Điều khiển tích hợp trên cơ sở điều khiển dự báo tựa mô hình MPC và điều khiển trượt SMC cho đối tượng SISO có pha không cực tiểu

NGUYỄN THỊ THANH QUỲNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Thị Thanh Quỳnh ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỰA MƠ HÌNH (MPC) VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT (SMC) CHO ĐỐI TƯỢNG SISO CĨ PHA KHƠNG CỰC TIỂU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Điều khiển Tự động hóa KHỐ 2009 Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Thanh Quỳnh ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỰA MƠ HÌNH (MPC) VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT (SMC) CHO ĐỐI TƯỢNG SISO CĨ PHA KHƠNG CỰC TIỂU Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Điều khiển Tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS PHAN XUÂN MINH Hà Nội – Năm 2011 [1\ LỜI CAM ĐOAN ********* Tôi xin cam đoan kết luận văn thân thực dựa hướng dẫn cô giáo hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Học viên NGUYỄN THỊ THANH QUỲNH [2\ LỜI CẢM ƠN ********* Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Xuân Minh, người hướng dẫn tận tình tác giả đường nước bước trình viết luận văn, thầy Mai Văn Sỹ nhiệt tình giúp đỡ tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Điều khiển Tự động trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tác giả xin cảm ơn thầy cô giáo môn Đo lường & Điều khiển tự động – Khoa Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện tốt để tác giả hoàn thành luận văn kỳ hạn Đồng thời, để hồn thành luận văn này, phần cơng sức vơ to lớn có ý nghĩa tinh thần lẫn vật chất giúp tác giả hoàn thành khố luận cảm thơng sâu sắc, động viên giúp đỡ gia đình khiến tác giả có đủ thời gian tự tin để yên tâm nghiên cứu đề tài giao Do khả thân nhiều hạn chế, nên hướng dẫn nhiệt tình cô giáo hướng dẫn đồng nghiệp, gia đình, cố gắng, nỗ lực nhân song luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong quan tâm góp ý thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn [3\ MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị PHẦN MỞ ĐẦU 9  Đặt vấn đề 9  Mục tiêu luận văn 10  Cách tiếp cận (phương pháp nghiên cứu) 10  Nội dung nghiên cứu, nhiệm vụ cụ thể luận văn 10  Bố cục luận văn 11  Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỰA MƠ HÌNH, 12  ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 12  1.1 Điều khiển dự báo tựa mơ hình 12  1.1.1 Giới thiệu 12  1.1.2 Khái niệm điều khiển dự báo dựa theo mơ hình 15  1.1.3 Một số thuật toán MPC 16  1.1.4 Kết luận 33  1.2 Điều khiển trượt 34  1.2.1 Khái niệm 34  1.2.2 Mềm hóa thành phần điều khiển khơng liên tục 40  1.2.3 Kết luận 43  [4\ Chương 2: ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP DỰ BÁO GIỮA SMC VÀ MPC 44  (SMPC – SLIDING MODE PREDICTIVE CONTROL) 44  2.1 Giới thiệu 44  2.2 Xây dựng luật điều khiển 45  2.3 Sự ổn định hệ kín 49  2.5 Các thơng số chỉnh định 52  Chương 3: ỨNG DỤNG SMPC CHO ĐỐI TƯỢNG 55  SISO PHA KHƠNG CỰC TIỂU 55  3.1 Mơ hình tốn học đối tượng 55  3.2 Kết mô 57  3.3 Nhận xét 64  KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65  Kết luận 65  Hướng phát triển đề tài 66  TÀI LIỆU THAM KHẢO 67  PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.  [5\ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ********* CARIMA : Controller Auto-Regressive Intergrated Moving – Average DMC : Dynamic Matrix Control EPSAC : Extended Predictive Self-Adaptive Control EHAC : Extended Horizon Adaptive Control GPC : Generalized Predictive Control LTI : Linear Time- Invariant MAC : Model Algorithmic Control MBPC : Model- Based Predictive Control MIMO : Muti Inputs Multi Outputs MPC : Model Predictive Control PFC : Predictive Functional Control QP : Quadratic Programming SISO : Single Input Single Output SMC : Sliding Mode Control SMPC : Sliding Mode Predictive Control [6\ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ********* Hình 1.1 Miền dự báo tín hiệu y(t) tín hiệu điều khiển u(t) 15  Hình 1.2 Con lắc đơn .34  Hình 1.3 Tín hiệu điều khiển s(t) KD=1(a) KD=0.1(b) 36  Hình 1.4 mặt phẳng pha lắc đơn với 11 , 1 39  Hình 1.5 Hiện tượng chattering xung quanh mặt trượt 41  Hình 1.6 Các xấp xỉ liên tục hàm dấu .42  Hình 1.7 Ví dụ lắc đơn dùng phần điều khiển không liên tục định nghĩa định nghĩa (1.2) hàm chuyển mạch(a); tín hiệu vào (b), mặt phẳng pha (c) 42  Hình 1.8 Các dạng mặt trượt tương ứng 43  Hình 3.1 Lị phản ứng liên tục Van de Vusse 55  Hình 3.2 Đáp ứng bước nhảy đơn vị hệ thống 56  Hình 3.3 (a),(b) Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển, giá trị mặt trượt tín hiệu đặt hàm bước nhảy đơn vị với giá trị thông số chỉnh định tương ứng 58  Hình 3.4 Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển, giá trị mặt trượt tín hiệu đặt thay đổi 59  Hình 3.5 Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển tín hiệu đặt thay đổi áp dụng phương pháp GPC với N1=1, N2=30, Nu=10,lamda=1 59  Hình 3.6 (a),(b) Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển, giá trị mặt trượt có thay đổi thơng số mơ hình 5% 25% 61  [7\ Hình 3.7 Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển có thay đổi thơng số mơ hình 5% 25%, áp dụng phương pháp GPC với N1=1, N2=30, Nu=10, lamda=1 62  Hình 3.8 Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển có thay đổi thơng số mơ hình 5% 25%, áp dụng phương pháp GPC với N1=1, N2=30, Nu=10, lamda=0.5 .62  Hình 3.9 Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển, giá trị mặt trượt có nhiễu tác động hai thời điểm 63  Hình 3.10 Đáp ứng đầu đối tượng, tín hiệu điều khiển, giá trị mặt trượt áp dụng phương pháp MPC với N1=1, N2=30, Nu=10, lamda=1 có nhiễu tác động hai thời điểm 63      [8\ PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề MPC trở thành phương pháp điều khiển phổ biến sản xuất công nghiệp nghiên cứu Phương pháp tiến hành thành công nhiều ứng dụng thực tế (Camacho & Bordon, 2007) Đây phương pháp linh hoạt, dễ dàng kết hợp với phương pháp khác, phát triển cho nhiều ứng dụng Ví dụ, MPC áp dụng cho trình mẻ gọi điều khiển dự báo phi tuyến lặp (Cueli & Bordon, 2008) điều khiển dự báo lai cho phép tích hợp biến số gián đoạn liên tục (Bemporad & Morari, 1999) Các hệ có thời gian trễ đáp ứng ngược xét đến mơ hình dự báo MPC Do đó, sách lược điều khiển phù hợp với q trình có đặc điểm động học Những ưu điểm phương pháp ứng dụng cho hệ pha không cực tiểu (Hệ không liên tục gọi hệ pha không cực tiểu có điểm “0” hàm truyền nằm ngồi đường trịn đơn vị dẫn đến tượng đáp ứng ngược) báo cáo nhiều nghiên cứu (Bitmead, Gever & Werts, 1990; Camacho & Bordon, 2007; Maciejowki, 2001; Pike, Grimble, Johnson, Ordys & Shakoor, 1996; Soeterboek, 1991) Tuy nhiên, MPC bộc lộ nhược điểm tính bền vững yếu với q trình pha khơng cực tiểu có mơ hình dễ thay đổi, nhiễu Mặt khác, SMC phương pháp điều khiển xuất phát từ điều khiển có cấu trúc thay đổi VSC – Variable Structure Control (Edwards and Spurgeon, 1998) SMC có ưu điểm lớn tính bền vững, khơng nhạy cảm với biến đổi thông số hệ thống, với nhiễu, đó, loại bỏ yêu cầu cần có mơ hình đối tượng xác Một vài nghiên cứu kết hợp hai kỹ thuật điều khiển tiến hành Corradini Orlando (1997) đề xuất thuật toán dựa VSC thời gian gián đoạn Trong đó, dạng đáp ứng độ cải thiện cách kết nối điều khiển dự báo tổng quát (GPC) thuật toán cấu trúc biến đổi (Variable [9\ Tín hiệu điều khiển uD có hai thơng số chỉnh định KD KD có dấu giống hệ số khuếch đại trình Ban đầu, KD chọn giá trị giống giá trị hệ số khuếch đại tỉ lệ điều khiển PID thông số chỉnh định dương dùng để giảm tượng chattering Trong thiết bị điện tử, khơng xảy tượng này, đặt Tiêu chuẩn chung để điều chỉnh điều khiển MPC tuyến tính dùng để chỉnh định phần dự báo tựa mơ hình điều khiển (Camacho & Bordons, 2007) N1 N2 tầm dự báo tối thiểu tối đa Chúng đánh dấu giới hạn thời gian mà đó, đầu mong muốn bám theo giá trị đặt Do đó, N1 lớn, sai lệch ưu tiên chút thời điểm ngắn ban đầu Với q trình có trễ d, khơng có lý mà N1 chọn nhỏ d, đầu khơng có thời điểm t+d Giá trị N2 lớn nâng cao tính ổn định danh định hệ kín Tuy nhiên, N2 lớn lại không nâng cao đáng kể chất lượng hoạt động hệ, làm tăng thời gian tính tốn cho tín hiệu điều khiển Vì lý đó, N2 chọn cho bao gồm ảnh hưởng tất đầu điều khiển khứ Chiều dài tầm điều khiển Nu thông số chỉnh định khác điều khiển MPC SMPC sử dụng khái niệm tầm điều khiển, xét thấy sau khoảng thời gian Nu