Thiết kế bộ điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến

Thiết kế bộ điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến Thiết kế bộ điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến Thiết kế bộ điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG NGỌC TOÀN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI PHI TUYẾN CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hà Nội, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG NGỌC TOÀN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI PHI TUYẾN CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS PHAN XUÂN MINH Hà Nội, 2010 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC 1.1 Tổng quan 1.2 Phân tích hệ phi tuyến cơng cụ hình học vi phân 10 1.2.1 Bậc tương đối hệ SISO vec tơ bậc tương đối hệ MIMO 10 1.2.2 Phép đổi biến chuyển hệ phi tuyến affine dạng cascade hai hệ 14 1.2.3 Phép đổi biến đưa hệ dạng chuẩn 16 1.2.4 Phân tích tính động học không khái niệm hệ pha cực tiểu 19 1.3 Điều khiển thích nghi hệ có tín hiệu vào sở tuyến tính hóa xác 21 1.3.1 Điều khiển thích nghi trạng thái điều khiển bù tham số bất định26 1.3.2 Điều khiển thích nghi tách nhiễu hệ thống 28 1.3.3 Điều khiển thích nghi trạng thái điều khiển bù nhiễu 31 1.3.4 Quan sát nhiễu hệ thống nhờ mơ hình mẫu 34 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỐI ƯU LIÊN TỤC 37 2.1 Điều khiển dự báo liên tục GPC 37 2.1.1 Giới thiệu 37 2.1.2 Xây dựng luật điều khiển 37 2.2 Điều khiển dự báo liên tục NGPC cho đối tượng phi tuyến 41 2.2.1 Tổng quan 41 2.2.2 Xây dựng thuật toán 43 2.2.4 Sự ổn định hệ kín 49 2.2.5 Ví dụ điều khiển dự báo tên lửa 54 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI PHI TUYẾN CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN 56 3.1 Tổng quan 56 3.2 Nhìn nhận lại thuật tốn điều khiển dự báo phi tuyến liên tục 56 3.3 Thiết kế điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến tối ưu 57 3.4 Ứng dụng điều khiển vào phương trình Van der Pol 65 3.4.1 Xây dựng thuật toán 66 3.4.2 Sơ đồ mô Simulink 67 3.4.3 Kết mô 67 CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI PHI TUYẾN VÀO ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG MỨC-LƯU LƯỢNG 68 4.1 Mơ hình tốn học đối tượng 68 4.2 Các bước thiết kế điều khiển 68 4.3 Sơ đồ mô Simulink 71 4.4 Kết mô 72 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 77 5.1 Kết luận 77 5.2 Hướng phát triển đề tài 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa khác cơng bố cơng trình khoa học trước Tác giả luận văn Đặng Ngọc Toàn DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ALI : Analytic –Linear Inputs ARIMA : AutoRegressive Integrated Moving Average CLF : Control Lyapunov Function DMC : Dynamic Matrix Control GPC : Generalised Predictive Control HJB : Halmition-Jacobi-Bellman LQG : Linear Quadratic Gaussian MAC : Model Algorithmic Control MIMO : Multi Inputs Multi Ouputs MISO : Multi Inputs Multi Ouput MPC Model Predictive Control : MRAC : Model Reference Adaptive Control NGPC : Nonlinear Generalised Predictive Control PDEs : Partial Differential Equations PFC : Predictive Functional Control SISO : Single Input Single Output STR : Self Tuning Regulator DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Sự ổn định điều khiển NGPC tối ưu 51 Bảng Mối quan hệ tiêu theo miền thời gian với bậc tương đối r, thời gian dự báo T 52 DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phương pháp tuyến tính hóa xác phát triển tới đỉnh điểm phương pháp chiếu Hình 1.2 Xem hệ MIMO hệ MISO nối song song với 13 Hình 1.3 Biểu diễn hệ phi tuyến khơng bị kích thích dạng Cascade từ hai hệ 15 Hình 1.4 Điều khiển tuyến tính hóa xác đối tượng SISO 24 Hình 1.5 Điều khiển tuyến tính hóa xác thích nghi nhờ cấu bù nhiễu 34 Hình 2.1.Sơ đồ khối điều khiển GPC 41 Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển dự báo tối ưu 53 Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến 58 Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển Matlab-Simulink 67 Hình 3.3 Quỹ đạo mẫu đối tượng với điều khiển thích nghi dự báo 67 Hình 4.1 Sơ đồ mơ điều khiển đối tượng mức- lưu lượng MatlabSimulink 72 Hình 4.2 Lưu lượng nước khỏi binh tín hiệu mẫu 72 Hình 4.3 Lưu lượng chất lỏng bình 73 Hình 4.4 Sai lệch e(t) tín hiệu mẫu lưu lượng chất lỏng khỏi bình 73 Hình 4.5 Tín hiệu điều khiển u 73 Hình 4.6 Tham số bất định theta (θ ) 74 Hình 4.7 Sai lệch bám với chu kì T khác 74 Hình 4.8 Tín hiệu điều khiển u với chu kỳ T khác 75 Hình 4.9 Sai lệch bám với bậc điều khiển khác 75 Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển u với bậc điều khiển khác 76 LỜI CẢM ƠN Với cố gắng thân với hướng dẫn nhiệt tình PSG.TS Phan Xuân Minh thầy cô Bộ Mơn Điều Khiển Tự Động, đề tài hồn thành tiến độ Vì vậy, lời cảm ơn muốn gửi đến PSG.TS Phan Xuân Minh thầy cô Bộ Môn Điều Khiển Tự Động Tiếp theo muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp người ln ủng hộ, khuyến khích tơi Khơng có bạn có lẽ tơi khơng hồn thành luận văn tiến độ Tôi mong tiếp tục nhận giúp đỡ, đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện sớm triển khai áp dụng thực tiễn MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, công nghiệp ngày phát triển có bước nhảy vọt kỹ thuật, việc nghiên cứu thiết kế phương pháp điều khiển trở nên cấp bách mang tính thời Trong việc nghiên cứu thiết kế điều khiển để ổn định hệ phi tuyến vấn đề đáng quan tâm Hiện nay, hệ phi tuyến bổ sung thêm nhiều phương pháp hữu ích : Gain-scheduling, điểm cực phi tuyến đặt trước, bù tham số bất định, đa tạp trung tâm, NGPC…Điều làm cho mặt lí thuyết điều khiển phi tuyến thay đổi Sự tiến to lớn điều khiển phi tuyến cần phải ứng dụng nhanh chóng vào thực tiễn cơng nghiệp việt nam Trên sở đó, với đồng ý PGS.TS Phan Xuân Minh-giáo viên hướng dẫn-tôi nghiên cứu đề tài: Thiết kế điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến Luận văn bố cục gồm chương: • Chương Tổng quan hệ phi tuyến • Chương Tổng quan điều khiển dự báo liên tục tuyến tính phi tuyến Chương Xây dựng điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến dựa phương pháp điều khiển NGPC tuyến tính hóa xác điều khiển bù tham số bất định • Chương Ứng dụng thuật tốn vào điều khiển đối tượng mức-lưu lượng • Chương Kết luận tính đắn phương pháp, sở nêu lên hướng phát triển tương lai 3.4.1 Xây dựng thuật tốn Đối tượng có bậc tương đối 2,chọn thời gian dự báo 𝑇𝑇 = 0,2384(s), bậc điều khiển 𝑟𝑟 = 1, bậc khai triển Taylor 𝑛𝑛 = 𝑝𝑝 + 𝑟𝑟 = Trọng số điều khiển 𝐾𝐾′ tính sau: Vec tơ khai triển Taylor 𝑇𝑇: 𝑇𝑇 = [1 𝑇𝑇 𝑇𝑇 𝑇𝑇, 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 , 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 ⎡ 𝑇𝑇 ⎤ ⎢ 2⎥ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 = ⎢𝑇𝑇 ⎥; ⎢𝑇𝑇3 ⎥ ⎣ 3! ⎦ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 = �𝑇𝑇3!4 4! 𝑇𝑇 4.2 �; 𝑇𝑇 5.3! 𝑇𝑇 𝑇𝑇 3! ] Ta tính véc tơ chuyển vị 𝑇𝑇 𝑇𝑇 , ma trận ⎡ 𝑇𝑇 ⎢ 𝑇𝑇2 ⎢ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 = ∫0 𝑇𝑇(𝜏𝜏)𝑇𝑇 𝑇𝑇(𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = ⎢𝑇𝑇23 ⎢ 3! ⎢𝑇𝑇4 ⎣ 4! 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 = � 5.2.2 𝑇𝑇 6.2.3! 15 Từ đây, xác định véc tơ 𝐾𝐾 ′ = �𝑇𝑇2 Bộ điều khiển dự báo phi tuyến tối ưu: Giả thiết: 𝑇𝑇 6.2.3! �; 𝑇𝑇 7.3!.3! 16 𝑇𝑇 � = [264,6 𝑇𝑇 𝑇𝑇 3! 𝑇𝑇 4.2 𝑇𝑇 𝑇𝑇 4.2 𝑇𝑇 5.3! 3! 𝑇𝑇 5.2.2 𝑇𝑇 6.2.3! 𝑇𝑇 ⎤ ⎥ 5.3! ⎥ 𝑇𝑇 ⎥ 6.2.3! ⎥ 𝑇𝑇 ⎥ 7.3!.3!⎦ 4! 𝑇𝑇 15 −1 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 = �𝑇𝑇2 25,2] 𝑥𝑥22 𝑒𝑒 𝑥𝑥1 − 𝜃𝜃 (𝑒𝑒 𝑥𝑥1 + 1)(1,2𝑥𝑥1 + 10𝑥𝑥2 − 𝑥𝑥23 ) + 𝑣𝑣 𝑢𝑢 = − −(𝑒𝑒 𝑥𝑥1 + 1) 𝑣𝑣 = 264,6(𝑦𝑦 − 𝑤𝑤 ) + 25,2(𝑦𝑦̇ − 𝑤𝑤̇) − 𝑤𝑤̈ �𝜃𝜃 = 𝑛𝑛ế𝑒𝑒𝑒𝑒 ≤ 𝑡𝑡 ≤ 𝜃𝜃 = 50 𝑛𝑛ế𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑡𝑡 > 16 𝑇𝑇 � (3.57) (3.58) Mơ hình mẫu có dạng sau: � 𝑧𝑧𝑚𝑚 + � � 𝑟𝑟 𝑧𝑧̇𝑚𝑚 = � −2 −3 𝑇𝑇 Trạng thái ban đầu: 𝑥𝑥0 = [0 1] Tín hiệu đầu vào chủ đạo: 𝑟𝑟(𝑡𝑡 ) = 15 sin(5𝑡𝑡 ) + 22 cos(3,2𝑡𝑡 ) 66 (3.59) Ma trận trọng số: Γ = 0,002𝐼𝐼 Tham số ước lượng ban đầu: θ(0) = −0,3 3.4.2 Sơ đồ mô Simulink y z Coordinate trasformation of the plant output z d v f(u) Clock r (t) r (t) r (t) v zm zm u Linearization Calculate Zm Scope2 u z y theta Control law Plant 2x1 theta Calculate theta Scope Calculate xoan z theta xi a xi Scope3 zm Terminator Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển Matlab-Simulink 3.4.3 Kết mô z zm -2 -4 12 10 thoi gian t(s) 14 16 18 20 Hình 3.3 Quỹ đạo mẫu đối tượng với điều khiển thích nghi dự báo Nhận xét Từ hình vẽ ta thấy điều khiển đáp ứng yêu cầu đưa Thời gian thiết lập sau khoảng thời gian 7(s) Tín hiệu đầu bám theo tín hiệu mơ hình mẫu Độ q điều chỉnh thỏa mãn yêu cầu 67 CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI PHI TUYẾN VÀO ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG MỨC-LƯU LƯỢNG 4.1 Mơ hình tốn học đối tượng Hệ thống sau tạo Karjala Himmelblau bao gồm mơ hình động với đầu mức chất lỏng rời khỏi bình, thiết bị chấp hành van tỷ lệ: ⎧ 𝑥𝑥̇ = Trong đó: Đặt: 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝐿𝐿 𝑥𝑥2 − 𝐾𝐾𝑓𝑓 𝑥𝑥 𝜌𝜌𝐴𝐴2𝑝𝑝 (4.1) ⎨ 𝑥𝑥̇ = − 𝐴𝐴𝑡𝑡 𝑥𝑥1 + 𝑢𝑢 ⎩ 𝑦𝑦 = 𝑥𝑥1 𝑥𝑥1 : Lưu lượng chất lỏng rời khỏi bình 𝑥𝑥2 : Mức chất lỏng bình 𝑔𝑔: Gia tốc trọng trường 𝐿𝐿: Chiều dài đường ống 𝐾𝐾𝑓𝑓 : Hệ số ma sát 𝜌𝜌: Mật độ chất lỏng 𝐴𝐴𝑝𝑝 : Diện tích mặt cắt ngang ống 𝐴𝐴𝑡𝑡 : Diện tích mặt cắt ngang bình 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝑓𝑓 = � Đặt tham số chưa biết 𝐾𝐾𝑓𝑓 𝜃𝜃 𝐿𝐿 𝑥𝑥2 − − 𝐾𝐾𝑓𝑓 𝑥𝑥 𝜌𝜌𝐴𝐴2𝑝𝑝 𝑥𝑥 𝐴𝐴𝑡𝑡 �; 𝑔𝑔 = � �; ℎ = 𝑥𝑥1 4.2 Các bước thiết kế điều khiển Bước Thiết kế điều khiển dự báo phi tuyến tối ưu a Xác định bậc tương đối 𝑝𝑝 đối tượng 68 𝐿𝐿𝑔𝑔 ℎ = 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ = 𝜕𝜕ℎ 𝑓𝑓 = [1 𝜕𝜕𝑥𝑥 𝐿𝐿𝑔𝑔 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ = 𝜕𝜕𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ 𝜕𝜕𝑥𝑥 𝜕𝜕ℎ 𝑔𝑔 = [1 𝜕𝜕𝑥𝑥 0] � � = 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝜃𝜃 ⎡ 𝑥𝑥2 − 𝑥𝑥12 ⎤ 𝜃𝜃 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 ⎥ 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 ⎢ 𝐿𝐿 = 𝑥𝑥2 − 𝑥𝑥12 0] ⎢ ⎥ 𝐿𝐿 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 ⎢ ⎥ − 𝑥𝑥1 ⎣ ⎦ 𝐴𝐴𝑡𝑡 𝑔𝑔 = �− 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 �� � = ≠0 𝐿𝐿 𝐿𝐿 𝜃𝜃 2𝑥𝑥 𝜌𝜌𝐴𝐴2𝑝𝑝 Vậy bậc tương đối đối tượng 𝑝𝑝= 2, chọn 𝑟𝑟 = Bậc đầu đối tượng 𝑛𝑛 = 𝑝𝑝 + 𝑟𝑟 = −1 𝑇𝑇 b Xác định 𝐾𝐾′ véc tơ gồm cột đầu ma trận 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 Vec tơ khai triển Taylor 𝑇𝑇: 𝑇𝑇 = [1 𝑇𝑇 𝑇𝑇 𝑇𝑇, 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 , 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 ⎡ 𝑇𝑇 ⎤ ⎢ 2⎥ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 = ⎢𝑇𝑇 ⎥; ⎢𝑇𝑇3 ⎥ ⎣ 3! ⎦ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 = �𝑇𝑇3!4 4! 3! ] Ta tính véc tơ chuyển vị 𝑇𝑇 𝑇𝑇 , ma trận ⎡ 𝑇𝑇 ⎢ 𝑇𝑇2 ⎢ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 = ∫0 𝑇𝑇(𝜏𝜏)𝑇𝑇 𝑇𝑇(𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = ⎢𝑇𝑇23 ⎢ 3! ⎢𝑇𝑇4 ⎣ 4! 𝑇𝑇 𝑇𝑇 4.2 �; 𝑇𝑇 5.3! 𝑇𝑇 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 = � 5.2.2 𝑇𝑇 𝑇𝑇 6.2.3! 15 −1 𝑇𝑇 𝐾𝐾 ′ = 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 = �𝑇𝑇2 6.2.3! �; 𝑇𝑇 7.3!.3! 16 𝑇𝑇 � = [𝑘𝑘1′ 𝑇𝑇 𝑇𝑇 3! 𝑇𝑇 4.2 𝑇𝑇 𝑇𝑇 4.2 𝑇𝑇 5.3! 𝑘𝑘2′ ] Bộ điều khiển dự báo phi tuyến tối ưu 𝑢𝑢 tính sau: 2𝜃𝜃 2𝜃𝜃 𝑥𝑥13 𝐿𝐿 𝑥𝑥1 𝐿𝐿 𝑥𝑥 𝑥𝑥 − + − 𝑣𝑣 2 𝜌𝜌 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝐴𝐴𝑡𝑡 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑣𝑣 = 𝑘𝑘1′ (𝑦𝑦 − 𝑤𝑤) + 𝑘𝑘2′ (𝑦𝑦̇ − 𝑤𝑤)̇ − 𝑤𝑤̈ 69 5.2.2 𝑇𝑇 6.2.3! ⎤ ⎥ 5.3! ⎥ 𝑇𝑇 ⎥ 6.2.3! ⎥ 𝑇𝑇 ⎥ 7.3!.3!⎦ 4! 𝑇𝑇 15 −1 𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑝𝑝𝑝𝑝 = �𝑇𝑇2 c Tính điều khiển dự báo phi tuyến tối ưu 𝑢𝑢 = 𝑢𝑢(𝑥𝑥, 𝑣𝑣) 𝑢𝑢 = 3! 𝑇𝑇 𝑇𝑇 16 𝑇𝑇 � Bước Điều khiển theo mơ hình mẫu điều khiển bù tham số bất định Mơ hình mẫu xây dựng điều khiển thích nghi cho đối tượng là: � 𝑧𝑧𝑚𝑚 + � � 𝑟𝑟 −2 −3 Trạng thái ban đầu: 𝑥𝑥0 = [0 1]𝑇𝑇 𝑧𝑧̇𝑚𝑚 = � Tín hiệu đầu vào chủ đạo: 𝑟𝑟(𝑡𝑡 ) = 1(𝑡𝑡 ) + 10.1(5 − 𝑡𝑡) Ma trận trọng số: Γ = 0,01𝐼𝐼 Tham số ước lượng ban đầu: θ(0) = 4,41 � Luật cập nhập tham số: Ns2 m3 � 𝑇𝑇 Δ𝜃𝜃̇ = −𝜃𝜃�̇ = −Γ −1 𝑊𝑊1′ 𝑃𝑃𝜂𝜂 𝑃𝑃 ma trận xác định dương thỏa mãn phương trình Lyapunov: Γ > ma trận trọng số thích nghi và: Xác định ma trận 𝑀𝑀, 𝑊𝑊1 , 𝑊𝑊1′ 𝑇𝑇 𝐴𝐴′𝑛𝑛 𝑃𝑃 + 𝑃𝑃𝐴𝐴′𝑛𝑛 = −𝐼𝐼 𝑊𝑊1′ = 𝑀𝑀𝑊𝑊1 𝑀𝑀 = � 𝑇𝑇 𝐿𝐿𝑓𝑓1 ℎ� � 𝑊𝑊1 = 𝐿𝐿𝑓𝑓1 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ� + 𝐿𝐿𝑔𝑔1 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ�𝑢𝑢� 𝑇𝑇 � 𝐿𝐿𝑓𝑓2 ℎ� 𝐿𝐿𝑓𝑓2 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ� + 𝐿𝐿𝑔𝑔2 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ�𝑢𝑢� � Hàm 𝑓𝑓 tách thành hai hàm con, hàm liên quan không liên quan đến tham số bất định Ở 𝑓𝑓0 hàm liên quan đến tham số bất định 𝜃𝜃; 𝑓𝑓1 , 𝑓𝑓2 hàm không liên quan đến tham số 𝜃𝜃 Tương tự, 𝑔𝑔 chia làm hàm 𝑔𝑔0 hàm liên quan đến tham số bất định 𝑔𝑔1 , 𝑔𝑔2 không liên quan tham số bất định 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 ⎡ 𝑥𝑥2 ⎤ 𝐿𝐿 𝑓𝑓0 = ⎢ ⎥ ; 𝑓𝑓1 = � � ⎢− 𝑥𝑥 ⎥ ⎣ 𝐴𝐴𝑡𝑡 ⎦ 70 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝜃𝜃 𝑥𝑥 𝑓𝑓2 = � 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝2 � ; 𝑔𝑔0 = � � ; 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ� = 𝑥𝑥2 − 𝑥𝑥12 𝐿𝐿 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 − 𝐿𝐿𝑔𝑔 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ� = �− 𝜃𝜃 2𝑥𝑥 𝜌𝜌𝐴𝐴2𝑝𝑝 Ma trận 𝑊𝑊1 : 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 �� � = ; 𝐿𝐿𝑓𝑓2 ℎ� = [1 𝐿𝐿 𝐿𝐿 2𝜃𝜃 𝐿𝐿𝑓𝑓2 𝐿𝐿𝑓𝑓 ℎ� = �− 𝑥𝑥1 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 ⎡0 ⎢ 𝑊𝑊1 = ⎢ ⎢0 ⎣ 1 − 𝑥𝑥12 0] � 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 � = − 𝑥𝑥12 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑔𝑔 − 𝑥𝑥12 2𝜃𝜃 � � 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝2 � = 𝑥𝑥13 𝐿𝐿 𝜌𝜌 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑥𝑥 ⎤ 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑝𝑝2 ⎥ 2𝜃𝜃 ⎥ 𝑥𝑥 ⎥ 𝜌𝜌2 𝐴𝐴𝑝𝑝4 ⎦ − Chúng ta sử dụng mơ máy tính với tham số hệ thống: 𝑔𝑔= 9,81 m/s2, 𝐿𝐿 = 914 m, 𝜌𝜌 = 998 kg/m2, 𝐴𝐴𝑝𝑝 = 0,653 m2, 𝐴𝐴𝑡𝑡 = 10,5 m2 4.3 Sơ đồ mô Simulink Sơ đồ Simulink: 71 z y Phep doi bien vi phoi Scope2 z v r (t) Step zm v y zm u Mo hinh mau Tuyen tinh hoa chinh xac theta y2 Luat dieu khien Step1 Scope4 u Doi tuong 2x1 Scope z theta xi a xi Scope3 zm Theta Co cau chinh dinh Tinh xoan Terminator Hình 4.1 Sơ đồ mơ điều khiển đối tượng mức- lưu lượng MatlabSimulink 4.4 Kết mơ a T=0,234(s) Hình 4.2 Lưu lượng nước khỏi binh tín hiệu mẫu 72 Hình 4.3 Lưu lượng chất lỏng bình Hình 4.4 Sai lệch e(t) tín hiệu mẫu lưu lượng chất lỏng khỏi bình Hình 4.5 Tín hiệu điều khiển u 73 Hình 4.6 Tham số bất định theta (θ ) b Khi thay đổi chu kỳ T bậc điều khiển Hình 4.7 Sai lệch bám với chu kì T khác 74 Hình 4.8 Tín hiệu điều khiển u với chu kỳ T khác Hình 4.9 Sai lệch bám với bậc điều khiển khác 75 Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển u với bậc điều khiển khác Nhận xét: - Kết mô (4.2, , 4.10 ) đáp ứng hệ điều khiển hệ mức-lưu lượng với tính ổn định cao, khơng có q mức thời gian xác lập nhanh ( khoảng 1s ) - Khi thay đổi giá trị đặt lưu lượng chất lỏng khỏi bình, hệ ln bám theo giá trị đặt - Chu kỳ T tăng tín hiệu điều khiển giảm sai lệch tiến chậm - Bậc tương đối r tăng tín hiệu điều khiển độ lớn sai lệch tiến nhanh 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Qua việc nghiên cứu áp dụng thuật toán NGPC kết hợp sử dụng cấu chỉnh định điều khiển đối tượng mức chất lỏng chảy khỏi bình qua van tỉ lệ chứng tỏ tính đắn thuật toán đưa Ý tưởng thuật toán sử dụng phương pháp NGPC để tính tốn điều khiển dự báo phi tuyến tối ưu sau dùng cấu chỉnh định để bù tham số bất định tồn đối tượng NGPC cải tiến GPC, với ý tưởng tính tốn đầu dự báo dựa giá trị đầu đo thông qua khai triển Taylor Sau đó, sử dụng hàm mục tiêu tính tốn sai lệch tín hiệu mẫu đầu dự báo tầm dự báo Tiếp đến, tuyến tính hóa xác đầu kết hợp với hàm mục tiêu để tìm tín hiệu điều khiển tối ưu u Cuối cùng, điều khiển theo mơ hình mẫu điều khiển bù tham số bất định Việc ứng dụng thuật toán vào đối tượng mức thực chương Từ kết mơ máy tính, đáp ứng điều khiển đối tượng mức-lưu lượng đảm bảo điều kiện bám tiệm cận tín hiệu mẫu thay đổi Điều kiện ổn định bền vững đảm bảo sử dụng cấu chỉnh định bù tham số bất định Tuy nhiên q trình nghiên cứu ứng dụng thuật tốn, thời gian có hạn nên thuật tốn tồn số điểm sau : Hạn chế thuật toán: Đối với hệ có bậc tương đối lớn việc tính tốn khó khăn Đặc biệt, sai lệch bậc tương đối bậc điều khiển lớn dẫn đến hệ ổn định 77 Khi mô phỏng, tác giả chưa đưa thuật tốn khác vào để có so sánh trực quan ưu điểm nhược điểm thuật toán so với thuật tốn khác Ngồi ra, tốn điều khiển đối tượng mức, tác giả coi tín hiệu điều khiển u không bị buộc Khi áp dụng vào thực tế gặp khó khăn cấu chấp hành độ mở van bị buộc giá trị khoảng [0, 1]( tương ứng với đóng van mở van hồn tồn ) Điều dẫn đến chất lượng đầu tín hiệu điều khiển u thay đổi Song, phương pháp xây dựng bên cạnh ưu điểm có nhược điểm nó, điều quan trọng mở hướng cho việc xây dựng thuật toán điều khiển kết hợp sở thuật toán đơn lẻ Đây hướng điều khiển học đại Để ứng dụng thuật tốn cho lớp đối tượng cơng nghiệp thỏa mãn điều kiện toán điều khiển đặt ra, tác giả xin đề hướng nghiên cứu sau : 5.2 Hướng phát triển đề tài Nếu thời gian cho phép có điều kiện tiếp tục hồn thiện để cơng trình áp dụng rộng rãi, tác giả xin đề xuất hướng nghiên cứu sau : - Nghiên cứu trường hợp có nhiễu tác động vào đối tượng, đặc biệt tác giả xem xét đến trường hợp mơ hình mẫu phi tuyến -Đối với toán điều khiển đối tượng mức trên, xét trường hợp tín hiệu điều khiển bị buộc - Xây dựng phần mềm thực thuật toán - Đề xuất phương pháp xác định tham số 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Camacho, E.F.,Bordon,C., (1999), “Model Predictive Control”, Springer, London Chen, W-H., Balance,D.J.,Gawthrop P.J, ( 2003 ), “Optimal control of nonlinear systems : A Predictive Control Approach” , Automatica 2003 Chen, W-H., Balance,D.J., Gawthrop P.J, ( 1999 ), “ Nonlinear PID Predictive Controller ”,IEEE Proc,-Control Theory Appl Vool 146.No6,November 1999 Chen, W-H., Balance,D.J., Gawthrop P.J, ( 1999), “ Nonlinear Generalised Predictive Control and Optimal Dynamic Inversion Control”, In : Proceedings of 14th IFAC World Congress, Beijing, China, Vol.E.pp.415-420 Clarke, D.W., Mohtadi, C., Tuffs, P.S., ( 1987 ), Generalized predictive control— Part I The basic algorithm, Pergamon Press, USA Clarke, D.W., Mohtadi, C., Tuffs, P.S., ( 1987 ), Generalized predictive control— Part II Extensions and Interpretations, Pergamon Press, USA Demircoglu, H., Clarke, D.W ( 1992 ), “ CGPC with guaranteed stability properties”, Pro.IEEE, 139(4), pp.371-380 Demircoglu, H., P.J.Gawthrop ( 1991 ), “ Continuous-times generalised Predictive Control”, Automatica, 27(1),pp.371-380 Hoàng Minh Sơn, ( 2005 ), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách Khoa, Hà Nội 10 Hoàng Minh Sơn, (2009), “Bài giảng điều khiển trình nâng cao, chương 4-điều khiển dự báo” 11 Lê Huy Tùng, (2003 ), “Điều khiển trượt thích nghi động cho đối tượng phi tuyến có mơ hình khơng tường minh”, Luận văn thạc sĩ chuyên ngành đo lường hệ thống điều khiển năm 2003 12 Mrabet, M., Fnaiech, F., Al-Haddad,K, “Nonlinear Predictive Adaptive Controllers For Nonlinear Systems” 79 13 Nguyễn Doãn Phước, ( 2005 ), Lý Thuyết Điều Khiển Nâng Cao, NXB KHKT, Hà Nội 14 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, (2004 ), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB KHKT, Hà Nội 15 Nguyễn Doãn Phước, ( 2002 ), Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính,NXB KHKT, Hà Nội 16 Rintamaki, Matti , Koivo, Heikki , Hartiom, Iiro , ( 2004 ), “Application Of The Generalised Predictive in Closed-Loop Power Control of CDMA Cellular Communication Systems”, Norsig 2004, Finland 17 Sadhana, Chidrawar., Balasaheb, Patre., ( 2008 ), “Generalized Predictive Control and Neural Generalized Predictive Control”, Leonardo Journal of Sciences, pp.133-152 18 Siller-Alcala,I (1998), Generalised Predictive Control of Nonlinear Systems Ph.D, Thesis.Glasgow University, Falculty of Engineering, Glasgow 80 ... dựng điều khiển dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến dựa phương pháp điều khiển NGPC tuyến tính hóa xác điều khiển bù tham số bất định • Chương Ứng dụng thuật toán vào điều khiển đối. .. dự báo thích nghi phi tuyến cho đối tượng phi tuyến Luận văn bố cục gồm chương: • Chương Tổng quan hệ phi tuyến • Chương Tổng quan điều khiển dự báo liên tục tuyến tính phi tuyến Chương Xây dựng... ổn định hệ kín 49 2.2.5 Ví dụ điều khiển dự báo tên lửa 54 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI PHI TUYẾN CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN 56 3.1 Tổng quan