Luận văn: 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

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

189
lượt xem 64
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: 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

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. TỰ ĐỘNG HOÁ. Ngành: Học viên: HOÀNG VĂN TÁ. Người hướng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỴ THÁI NGUYÊN, NĂM 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-3- LuËn v¨n Th¹c sü 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-4- LuËn v¨n Th¹c sü 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-5- LuËn v¨n Th¹c sü 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-6- LuËn v¨n Th¹c sü DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa ĐKTN Điều khiển thích nghi ĐKTNBV Điều khiển thích nghi bền vững Adaptive Pole Placement Control - Điều khiển vị trí thích ứng APPC Single Input – Single Output - Đầu vào đơn - Đầu ra đơn SISO STR Self Tuning Regualator Model Referance Adaptive Control - Điều khiển thích nghi theo MRAC mô hình mẫu Massachusetts Institute of Technology - Viện Công nghệ MIT Massachusetts Véc tơ trạng thái của hệ x(t) Tín hiệu y(t) Tín hiệu điều khiển u(t) Là các véc tơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình Xm, Xs Là ma trận hằng của mô hình mẫu Am, Bm Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của nhiễu AS(t), BS(t) bên ngoài hoặc bên trong hệ thống V(.) Hàm Lyapunov  m , s 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  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-7- LuËn v¨n Th¹c sü DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên các hình vẽ Trang Hình 1.1 Câu truc chung cua hê điêu khiên thí ch nghi ́ ́ ̉ ̣̀ ̉ 18 Hình 1.2 Hê ĐKTN điêu chỉ nh hê sô khuyêch đai ̣ ̀ ̣́ ́ ̣ 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 59 hạn 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 66 hạn. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-8- LuËn v¨n Th¹c sü 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 Mc 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 Mc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-9- LuËn v¨n Th¹c sü 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 đá p 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-10- LuËn v¨n Th¹c sü 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-11- LuËn v¨n Th¹c sü CHƢƠNG MỞ ĐẦU I. Mục tiêu của đề tài. Luận văn tập trung nghiên cứu việc thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến, thoả mãn tính thích nghi đối với các tham số không biết trƣớc thay đổi theo thời gian và bền vững đối với nhiễu ảnh hƣởng từ môi trƣờng. Trong đó c ó chứa phần tử phi tuyến không thể hoặc khó mô hình hoá. Các hệ phi tuyến này có thể mô tả bằng các hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến. Các bộ điều khiển đƣợc thiết kế sao cho tận dụng đƣợc các ƣu điểm của Điều khiển thích nghi và Điều khiển bền vững nhƣng tránh đƣợc các nhƣợc điểm và kh ó khăn của các phƣơng pháp này.Cuối cùng tìm cách ứng dụng phƣơng pháp điều khiển đã thiết kế vào điều khiển hệ thực tế. II. Tính cần thiết của đề tài nghiên cứu. Các hệ thống cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trƣớc và chứa các phần tử phi tuyến không t hể hoặc rất khó mô hình hoá trong việc xây dựng hệ thống phƣơng trình vi phân mô tả hệ. Ngoài ra trong quá trình làm việc hệ còn bị nhiễu tác động từ môi trƣờng. Các tham số không biết trƣớc có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian - Có thể là biến thiên chậm hoặc nhanh theo thời gian. Điều khiển các hệ thống nói trên các bộ điều khiển thông thƣờng nói chung không đáp ứng đƣợc. Khi cần thiết kế các bộ điều khiển có khả năng điều khiển các hệ phi tuyến có phần tử không mô hình hoá đƣợc, các tham số không biết trƣớc và chịu ảnh hƣởng của nhiễu từ môi trƣờng, thƣờng đƣợc thiết kế theo hai hƣớng sau: Điều khiển bền vững (ĐKBV) và Điều khiển thích nghi (ĐKTN). Theo hƣớng thứ nhất thì bộ điều khiển là bộ điều khiển tĩnh (Tham số của bộ điều khiển không biến thiên). Tín hiệu điều khiển là một hàm không chứa vi phân của trạng thái. Đã có nhiều phƣơng pháp điều khiển bền vững ra đời. Các phƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-12- LuËn v¨n Th¹c sü pháp này nói chung đều dựa vào điều kiện ổn định biên do vậy chúng không thể tổng quát đƣợc mà chỉ phù hợp cho các hệ cụ thể. Trong trƣờng hợp mà các tham số là thay đổi trong phạm vi nhỏ thì điều khiển bền vững có thể áp dụng đƣợc. Ngƣợc lại khi các giới hạn này là không biết trƣớc thì phƣơng pháp điều khiển bền vững là không mang lại hiệu quả Hƣớng nghiên cứu thứ hai là Điều khiển thích nghi. Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lƣợng ra của hệ đảm bảo các chỉ tiêu đã định. ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhằm duy trì đặc tính của đối tƣợng điều khiển nằm trong phạm vi mong muốn trong khi thông số của đối tƣợng (Đã biết hoặc chƣa biết) biến thiên theo thời gian. Đặc điểm chung của phƣơng pháp này là luật điều khiển đƣợ c thiết kế dựa trên giả thiết là các tham số là biết trƣớc. Sau đó tham số này đƣợc thay thế bởi nhận dạng của chúng. Đây chính là phƣơng pháp Điều khiển thích nghi cho các hệ tuyến tính và đƣợc cải tiến để dùng cho các hệ phi tuyến. Nhƣợc điểm cơ bản của phƣơng pháp ĐKTN là hệ không bền vững đối với nhiễu và các phần tử phi tuyến không thể mô hình hoá đƣợc. Ngoài ra các phƣơng pháp này đều cần giả thiết là các tham số thay đổi chậm theo thời gian. Hạn chế này do quá trình xây dựng luật đánh giá các tham số gây ra. Nếu kết hợp ĐKBV và ĐKTN ta sẽ có phƣơng pháp Điều khiển thích nghi bền vững (ĐKTNBV). Nội dung là: Thiết kế đƣợc bộ điều khiển tận dụng đƣợc ƣu điểm của cả Điều khiển thích nghi và Điều khiển bền vững. Hƣớng nghiên cứu này đã đƣợc khởi điểm từ 1994 trở lại đây Điều khiển thích nghi bền là phƣơng pháp chiếm ƣu thế để điều khiển các hệ tổng quát trong thực tế. Điều này phù hợp với yêu cầu của nền sản xuất hiện đại vì các hệ cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trƣớc và các phần tử phi tuyến không thể hoặc rất khó mô hình hoá trong việc xây dựng hệ thống phƣơng trình vi phân mô tả hệ. Ngoài ra trong quá trình làm việc hệ còn bị nhiễu tác động từ môi trƣờng. Các tham số không biết trƣớc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-13- LuËn v¨n Th¹c sü có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian (Có thể là biến thiên chậm hoặc nhanh theo thời gian). Vì vậy việc nghiên cứu để nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi là rất cần thiết và cần tập trung nghiên cứu. III. Nội dung của luận văn. Với mục tiêu đặt ra trên nội dung của luận án bao gồm các chƣơng sau : Chương 1 : Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết Điều khiển thích nghi. Chương 2 : Nghiên cứu tính bền vững của hệ ĐKTN 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 Nội dung chƣơng 4 là áp dụng phƣơng pháp trên vào điều khiển thiết bị phi tuyến: hệ truyền động quấn băng vật liệu sử dụng độn g cơ một chiều. Sau khi Tổng hợp bộ điều khiển, tiến hành đánh giá chất lƣợng điều khiển bằng mô phỏng nhờ phần mềm MATLAB SIMULINK Kết luận chung: Từ các kết quả thực nghiệm nhận đƣợc ta tiến hành đánh giá nội dung của phƣơng pháp và rút ra kết luận chung về đề tài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-14- LuËn v¨n Th¹c sü CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-15- LuËn v¨n Th¹c sü CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1. Lịch sử phát triển của ĐKTN Trong các hệ điều khiển tự động truyền thống, các xử lý điều khiển thƣờng dùng các mạch phản hồi là chính. Các điều khiển loại này còn tồn tại nhƣợc điểm khó khắc phục là trong quá trình làm việc các yếu tố ảnh hƣởng tới hệ thống từ môi trƣờng liên tục bị thay đổi, đồng thời bản thân tham số của hệ cũng bất định dẫn tới chất lƣợng ra của hệ cũng thay đổi theo. Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản xuất có công nghệ hiện đại đòi hỏi phải có những bộ điều khiển có thể thay đổi đƣợc cấu trúc và tham số của nó để đảm bảo chất lƣợng ra của hệ theo các chỉ tiêu đã định.Với các yêu cầu cao về chất lƣợng điều khiển các hệ thông điều khiển truyền thống nói chung không đáp ứng đƣợc. Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính đã phát triển ở mức độ cao, lý thuyết ĐKTN đã ra đời đáp ứng đƣợc những yêu cầu trên và đƣợc áp dụng mạnh mẽ vào điều khiển các hệ thống lớn. ĐKTN khởi đầu là do nhu cầu về hoàn thiện các hệ thống điều khiển máy bay. Do đặc điểm của quá trình điều khiển máy bay có nhiều thông số biến đổi và có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình ổn định quỹ đạo bay, tốc độ bay . Ngay từ năm 1958, trên cơ sở lý thuyết về chuyển động của Boócman, lý thuyết điều khiển tối ƣu.... hệ thống điều khiển hiện đại này đã ra đời. Ngay sau khi ra đời lý thuyết này đã đƣợc hoàn thiện nhƣng chƣa đƣợc thực thi vì số lƣợng phép tính quá lớn mà chƣa có khả năng giải quyết đƣợc. Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, điện tử, máy tính... cho phép giải đƣợc những bài toán đó một cách thuận lợi nên hệ thống ĐKTN đƣợc ứng dụng rất rộng rãi vào thực tế. Hệ ĐKTN có mô hình mẫu MRAC đã đựợc Whitaker đề xuất khi giải quyết vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm 1958. Phƣơng pháp độ nhậy và luật MIT đã đƣợc dùng để thiết kế luật thích nghi với mục đích đánh giá các thông số không biết trƣớc trong sơ đồ MRAC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-16- LuËn v¨n Th¹c sü Trong công việc điều khiển các chuyến bay do còn tồn tại nhiều hạn chế nhƣ: thiếu phƣơng tiện tính toán, sử lý tín hiệu và lý thuyết cũng chƣa thật hoàn thiện . Đồng thời những chuyến bay thí nghiệm bị tai nạn làm cho việc nghiên cứu về lý thuyết điều khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỷ 50 và đầu năm1960. Thập kỷ 60 là thời kỳ quan trọng nhất trong việc phát triển các lý thuyết tự động, đặc biệt là lý thuyết ĐKTN. Kỹ thuật không gian trạng thái và lý thuyết ổn định dựa theo luật Liapynốp đã đƣợc phát triển. Một loạt các thuyết nhƣ: Điều kiển đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông số ... ra đời cho phép tiếp tục (Nghiên cứu lại) phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN. Vào năm 1966 Park và các đồng nghiệp đã tìm đƣợc phƣơng pháp mới để tính toán lại luật thích nghi sử dụng luật MIT ứng dụng vào các sơ đồ MRAC của những năm 50 bằng cách ứng dụng lý thuyết của Liapynop. Tiến bộ của các lý thuyết điều khiển những năm 50 cho phép nâng cao hiểu biết về ĐKTN và đóng góp nhiều vào đổi mới lĩnh vực này. Những năm 70 sự phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính đã tạo ra khả năng ứng dụng lý thuyết này vào thực tế. Các hệ thống ĐKTN đã đƣợc ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp. Tuy nhiên những thành công của thập kỷ 70 còn gây nhiều tranh luận trong ứng dụng ĐKTN. Đầu năm 1979 ngƣời ta chỉ ra rằng những sơ đồ MRAC của thập kỷ 70 dễ mất ổn định do nhiễu tác động. Tính bền vững trong ĐKTN trở thành mục tiêu tập trung nghiên cứu của các nhà khoa học vào năm 1980. Khi đó ngƣời ta xuất bản nhiều tài liệu về độ không ổn định do các khâu động học không mô hình hoá đƣợc hoặc do nhiễu tác dụng vào hệ thống. Những năm 80 nhiều thiết kế đã đƣợc cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết ĐKTN bền vững. Một hệ ĐKTN đƣợc gọi là bền vững nếu nhƣ nó đảm bảo chất lƣợng ra theo mong muốn cho một lớp đối tƣợng của các động học không mô hình hoá đƣợc trong đó có đối tƣợng chuẩn đang xét. Yêu cầu của bài toán ĐKTN bền vững là đảm bảo tính bền vững của hệ khi điều khiển những đối tƣợng có thông số không biết trƣớc, biến đổi theo thời gian và trong quá trình làm việc hệ chịu nhiễu tác động. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-17- LuËn v¨n Th¹c sü Cuối thập kỷ 80 có các công trình nghiên cứu về hệ ĐKTN đặc biệt là MRAC cho các các đối tƣợng có thông số biến thiên theo thời gian tuyến tính. Các nghiên cứu của những năm 90 tập trung vào đánh giá kết quả của nghiên cứu những năm 80 và nghiên cứu các lớp đối tƣợng phi tuyến có tham số bất định. Những cố gắng này đã đƣa ra một lớp sơ đồ ĐKTN bền vững . 1.2. Các sơ đồ Điều khiển thích nghi Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lƣợng ra của hệ đảm bảo các chỉ tiêu đã định. ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhằm duy trì đặc tính của đối tƣợng điều khiển nằm trong phạm vi mong muốn trong khi thông số của đối tƣợng (Đã biết hoặc chƣa biết) biến thiên theo thời gian. Cấu trúc tổng quát của hệ ĐKTN đƣợc mô tả trên hình 1.1 Hệ gồm 2 khối chính: I TT A 2 u S R + y _ 1 Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ điều khiển thích nghi. Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển Khối 2: Phần điều khiển thích nghi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-18- LuËn v¨n Th¹c sü Phần cơ bản của hệ gồm : + Đối tƣợng S + Thiết bị điều khiển R + Mạch phản hồi cơ bản + Tín hiệu vào của hệ u + Tín hiệu ra của hệ y Phần điều khiển thích nghi gồm : + Khâu nhận dạng I + Thiết bị tính toán TT + Cơ cấu thích nghi A Khâu nhận dạng có nhiệm vụ đánh giá các biến đổi của hệ thống do tác dụng của tải, nhiễu và các yếu tố khác... Kết quả nhận dạng đƣợc đƣa vào thiết bị tính toán. Kết quả tính toán đƣợc đƣa vào cơ cấu thích nghi để tính toán tự chỉnh các thông số và cấu trúc của bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất lƣợng của hệ nhƣ mong muốn. Các hệ ĐKTN có thể đƣợc chia thành 2 nhóm chính : + Hệ điều khiển trực tiếp (có mô hình mẫu). + Hệ điều khiển gián tiếp (có mô hình ẩn). Trong hệ điều khiển trực tiếp các thông số của bộ điều chỉnh sẽ đƣợc hiệu chỉnh trong thời gian thực theo giá trị sai số giữa đặc tính mong muốn và đặc tính thực Trong hệ Điều khiển thích nghi gián tiếp việc điều chỉnh thông số của bộ điều khiển đƣợc thực hiện qua 2 giai đoạn : 1. Đánh giá thông số của mô hình đối tƣợng. 2. Trên cơ sở các đánh giá của thông số của đối tƣợng, ngƣời ta tiến hành tính toán các thông số của bộ điều khiển. Một đặc điểm chung cho cả ĐKTN trực tiếp và gián tiếp là: đều dựa trên giả thuyết tồn tại một bộ điều khiển đảm bảo có đầy đủ các đặc tính mong muốn của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-19- LuËn v¨n Th¹c sü đối tƣợng. Nhƣ vậy vai trò của điều khiển thích nghi chỉ giới hạn ở chỗ: chọn giá trị thích hợp của bộ điều khiển tƣơng ứng với các trạng thái làm việc của đối tƣợng. Hệ Điều khiển thích nghi có 3 sơ đồ chính sau đây : - Điều khiển theo mô hình mẫu. - Điều chỉnh hệ số khuếch đại. - Hệ tự chỉnh. 1.2.1 ĐKTN điều chỉnh hệ s ố khuếch đại. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại trên hình 1.2 ym Bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại khuÕch ®¹i u Bộ điều khiển Đối tƣợng Ys Hình 1.2 Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại. Đây là sơ đồ đƣợc xây dựng theo nguyên tắc của mạch phản hồi và bộ điều chỉnh có thể thay đổi thông số bằng bộ điều chỉnh thông số. Đặc điểm của nó là có thể làm giảm sự biến thiên thông số. 1.2.2 Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu. Bộ điều chỉnh gồm 2 mạch vòng: mạch vòng trong là mạch vòng cơ bản. Mạch vòng ngoài là mạch vòng hiệu chỉnh. Tín hiệu vào của mạch vòng này là sai lệch tín hiệu của mô hình mẫu và của đối tƣợng. Mô hình mẫu đƣợc chọn sao cho đặc tính ra Ym của mô hình mẫu là đặc tính mong muốn. Mô hình mẫu chọn càng sát đối tƣợng thực thì kết quả điều khiển càng chính xác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
-20- LuËn v¨n Th¹c sü ym MÔ HÌNH MẪU + e(t) _ BỘ u ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ys CƠ CẤU THÍCH NGHI Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC Cơ cấu thích nghi có nhiệm vụ hiệu chỉnh sao cho sai số e(t) tiến về 0 và hệ là ổn định. Tham số điều khiển là sai số giữa tín hiệu ra của mô hình mẫu và tín hiệu ra của mô hình thực. Luật thích nghi thƣờng đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Građiên hoặc áp dụng lý thuyết ổn định của Liapunốp hoặc lý thuyết ổn định tuyệt đối của Pôpôp và nguyên lý dƣơng động để hệ hội tụ và có sai số là nhỏ nhất. 1.2.3 Hệ ĐKTN tự chỉnh. Hệ tự chỉnh đƣợc xem nhƣ là hệ điều khiển theo mô hình ẩn. Bộ điều chỉnh gồm 2 mạch vòng: mạch vòng trong là mạch vòng cơ bản. Các thông số đƣợc hiệu chỉnh nhờ mạch vòng ngoài. Mạch này gồm hệ đánh giá thông số và hệ tính toán tham số. Hệ Điều khiển thích nghi tự chỉnh đƣợc phát triển chủ yếu cho hệ gián đoạn. STR là hệ rất mềm dẻo. Tuỳ theo việc lựa chọn luật đánh giá và luật điều khiển mà ta có nhiều STR khác nhau Thí dụ: bộ điều khển có thể thiết kế theo phƣơng pháp áp đặt cực PPC hoặc điều khiển tối ƣu hoặc cực tiểu biến thiên. Luật đánh giá có thể chọn các luật đánh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn