Nghiên cứu xây dựng phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững cho đối tượng mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI LẬP HIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO ĐỐI TƯỢNG MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI LẬP HIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO ĐỐI TƯỢNG MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ HÙNG LÂN Hà Nội - 2005 Mục lục Trang Mở đầu Chương I : Các sở khoa học 1.1 Hệ mờ 1.1.1 Hàm thuộc 1.1.2 Lát cắt  1.2 Điều khiển bền vững 1.2.1 Các khái niệm 1.2.1.1 Khái niệm điều khiển bền vững 1.2.1.2 Phân loại sai lệch P đối tượng mơ hình 1.2.2.Đánh giá ổn định hệ thống điều khiển có đối tượng tham số khoảng 1.2.2.1 Tiêu chuẩn Kharitonov 1.2.2.2 Tiêu chuẩn Tsypkin- Polyak Chương II : Đánh giá ổn định hệ thống điều khiển mờ 2.1 Đánh giá ổn định hệ thống điều khiển có đối tượng tham số khoảng 2.2 Đánh giá ổn định bền vững cho hệ điều khiển đối tượng mờ Chương III : Tổng hợp điều khiển PID cho đối tượng mờ 3.1 Đặt vấn đề 3.2.Tổng hợp điều khiển PID cho đối tượng mờ 3.2.1.Tổng hợp điều khiển PID cho đối tượng tham số khoảng 3.2.2 Tổng hợp bồ điều khiển PID cho đối tượng mờ Chương IV: Ứng dụng Tổng hợp điều khiển PID cho lò điện trở 4.1 Đặt vấn đề 4.2 Giới thiệu thiết bị mơ hình 4.3 Tổng hợp điều khiển PID 4.3.1 Xác định họ hàm truyền đạt lò 4.3.2 Tổng hợp điều khiển PID cho lò điện trở Tài liệu tham khảo Phụ lục 4 7 11 11 15 22 22 31 41 41 44 45 52 56 56 58 60 60 66 MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, điều khiển tổng hợp biết thơng tin xác đối tượng điều khiển Các đối tượng thường mơ hình hố dạng phù hợp, thuận lợi cho trình tổng hợp phân tích hệ thống Cấu trúc tham số điều khiển có tổng hợp dựa hồn tồn vào thơng tin có từ mơ hình đối tượng điều khiển mục tiêu điều khiển Bộ điều khiển với tham số cấu trúc tổng hợp dựa thơng tin từ mơ hình đối tượng thực tế lại dùng cho đối tượng thật Do điều khiển tổng hợp theo phương pháp lý thuyết điều khiển kinh điển đạt độ xác làm việc với đối tượng thật thoả mãn : đối tượng có tham số bất biến mơ hình dùng mơ tả xác đối tượng điều khiển Trên thực tế khó thoả mãn hai giả thiết Phần lớn đối tượng làm việc tham số thay đổi khơng phải cố định Cịn việc mơ hình hố xác tuyệt đối đối tượng điều khiển điều khó Lý với đối tượng điều khiển cụ thể ta quan sát số thông tin quan trọng định, thông tin mang tính chất chủ quan góc độ người quan sát Khơng có đảm bảo thơng tin hồn tồn xác Mặt khác có nhiều thơng tin khó định lượng xác buộc ta phải đo tính cách gần Ngay trường hợp giả sử có thơng tin xác đối tượng khó mơ hình hố xác mơ hình đối tượng thu q phức tạp khơng thuận lợi cho q trình tổng hợp phân tích Trên thực tế ta thường phải bỏ qua xấp xỉ số thành phần để mơ hình thu vừa đủ xác theo yêu cầu vừa không phức tạp Do câu hỏi đặt : làm để tổng hợp điều khiển có chất lượng thoả mãn yêu cầu làm việc với lớp đối tượng gần giống với mô hình đối tượng? Đó phần nội dung lý thuyết điều khiển bền vững Trong năm gần sở lý thuyết điều khiển bền vững ứng dụng phát triển nhanh Điều khiển bền vững quan tâm nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ nước Điều khiển bền vững hứa hẹn giải nhiều vấn đề mà điều khiển kinh điển chưa giải mở phạm vi ứng dụng lớn Đó lý mà nhận đề tài làm luận văn tốt nghiệp cao học Nội dung luận văn tên gọi : Nghiên cứu, xây dựng phương pháp phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững cho đối tượng mờ Đặt toán Trong luận văn xem xét lớp hệ thống điều khiển tự động có cấu trúc sau: C (s ) - ~ ~ ~ ~ b + b s + + bm s m ~ P(s, a~, b ) = ~0 ~1 a0 + a1s + + a~n s n ~ ~ Trong C(s) hàm truyền đạt điều khiển kinh điển, P(s, a~, b ) ~ hàm truyền đạt đối tượng có tham số mờ, nói cách khác tham số a~i , b j hàm truyền số mờ thu thập từ thông tin quan sát nhận dạng đối tượng Bài toán đạt với đối tượng có tham số mờ cho trước đưa phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điều khiển tự động kín ( với điều khiển C(s) cho trước) phương pháp tổng hợp điều khiển C(s) cho đối ~ ~ tượng mờ P(s, a~, b ) để đảm bảo ổn định hệ thống kín Các kết nghiên cưú điều khiển bền vững nghiên cứu mở rộng để giải toán đặt Luận văn bao gồm chương: Chương I: Các sở khoa học Chương giới thiệu kiến thức sở khái niệm, định nghĩa số tiêu chuẩn xét ổn định bền vững hay dùng Chương II: Đánh giá ổn định hệ thống điều khiển mờ Chương trình bày nội dung phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điều khiển tham số khoảng hệ thống điều khiển tham số mờ dựa tiêu chuẩn Nyquist mở rộng Chương III: Tổng hợp điều khiển PID cho đối tượng mờ Chương trình bày nội dung phương pháp tổng hợp điều khiển PID cho hệ thống điều khiển có tham số mờ Chương IV: Ứng dụng tổng hợp điều khiển PID cho lò điện trở Chương ứng dụng kiến thức chương trước vào mục đích tổng hợp điều khiển PID cho lò điện trở Chương chương dùng kết thực nghiệm để kiểm nghiệm lại kiến thức lý thuyết ứng dụng Cuối phần kết luận, đánh giá kết nghiên cứu luận văn hướng nghiên cứu Luận văn thạc sỹ Ch-ơng I : Các sở khoa học CHNG I : CC C SỞ KHOA HỌC 1.1 Hệ Mờ Trong năm gần “hệ mờ” cụm từ trở lên gần gũi với người làm việc lĩnh vực điều khiển Mặc dù bắt đầu nghiên cứu từ năm 60 kỷ 20 phải đến khoảng 10 năm trở lại lý thuyết điều khiển mờ thực phát triển Với ưu điểm mình, điều khiển mờ nhanh chóng ứng dụng rộng rãi việc tổng hợp điều khiển Lý thuyết điều khiển mờ ứng dụng tiếp tục nghiên cứu phát triển Theo số chuyên gia lĩnh vực điều khiển, điều khiển mờ phát triển mạnh ứng dụng ngày rộng rãi tương lai gần Hệ mờ hệ thống xây dựng sở tri thức luật Hệ mờ tổng quát bao gồm thành phần : sở luật mờ, động suy diễn mờ, mờ hoá giải mờ Ở kỹ thuật điều khiển kinh điển, ta xây dựng điều khiển biết xác tuyệt đối thơng tin đối tượng điều khiển ( ví dụ hàm truyền đạt đối tượng ) Chất lượng hệ thống điều khiển phụ thuộc vào độ xác thông tin thu từ đối tượng điều khiển Trong thực tế khơng phải lúc ta có thơng tin đầy đủ, xác đối tượng Trong ta phải tổng hợp điều khiển cho chất lượng điều khiển thoả mãn yêu cầu cho trước Điều khiển mờ giải tồn Với thơng tin đối tượng khơng thật đầy đủ, xác ( thơng tin đối tượng cịn “mờ”), thuật tốn riêng mình, điều khiển mờ cho tín hiệu điều khiển xác, hợp lý để điều khiển đối tượng thoả mãn yêu cầu cho trước Có số khái niệm điều khiển mờ nh sau: Luận văn thạc sỹ Ch-ơng I : Các sở khoa học 1.1.1 Hm thuc Trc ht xét ví dụ tập kinh điển : A={xR\ < x