Số hóa bởi 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 NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC ĐỘNG. HOÀNG VĂN TÁ THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 Số hóa bởi 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 NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC ĐỘNG. Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ. Học viên: HOÀNG VĂN TÁ. Người hướng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỴ THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 LuËn v¨n Th¹c sü -3- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn đúng theo nội dung đề cƣơng cũng nhƣ nội dung mà cán bộ hƣớng dẫn giao cho. Nội dung luận văn, các phần trích lục các tài liệu hoàn toàn chính xác. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Hoàng Văn Tá LuËn v¨n Th¹c sü -4- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 LỜI NÓI ĐẦU 9 CHƢƠNG MỞ ĐẦU 11 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 14 1.1 Lịch sử phát triển của hệ Điều khiển thích nghi 15 1.2 Các sơ đồ Điều khiển thích nghi 17 1.2.1 ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại 19 1.2.2 Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu 19 1.2.3 Hệ ĐKTN tự chỉnh 20 1.3. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 23 1.3.1 Phƣơng pháp MRAC trực tiếp 23 1.3.2 Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 24 1.4 Những khó khăn của ĐKTN khi đối tƣợng là phi tuyến 27 1.5 Kết luận chƣơng 1 29 CHƢƠNG II. TÍNH BỀN VỮNG CỦA HỆ ĐKTN 31 2.1 Độ bất định của mô hình hệ phi tuyến 32 2.1.1 Sai lệch có cấu trúc 33 2.1.2 Sai lệch không có cấu trúc 34 2.1.3 Mô hình tham số hoá 36 2.2 Điều khiển bền vững hệ phi tuyến 38 2.3 Khả năng mất ổn định của hệ ĐKTN khi đối tƣợng phi tuyến 39 2.3.1 Hiện tƣợng trôi tham số 40 2.3.2 Mất ổn định do hệ số lớn 41 2.3.3 Mất ổn định do tốc độ thích nghi nhanh 42 LuËn v¨n Th¹c sü -5- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4 Điều khiển thích nghi bền vững 42 2.5. Kết luận chƣơng 2 46 CHƢƠNG III. TỔNG HỢP HỆ ĐKTN BỀN VỮNG 47 3.1. Các luật Điều khiển thích nghi bền vững 49 3.1.1 Phƣơng pháp chiếu 50 3.1.2. Phƣơng pháp hiệu chỉnh “Khe hở” 50 3.1.3 Phƣơng pháp “vùng chết” 51 3.2 Hệ MRAC bền vững với các luật thích nghi chuẩn hoá 52 3.3 Kết luận của chƣơng III. 60 CHƢƠNG IV. BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 62 1.1. Chọn đối tƣợng điều khiển 63 4.2 Nhận dạng đối tƣợng điều khiển 67 4.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 71 4.4 Khảo sát kết quả bằng mô phỏng 75 4.5 Kết luận của chƣơng 4. 87 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 LuËn v¨n Th¹c sü -6- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa ĐKTN Điều khiển thích nghi ĐKTNBV Điều khiển thích nghi bền vững APPC Adaptive Pole Placement Control - Điều khiển vị trí thích ứng SISO Single Input – Single Output - Đầu vào đơn - Đầu ra đơn STR Self Tuning Regualator MRAC Model Referance Adaptive Control - Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MIT Massachusetts Institute of Technology - Viện Công nghệ Massachusetts x(t) Véc tơ trạng thái của hệ y(t) Tín hiệu u(t) Tín hiệu điều khiển X m , X s Là các véc tơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình A m , B m Là ma trận hằng của mô hình mẫu A S (t), B S (t) Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống V(.) Hàm Lyapunov sm  , Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng  ˆ Véc tơ tham số xấp xỉ  ~ Sai lệch giữa véc tơ tham số xấp xỉ và véc tơ tham số  Ma trận chỉnh định thích nghi LuËn v¨n Th¹c sü -7- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên các hình vẽ Trang Hình 1.1 Cấ u trú c chung củ a hệ điề u khiể n thí ch nghi 18 Hình 1.2 Hệ ĐKTN điề u chỉ nh hệ số khuyế ch đạ i 19 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRac 20 Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR 21 Hình 1.5 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR 22 Hình 1.6 Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 24 Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 25 Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ điều khiển 33 Hình 2.2 Mô tả sai lệch cộng 34 Hình 2.3 Biểu diễn sai lệch nhân 35 Hình 2.4 Các biểu diễn sai lệch số 36 Hình 2.5 Hệ thống kín tổng quát 38 Hình 2.6 Hệ ĐKTN bền vững 45 Hình 3.1 MRAC bền vững có động học không cấu trúc và có nhiễu giới hạn 59 Hình 4.1 Sơ đồ động học của cơ cấu 63 Hình 4.2 Cơ cấu quấn dây 64 Hình 4.3 Quy luật thay đổi tốc độ của động cơ 65 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc của MRAC có sai lệch mô hình và có nhiễu giới hạn. 66 Hình 4.5 Sơ đồ thay thế của động cơ một chiều kích từ độc lập 67 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc của động cơ khi từ thông không đổi 70 Hình 4.7 Sơ đồ khối mô tả mạch vòng dòng điện động cơ 70 Hình 4.8 Sơ đồ khối của mạch vòng tốc độ động cơ. 71 Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ. 71 Hình 4.10 Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống. 77 Hình 4.11 Mô đun đối tượng điều khiển 77 Hình 4.12 Khối vectơ tín hiệu lọc  . 78 Hình 4.13 Véc tơ tham số  của bộ điều khiển. 79 LuËn v¨n Th¹c sü -8- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.14 Khối mô đun chuẩn hoá 79 Hình 4.15 Mô đun điều khiển Up 80 Hình 4.16 Luật đánh giá vectơ tham số  p của đối tượng 80 Hình 4.17 Đặc tính ra của hệ khi r và M c nhảy cấp 81 Hình 4.18 Đặc tính ra của hệ khi r và Mc thay đổi 82 Hình 4.19 Đặc tính ra của hệ khi r và M c thay đổi 83 Hình 4.20 Đặc tính ra của hệ khi r và Mc thay đổi 84 Hình 4.21 Đặc tính ra của hệ khi r và Mc thay đổi 85 Hình 4.22 Đặc tính ra của hệ khi lượng thay đổi và chịu nhiễu 86 LuËn v¨n Th¹c sü -9- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, kỹ thuật máy tính cho phép xử lý được số lượng phép tính lớn, các thuật toán phức tạp nên lý thuyết về Điều khiển thích nghi đã được ứng dụng rất rộng rãi và phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt là cho các hệ phi tuyến. (Phần tuyến tính coi như đã được nghiên cứu hoàn chỉnh). Điều khiển thích nghi đang được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống lớn, các hệ có thông số biến đổi và đòi hỏi cao về chất lượng điều khiển. Điều khiển thích nghi đảm bảo khả năng xây dựng các bộ điều khiển đáp ứng thời gian thực và nâng cao chất lượng điều khiển cho các đối tượng phức tạp. Trong quá trình mô tả người ta thường đưa ra các giả thiết như bỏ qua khâu động khó mô hình hoặc coi tham số không biết không đổi theo thời gian. Tuy nhiên trong thực tế các giả thiết đó không đáp ứng được, vì vậy ĐKTN khi điều khiển hệ thực là không bền vững. Để ứng dụng ĐKTN điều khiển các hệ thực trong thực tế, việc nâng cao tính bền vững cho hệ điều khiển thích nghi là một yêu cầu rất cần thiết. Với nội dung: “Nghiên cứu nâng cao tính bền vững cho hệ Điều khiển thích nghi khi điều khiển hệ phi tuyến có tham số biến thiên và chịu nhiễu tác động”. Nội dung của đề tài bao gồm các phần sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết ĐKTN. Nội dung của chương này là tìm hiểu những đặc điểm chung nhất của lý thuyết ĐKTN, những ưu điểm, hạn chế của ĐKTN khi điều khiển hệ phi tuyến mạnh. Chương 2: Tính bền vững của ĐKTN hệ phi tuyến. Nội dung tập trung nghiên cứu những đặc điểm của hệ phi tuyến, phương pháp mô tả hệ phi tuyến và áp dụng ĐKTN vào điều khiển hệ phi tuyến. Chương 3: Tổng hợp hệ ĐKTN bền vững theo mô hình mẫu. Nội dung đặt ra là sử dụng luật điều khiển theo mô hình mẫu kết hợp với luật thích nghi bền vững để tạo nên hệ ĐKTN bền vững. Chương 4: Bài toán ứng dụng. Ứng dụng ĐKTNBV vào điều khiển hệ quấn băng vật liệu điện. LuËn v¨n Th¹c sü -10- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng bộ điều khiển bằng mô phỏng nhờ phần mềm MATLAB Simulink. Từ các kết quả thực nghiệm nhận được ta tiến hành đánh giá chất lượng của phương pháp và rút ra kết luận chung về đề tài. Trong thời gian làm luận văn mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức của tôi còn hạn chế, vì vậy, chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót. Tôi chân thành mong muốn nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo để bản luận văn của tôi được hoàn thiện thêm. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô giáo trong khoa Sau đại học và các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành được bản luận văn tốt nghiệp này. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 09 năm 2009 Học viên Hoàng Văn Tá [...]... trong khi vn s dng lut iu khin thụng thng iu khn thớch nghi cỏc h phi tuyn l phng phỏp chim u th iu khin cỏc h tng quỏt trong thc t T nhng nm 1995 tr li õy hng nm cú hng trm cụng trỡnh ca cỏc nh iu khin hc cụng b v iu khin phi tuyn thớch nghi iu khin phi tuyn thớch nghi thng c ng dng iu khin cỏc h phi tuyn cú tham s khụng bit trc xut hin trong phng trỡnh vi phõn phi tuyn ca h Do tớnh phc tp ca h iu khin... http://www.lrc-tnu.edu.vn -22- Luận văn Thạc sỹ Nh vy tham s ca nú c bit gớan tip thụng qua vic gii phng trỡnh i s nờn c gi l ISTR * H iu khin thớch nghi t chnh trc tip DSTR Trong h DSTR (Hỡnh 1.5) cỏc tham s ca mụ hỡnh P(C) c biu din theo tham s ca i tng sao cho tho món cỏc yờu cu cht lng Đánh giá on-line tham số u Bộ điều khi n (t ) Ys Đối t-ợng Hỡnh 1.5 H KTN t iu chnh trc tip : DSTR Khi ú mụ hỡnh c tham s hoỏ dng... tp ca h iu khin cỏc h phi tuyn, vic nghi n cu tớnh bn vng ca h iu khin phi tuyn thớch nghi ớt c quan tõm Cỏc phng phỏp iu khin tuyn tớnh khi c ỏp dng vo h phi tuyn u cú chung nhc im l: Vựng n nh ca h c trang b b iu khin gim S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ -29- i H KTN thng khụng n nh khi iu khin h phi tuyn v thng c thit k cho cỏc i tng nhn dng... phự hp cho cỏc h c th Trong trng hp m cỏc tham s l thay i trong phm vi nh thỡ iu khin bn vng cú th ỏp dng c Ngc li khi cỏc gii hn ny l khụng bit trc thỡ phng phỏp iu khin bn vng l khụng mang li hiu qu Hng nghi n cu th hai l iu khin thớch nghi H iu khin thớch nghi l h iu khin t ng m cu trỳc v tham s ca b iu khin cú th thay i theo s bin thiờn thụng s ca h sao cho cht lng ra ca h m bo cỏc ch tiờu ó nh... phng phỏp ny u cn gi thit l cỏc tham s thay i chm theo thi gian Hn ch ny do quỏ trỡnh xõy dng lut ỏnh giỏ cỏc tham s gõy ra Nu kt hp KBV v KTN ta s cú phng phỏp iu khin thớch nghi bn vng (KTNBV) Ni dung l: Thit k c b iu khin tn dng c u im ca c iu khin thớch nghi v iu khin bn vng Hng nghi n cu ny ó c khi im t 1994 tr li õy iu khin thớch nghi bn l phng phỏp chim u th iu khin cỏc h tng quỏt trong thc t... thụng s bin thiờn theo thi gian tuyn tớnh Cỏc nghi n cu ca nhng nm 90 tp trung vo ỏnh giỏ kt qu ca nghi n cu nhng nm 80 v nghi n cu cỏc lp i tng phi tuyn cú tham s bt nh Nhng c gng ny ó a ra mt lp s KTN bn vng 1.2 Cỏc s iu khin thớch nghi H iu khin thớch nghi l h iu khin t ng m cu trỳc v tham s ca b iu khin cú th thay i theo s bin thiờn thụng s ca h sao cho cht lng ra ca h m bo cỏc ch tiờu ó nh KTN... ỏnh giỏ c tham s b iu khin v tham s i tng nhm trỏnh gii S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ -23- phng trỡnh i s õy l h thớch nghi t chnh nhm kt hp u im ca c hai h trờn Trong mt s ti liu ngi ta gi h iu khin thớch nghi t chnh STR l h iu khin thớch nghi ỏp t cc APPC vỡ hu ht cỏc b iu khin c thit k theo phng phỏp ỏp t cc 1.3 H iu khin thớch nghi theo mụ...-11- Luận văn Thạc sỹ CHNG M U I Mc tiờu ca ti Lun vn tp trung nghi n cu vic thit k cỏc b iu khin cho cỏc h phi tuyn, tho món tớnh thớch nghi i vi cỏc tham s khụng bit trc thay i theo thi gian v bn vng i vi nhiu nh hng t mụi trng Trong ú cú cha phn t phi tuyn khụng th hoc khú mụ hỡnh hoỏ Cỏc h phi tuyn ny cú th mụ t bng cỏc h phng trỡnh vi phõn phi tuyn Cỏc b iu khin c thit k sao cho tn dng... tr ca vộc t tham s C l C(t) ti mi thi im v giỏ tr ny dựng cp nht li tham s b iu khin theo thi gian thc m khụng qua b tớnh toỏn tham s Vỡ vy m DSTR l kiu ỏnh giỏ mụ hỡnh i tng khụng tng minh (Cũn gi l h iu khin thớch nghi khụng nhn dng) Nh vy tham ca b iu khin c tớnh toỏn trc tip khụng phi qua gii phng trỡnh * H iu khin thớch nghi t chnh lai Kt hp c 2 phng phỏp trờn ta cú h t chnh thớch nghi lai, tc... trong thc t Nú thng c ng dng iu khin cỏc h phi tuyn cú tham s khụng bit trc cú th nghi n cu v nõng cao c tớnh bn vng ca h khi thit k b iu khin ta cn ta cn phi phõn loi v nghi n cu cỏc c tớnh khụng xỏc nh ca i tng ri tỡm cỏch mụ t chỳng Mt khi cỏc sai lch ca mụ hỡnh i tng c mụ t bng mt vi dng toỏn hc no ú thỡ cú th s dng chỳng phõn tớch tớnh bn vng ca cỏc b iu khin thit k cho mụ hỡnh n gin hoỏ ca i tng . KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHI N CỨU NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ ĐIỀU KHI N THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHI N HỆ PHI TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC ĐỘNG. HOÀNG. KỸ THUẬT NGHI N CỨU NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG CHO HỆ ĐIỀU KHI N THÍCH NGHI KHI ĐIỀU KHI N HỆ PHI TUYẾN CÓ THAM SỐ BIẾN THIÊN VÀ CHỊU NHIỄU TÁC ĐỘNG. Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ. Học viên:. pháp điều khi n bền vững là không mang lại hiệu quả Hƣớng nghi n cứu thứ hai là Điều khi n thích nghi. Hệ Điều khi n thích nghi là hệ điều khi n tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khi n