Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển thích nghi định hướng dữ liệu cho lớp đối tượng không sử dụng mô hình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển thích nghi định hướng dữ liệu cho lớp đối tượng không sử dụng mô hình" trình bày các nội dung: Tổng quan về điều khiển không sử dụng mô hình định hướng dữ liệu; Điều khiển không sử dụng mô hình hệ liên tục dựa trên thuật toán PID với chế độ trượt và luật thích nghi tham số; Điều khiển thích nghi không sử dụng mô hình cho hệ rời rạc SISO dựa trên tuyến tính hóa động rút gọn; Mô phỏng kiểm chứng luật điều khiển đề xuất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển thích nghi định hướng dữ liệu cho lớp đối tượng không sử dụng mô hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỊNH HƯỚNG DỮ LIỆU CHO LỚP ĐỐI TƯỢNG KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỊNH HƯỚNG DỮ LIỆU CHO LỚP ĐỐI TƯỢNG KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Vũ Quốc Huy 2. PGS. TS Nguyễn Quang Hùng HÀ NỘI - 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa được công bố trong bất kì công trình nào trước đây. Các tài liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ, theo đúng qui định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Đức
ii LỜI CẢM ƠN Quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận án, nghiên cứu sinh đã luôn nhận được sự quan tâm, tạo điều kiện về mọi mặt của thủ trưởng đơn vị, cơ quan quản lý đào tạo và gia đình; sự nhiệt tình tâm huyết của tập thể giáo viên hướng dẫn; các ý kiến đóng góp quí báu của các nhà khoa học, các đồng nghiệp trong và ngoài đơn vị. Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể giáo viên hướng dẫn, TS Vũ Quốc Huy và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy giúp tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự, thủ trưởng Viện tự động hóa kỹ thuật quân sự, thủ trưởng và cán bộ, nhân viên phòng Đào tạo đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại học BKHN, Đại học GTVT, Học viện KTQS; các nhà khoa học và đồng nghiệp tại Viện khoa học và công nghệ quân sự đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn, là nguồn cổ vũ lớn lao, là động lực và hậu phương vững chắc để tôi quyết tâm hoàn thành luận án này./. Hà Nội, ngày …. tháng 8 năm 2024 Tác giả luận án
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH ĐỊNH HƯỚNG DỮ LIỆU ....................................................................................... 8 1.1. Điều khiển tựa mô hình..................................................................................... 8 1.1.1. Sự phát triển của điều khiển tựa mô hình ........................................................ 8 1.1.2. Một số vấn đề mô hình hóa và nhận dạng trong điều khiển tựa mô hình ......... 9 1.1.3. Vấn đề tồn tại trong thiết kế bộ điều khiển tựa mô hình ................................ 11 1.2. Điều khiển định hướng dữ liệu và các vấn đề liên quan .................................. 13 1.2.1. Sự ra đời phương pháp điều khiển định hướng dữ liệu ................................. 13 1.2.2. Định nghĩa về DDC ...................................................................................... 14 1.2.3. Đối tượng điều khiển của phương pháp DDC ............................................... 16 1.2.4. Vị trí của DDC trong lý thuyết điều khiển .................................................... 18 1.3. Phân biệt giữa các phương pháp tiếp cận MBC và DDC ................................. 19 1.3.1. Ưu điểm của DDC........................................................................................ 19 1.3.2. Một số vấn đề cần giải quyết đối với phương pháp DDC.............................. 20 1.4. Điều khiển thích nghi không sử dụng mô hình ................................................ 21 1.4.1. Sự ra đời của điều khiển thích nghi không sử dụng mô hình ......................... 21 1.4.2. Phân loại điều khiển không sử dụng mô hình ............................................... 25 1.4.3. Các bước thiết kế thuật toán MFAC ............................................................. 26 1.5. Điều khiển chế độ trượt không sử dụng mô hình (MFSMC) ........................... 28 1.6. Đặt bài toán .................................................................................................... 29 1.7. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 31 Chương 2. ĐIỀU KHIỂN KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH DỰA TRÊN THUẬT TOÁN PID VỚI CHẾ ĐỘ TRƯỢT VÀ LUẬT THÍCH NGHI THAM SỐ CHO HỆ LIÊN TỤC ...................................................................................................... 33 2.1. Hệ thống điều khiển thích nghi tham số .......................................................... 33
iv 2.1.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển thích nghi ................................................ 33 2.1.2. Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi ...................................................... 34 2.1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi tham số ................................. 36 2.2. Điều khiển không sử dụng mô hình dựa trên thuật toán PID ........................... 37 2.2.1. Thuật toán PID tổng quát ............................................................................. 37 2.2.2. Thuật toán PID cải tiến hạng tử vi phân với đạo hàm đầu ra ......................... 39 2.2.3. Thuật toán PID cải tiến với lượng điều khiển dự trữ ..................................... 40 2.3. Điều khiển phi mô hình PID thích nghi cho hệ động học bậc nhất .................. 41 2.3.1. Mô tả toán học của mô hình cục bộ .............................................................. 41 2.3.2. Luật điều khiển phi mô hình dạng PID thích nghi tham số MFC-iPID .......... 42 2.3.3. Tính ổn định tiệm cận của hệ thống với luật điều khiển MFC-iPID .............. 45 2.3.4. Sơ đồ cấu trúc thuật toán điều khiển MFC-iPID ........................................... 47 2.4. Điều khiển chế độ trượt thích nghi tham số MFC-iPID-SMC.......................... 47 2.4.1. Hiệu chỉnh toán học luật điều khiển MFC-iPID ............................................ 47 2.4.2. Tổng hợp thành phần điều khiển tương đương ............................................. 49 2.4.3. Bổ đề về tính bị chặn của một dạng hàm Lyapunov và mặt trượt .................. 49 2.4.4. Tổng hợp thành phần điều khiển bền vững ................................................... 51 2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 54 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH CHO HỆ RỜI RẠC SISO DỰA TRÊN TUYẾN TÍNH HÓA ĐỘNG RÚT GỌN .......... 56 3.1. Tuyến tính hóa động cho hệ phi tuyến thời gian rời rạc ................................... 56 3.1.1. Phương pháp tuyến tính hóa động không sử dụng mô hình cho hệ phi tuyến SISO rời rạc ................................................................................................. 58 3.1.2. Thiết kế mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn .......................... 60 3.2. Điều khiển thích nghi phi mô hình MFAC ...................................................... 63 3.2.1. Cấu trúc tổng quát của điều khiển thích nghi phi mô hình MFAC ................ 63 3.2.2. Điều khiển thích nghi dựa trên mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn ................................................................................................................... 64 3.2.3. Tính ổn định của bộ điều khiển thích nghi dựa trên mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn.................................................................................... 69 3.2.4. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi dựa trên mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn..................................................................................... 71
v 3.3. Điều khiển MFAC-CFDL hiệu chỉnh bằng vi phân mở rộng ........................... 74 3.4. Thiết kế điều khiển trượt thích nghi phi mô hình MFAC-CFDL-SMC ............ 76 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 78 Chương 4. MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT .......... 80 4.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển servo động cơ đồng bộ ................................ 80 4.1.1. Mô hình rõ của hệ servo động cơ đồng bộ .................................................... 80 4.1.2. Đặc điểm phù hợp cho việc áp dụng kỹ thuật điều khiển phi mô hình .......... 85 4.2. Tham số đối tượng mô phỏng và chỉ tiêu chất lượng ....................................... 86 4.2.1. Đối tượng mô phỏng .................................................................................... 86 4.2.2. Một số tiêu chuẩn chất lượng ....................................................................... 87 4.2.3. Các luật điều khiển thực hiện mô phỏng ....................................................... 88 4.3. Mô phỏng với bộ điều khiển PID .................................................................... 88 4.4. Mô phỏng với bộ điều khiển MFC-iPID ......................................................... 89 4.4.1. Tham số mô phỏng ....................................................................................... 89 4.4.2. Kết quả mô phỏng với đầu vào 1(t) .............................................................. 90 4.4.3. Kết quả mô phỏng với đầu vào sin(t) ............................................................ 91 4.5. Mô phỏng với luật điều khiển MFC-iPI-SMC ................................................. 93 4.5.1. Tham số đối tượng và luật điều khiển ........................................................... 93 4.5.2. Kết quả mô phỏng với đầu vào dạng 1(t) ...................................................... 93 4.5.3. Kết quả mô phỏng với đầu vào dạng sin(t) ................................................... 95 4.6. Mô phỏng với luật điều khiển MFAC-CFDL .................................................. 96 4.6.1. Tham số đối tượng và bộ điều khiển ............................................................. 96 4.6.2. Mô phỏng với tín hiệu 1(t) ........................................................................... 97 4.6.3. Mô phỏng với tín hiệu sin(t) ......................................................................... 98 4.7. Mô phỏng với luật điều khiển MFAC-CFDL-SMC ......................................... 99 4.7.1. Tham số đối tượng và bộ điều khiển ............................................................. 99 4.7.2. Mô phỏng với tín hiệu 1(t) ......................................................................... 100 4.7.3. Mô phỏng với tín hiệu sin(t) ....................................................................... 101 4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 102 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 105
vi TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 106 PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFC-iPI .................................. I PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFC-iPI-SMC ........................ V PHỤ LỤC C: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFAC-CFDL ........................ IX PHỤ LỤC D: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFAC-CFDL-SMC ............ XIII
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 𝑦 (𝜗) Véc tơ đầu ra của quá trình, 𝜗 là bậc vi phân của 𝑦. 𝑦∗ Véc tơ đầu ra mong muốn. 𝑢 Véc tơ tín hiệu điều khiển. 𝐹 Véc tơ không thứ nguyên, đóng vai trò nhiễu được cập nhật vào quá trình. ̂, ̃ 𝐹 𝐹 Ước lượng và sai số ước lượng của 𝐹. 𝐴, ̂ 𝐴 Ma trận hằng số. 𝑒 Sai số bám. 𝑣 Đại lượng tương đương với điều khiển PID. 𝑢∗ Tín hiệu điều khiển tổng hợp được. 𝐾 𝑝, 𝐾𝑖 , 𝐾 𝑑 Các tham số của bộ điều khiển PID. 𝑉 ( 𝑡) Hàm Lyapunov. sgn(∗), sat(∗) Hàm dấu, hàm bão hòa. 𝑢 𝑘, 𝑦 𝑘 Đầu vào, đầu ra của hệ thống tại thời điểm thứ 𝑘. 𝑘 Bước rời rạc hóa, đại diện cho khoảng thời gian từ bước thứ 𝑘 đến 𝑘 + 1, tương đương với 1 chu kỳ lấy mẫu. 𝑛 𝑢, 𝑛 𝑦 Các số nguyên dương đại diện cho các bậc chưa biết của đầu vào, đầu ra. 𝑓(∗) Hàm phi tuyến chưa biết. Δ𝑢 𝑘 Sự thay đổi tín hiệu điều khiển ở bước 𝑘. 𝛥𝑦 𝑘+1 Sự thay đổi đầu ra ở thời bước 𝑘 + 1. 𝛿𝑓 Đạo hàm riêng của 𝑓(∗) theo 𝑢 𝑘 . 𝛿𝑢 𝑘 𝜙 𝑘, ̂ 𝑘, ̃ 𝑘 𝜙 𝜙 Giả đạo hàm riêng, ước lượng và sai lệch ước lượng của giả đạo hàm riêng.
viii 𝑏 Chặn trên của giả đạo hàm riêng 𝜙 𝑘 . 𝜖 Biến điều kiện trung gian. 𝐽( 𝑢 𝑘 ), 𝐽(Δ𝑢 𝑘 ) Các hàm mục tiêu. 𝜌, 𝜇, 𝛾, 𝜂 Các siêu tham số phục vụ thiết kế bộ điều khiển. 𝐴0, 𝐵0 Các biến trung gian. AB Truy hồi thích nghi (Adaptive Backstepping) BLDC Điều chỉnh dựa trên tương quan (Correlation-based tuning) BLDC Động cơ một chiều không cổ góp (Brush-Less Direct Current motor) ADP Qui hoạch động gần đúng ADP (Approximate dynamic programming) CFDL Tuyến tính hóa động dạng rút gọn (Compact Form Dynamic Linearization) DC Động cơ một chiều (Direct Current motor) DDC Điều khiển định hướng dữ liệu (Data Driven Control) ESC Phương pháp điều khiển theo cực trị hàm mục tiêu (Extremum Seeking Control) FFDL Tuyến tính hóa động dạng đủ (Full Form Dynamic Linearization) iPID Bộ điều khiển PID thông minh (intelligent PID) IFT Điều chỉnh phản hồi lặp (Iterative Feedback Tuning) IE Tiêu chuẩn tích phân sai lệch (Integrated Error) ISE Tiêu chuẩn tích phân của bình phương sai lệch (Integral of the Square of the Error) ITAE Tiêu chuẩn tích phân thời gian nhân với trị tuyệt đối của sai lệch (Integral of Time multiplied by the Absolute Value of the Error)
ix ITSE Tiêu chuẩn tích phân thời gian nhân với bình phương sai lệch (Integral of Time multiplied by the Square of the Error - tích phân của bình phương sai số) ILC Điều khiển học lặp (Iterative Learning Control) LLC Điều khiển học lười (Lazy Learning Control) MFC Điều khiển phi mô hình (Model-Free Control) MBC Điều khiển dựa mô hình (Model-based Control) MC Điều kiện thích ứng (Matching Condition) MFAPC Điều khiển dự đoán thích nghi phi mô hình (Model-free Adaptive Predictive Control) MFSMC Điều khiển mode trượt phi mô hình (Model-free Sliding Mode Control) MFAC Điều khiển thích nghi phi mô hình (Model-free Adaptive Control) PPD Giả đạo hàm riêng (Pseudo Partial Derivative) PI Bộ điều khiển PI (Proportional Integral) PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) PFDL Tuyến tính hóa động dạng từng phần (Partial Form Dynamic Linearization) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) PMSM Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor) RBF Mạng nơ ron xuyên tâm RBF (Radial Basis Function) SISO Hệ một vào, một ra (Single Input, Single Output) SMC Điều khiển trượt (Sliding Mode Control) SPSA Xấp xỉ ngẫu nhiên nhiễu loạn đồng thời (Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation) UC Điều khiển kiểm chứng (Unfalsified Control) VSC Điều khiển cấu trúc biến đổi (Variable Structural Control)
x VRFT Điều chỉnh phản hồi tham chiếu ảo (Virtual Reference Feedback Tuning)
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Phân chia các đối tượng điều khiển và phương pháp điều khiển ....... 16 Bảng 1.2. Các bước thiết kế thuật toán MFAC ................................................. 27 Bảng 4.1. Các luật điều khiển (ĐK) được mô phỏng ........................................ 88 Bảng 4.2. Tham số mô hình cục bộ và luật MFC-iPID ..................................... 89 Bảng 4.3. Chất lượng của hệ MFC-iPID theo tiêu chuẩn tích phân. .................. 92 Bảng 4.4. Tham số mô hình cục bộ và luật MFC-iPI-SMC. .............................. 93 Bảng 4.5. Chất lượng của hệ MFC-iPI-SMC theo tiêu chuẩn tích phân. ........... 96 Bảng 4.6. Tham số luật điều khiển MFAC-CFDL ............................................ 96 Bảng 4.7. Chất lượng của hệ MFAC-CFDL theo tiêu chuẩn tích phân.............. 99 Bảng 4.8. Tham số luật điều khiển MFAC-CFDL-SMC ................................. 100 Bảng 4.9. Chất lượng hệ MFAC-CFDL-SMC theo tiêu chuẩn tích phân. ....... 101
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Biểu diễn quy trình thiết kế bộ điều khiển tựa mô hình (MBC) ......... 12 Hình 1.2. Kiến trúc thiết kế bộ điều khiển định hướng dữ liệu (DDC) .............. 15 Hình 1.3. Hai thái cực của lý thuyết điều khiển. ............................................... 18 Hình 1.4. Phân loại MFC theo thuật toán điều khiển. ....................................... 25 Hình 1.5. Mô tả hướng nghiên cứu phát triển MFC. ......................................... 30 Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển thích nghi. ........................................ 36 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi. ................................... 37 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID hiệu chỉnh đạo hàm đầu ra. ................ 40 Hình 2.4. Sơ đồ thuật toán điều khiển MFC-iPID. ............................................ 47 Hình 3.1. Minh họa khái niệm PPD. ................................................................. 63 Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển thích nghi phi mô hình MFAC ............................... 64 Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển vòng kín hệ phi tuyến SISO. .................................. 71 Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển CFDL-MFAC. ....................................................... 72 Hình 3.5. Sơ đồ luồng dữ liệu bộ điều khiển CFDL-MFAC.............................. 73 Hình 3.6. Sơ đồ hệ điều khiển MFAC-CFDL theo cấu trúc vòng kín. ............... 73 Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển CFDL-MFAC cải tiến............................................ 76 Hình 4.1. Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển động cơ PMSM ............................. 81 Hình 4.2. Hệ điều khiển truyền động điện PMSM Delta ................................... 82 Hình 4.3. Đường đặc tính điều khiển trực tiếp mô men. ................................... 84 Hình 4.4. Biên dạng của nhiễu phụ thuộc thời gian. ......................................... 87 Hình 4.5. Sai lệch bám của hệ thống với tín hiệu đặt 1(t). ................................. 89 Hình 4.6. Sai lệch bám của hệ thống với tín hiệu đặt sin(t). .............................. 89 Hình 4.7. Đáp ứng của hệ MFC-iPID với đầu vào step. .................................... 90 Hình 4.8. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPID với đầu vào step. ....................... 90 Hình 4.9. Tham số F trong hệ MFC-iPID với đầu vào step. .............................. 91 Hình 4.10. Đáp ứng của hệ MFC-iPID với đầu vào sin. .................................... 91 Hình 4.11. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPID với đầu vào sin. ...................... 92
xiii Hình 4.12. Tham số F trong hệ MFC-iPID với đầu vào sin. .............................. 92 Hình 4.13. Đáp ứng của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào step. ........................... 94 Hình 4.14. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào step. .............. 94 Hình 4.15. Tham số F trong hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào step. ..................... 94 Hình 4.16. Đáp ứng của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào sin. ............................. 95 Hình 4.17. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào sin. ................ 95 Hình 4.18. Tham số F trong hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào sin. ....................... 95 Hình 4.19. Đáp ứng của hệ MFAC-CFDL với đầu vào step.............................. 97 Hình 4.20. Sai lệch góc bám của hệ MFAC-CFDL với đầu vào step. ............... 97 Hình 4.21. Tham số PPD trong hệ MFAC-CFDL với đầu vào step. .................. 98 Hình 4.22. Đáp ứng của hệ MFAC-CFDL với đầu vào sin. .............................. 98 Hình 4.23. Sai lệch góc bám của MFAC-CFDL với đầu vào sin. ...................... 98 Hình 4.24. Tham số PPD trong hệ MFAC-CFDL với đầu vào sin. ................... 99 Hình 4.25. Đáp ứng của hệ MFAC-CFDL-SMC với đầu vào step. ................. 100 Hình 4.26. Sai lệch góc bám của hệ MFAC-CFDL-SMC với đầu vào step ..... 100 Hình 4.27. Tham số PPD trong hệ MFAC-CFDL-SMC với đầu vào step. ...... 100 Hình 4.28. Đáp ứng của hệ MFAC-CFDL-SMC với đầu vào sin .................... 101 Hình 4.29. Sai lệch góc bám của hệ MFAC-CFDL-SMC với đầu vào sin. ...... 101 Hình 4.30. Tham số PPD trong hệ MFAC-CFDL-SMC với đầu vào step. ...... 101
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong lý thuyết điều khiển tự động, việc thiết kế các phương pháp điều khiển thường được xây dựng trên cơ sở mô hình động học của đối tượng và các phương pháp đó được gọi là phương pháp điều khiển tựa mô hình. Sự chính xác về cấu trúc và tham số của mô hình động học của đối tượng sẽ quyết định đến hiệu quả và chất lượng của các phương pháp điều khiển này. Ưu điểm của các phương pháp trên là có thể dựa trên cấu trúc của mô hình để thiết kế cấu trúc điều khiển phù hợp, có khả năng giảm thiểu được các thành phần nhiễu và phi tuyến nhất định cũng như lựa chọn được các tham số điều khiển để đảm bảo đáp ứng đầu ra đạt được các chỉ tiêu yêu cầu. Tuy nhiên, với các hệ thống cơ điện hay các quá trình trong thực tế là các hệ thống có tính chất phức tạp (chủ yếu là các hệ phi tuyến), việc xác định chính xác mô hình toán dựa trên các nguyên lý cơ bản thường rất khó khăn, hầu hết mô hình nhận được là mô hình xấp xỉ và đều được đơn giản hóa bằng các giả thiết và điều kiện nào đó. Vì lí do thiếu mô tả đầy đủ động học này của đối tượng thực nên các phương pháp điều khiển tựa mô hình trong một số trường hợp trở nên không hiệu quả, và thường có sai số lớn. Trong phần lớn các ứng dụng điều khiển, việc cố gắng xây dựng một mô hình toán học của một đối tượng hay một hệ thống cơ điện cho dù đơn giản hay phức tạp thì đây là khâu đòi hỏi mất nhiều thời gian, chi phí và công sức. Với một hệ thống điều khiển tự động hóa có độ tích hợp cao, việc mô hình hóa toàn bộ hệ thống sẽ không khả thi và khó có thể đạt hiệu quả cao. Vấn đề này hiện nay có thể được khắc phục bằng các phương pháp điều khiển dựa trên kiến thức, dữ liệu thu thập thực nghiệm của hệ thống, cho phép làm khớp biểu diễn toán học của hệ thống với dữ liệu thực nghiệm thu thập được, từ đó có thể đặt đối tượng đó trong một lớp mô hình thuần túy toán học [18-20], [23], mô hình đối tượng khi đó xây dựng được dựa trên dữ liệu thu thập thay vì mô hình toán
2 học xây dựng từ các định luật cơ bản và các phương pháp điều khiển dựa trên mô hình dạng này còn được gọi là phương pháp điều khiển tựa dữ liệu. Việc tích hợp các mô hình với dữ liệu cảm biến là chìa khóa cho sự phát triển của các công cụ phân tích dữ liệu mới, cung cấp thông tin nhân quả quan trọng mà sau đó có thể được sử dụng bởi các hệ thống điều khiển định hướng dữ liệu trong thời gian thực [1-5]. Việc tiếp cận phương thức điều khiển không cần mô hình hóa đối tượng, điều khiển không sử dụng mô hình (hay còn được gọi là phi mô hình, MFC - Model Free Control) là một vấn đề mới đặt ra và đang được quan tâm nghiên cứu trong hơn hai thập kỷ trở lại đây. Nền tảng của điều khiển phi mô hình đó là bộ điều khiển được thiết kế hoàn toàn dựa trên dữ liệu đo lường thu thập được [83], bản chất điều khiển phi mô hình (MFC) chính là một kỹ thuật điều khiển định hướng dữ liệu DDC (Data Driven Control), ở đó khâu xác định mô hình đối tượng được bỏ qua và bộ điều khiển được thiết kế trực tiếp sử dụng hoàn toàn dữ liệu vào/ ra của hệ thống. Trên thế giới, bộ điều khiển thích nghi phi mô hình MFA (Model Free Adaptive) trên cơ sở dữ liệu đã được phát triển cho nhiều hệ thống vòng kín. Có thể kể đến một số nghiên cứu như tổng hợp bộ điều khiển MFA cho hệ thống tự động để thay thế cho bộ điều khiển PID cần điều chỉnh tham số thủ công [25], [26]; nghiên cứu bộ điều khiển MFA phi tuyến cho các quá trình có tính phi tuyến mạnh [10], [31]; nghiên cứu bộ điều khiển MFA để giải quyết vấn đề về độ trễ cho các quá trình có độ trễ thời gian lớn [30]; nghiên cứu điều khiển MFA cho các hệ MIMO điều khiển các quá trình đa biến [31]; nghiên cứu bộ điều khiển MFA khắc phục vấn đề nhiễu lớn có thể đo lường được [30]. Ở Việt Nam, cách đặt vấn đề điều khiển phi mô hình còn rất mới mẻ. Một số nghiên cứu sâu hơn về bộ điều khiển PID theo hướng thông minh hóa bộ điều khiển này như [32-37] còn rất khiêm tốn. Mới đây một số nghiên cứu về điều khiển phi mô hình đã được quan tâm nghiên cứu và đã có những kết quả trong thực tế, tuy nhiên các công trình này mới được giới thiệu dưới góc nhìn
3 của phương pháp điều khiển thông minh như giáo trình “Điều khiển học lặp” của nhóm tác giả GS.TS Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Thu Hà và Nguyễn Hoài Nam đã được đưa vào chương trình đào tạo ở Bộ môn Điều khiển Tự động, Đại học Bách khoa Hà Nội như một môn học về điều khiển thông minh [A2] , tiến sĩ Phạm Hoàng Anh thuộc Đại học Hàng Hải có lẽ là người đầu tiên của Việt nam đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về điều khiển thích nghi phi mô hình vào năm 2020 tại Đức [74]. Tìm hiểu nghiên cứu tổng quan về các phương pháp điều khiển hiện nay trên thế giới đã cho thấy, hiện nay các hệ thống điều khiển tự động hóa có độ tích hợp cao, các quy trình công nghiệp trở nên tiên tiến hơn và do đó nhu cầu, tính cấp bách phải cải tiến thiết kế bộ điều khiển sao cho phù hợp ngày càng cao. Điều khiển phi mô hình định hướng dữ liệu đã sinh ra như một xu thế phát triển tiếp theo tất yếu của lý thuyết điều khiển nhằm bổ sung những bất cập tồn tại và đôi khi không thể giải quyết triệt để của các phương pháp điều khiển truyền thống trước sự phát triển tinh vi, phức tạp của các hệ thống điều khiển trong thực tế. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển thích nghi định hướng dữ liệu cho lớp đối tượng không sử dụng mô hình” đã được NCS lựa chọn làm hướng nghiên cứu cho luận án của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án là tổng hợp được luật điều khiển thích nghi cho lớp đối tượng chỉ hoàn toàn dựa trên dữ liệu vào/ra đo lường bỏ qua khâu mô hình hóa đối tượng. Cụ thể: - Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi mới, chứng minh tính đúng đắn, hướng tới một kiến trúc điều khiển phi mô hình thích nghi tham số dựa trên các ràng buộc về chỉ tiêu chất lượng và dữ liệu theo thời gian thực. - Thực thi được thuật toán điều khiển số trên môi trường mô phỏng MATLAB.
4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Các phương pháp điều khiển định hướng dữ liệu, thích nghi tham số. - Lớp đối tượng cơ điện tích hợp trong hệ thống điều khiển truyền động bám sử dụng cơ cấu chấp hành động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu PMSM. Lớp đối tượng này được sử dụng để thực hiện mô phỏng. b) Phạm vi nghiên cứu - Các hệ thống điều khiển có cấu trúc phức tạp, các hệ thống phi tuyến không có mô hình toán học chính xác hoặc quá phức tạp để xây dựng hoặc mô hình toán học không xác định được. - Tập trung vào việc cải thiện hiệu suất điều khiển trong các tình huống mà các phương pháp điều khiển truyền thống (dựa trên mô hình) có thể không hiệu quả hoặc không áp dụng được. - Các hệ thống cần phản ứng nhanh và linh hoạt, do các phương pháp điều khiển đề xuất có khả năng điều chỉnh tham số điều khiển trong thời gian thực nhờ dữ liệu đầu vào/ ra. - Các hệ thống có dữ liệu vào/ra hoàn toàn thu thập được và có độ chính xác cao từ các cảm biến hoặc các hệ thống cảm biến. - Lý thuyết điều khiển thích nghi không sử dụng mô hình, định hướng dữ liệu cho các hệ SISO. Các hệ thống có thuộc tính điều khiển được và quan sát được, thỏa mãn điều kiện Lipchitz tổng quát. 4. Nội dung nghiên cứu Luận án đề xuất 4 nội dung nghiên cứu như sau: - Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về điều khiển định hướng dữ liệu; - Nội dung 2: Nghiên cứu về các luật điều khiển thích nghi tham số; - Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng các luật điều khiển định hướng dữ liệu phi mô hình, thích nghi tham số mới cho một lớp đối tượng cơ điện; - Nội dung 4: Xây dựng thuật toán và cài đặt mô phỏng để đánh giá hiệu quả và khả năng áp dụng của phương pháp đề xuất.
5 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết: Luận án sắp xếp các tài liệu khoa học liên quan đến các nội dung nghiên cứu về điều khiển định hướng dữ liệu, điều khiển thích nghi tham số theo từng vấn đề có cùng dấu hiệu bản chất, cùng xu hướng phát triển. - Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Luận án nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển phi mô hình, cũng như ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển thích nghi, điều khiển PID hiệu chỉnh, điều khiển trượt cho đối tượng phi tuyến, bất định, có nhiễu tác động; sử dụng tiêu chuẩn Lyapunov để chứng minh tính ổn định của hệ thống. - Phương pháp chuyên gia: Luận án tham khảo, xin ý kiến đóng góp từ đội ngũ những người có chuyên môn để xem xét nhận định bản chất của đối tượng, từ đó làm nảy sinh giải pháp thực hiện mới. - Phương pháp mô phỏng: Luận án xây dựng phần mềm mô phỏng trên MATLAB để kiểm chứng và đánh giá khả năng áp dụng phương pháp đề xuất. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất thiết kế bộ điều khiển hướng dữ liệu không sử dụng mô hình. Điều này cho phép bộ điều khiển thu được đảm bảo chất lượng yêu cầu không phụ thuộc vào sự thay đổi bất định trong mô hình, từ đó cho phép xây dựng và cải tiến một số thuật toán trên cơ sở lý thuyết điều khiển không sử dụng mô hình. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng đối với các hệ thống điều khiển tự động hóa có độ tích hợp cao, các quá trình công nghiệp có mô hình phức tạp trong thực tế; ứng dụng trong các nhiệm vụ nâng cấp, cải tiến, chế tạo mới các loại vũ khí, khí tài trong quân đội. 7. Bố cục của luận án Ngoài các phần mở đầu, kết luận, danh mục công trình khoa học đã công bố, tài liệu tham khảo, luận án được bố cục thành bốn chương như sau: