2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1 Tổng quan về điều khiển tối ƣu bền vững
Thiết kế nắn dạng vòng H đƣợc phát triển bởi McFarlane và Glover từ năm 1992 [8]. Nó kết hợp khái niệm về hiệu chỉnh (hay nắn dạng vòng) trong lý thuyết điều khiển kinh điển và lý thuyết điều khiển bền vững H . Do đó, bộ điều khiển thu đƣợc nhờ phƣơng pháp này sẽ đảm bảo cả điều kiện ổn định bền vững và khả năng bám (theo dõi) đối tƣợng tốt. Trong phƣơng pháp này,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 21 http://www.lrc.tnu.edu.vn/
sự bất định (không ổn định) của hệ đƣợc mô hình hoá là sự bất định về cấu trúc bằng cách sử dụng phân tích coprime chuẩn bất định. Trong dạng gốc của phƣơng pháp này, bộ điều khiển đƣợc tính toán nhờ giải 2 phƣơng trình Ricati. Nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp này là bộ điều khiển thƣờng có bậc cao.
Trong nghiên cứu năm 1996, Ballois and Duc [1] đề xuất một phƣơng pháp để thiết kế một bộ điều khiển bậc thấp sử dụng nắn dạng vòng H đề điều khiển trục của một vệ tinh. Trong phƣơng pháp đó, đầu tiên họ sử dụng thủ tục nắn dạng vòng H để thiết kế bộ điều khiển bậc cao, sau đó họ sử dụng phƣơng pháp cắt ngắn cân bằng để giảm bậc bộ điều khiển. Cuối cùng, phƣơng pháp - phân tích đƣợc sử dụng để xác định tính bền vững của hệ kín.
Reinelt [12] áp dụng điều khiển nắn dạng vòng H đề điều khiển cho hệ đa biến với những hạn chế về đầu vào điều khiển. Bởi vì trong thực tế, hầu hết các vấn đề điều khiển đƣợc chi phối bởi giới hạn cứng trên cơ cấu chấp hành (thiết bị truyền động - bộ phận truyền động). Tuy nhiên phƣơng pháp của Reinelt chỉ đảm bảo ổn định tốt cho các hệ thống chuẩn (hệ thống danh định) mà không có bất kỳ nhiễu (âm) nào.
Nghiên cứu của Son và các đồng tác giả [13] đã sử dụng điều khiển nắn dạng vòng H đề điều khiển tốc độ động cơ diesel. Phƣơng pháp cắt ngắn cân bằng cũng đƣợc sử dụng đề giảm bậc bộ điều khiển từ bậc 4 xuống bậc 2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu suất tốt của bộ điều khiển khi đƣợc sử dụng trên xe.
Trong nghiên cứu của Chu và các đồng tác giả [4] đã áp dụng kỹ thuật nắn dạng vòng H để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát dao động đốt cháy. Đầu tiên, nhóm tác giả giới thiệu hệ thống nhƣ là một mô hình phi tuyến với nhiều khoảng thời gian trễ, và xấp xỉ nó thành một mô hình tuyến tính 32 bậc. Phƣơng pháp điều khiển nắn dạng vòng H đƣợc áp dụng để thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 22 http://www.lrc.tnu.edu.vn/
kế bộ điều khiển bằng cách lựa chọn W2 = I và W1 là bộ bù trƣớc bậc 4. Bộ điều khiển K thu đƣợc có bậc 36, áp dụng giảm bậc theo phƣơng pháp cắt ngắn cân bằng thì giảm bậc bộ điều khiển về đƣợc bậc 15. Bộ điều khiển tống thể K có bậc 19. Để kiểm tra tính bền vững của bộ điều khiển các tác giả đã sử dụng các giá trị suy biến (đƣợc gọi là phân tích ).
Trong các nghiên cứu về nắn dạng vòng H đề cập ở trên, thuật toán giảm bậc cắt ngắn cân bằng thƣờng đƣợc sử dụng để giảm bậc bộ điều khiển K đủ bậc. Đây là phƣơng pháp giảm bậc gián tiếp bộ điều khiển. Kaitwanidvilai và Parnichkun [6] đã đề xuất một phƣơng pháp tiếp cận trực tiếp để thiết kế bộ điều khiển nắn dạng vòng H bậc thấp sử dụng thuật toán di truyền (GA). Trong nghiên cứu của họ, đầu tiên bộ điều khiển cấu trúc cố định đƣợc xây dựng, sau đó thuật toán GA đƣợc sử dụng để tìm kiếm các thông số của bộ điều khiển đã đƣợc xây dựng trƣớc đó sao cho các thông số thoả mãn điều kiện thu đƣợc chuẩn H cực tiểu theo thủ tục thiết kế nắn dạng vòng H . Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát vị trí của một xi lanh khí nén. Họ đã cố gắng cố định cấu trúc bộ điều khiển ở dạng PI và PID. Trong các thí nghiệm, các bộ điều khiển đã đề xuất có hiệu suất (chất lƣợng) bền vững tốt.
Điều khiển nắn dạng vòng H đƣợc áp dụng cho một hệ thống điều khiển bay đã đƣợc thể hiện trong nghiên cứu của Prempain và Postlethwaite [11]. Trong nghiên cứu của họ, một bộ điều khiển hiệu suất cao đƣợc thiết kế dựa trên điều khiển nắn dạng vòng H sử dụng kỹ thuật tối ƣu hoá bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMI). Hiệu suất rất tốt đạt đƣợc cả trong cả mô phỏng và thực nghiệm. Tuy nhiên, cách tiếp cận của họ không đảm bảo tìm đƣợc bộ điều khiển cho hệ thống bất kỳ và bậc của bộ điều khiển vẫn còn cao. Jayender và các đồng tác giả [5] đề xuất một ứng dụng sử dụng điều khiển nắn dạng vòng cho thiết bị chấp hành (truyền động) sử dụng hợp kim nhớ hình. Các thiết bị truyền động SMA là đối tƣợng phi tuyến, do đó các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 23 http://www.lrc.tnu.edu.vn/
phƣơng pháp tiếp cận cổ điển nhƣ điều khiển PID và LQR cho kết quả không tốt. Trong nghiên cứu của họ, các mô phỏng máy tính cũng nhƣ các thí nghiệm sử dụng một máy tính 700 MHz chạy trên nền Window với tần số lấy mẫu là 100Hz. Tuy nhiên, chi tiết của việc thiết kế và phân tích đã không đƣợc thể hiện trong nghiên cứu.
Trong một ứng dụng để điều khiển bánh đà tốc độ cao, Lanzon và Tsiotras [7] đề xuất một sự kết hợp giữa điều khiển nắn dạng vòng H và tổng hợp- để thiết kế bộ điều khiển cho bánh đà năng lƣợng (EMWs) đƣợc đặt trên vòng bi từ chủ động (AMBS). Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật này sẽ đảm bảo sự bền vững của hệ thống khi hệ thống có cả sự không chắc chắn về cấu trúc và không chắc về tham số (cấu trúc). Đề giảm bậc bộ điều khiển cuối cùng, một phƣơng pháp giảm bậc bộ điều khiển dựa trên không gian trạng thái đƣợc đề xuất trong nghiên cứu này. Các kết quả của nghiên cứu đƣợc đƣa ra thông qua mô phỏng và thí nghiệm.
Điều khiển nắn dạng vòng H cũng đƣợc áp dụng trong hệ thống điện. Trong nghiên cứu của Patra và các đồng tác giả [9] một bộ điều khiển bền vững tần số tải đƣợc phát triển sử dụng kỹ thuật nắn dạng vòng H . Tuy nhiên trong nghiên cứu này, bậc của bộ điều khiển thu đƣợc rất cao. Trong một nghiên cứu gần đây, Patra [10] đề xuất một kỹ thuật khác để thiết kế bộ điều khiển nắn dạng vòng H sử dụng một tập các bất đẳng thức ma trận ghép đôi. Kỹ thuật này đơn giản hơn so với thuật toán gốc đƣợc đề xuất bởi McFarlane và Glover nhƣ trong [8].
Yubai và các đồng tác giả [3] cũng đề xuất một phƣơng pháp để thiết kế một bộ điều khiển cho một con lắc ngƣợc bằng cách kết hợp giữa quy trình khuyếch đại và kỹ thuật nắn dạng vòng H . Phƣơng pháp của họ là thiết kế cả trọng lƣợng và bộ điều khiển nhằm tối đa hóa sự ổn định bền vững tại mỗi điểm vận hành theo phƣơng pháp khuyếch đại. Các thí nghiệm cho thấy độ bền vững tốt và đáp ứng nhanh của hệ thống điều khiển con lắc ngƣợc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 24 http://www.lrc.tnu.edu.vn/