Hiểu biết về các phương pháp điều khiển tối ưu; Thiết kế hiện hiệ bộ điều điề khiể khiển ttoàn à phương h ttuyến ế tí tính h Hiểu biết khái niệm điều khiển thích nghi và các sơ đồ [r]
(1)Môn học LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO Giảng viên: Giả iê PGS PGS TS TS Huỳnh H ỳ h Thái Hoàng H à Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện ệ – Điện ệ Tử Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn Homepage: http://www4 http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/ hcmut edu vn/~hthoang/ 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (2) Nội dung môn học Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Điều khiển phi tuyến Chương 3: Điều khiển tối ưu Chương 4: Điều khiển thích nghi Chương 5: Điều khiển bền vững Chương 6: Một số ví dụ thiết kế hệ thống ĐK 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (3) Tài liệu tham khảo Giáo trình: Lý thuyết điều khiển đại – Nguyễn Thị Phương Hà, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM Bài giảng: iả Lý thuyết th ết điều điề khiển khiể nâng â cao – Huỳnh H ỳ h Thái Hoàng, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/ltdknc/ Bài tập: BKel 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (4) Tài liệu tham khảo Tham khảo: [1] Applied nonliear control, Jean-Jacques E Slotine & Weiping Li Li, Prentice Prentice-Hall Hall International Editions Editions, Inc Inc 1991 [2] Optimal Control, Control Frank L L Lewis Lewis, Vassilis L L Symos, A Wiley-Interscience Publication , 1995 [3] Adaptive control , Karl Johan Astrom & Bjom Wittnmark , Addison-Wesley Publishing Company, second edition 2000 [4] Robust and optimal cotrol, Kemin Zhou with John C Doyle and Keith Glover , Prentic Hall, Upper Saddle River , 1996 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (5) Đánh giá môn học Kiểm tra (50%) (50%), đó: Bài tập: 30% (bài tập trên lớp + bài tập nhà) Kiểm tra kỳ: 20% (thi viết) Thi cuối kỳ: 50% (thi viết) Chú ý: Sinh viên không sử dụng tài liệu in và photocopy phòng thi thi 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (6) Chương GIỚI THIỆU 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (7) Điều khiển sơ khai Từ kỷ 19 trở trước: HTĐK thiết kế dựa vào trực giác, không có sở toán học 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (8) Điều khiển kinh điển (trước 1960) Từ kỷ 19 đến năm 1930: móng toán học lý thuyết điều khiển đời Lyapunov (1892) Routh-Hurwitz (1895) Từ thập thậ niên iê 1930 đến đế 1940: 1940 lý thuyết th ết điều điề khiển khiể kinh điển phát triển mạnh: Đặc tính í tần ầ số, ố biểu ể đồ Bode Biểu đồ Nyquist, Nichols, Quỹ đạo nghiệm số ố 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (9) Đặc điểm điều khiển kinh điển Hệ thống SISO Đối tượng tuyến tính (hoặc đối tượng phi tuyến làm việc quanh điểm tĩnh) Thiết kế miền tần số Sử dụng d biể đồ biểu Thiết kế nhằm đạt cân bằng: Chất C ấ lượng và à độ ộ bền ề vững Ảnh hưởng các yếu tố không chắn Bộ điều ề khiển ể PID 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT (10) Hạn chế lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển Chất lượng điều khiển có số hạn chế: Không tối ưu Chất lượng điều khiển giảm đối tượng phi tuyến làm việc phạm vi rộng Chất lượng điều khiển không đảm bảo tham số đối tượng thay đổi Không đảm bảo đạt chất lượng thiết kế mô hình đối tượng có yếu tố không chắn Lý thuyết ế điều ề khiển ể kinh điển ể ấ khó áp dụng trường hợp: Hệ MIMO Hệ phi tuyến Chất lượng miền thời gian 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 10 (11) Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển Cần trục, trục tay máy 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 11 (12) Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển Lái tàu 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 12 (13) Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển Điều khiển máy bay 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 13 (14) Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển Điều khiển quá trình 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 14 (15) Điều khiển đại (1960 – nay) Điều khiển phi tuyến Điều khiển tối ưu Điều khiển thích nghi Điều khiển bền vững 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 15 (16) Điều khiển phi tuyến Cơ sở toán học LTĐK phi tuyến đã đời từ kỷ 19, từ sau 1960 điều khiển phi tuyến phát triển mạnh Các phương pháp phân tích hệ thống điều khiển phi tuyến ế Phương pháp hàm mô tả Phương pháp mặt phẳng pha Phân tích ổn định Lyapunov Tiêu chuẩn Popov Định lý độ lợi bé Phân tích thụ động Các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến Hồi tiếp tuyến tính hóa Điều khiển trượt Phương pháp chiếu,… 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 16 (17) Điều khiển tối ưu Là phương pháp điều khiển đó điều khiển thiết kế cho tối thiểu hàm tiêu chất lượng Những năm đầu tiên: Wiener (1930’s – 1950’s): lọc, dự báo Kolmogorov (1940’s): quá trình ngẫu nhiên Qui hoạch tuyến tính và phi tuyến (1940 (1940’s) s) Điều khiển tối ưu: Qui hoạch động Bellman (1950’s) Nguyên lý cực đại Pontryagin (1950’s) Điều khiển tối ưu tuyến tính (cuối 1950’s – 1960’s) Lọc Kalman Bài toán điều chỉnh toàn phương tuyến tính (LQR) Điều khiển tối ưu ngẫu nhiên (LQG) 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 17 (18) Điều khiển thích nghi Là phương pháp điều khiển đó các thông số điều khiển điều chỉnh tự động điều kiện làm việc thay đổi nhằm đạt chất lượng tối ưu Những năm 1950: HTĐK theo mô hình tham chiếu ế Cuối thập niên 1960: tiến lý thuyết điều khiển đóng góp vào phát triển lý thuyết điều khiển thích nghi (mô tả không gian trạng thái, lý thuyết ổn định Lyapunov, qui hoạch động,…) Thập niên 1970 và năm đầu ầ 1980: chứng minh tính ổn định hệ thống thích nghi Cuối thập niên 1980 đến đầu năm 1990: tính bền vững điều khiển thích nghi Gần đây: phát triển các giải thuật điều khiển học 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 18 (19) Sơ đồ khối tổng quát hệ thống ĐK thích nghi Nhận dạng/ Ước lượng Điều kiện làm việc Chỉnh định r(t) 15 January 2014 Bộ điều khiển u(t) Đối tượng © H T Hoàng - HCMUT y(t) 19 (20) Điều khiển bền vững Là phương pháp điều khiển đó điều khiển thiết kế cho tính ổn định và chất lượng hệ ệ thống g đảm bảo các yyếu tố không g chắn và/hoặc nhiễu loạn nằm giới hạn định trước 1950’s: Điều ề khiển ể tối ố ưu H2 (hay ( LQG) QG) 1981(Zames): bài toán điều khiển H, phương pháp chỉnh độ lợi vòng 1984 (Doyle), 1987 (Francis): điều khiển tối ưu H không gian trạng thái 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 20 (21) Sơ đồ khối thiết kế hệ thống điều khiển bền vững r(t) K Wm ++ G y(t) Điều khiển bền vững mô hình sai số nhân r(t) K Wm G ++ y(t)) y( Điều khiển bền vững mô hình sai số cộng 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 21 (22) Sử dụng phương pháp điều khiển nào? dv ((tt ) M Bv (t ) f (t ) dt Nên chọn phương pháp điều khiển nào? Khi mô hình chính xác, thông số xe không đổi? Khi muốn tối thiểu lượng tiêu tốn? Khi thông số xe thay đổi? Khi có sai số mô hình (mô hình không chắn)? 15 January 2014 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 22 (23) Sử dụng phương pháp điều khiển nào? qin u(t) y(t) (t) qout a: tieá i át dieä di än van xaûû A: tieát dieän ngang cuûa boàn g: gia toc toác troï ng tröông trường k: heä soá coâng suaát bôm CD: heä soá xaû y (t ) ku (t ) aC D gy (t ) A Nên chọn phương pháp điều khiển nào? Khi điều khiển ổn định hóa? Khi ĐK bám theo tín hiệu ệ đặt ặ g miền làm việc ệ rộng? ộ g Khi muốn tối thiểu lượng tiêu tốn? Khi thông số bồn thay đổi? Khi có sai số mô hình (mô hình không chắn)? 15 January 2014 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 23 (24) Sử dụng phương pháp điều khiển nào? l u m (t ) J: moment quaùn tính cuûa caùnh tay maùy M: khối lượng cánh tay máy m: khối lượng vật nặng l: chieàu daøi caùnh tay maùy lC : khoảng cách từ trọng tâm tay máy đến trục quay B: hệ số ma sát nhớt g: g g gia tốc trọng trường u(t): moment tác động lên trục quay cánh tay máy (t): goùc quay (vò trí) cuûa caùnh tay maùy B (ml MlC ) (t ) g cos u (t ) 2 ( J ml ) ( J ml ) ( J ml ) Nên chọn ọ p phương gp pháp p điều khiển nào? Khi điều khiển tay máy phạm vi rộng? Khi khối lượng vật nặng thay đổi? Khi mô hình không chắn? Khi muốn tối ưu lượng tiêu tốn và đáp ứng nhanh? 15 January 2014 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 24 (25) Ứng dụng thực tiễn điều khiển đại Đa số các hãng sản xuất thiết bị điều khiển (Siemens, Omron, Autonics, Schneider, Precision Digital ) có dòng sản phẩm điều khiển tự Digital, ) chỉnh (Auto-tuning controller), ứng dụng điều khiển nhiệt hiệt độ độ, tố tốc độ độ động cơ, điề điều khiể khiển quá á ttrình,… ì h Các phần mềm DCS (Distributed Control System) cao cấp ấ có ó chức ứ điều ề khiển ể thích í nghi PCS7 (Siemens) Delta V (Emerson) Điều khiển tối ưu: tàu vũ trụ, quá trình chưng cất Điều khiển bền vững: điều khiển quá trình 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 25 (26) Ứng dụng thực tiễn điều khiển đại 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 26 (27) Ứng dụng thực tiễn điều khiển đại 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 27 (28) Giới thiệu nội dung môn học Nội dung môn học đề cập các phương pháp thiết kế điều khiển cho hệ thống động nhằm đảm bảo độ dự trữ ổn định và chất lượng tối ưu điều kiện ràng buộc chế độ làm việc Ứng Ứ dụng LTĐK phi tuyến, ế điều ề khiển ể tối ố ưu, điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững thiết kế và thực các điều khiển cho hệ thống động động Môn học trình bày nội dung về: Điều khiển phi tuyến Điều khiển tối ưu Điều khiển thích nghi Điều khiển bền vững Lý thuyết chuyên sâu hơn: chương trình Cao học 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 28 (29) Các môn học liên quan Các môn học trước: Toán cao cấp (Đại số tuyến tính, Phương trình vi phân Phương pháp tính,…) phân, tính ) Cơ sở điều khiển tự động Các Cá môn ô học h chuyên h ê sâu â tiếp tiế theo th (cao ( h ) học): Điều khiển phi tuyến Điều ề khiển ể đa biến ế Điều khiển tối ưu và bền vững Điều ề khiển ể thích nghi 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 29 (30) Chuẩn đầu Sau hoàn tất môn học học, sinh viên có thể: Phân tích và thiết kế HTĐK phi tuyến dùng phương pháp hàm mô tả, lý thuyết ổn định Lyapunov Thiết kế ĐK hồi tiếp tuyến tính hóa và điều khiển trượt Hiểu biết các phương pháp điều khiển tối ưu; Thiết kế hiệ điều điề khiể khiển ttoàn à phương h ttuyến ế tí tính h Hiểu biết khái niệm điều khiển thích nghi và các sơ đồ điều khiển thích nghi Thiết kế điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu, điều khiển tự chỉnh định, điều khiển hoạch định độ lợi Hiểu biết khái niệm điều khiển bền vững Thiết kế điều khiển bền vững LQG, H2, H 15 January 2014 © H T Hoàng - HCMUT 30 (31)