Nghiên cứu điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU TRẦN THỊ THANH THẢO THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU Ngành Mã số Học viên Người hướng dẫn khoa học :TỰ ĐỘNG HOÁ :TRẦN THỊ THANH THẢO :TS NGUYỄN DUY CƯƠNG THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU Học viên: Trần Thị Thanh Thảo Lớp: TĐH- K11 Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: TS Nguyễn Duy Cương Ngày giao đề tài: 01/01/2010 Ngày hoàn thành: 30/7/2010 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Duy Cương BAN GIÁM HIỆU Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HỌC VIÊN Trần Thị Thanh Thảo KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Bộ điều khiển PID giải pháp hiệu cho hầu hết nhiều ứng dụng điều khiển công nghiệp thường lựa chọn cho việc thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PID kết hợp với mạch vòng phản hồi dùng để thay đổi tín hiệu điều khiển nhằm tác động đến đối tượng Với tác động tỷ lệ, tác động tích phân tác động vi phân nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển Tuy nhiên, điều khiển tồn vấn đề sau: Vấn đề thứ điều khiển nhạy cảm với nhiễu đo lường Vấn đề thứ hai việc thiết lập hệ số PID cố định đáp ứng với hệ thống với tham số thay đổi Vì vậy, với u cầu chất lượng đặt cao điều khiển nói chung chưa đáp ứng Trong thực tế, nhà điều khiển mong muốn thiết kế điều khiển mà nhạy cảm với nhiễu đo lường thay đổi tham số đối tượng Nhược điểm điều khiển PID truyền thống giải cách áp dụng điều khiển thích nghi Hệ thống điều khiển thích nghi gồm loại: điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) điều khiển tự chỉnh (STR) Đã có nhiều đề tài nghiên cứu điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu nhiên phần lớn nghiên cứu trước đưa phương pháp thiết kế cấu điều khiển mà chưa đưa công thức cụ thể có đưa phức tạp, khó thực thực tế Vì vậy, việc tìm cơng thức xác, dễ hiểu, dễ thực thi thực tế vấn đề nghiên cứu nhiều người quan tâm Căn vào nhận xét, đánh giá trên, chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu” để làm đề tài nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung luận văn chia thành chương: Chương 1: Tổng quan hệ điều khiển thích nghi Chương 2: Các phương pháp thiết kế điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho lớp đối tượng có hàm truyền bậc hai Chương 3: Thiết kế điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dựa lý thuyết ổn định LIAPUNOV cho đối tượng có hàm truyền bậc hai Chương 4: Những vấn đề mắc phải thiết kế điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1 Lịch sử phát triển hệ điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi (ĐKTN) đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu thực tế mà hệ điều khiển truyền thống không thoả mãn Trong hệ điều khiển truyền thống, xử lý điều khiển thường dùng mạch phản hồi Vì vậy, chất lượng hệ bị thay đổi có nhiễu tác động tham số hệ thay đổi Trong hệ ĐKTN cấu trúc tham số điều khiển thay đổi chất lượng hệ đảm bảo theo tiêu định Điều khiển thích nghi khởi đầu nhu cầu hồn thiện hệ thống điều khiển máy bay Do đặc điểm q trình điều khiển máy bay có nhiều tham số thay đổi có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trình ổn định quỹ đạo bay, tốc độ bay Ngay từ năm 1958, sở lý thuyết chuyển động Boócman, lý thuyết điều khiển tối ưu… hệ thống điều khiển đại đời Ngay sau đời lý thuyết hồn thiện chưa thực thi số lượng phép tính q lớn mà chưa có khả giải Ngày nay, nhờ phát triển mạnh mẽ cơng nghệ thơng tin, điện tử, máy tính… cho phép giải tốn cách thuận lợi nên hệ thống ĐKTN ứng dụng đáng kể vào thực tế Hệ ĐKTN có mơ hình mẫu MRAC (Model Reference Adaptive Control) Whitaker đề xuất giải vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm 1958 Phương pháp độ nhậy luật MIT dùng để thiết kế luật thích nghi với mục đích đánh giá thơng số khơng biết trước sơ đồ MRAC Thời gian việc điều khiển chuyến bay tồn nhiều hạn chế như: thiếu phương tiện tính tốn, xử lý tín hiệu lý thuyết chưa thật hoàn thiện Đồng thời chuyến bay thí nghiệm bị tai nạn cho việc nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn lý thuyết điều khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỷ 50 đầu năm 1960 Thập kỷ 60 thời kỳ quan trọng việc phát triển lý thuyết tự động, đặc biệt lý thuyết ĐKTN Kỹ thuật không gian trạng thái lý thuyết ổn định dựa theo luật Liapunov phát triển Một loạt thuyết như: Điều khiển đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông số … đời cho phép tiếp tục (nghiên cứu lại) phát triển hoàn thiện lý thuyết ĐKTN Vào năm 1966 Park đồng nghiệp tìm phương pháp để tính tốn lại luật thích nghi sử dụng luật MIT ứng dụng vào sơ đồ MRAC năm 50 cách ứng dụng lý thuyết Liapunov Tiến lý thuyết điều khiển năm 50 cho phép nâng cao hiểu biết ĐKTN đóng góp nhiều vào đổi lĩnh vực Những năm 70 nhờ phát triển kỹ thuật điện tử máy tính tạo khả ứng dụng lý thuyết vào điều khiển hệ thống phức tạp thức tế Tuy nhiên thành cơng thập kỷ 70 cịn gây nhiều tranh luận ứng dụng ĐKTN Đầu năm 1979 người ta sơ đồ MRAC thập kỷ 70 dễ ổn định nhiễu tác động Tính bền vững ĐKTN trở thành mục tiêu tập trung nghiên cứu nhà khoa học vào năm 1980 Khi người ta xuất nhiều tài liệu độ không ổn định khâu động học khơng mơ hình hố nhiễu tác động vào hệ thống Những năm 80 nhiều thiết kế cải tiến, dẫn đến đời lý thuyết ĐKTN bền vững Một hệ ĐKTN gọi bền vững đảm bảo chất lượng cho lớp đối tượng có đối tượng xét Nội dung toán bễn vững ĐKTN điều khiển đối tượng có thơng số khơng biết trước biến đổi theo thời gian Cuối thập kỷ 80 có cơng trình nghiên cứu hệ thống ĐKTN bền vững, đặc biệt MRAC cho đối tượng có thơng số biến thiên theo thời gian Các nghiên cứu năm 90 đến tập trung vào đánh giá kết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nghiên cứu năm 80 nghiên cứu lớp đối tượng phi tuyến có tham số bất định Những cố gắng đưa lớp sơ đồ MRAC xuất phát từ lý thuyết hệ thống phi tuyến 1.2 Khái quát hệ điều khiển thích nghi Trong luận văn vài dạng hệ thống thích nghi mơ hình tham chiếu bàn tới Chúng ta bắt đầu với phương pháp trực quan, phương pháp ý tưởng phản hồi giúp tìm thuật tốn cho việc chỉnh định tham số Ta thấy phát sinh hai câu hỏi : Đầu tiên có cách để tìm tín hiệu phù hợp mà chỉnh định tham số thời điểm thích hợp ; Điều thứ hai làm cách đảm bảo ổn định cho hệ thống thích nghi mà thân vốn phi tuyến đa dạng có mặt hệ thống Cái nhìn rõ nét câu hỏi đạt việc xem xét phương pháp mơ hình độ nhậy Trạng thái ổn định đảm bảo việc sử dụng lý thuyết ổn định Liapunov cho việc thiết kế hệ thống thích nghi * Mục đích việc nghiên cứu Sau hồn tất điều vừa lưu ý dự kiến ta biết được: + Những tín hiệu phù hợp đóng vai trị hệ thống thích nghi + Bằng cách mà hệ thống thích nghi thiết kế dựa phương pháp độ nhậy + Bằng cách mà hệ thống thích nghi thiết kế dựa phương pháp (trạng thái ổn định) Liapunov * Giới thiệu: Có vài cấu trúc mà đưa hệ thống điều khiển có khả phản ứng với biến đổi tham số thân phản ứng với biến đổi đặc tính nhiễu (hệ thống) Một hệ thống phản hồi thơng thường có mục đích giảm nhỏ nhạy cảm loại thay đổi Tuy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nhiên, biến đổi chí với hệ thống có phản hồi mà hệ số khuếch đại tốt không thỏa mãn Lúc cấu trúc điều khiển phức tạp cần đến tính chất thích nghi chắn phải đưa vào (giới thiệu) Một hệ thống thích nghi định nghĩa sau “Một hệ thống thích nghi hệ thống mà thân bổ sung vào cấu trúc (phản hồi) bản, kết đo xác đưa vào để bù lại cách tự động thay đổi điều kiện hoạt động, với thay đổi trình động học, với biến đổi nhiễu hệ thống, nhằm để trì trình thực tối ưu cho hệ thống” Nhiều định nghĩa khác đưa lĩnh vực điều khiển Hầu hết số miêu tả vài phân loại tiêu biểu hệ thống thích nghi Định nghĩa đưa giả sử chuẩn cấu trúc phản hồi thông thường cho phản ứng thay đổi nhiễu (hệ thống) tham số Cấp thứ hai cấu thích nghi hiệu chỉnh hệ số khuyếch đại điều khiển gốc, thay đổi cấu trúc thân cấu thích nghi tạo tín hiệu bổ sung v.v Trong hệ thống thích nghi, việc thiết lập chỉnh định người sử dụng cấp thứ * Lịch trình hệ số, dạng chuyển đổi Theo định nghĩa trình biến đổi tự động từ chế độ làm việc tới chế độ làm việc khác xem xét tính chất (đặc điểm) thích nghi Dùng kiến thức ảnh hưởng biến tác động đến hành vi hệ thống hiểu đặc điểm thích nghi Loại thích nghi thực theo hai cách khác nhau: cách đo nhiễu tạo tín hiệu để bù lại cho chúng (điều khiển feedforward) Hoặc hiệu chỉnh hệ số điều khiển phản hồi theo lịch trình lập sẵn dựa hiểu biết ảnh hưởng thay đổi tham số hệ thống (lịch trình hệ số) Khả khác sử dụng ngân hàng điều khiển chọn điều khiển tốt gần tương tự Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn với phương pháp lịch trình hệ số Cách làm gọi mơ hình chuyển mạch Sự thay đổi có dựa ý tưởng phương pháp mơ hình đa chiều Các kết đầu mơ hình mẫu so sánh với đầu đối tượng để đưa vào điều khiển Bộ điều khiển thiết kế cài đặt dựa mô hình mẫu đầu mơ hình có giống với đầu đối tượng Trong thực tế khơng thể áp dụng “lịch trình hệ số” áp dụng điều khiển feedforward cho nhiều thay đổi khác Một vài loại hệ thống thích nghi, theo nghĩa hẹp hơn, phát triển Nó cho phép hệ thống tối ưu hố mà khơng cần hiểu biết nguyên nhân sinh biến đổi q trình động học Thơng thường, khái niệm điều khiển thích nghi bị hạn chế loại hệ thống thích nghi Khơng có phân biệt rõ điều khiển thích nghi điều khiển học Khái niệm điều khiển học thường dùng cho nhiều hệ thống phức tạp hơn, nơi nhiều nhớ phức tạp có vấn đề giải điều khiển tiêu chuẩn, dựa hàm truyền, chúng cần dạng khác biểu diễn hiểu biết Ví dụ giống cấu trúc hệ thống mạng nơron, điều ghi luận văn nói loại điều khiển thích nghi đặc biệt, biết đến điều khiển thích nghi theo mơ hình tham chiếu Hệ thống điều khiển thích nghi phân loại theo vài cách khác Một khả tạo phân biệt chúng là: Điều khiển thích nghi trực tiếp điều khiển thích nghi gián tiếp + Hệ thống với chỉnh định trực tiếp tham số điều khiển mà không nhận dạng rõ tham số đối tượng (điều khiển thích nghi trực tiếp) + Hệ thống với điều chỉnh gián tiếp tham số điều khiển với việc nhận dạng rõ tham số đối tượng (điều khiển thích nghi gián tiếp) Hệ thống điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu, hầu hết gọi MRAC hay MRAS, chủ yếu áp dụng điều khiển thích nghi trực tiếp Tuy nhiên, Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... khiển thích nghi gồm loại: điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) điều khiển tự chỉnh (STR) Đã có nhiều đề tài nghi? ?n cứu điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu nhiên phần lớn nghi? ?n cứu. .. điều khiển thích nghi Chương 2: Các phương pháp thiết kế điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho lớp đối tượng có hàm truyền bậc hai Chương 3: Thiết kế điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu. .. điều khiển thích nghi theo mơ hình tham chiếu Hệ thống điều khiển thích nghi phân loại theo vài cách khác Một khả tạo phân biệt chúng là: Điều khiển thích nghi trực tiếp điều khiển thích nghi