Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh: Chương 5 - TS. Huỳnh Thái Hoàng

Chia sẻ: Gió Biển | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

168
lượt xem 41
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Hệ thống điều khiển thông minh - Chương 5: Điều khiển thích nghi và điều khiển học" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Điều khiển thích nghi, điều khiển học. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh: Chương 5 - TS. Huỳnh Thái Hoàng

Moân hoïc HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH Giaûng vieân: TS. Huyønh Thaùi Hoaøng B ä moâân Ñieà Boä Ñi àu Khieå Khi ån Töï Tö Ñoä Ñ äng Khoa Ñieän – Ñieän Töû Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn hthoang@hcmut edu vn Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1
Chöông 5 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ À ĐIỀU Ề KHIỂN Ể HỌC 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 2
Noäi dung chöông 4 Điều khiển Điề khiể thích hí h nghi hi Điều khiển học 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 3
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi Hệ thống thố điều điề khiển khiể trong t đó thông thô sốố (và ( à cấu ấ trúc) t ú ) của ủ bộ điều điề khiển thay đổi trong quá trình vận hành nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển khi có sự hiện diện của các yếu tố bất định hoặc biến đổi không biết trước gọi là hệ thống điều khiển thích nghi. 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5
Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi Đối tượng: t Tuyến tính hoặc phi tuyến SISO hoặc ặ MIMO (vuông, ( g, khôngg vuông) g) Hệ có bậc tương đối tổng quát Có nhiễu hệ thống, nhiễu đo lường Thông tin phản hồi: ồ Trạng thái Ngõ ra Cơ sở của thuật toán điều khiển thích nghi: Điều khiển hồi tiếpp tuyến y tính hóa Điều khiển trượt Thuật toán thích nghi: Liên tục hoặc rời rạc 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6
Đặt bài toán Đối tượng: t hệ phi hi tuyến t ế SISO mô ô tả bởi phương h ttrình ì h vii phân: hâ ⎧ x& = f ( x ) + g ( x )u ⎨ ⎩ y = h( x ) Bài toán đặt ra là điều khiển tín hiệu ra y(t) bám theo tín hiệu đặt ym(t) 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 7
Đối tượng điều khiển Nếu đối tượng Nế t có ó bậ bậc tương t đối bằng bằ r, đối tượng t cóó thể được đ môô tả bằng phương trình sau: y ( r ) = a ( x ) + b ( x )u Trong đó: a ( x ) = Lrf h( x ) b( x ) = Lg Lrf−1h( x ) ≠ 0 với: ∂φ ( x ) ⎡ ∂φ ( x ) ∂φ ( x ) ⎤ L f φ ( x) = . f ( x) = ⎢ ,K, [ ⎥ 1 f ( x ), K f ( x ) ]T ∂x ∂ ∂ n ⎣ x1 x n ⎦ ∂Lkf −1φ ( x ) Lkf φ ( x ) = . f ( x) ∂x ∂Lkf φ ( x ) Lg Lkf φ ( x ) = .g ( x ) ∂x 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 8
Luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa L ật điều Luật điề khiển khiể hồi tiếp tiế tuyến t ế tính tí h hóa: hó 1 u ( x) = * [− a( x ) + v(t )] b( x ) 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 9
Các giả thiết 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 10
Tính ổn định của luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa Đặc tính động học của sai sốố bám: e&s + ηes = 0 1 2 Ch hàm Chọn hà Lyapunov: L V = es 2 Dễ dàng thấy ràng: V ≥0 V& = es e&s = −ηes2 ≤ 0 ⇒ Hệ thống ổn định ⇒ es (t ) → 0 khi t → ∞ ⇒ eo (t ) → 0 khi t → ∞ ⇒ y(t) bám theo ym(t) với sai sốố xác lập bằng ằ 0 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 11
Ý tưởng điều khiển thích nghi Điều khiển Điề khiể thích hí h nghi hi trên ê cơ sở ở xấp ấ xỉỉ luật l ậ điều điề khiển khiể hồi tiếp iế tuyến ế tính hóa : 1 u * ( x) = [− a( x ) + v(t )] b( x ) Lý do: hàm a(x) và b(x) chưa biết hoặc hàm a(x) và b(x) đã biết nhưng thay đổi trong quá trình vận hành Hai phương pháp điều khiển thích nghi: Điều khiển thích nghi gián tiếp Điều khiển thích nghi trực tiếp 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 12
Điều khiển thích nghi gián tiếp Nhận dạng Nhậ d trực tuyến ế a(x) ( ) vàà b(x) b( ) dùng dù mô hìnhh aˆ ( x ) vàà bˆ( x ) , sau ô hì đó tính tín hiệu điều khiển theo nguyên lý chắc chắn tương đương. 1 uce ( x ) = [− aˆ ( x ) + v(t )] bˆ( x ) Mô hình aˆ ( x ) và bˆ( x ) có thể là mô hình mờ, mạng thần kinh hoặc mô hình hộp đen phi tuyến tổng quát. aˆ ( x ) = θ aT ξ a ( x ) bˆ( x ) = θ bT ξ b ( x ) Các vector θ a và θ b là vector thông số của mô hình. 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 13
Điều khiển thích nghi gián tiếp (tt) Các vector thông số ố θ a và θ b được cập nhật trực tuyến ế đểể tiệm cận tiến tới giá trị tối ưu: ⎧ ⎫ θ b = arg min ⎨ sup θ b ξ b ( x ) − b( x ) ⎬ * T θ b ∈Ω b ⎩ x∈S x ⎭ ⎧ ⎫ θ a = arg min ⎨ sup θ a ξ a ( x ) − a( x ) ⎬ * T θ a ∈Ω a ⎩ x∈S x ⎭ Gọii δ a ( x ) vàà δ b ( x ) là saii sốố giữa G iữ môô hình hì h tốiối ưu vàà đặc đặ tính í h động độ học h chính xác của đối tượng. Mô hình đúng của đối tượng có thể biểu diễn như sau: a ( x ) = θ a*T ξ a ( x ) + δ a ( x ) b( x ) = θ b*T ξ b ( x ) + δ b ( x ) 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 14
Điều khiển thích nghi gián tiếp (tt) Sai lệch giữa mô hình nhận dạng được và mô hình đúng của hệ thống: ố ~ aˆ ( x ) − a ( x ) = θ aT (t )ξ a ( x ) − δ a ( x ) ˆ ~T b( x ) − b( x ) = θ b (t )ξ b ( x ) − δ b ( x ) trong đó: ~ θ a (t ) = θ a (t ) − θ a* ~ θ b (t ) = θ b (t ) − θ b* Sai số mô hình luôn tồn tại trongg các ứngg dụngg thực tế. Để đảm bảo hệ thống ổn định sử dụng thêm thành phần điều khiển trượt usi. Tín hiệu điều khiển là tổng gồm 2 thành phần: uce điều khiển hệ thống bám quỹ đạo chuẩn usi đảm bảo hệ thống ổn định u = uce + u si 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 15
Các giả thiết cần để thiết kế bộ điều khiển thích nghi gián tiếp b( x ) bị chặn: 0 < b( x ) ≤ b( x ) ≤ b( x ) < ∞ Quỹ đạo chuẩn mong muốn y m (t ) khả vi liên tục bị chặn đến bậc r và các đạo hàm y& m (t ) ,..., ym( r ) (t ) có thể đo được. Sai số cấu trúc giữa mô hình và đặc tính chính xác của đối tượng bị chặn bởi các cận biết trước: δ a ( x ) ≤ δ a ( x ) ∈ L∞ δ b ( x ) ≤ δ b ( x ) ∈ L∞ 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 16
Trình tự thiết kế bộ điều khiển thích nghi: Viết biểu Viế biể thức hứ môô tảả động độ học h saii sốố bám. bá Chọn hàm Lyapunov V (là hàm toàn phương theo sai số bám và sai số thông số). Luật thích nghi thông số được chọn sao sai số thông số bị triệt tiêu khỏi đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov ( V& không phụ thuộc vào sai sốố thông sốố của mô hình) Thành phần điều khiển chế độ trượt được chọn sao cho đảm bảo đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov âm ( V& < 0 ) khi sai số cấu trúc nằm trong giới hạn định trước. 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 17
Thiết kế bộ điều khiển thích nghi gián tiếp Biểu thức mô tả động học sai số bám e&s + ηes = (aˆ ( x ) − a ( x )) + (bˆ( x ) − b( x ))u ce − b( x )u si 1 2 1 ~T ~ 1 ~T ~ Hàm Lyapunov: V = es + θ a Qaθ a + θ b Qbθ b 2 2 2 ⇒ V& = −ηes2 − busi es + es (−δ a − δ buce ) + θ~aT (Qaθ&a + ξ a es ) + θ~bT (Qbθ&b + ξ besuce ) Luật thích nghi thông số: θ&a = −Qa−1ξ a es θ&b = −Qb−1ξ b u ce es 1 Thành phần điều khiển chế độ trượt: u si = (δ a + δ b u ce )sgn(es ) b ⇒ V& ≤ −ηes2 − ⎛⎜ b − 1⎞⎟ es [δ a + δ b u ce ] ≤ 0 ⎝b ⎠ ⇒ Hệ thống ố ổnổ định 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 18
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 19
Thí dụ: Điều khiển thích nghi gián tiếp hệ bồn kép dùng mô hình mờ Đặc tính động học của hệ thống mô tả bởi các phương trình sau: h&1 (t ) = 1 A1 (h1 ) (ku (t ) − sgn(h1 (t ) − h2 (t ))C D a1 2 g | h1 (t ) − h2 (t ) | ) h&2 (t ) = 1 A2 (h2 ) ( sgn((h1 (t ) − h2 (t ))CD a1 2 g | h1 (t ) − h2 (t ) | − C D a2 2 gh h2 (t ) ) Amax − Amin Ai (hi ) = hi + Amin i hmax 10 June 2010 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 20