Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển cho một lớp đối tượng phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Tổng hợp hệ thống điều khiển cho một lớp đối tượng phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về phương pháp điều khiển hệ phi tuyến có các thành phần bất định; Tổng hợp hệ thống điều khiển cho đối tượng phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định; Ứng dụng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định cho robot công nghiệp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển cho một lớp đối tượng phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ VĂN CHƯƠNG TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ NHẬN DẠNG CÁC THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ VĂN CHƯƠNG TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ NHẬN DẠNG CÁC THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGUỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Hoa Lư 2. TS Nguyễn Trung Kiên Hà Nội - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Lê Văn Chương
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hoa Lư, TS Nguyễn Trung Kiên đã luôn quan tâm, giúp đỡ, tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học đã có những góp ý quý báu để luận án được hoàn thiện. Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa kỹ thuật quân sự, Phòng Đào tạo đã luôn quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất giúp nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp tại Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Vinh nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi yên tâm học tập, nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT ................ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ CÁC THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH ................. 5 1.1. Giới thiệu về hệ phi tuyến có các thành phần bất định .................. 5 1.2. Tổng quan các phương pháp điều khiển hệ phi tuyến có các thành phần bất định.......................................................................................... 6 1.2.1. Phương pháp điều khiển thích nghi ................................... 6 1.2.2. Phương pháp điều khiển trượt ........................................... 10 1.2.3. Phương pháp điều khiển trượt thích nghi sử dụng mạng nơron nhân tạo ............................................................................. 17 1.3. Kết luận chương 1........................................................................... 24 CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ NHẬN DẠNG CÁC THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH ............................................................................... 26 2.1. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi cho lớp đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi trong kênh điều khiển ................................................. 26 2.1.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng các thành phần bất định và tổng hợp luật điều khiển thích nghi ........................................ 28 2.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt ............................................ 42
iv 2.2. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi cho lớp đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi trong trạng thái và kênh điều khiển ............. 47 2.2.1. Tổng hợp luật nhận dạng các thành phần thay đổi bất định 50 2.2.2. Tổng hợp luật điều khiển ................................................... 53 2.2.3. Mô phỏng kiểm chứng kết quả .......................................... 58 2.3. Kết luận chương 2........................................................................... 67 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ NHẬN DẠNG CÁC THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP 70 3.1. Giới thiệu bài toán điều khiển robot công nghiệp .......................... 70 3.2. Mô hình động lực học robot công nghiệp trên quan điểm điều khiển 74 3.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển robot công nghiệp.......................... 76 3.3.1. Nhận dạng các thành phần thay đổi bất định của robot công nghiệp ................................................................................. 77 3.3.2. Tổng hợp luật điều khiển ................................................... 79 3.4. Mô phỏng kiểm chứng kết quả ....................................................... 80 3.5. Kết luận chương 3........................................................................... 95 KẾT LUẬN........................................................................................... 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 100 PHỤ LỤC .............................................................................................. 113
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các ký hiệu, Ý nghĩa chữ viết tắt i, j , N In nghiêng, viết thường hoặc viết hoa là các số vô hướng x, y, z In đậm, chữ thường là các vectơ A , B, C In đậm, chữ hoa là các ma trận  Tập hợp các số thực n Tập hợp các vectơ thực có n phần tử  nm Tập hợp các ma trận thực có n hàng, m cột A Ma trận trạng thái hệ thống B Ma trận điều khiển hệ thống B Ma trận giả nghịch đảo của ma trận B A Ma trận các thành phần thay đổi bất định trong trạng thái B Ma trận các thành phần thay đổi bất định trong kênh điều khiển C Ma trận tham số siêu mặt trượt C  q, q   Ma trận các thành phần li tâm và lực Coriolis cij Tâm của hàm cơ sở d  t  , di  t  Nhiễu phụ thuộc thời gian tác động vào hệ thống d  t  , di  t  ˆ ˆ Đánh giá của nhiễu e Vectơ sai số f  x  , fi  x  Thành phần phi tuyến phụ thuộc trạng thái f  x  , fi  x  ˆ ˆ Đánh giá của thành phần phi tuyến g q  Vectơ thành phần lực trọng trường H Ma trận hệ số khuếch đại M q  Ma trận khối lượng suy rộng
vi P, Q Ma trận đối xứng xác định dương Pi Hàng thứ i của ma trận đối xứng xác định dương P q Vectơ biến khớp s Siêu mặt trượt V Hàm Lyapunov ij  x  Hàm cơ sở  ij Độ trải rộng của hàm cơ sở  Sai số xấp xỉ của mạng nơron w Trọng số của mạng nơron τ Vectơ mômen đầu vào AD Điều khiển thích nghi (Adaptive control) DOF Bậc tự do (Degrees Of Freedom) MIMO Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple Input Multiple Output) PID Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) RBF Mạng nơron hàm bán kính cơ sở xuyên tâm (Radial Basis Function network) RNN Mạng nơron hồi quy (Recurrent Neural Network) SMC Điều khiển trượt (Sliding Mode Control) SISO Hệ thống một đầu vào một đầu ra (Single Input Single Output system)
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Các tham số của các ma trận (3.35), (3.36), (3.37) ............... 81 Bảng 3.2. Các tham số của robot 3-DOF............................................... 82
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điều khiển thích nghi ............ 8 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trượt thích nghi ................ 15 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trượt thích nghi sử dụng mạng nơron............................................................................... 18 Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trượt thích nghi sử dụng mạng nơron RNN ..................................................................... 21 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho lớp đối tượng phi tuyến có các tham số thay đổi trong kênh điều khiển (2.1) ............... 28 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc mạng nơron RBF xấp xỉ vectơ hàm phi tuyến f  x  với các phần tử fi  x  ..................................................... 31 Hình 2.3 Kết quả nhận dạng ma trận tham số ΔB ................................. 37 Hình 2.4 Kết quả nhận dạng vectơ hàm phi tuyến f  x  ........................ 37 Hình 2.5 Kết quả nhận dạng vectơ nhiễu ngoài d  t  ............................. 38 Hình 2.6 Kết quả vectơ tổng hợp các thành phần thay đổi bất định f  . 38 Hình 2.7 Sai số của kết quả nhận dạng các thành phần thay đổi bất định 38 Hình 2.8 So sánh giữa vectơ trạng thái của đối tượng điều khiển (2.1) và mô hình nhận dạng (2.5)...................................................... 38 Hình 2.9 Sai lệch giữa trạng thái của đối tượng điều khiển (2.1) và trạng thái của mô hình nhận dạng (2.5) ............................................. 39 Hình 2.10 Vectơ điều khiển thích nghi u C ............................................. 41 Hình 2.11 So sánh vectơ trạng thái của đối tượng điều khiển (2.1) và thành phần động học tuyến tính (2.45) .................................. 41 Hình 2.12 Sai lệch giữa trạng thái của đối tượng điều khiển (2.1) và thành phần động học tuyến tính (2.45) .................................. 42
ix Hình 2.13 Đáp ứng x của hệ thống với vectơ trạng thái mong muốn xd 45 Hình 2.14 Vectơ điều khiển trượt uSMC .................................................. 45 Hình 2.15 Đáp ứng x của hệ thống với vectơ trạng thái mong muốn xd 46 ˆ Hình 2.16 Kết quả nhận dạng f1 của thành phần f1 ........................... 59 ˆ Hình 2.17 Sai lệch end1 giữa kết quả nhận dạng f1 và thành phần f1 . 60 ˆ Hình 2.18 Kết quả nhận dạng f 2 của thành phần f 2 ........................... 60 ˆ Hình 2.19 Sai lệch end2 giữa kết quả nhận dạng f 2 và thành phần f 2 60 ˆ Hình 2.20 Kết quả nhận dạng f3 của thành phần f 3 ........................... 60 ˆ Hình 2.21 Sai lệch end3 giữa kết quả nhận dạng f 3 và thành phần f3 61 Hình 2.22 So sánh giữa trạng thái x1 của đối tượng điều khiển và trạng thái xTT 1 của thành phần động học tuyến tính ....................... 61 Hình 2.23 Sai số bù trừ eb1 giữa trạng thái x1 của đối tượng điều khiển và trạng thái xTT 1 của thành phần động học tuyến tính ......... 62 Hình 2.24 So sánh giữa trạng thái x2 của đối tượng điều khiển và trạng thái xTT 2 của thành phần động học tuyến tính ....................... 62 Hình 2.25 Sai số bù trừ eb2 giữa trạng thái x2 của đối tượng điều khiển và trạng thái xTT 2 của thành phần động học tuyến tính......... 62 Hình 2.26 So sánh giữa trạng thái x3 của đối tượng điều khiển và trạng thái xTT 3 của thành phần động học tuyến tính ....................... 63 Hình 2.27 Sai số bù trừ eb3 giữa trạng thái x3 của đối tượng điều khiển và trạng thái xTT 3 của thành phần động học tuyến tính ......... 63 Hình 2.28 Đáp ứng x của hệ thống với vectơ trạng thái mong muốn xd 64 Hình 2.29 Đáp ứng x của hệ thống với vectơ trạng thái mong muốn xd 64
x Hình 2.30 So sánh đáp ứng của hệ thống với vectơ trạng thái mong muốn xd trong trường hợp fi   7,9 ............................................. 65 Hình 2.31 So sánh các vectơ điều khiển u AC-SMC và uSMC ...................... 66 Hình 2.32 So sánh đáp ứng của hệ thống với vectơ trạng thái mong muốn xd trong trường hợp fi   7,9 .............................................. 67 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot công nghiệp n-DOF có tham số thay đổi và tác động của nhiễu ngoài (3.15) .......... 77 Hình 3.2 Cấu trúc robot công nghiệp Thermo CRS A465 ...................... 81 Hình 3.3 Kết quả nhận dạng thành phần thay đổi bất định f 2 .............. 84 ˆ Hình 3.4 Sai lệch eND 2 giữa thành phần f 2 và kết quả nhận dạng f 2 85 Hình 3.5 Kết quả nhận dạng thành phần thay đổi bất định f 4 .............. 85 ˆ Hình 3.6 Sai lệch eND 4 giữa thành phần f 4 và kết quả nhận dạng f 4 85 Hình 3.7 Kết quả nhận dạng thành phần thay đổi bất định f 6 .............. 85 ˆ Hình 3.8 Sai lệch eND 6 giữa thành phần f 6 và kết quả nhận dạng f 6 86 Hình 3.9 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 1 đối với quỹ đạo đặt ....... 86 Hình 3.10 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 2 đối với quỹ đạo đặt ..... 86 Hình 3.11 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 3 đối với quỹ đạo đặt ..... 86 Hình 3.12 Kết quả nhận dạng thành phần thay đổi bất định f 2 ............ 87 ˆ Hình 3.13 Sai lệch eND 2 giữa thành phần f 2 và kết quả nhận dạng f 2 87 Hình 3.14 Kết quả nhận dạng thành phần thay đổi bất định f 4 ............ 88 ˆ Hình 3.15 Sai lệch eND 4 giữa thành phần f 4 và kết quả nhận dạng f 4 88 Hình 3.16 Kết quả nhận dạng thành phần thay đổi bất định f 6 ............ 88 ˆ Hình 3.17 Sai lệch eND 6 giữa thành phần f 6 và kết quả nhận dạng f 6 88
xi Hình 3.18 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 1 đối với quỹ đạo đặt ..... 89 Hình 3.19 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 2 đối với quỹ đạo đặt ..... 89 Hình 3.20 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 3 đối với quỹ đạo đặt ..... 89 Hình 3.21 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 1 đối với quỹ đạo đặt (TH1 - Tham số cố định, TH2 - Tham số thay đổi) .............. 90 Hình 3.22 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 2 đối với quỹ đạo đặt (TH1 - Tham số cố định, TH2 - Tham số thay đổi) .............. 91 Hình 3.23 Đáp ứng vị trí và vận tốc của khớp 3 đối với quỹ đạo đặt (TH1 - Tham số cố định, TH2 - Tham số thay đổi) .............. 91 Hình 3.24 Bộ điều khiển AC-SMC do luận án đề xuất........................... 93 Hình 3.25 Bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơron .................. 94
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong thực tế, đối tượng điều khiển phi tuyến rất phổ biến và hầu hết các hệ thống điều khiển tự động không hoạt động trong môi trường lý tưởng. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của các thành phần bất định như như tham số động học thay đổi không biết trước, tác động của nhiễu ngoài không đo được [10], [11], [99]. Sự tồn tại của các yếu tố bất định gây ra nhiều khó khăn, phức tạp cho việc tổng hợp các hệ thống điều khiển đảm bảo chất lượng, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế. Trong những thập niên gần đây, sự phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại, các công cụ toán học, trí tuệ nhận tạo,... cho phép các nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa giải quyết bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển cho lớp các đối tượng phi tuyến có các thành phần bất định với nhiều công trình, kết quả nghiên cứu được công bố trên các tạp chí, hội thảo khoa học trong và ngoài nước [2], [3], [6], [10], [99]. Có nhiều phương pháp để tổng hợp hệ thống điều khiển cho lớp các đối tượng nói trên như: điều khiển thích nghi [6], [62], [79], [85], [95]; điều khiển trượt [2], [16], [34], [82], [110]; điều khiển mờ [26], [77], [80], [96]; mạng nơron nhân tạo [22], [36], [45], [89], [93], [108]. Trong các giải pháp đã nêu, phương pháp nhận dạng các thành phần bất định từ đó tạo cơ cấu điều khiển phù hợp để chỉnh định các yếu tố bất định có nhiều ưu điểm nổi trội [1], [6], [8], [17], [55]. Mặc dù trong những năm qua đã có nhiều công trình nghiên cứu về xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho các đối tượng phi tuyến có các thành phần bất định với nhiều kết quả tốt đẹp. Tuy vậy, vẫn còn những vấn đề tồn tại chưa được giải quyết một cách thỏa đáng, đòi hỏi phải tiếp tục quan tâm nghiên cứu. Do vậy, đề tài nghiên cứu: “Tổng hợp hệ thống điều khiển cho một lớp đối tượng phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định” mang tính cấp thiết, có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn.
2 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án là nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho lớp các đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi bất định và nhiễu ngoài không đo được. Hệ thống điều khiển luận án đề xuất có chất lượng điều khiển cao và có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của luận án vào tổng hợp hệ thống điều khiển cho các đối tượng phù hợp trong thực tế. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho lớp các đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi và nhiễu ngoài không đo được trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định. Phạm vi nghiên cứu: Luận án đi sâu nghiên cứu phương pháp nhận dạng các thành phần tham số, hàm phi tuyến và nhiễu ngoài thay đổi bất định; tổng hợp luật điều khiển thích nghi, điều khiển trượt đảm bảo hệ thống điều khiển có chất lượng cao. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống trên cơ sở công cụ lý thuyết điều khiển thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo, giải tích toán học,... Các kết quả nghiên cứu được mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink nhằm khẳng định tính đúng đắn và hiệu quả của phương pháp do luận án đề xuất. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp nhận dạng thành phần tham số, đặc tính phi tuyến và nhiễu thay đổi bất định tác động lên đối tượng điều khiển. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ điều khiển thích nghi cho lớp đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi và nhiễu ngoài bất định trên cơ sở sử dụng công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại và mạng nơron nhân tạo. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án vào tổng hợp hệ thống điều khiển cho đối tượng cụ thể và phù hợp đó là robot công nghiệp.
3 - Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng kiểm chứng kết quả nghiên cứu của luận án. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đề xuất phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho lớp các đối tượng phi tuyến có các tham số thay đổi bất định và tác động của nhiễu từ bên ngoài; được xây dựng và phát triển trên cơ sở điều khiển thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo. Các kết quả nghiên cứu của luận án được mô phỏng kiểm chứng bằng các ví dụ cụ thể và có thể áp dụng để tổng hợp hệ thống điều khiển có chất lượng cho các đối tượng phù hợp trong thực tế. Vì vậy, nội dung các kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 7. Bố cục của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, ba chương, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Mở đầu Nêu rõ tính cấp thiết của đề tài luận án; khái quát chung về mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn và giới thiệu tóm tắt về cấu trúc của luận án. Chương 1. Tổng quan về phương pháp điều khiển hệ phi tuyến có các thành phần bất định Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp điều khiển các hệ phi tuyến có các thành phần bất định và từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2. Tổng hợp hệ thống điều khiển cho đối tượng phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho lớp các đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi bất định, có tác động của nhiễu từ bên ngoài. Hệ thống điều khiển được tổng hợp trên cơ sở các công cụ của lý thuyết
4 điều khiển thích nghi, mạng nơron nhân tạo RBF và điều khiển trượt. Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink để minh chứng tính đúng đắn, độ tin cậy và hiệu quả của các thuật toán thu được. Chương 3. Ứng dụng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển phi tuyến trên cơ sở nhận dạng các thành phần bất định cho robot công nghiệp Áp dụng các kết quả nghiên cứu trong chương 2 vào tổng hợp hệ thống điều khiển cho một đối tượng điều khiển phù hợp đó là robot công nghiệp. Tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink để minh chứng tính đúng đắn và hiệu quả của các thuật toán điều khiển đã đề xuất. Kết luận Nêu rõ những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án, đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ CÁC THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH Trong chương này, luận án giới thiệu về hệ phi tuyến có các thành phần bất định, trình bày tổng quan việc nghiên cứu các phương pháp chủ yếu để tổng hợp hệ thống điều khiển cho các đối tượng nói trên và từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. 1.1. Giới thiệu về hệ phi tuyến có các thành phần bất định Các đối tượng phi tuyến có các thành phần bất định hiện hữu trong nhiều lĩnh vực như: robot công nghiệp, hệ truyền động trong nhà máy cán thép, thiết bị bay, tàu thủy, lò hơi của nhà máy nhiệt điện, hệ tuabin của nhà máy thủy điện và nhiều lĩnh vực khác. Trong quá trình hoạt động, các đối tượng điều khiển nói trên chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bất định như điều kiện môi trường, chế độ vận hành, sai số của các kết cấu cơ khí,... làm cho tham số động học của đối tượng thay đổi không biết trước. Bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển cho các đối tượng dạng này gặp nhiều khó khăn đặc biệt trong trường hợp hệ thống chịu tác động của nhiễu ngoài không đo được [6], [10], [99]. Trên thực tế tồn tại nhiều lớp hệ phi tuyến bất định và đối với mỗi lớp phi tuyến sẽ có các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển khác nhau. Việc nghiên cứu tìm kiếm các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho từng lớp đối tượng cụ thể không chỉ là vấn đề hấp dẫn về mặt học thuật mà còn cung cấp những giải pháp thiết thực cho các ứng dụng thực tiễn. Trong luận án này tập trung nghiên cứu về lớp các đối tượng điều khiển phi tuyến có tham số thay đổi bất định thuộc hai trường hợp phổ biến có động
6 học được mô tả bằng các phương trình: x  Ax   B  ΔB  u  f  x   d  t  ,  (1.1) x   A  ΔA  x   B  ΔB  u  f  x   d  t  ,  (1.2) trong đó: x   n là vectơ trạng thái của đối tượng; u   m là vectơ điều khiển; A   nn , B   nm là các ma trận tham số hằng; ΔA   nn , ΔB   nm là các ma trận có các phần tử thay đổi bất định; f  x    n là vectơ các hàm phi tuyến trơn, bất định; d  t    n là vectơ các thành phần nhiễu ngoài và bị chặn. Trong phần tiếp theo, luận án nghiên cứu tổng quan về một số phương pháp chủ yếu để tổng hợp hệ thống điều khiển cho lớp đối tượng (1.1), (1.2). 1.2. Tổng quan các phương pháp điều khiển hệ phi tuyến có các thành phần bất định 1.2.1. Phương pháp điều khiển thích nghi Phương pháp thích nghi cho phép tổng hợp các hệ thống điều khiển có chất lượng cao trong điều kiện thông tin về tính chất của quá trình không đầy đủ và tham số động học của đối tượng điều khiển thay đổi không biết trước. Hệ thống điều khiển thích nghi có khả năng thích ứng với thay đổi đặc tính của đối tượng điều khiển và môi trường làm việc [11], [99]. Phương pháp điều khiển thích nghi cho lớp các đối tượng tuyến tính có tham số thay đổi bất định đã được nghiên cứu trong các công trình [23], [87], [112], [115] trong đó các thành phần tham số thay đổi cần thỏa mãn các điều kiện về toán học cho trước. Tuy nhiên, trong thực tế các thành phần này có thể thay đổi theo những quy luật không biết trước cũng như đặc tính phi tuyến của đối tượng luôn tồn tại và ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Phương pháp điều khiển thích nghi cho lớp các đối tượng phi tuyến có tham số thay đổi đã thu được nhiều kết quả [61], [62], [79], [85], [95] trong đó để đảm bảo hệ thống ổn định cần xác định được giới hạn của thành phần tham
7 số thay đổi. Mặc dù vậy, trong nhiều trường hợp không thể trực tiếp xác định được giới hạn này. Để làm rõ vấn đề chúng ta nghiên cứu công trình [85] của tác giả A. Maity và các cộng sự trong đó sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi với mô hình dự báo. Cách tiếp cận trong công trình [85] cho phép dự báo sự thay đổi của tham số động học của đối tượng điều khiển và do vậy có thể đáp ứng được với những thay đổi đó. Giả sử động học đối tượng điều khiển được mô tả bằng phương trình [85]: x  Ax  B I m  Λ  t   u  Δ  x, t  ,    (1.3) trong đó x   n là vectơ trạng thái; u   m là vectơ điều khiển; A   nn là ma trận tham số động học của hệ thống; B   nm là ma trận tham số đầu vào hệ thống; I m là ma trận đơn vị kích thước  m  m  ; Λ  t    mm là ma trận tham số thay đổi không biết trước, Λ  t  F   * ,  *  1 ; Δ  x, t    n là thành phần phi tuyến phụ thuộc trạng thái và thay đổi theo thời gian: Δ  x, t   BΔ m  x, t   BΔu  x, t  , (1.4) n n  m  với B   là ma trận đã biết, là phần bù trực giao của ma trận B ; Δ m  x, t    m , Δu  x, t    nm là vectơ các thành phần phi tuyến thay đổi không biết trước và có thể tuyến tính hóa như sau: Δ m  x, t   Wm  t  Φ m  x  ; Δu  x, t   WuT  t  Φu  x  , T (1.5) qu  n  m  trong đó Wm   qm m , Wu   là các ma trận tham số thay đổi thỏa mãn T Wm F  wm , * Wu F  wu ; * Φ m  x   m1 ,,qm    qm ,   Φm  x  2  0 ; T Φu  x   u1 ,,qu    qu , Φu  x  2  0 là các hàm cơ sở đã biết.   Mô hình tham chiếu cho đối tượng (1.3): xr  A r xr  Brr  t  ,  (1.6) mô hình dự báo: x  Ax  Bu N  K x  x  x   BWuT Φu  x  .  ˆ ˆ ˆ (1.7)