vòng H∞ đủ bậc 58 3.2.1 Lựa chọn hàm định dạng .58 3.2.2 Tính 59 3.2.3 Thiết kế điều khiển định dạng vòng H∞ bậc đầy đủ .61 3.3 Thiết kế điều khiển tối ưu bền vững cho xe hai bánh tự cân 62 3.4 Kết thực nghiệm điều khiển mơ hình robot hai bánh tự cân 67 3.5 Kết luận chương 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Các thông số robot 57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Mơ hình nhiễu nhân Hình 1.2 Mơ hình nhiễu cộng Hình 1.3 Mơ hình nhiễu cộng ngược Hình 1.4 Mơ hình nhiễu nhân ngược Hình 1.5 Biểu đồ bode Wm ( j ) 12 Hình 1.6 Biểu đồ bode đối tượng thực có số khơng chắn 13 Hình 1.7 Biểu đồ bode mơ hình nhiễu nhân đối tượng thực 13 Hình 1.8 Biểu đồ bode Wm ( j ) 14 Hình 1.9 Biểu đồ bode hệ có cực khơng chắn 15 Hình 1.10 Biểu đồ bode mơ hình nhiễu cộng ngược 15 Hình 1.11 Cấu trúc M - đối tượng bất định 16 Hình 1.12 Cấu trúc đối tượng 16 Hình 1.13 Biến đổi cấu trúc đối tượng 17 Hình 2.1: Mơ hình điều khiển bền vững 27 Hình 2.2 : Sơ đồ hệ thống dùng để phân tích ổn định nội 28 Hình 2.3 : Hệ thống hồi tiếp vòng kín 29 Hình 2.4 : Sơ đồ cấu trúc phân tích ổn định bền vững 29 Hình 2.5 : Sai số cộng 30 Hình 2.6 : Sai số nhân đầu 30 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống hồi tiếp âm 32 Hình 2.8: Độ lợi vòng ràng buộc tần số thấp tần số cao 36 Hình 2.9: Biểu diễn sai số mơ hình phân tích coprime bên trái 40 Hình 2.10: Sơ đồ phân tích ổn định bền vững với mơ hình có sai số LCF 40 Hình 2.11: Thủ tục thiết kế nắn dạng vòng H 47 Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển hồi tiếp đơn vị 48 Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển hồi tiếp đơn vị với điều khiển đạt từ LDSP 49 Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển cải tiến với điều khiển đạt từ LDSP 49 Hình 2.15 Hệ thống với nhiễu loạn mơ hình đối tượng nhiễu ngồi 50 Hình 3.1 Kích thước robot hai bánh tự cân 53 Hình 3.2 Sơ đồ đơn giản robot 54 Hình 3.3 Đáp ứng xung mơ hình hệ thống cân robot 58 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân xe hai bánh 58 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển bền vững H 59 Hình 3.6 Đồ thị hàm bode G(s) Gs(s) 60 Hình 3.7 Đồ thị hàm bode G1(s), G2(s), W1(s) 63 Hình 3.8 Đáp ứng hệ thống điều khiển cân xe hai bánh dùng điều khiển bền vững H2/H bậc 65 Hình 3.9 Đáp ứng hệ thống cân robot sử dụng điều khiển bền vững điều khiển tối ưu bền vững 66 Hình 3.10 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh từ cân sử dụng điều khiển tối ưu bền vững bậc 67 Hình 3.11 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh từ cân sử dụng điều khiển tối ưu bền vững bậc có nhiễu 67 Hình 3.12 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh từ cân sử dụng điều khiển tối ưu bền vững bậc thay đổi tải lệch tâm 68 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thực tế khẳng định gần tất đối tượng vật lý đối tượng bất định, với hai nguyên nhân gây bất định nhiễu loạn bên đối tượng vật lý (dẫn tới mơ hình khơng chắn) tín hiệu nhiễu từ mơi trường bên ngồi đối tượng vật lý Mơ hình hóa đối tượng bất định mơ hình hóa đối tượng thuộc tập mơ hình M, hai dạng mơ hình khơng chắn là: Mơ hình khơng chắn có cấu trúc mơ hình khơng chắn khơng có cấu trúc Để điều khiển cho đối tượng bất định lý thuyết hệ thống chia làm điều khiển truyền thống điều khiển đại - Điều khiển truyền thống sử dụng thơng tin tín hiệu đầu đối tượng cấu thành tín hiệu đầu vào để đưa tín hiệu điều khiển Bộ điều khiển truyền thống xây dựng dựa hàm ma trận truyền đạt đối tượng để xác định khâu phản hồi chuẩn (tỷ lệ, tích phân, vi phân) Do mơ hình đối tượng khơng ổn định khả bền vững thuật tốn điều khiển khơng đảm bảo - Điều khiển đại hay gọi điều khiển động học lại sử dụng thông tin biến trạng thái đối tượng để đưa tín hiệu điều khiển đối tượng theo chiến lược điều khiển tuyến tính Bộ điều khiển đại xây dựng sở hệ phương trình Riccati kết thu từ trình tối ưu hóa hàm tiêu sai số tín hiệu điều khiển biến trạng thái có kể đến khơng chắn mơ hình đối tượng Từ đặc điểm đối tượng vật lý thực hệ thống điều khiển đối tượng cần phải đảm bảo yêu cầu ổn định với tất không chắn đối tượng, phương pháp điều khiển bền vững H tối ưu bền vững H2/H phù hợp để điều khiển cho đối tượng vật lý thực, đặc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... 3.8 Đáp ứng hệ thống điều khiển cân xe hai bánh dùng điều khiển bền vững H2/H bậc 65 Hình 3.9 Đáp ứng hệ thống cân robot sử dụng điều khiển bền vững điều khiển tối ưu bền vững 66... chắn 11 1.5 Kết luận chương 17 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CĨ THƠNG SỐ BẤT ĐỊNH 18 2.1 Tổng quan điều khiển tối ưu bền vững 18 Số hóa Trung tâm Học... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.1.1 Nghiên cứu điều khiển H 18 2.1.2 Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững H2/H .22 2.2 Các khái niệm 27 2.2.1 Điều khiển bền vững 27 2.2.2