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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
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 h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
THÁI NGUYÊN, NĂM 2009
L

u



Ë
n





v ¨
n

Th ¹ c


s
ü

-

3

-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
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 h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
L

u



Ë
n





v ¨
n





Th ¹ c


s
ü

-

4

-

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 h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
L

u



Ë
n





v ¨
n

Th ¹ c


s
ü

-

5

-

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
θ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt

p : //

ww w .

l

r c

- t

nu .

e du . v

n
L

u



Ë
n





v ¨
n





Th ¹ c

s
ü

-

6

-

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
θ

m
,
θ

s
Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng
θ
ˆ
Véc tơ tham số xấp xỉ
~
Sai lệch giữa véc tơ tham số xấp xỉ và véc tơ tham số
Γ
Ma trận chỉnh định thích nghi
DANH MỤC CÁC HÌNH
VẼ

Tên các hình vẽ
Trang
Hình 1.1 Câu truc chung cua hê điêu khiên thich nghi
18
Hình 1.2 Hê ĐKTN điêu chinh 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 ω.
78
Hình 4.13 Véc tơ tham số θ của bộ điều khiển.
79
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 θ
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
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.
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
CH
Ƣ
ƠNG

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 có 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 khó 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 thể hoặc rất
khó mô hình hoá trong việc xây dựng hệ thống
ph
ƣ
ơng
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
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 đƣợc 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
ph
ƣ
ơng
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
ƣ
u
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
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 động 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.
CHƢƠNG
I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
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
l
ƣ
ợng
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
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.
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:
A
TT
I
2
u
R
S
+
_
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
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
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 số khuếch đại.
Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại trên hình 1.2
Bộ điều chỉnh hệ
y
m
số khuếch
đại
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 Y
m
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.
MÔ HÌNH MẪU
y
m
+ e(t)
u
BỘ
ĐIỀU KHIỂN
_
ĐỐI T
Ƣ
ỢNG
Y
s
CƠ CẤU
THÍCH NGHI
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC
định.

Cơ cấu thích nghi có nhiệm vụ hiệu chỉnh sao cho sai số e(t) tiến về 0 và hệ là
ổn
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
giá: on-line
nhƣ
bình
ph
ƣ
ơng
cực tiểu truy hồi,
phƣơng
pháp Građiên (Projection),
phƣơng
pháp xấp xỉ ngẫu nhiên.
Dựa vào thuật toán cập nhật tham số ta chia STR thành 2 loại chính:
+ STR trực tiếp : DSTR
+ STR gián tiếp: ISTR
* Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh gián tiếp ISTR
ISTR là hệ tƣờng minh vì các tham số đƣợc đánh giá on-line trên mô hình
tƣờng
minh của đối
tƣợng
và dùng để tính toán lại các tham số của bộ điều khiển.
Sơ đồ hệ ISTR trên hình 1.4
Gọi θ là véc tơ tham số giá tri đánh giá của đối
tƣợng
θ và θ
C
là véc tơ giá trị
đánh giá tham số của bộ điều khiển
θ

C
.
P(θ) là mô hình tham số hoá của đối tƣợng
Bộ đánh giá tham số on-line xác định tham số đánh giá tại mỗi thời điểm t là
θ(t) đƣợc dùng để tính toán lại bộ điều khiển nhƣ là tham số thật của đối tƣợng
thông qua giải
phƣơng
trình đại số.
θ
C
(t) = F(θ
C
(t)
tại mỗi thời điểm t. Khi đó bộ điều khiển có luật C(θ
C
(t)) để điều khiển đối tƣợng
nhƣ trƣờng
hợp tham số của nó đã biết.
TT thông
số
θ
c(t
)
=
F
(
θ

c
(t

))
Đánh giá on-line
Tham số
θ
(t

)
u
Bộ điều khiển Đối tƣợng
Ys
Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp ISTR
Nhƣ
vậy tham số của nó
đƣợc
biết gían tiếp thông qua việc giải
ph
ƣ
ơng
trình
đại số nên
đƣợc
gọi là ISTR
* Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp DSTR
Trong hệ DSTR (Hình 1.5) các tham số của mô hình P(θ
C
) đƣợc biểu diễn
theo tham số của đối
tƣợng
sao cho thoả mãn các yêu cầu chất lƣợng.
§¸nh gi¸ on-line

tham
sè
θ

(t)
u
Bé ®iÒu khiÓn
§èi t•îng
Ys
Hình 1.5 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp : DSTR
Khi đó mô hình
đƣợc
tham số hoá dạng Pc(θ
C
) và bộ đánh giá on-line đánh
giá các giá trị của véc tơ tham số θ
C
là θ
C
(t) tại mỗi thời điểm và giá trị này dùng để
cập nhật lại tham số bộ điều khiển theo thời gian thực mà không qua bộ tính toán
tham số. Vì vậy mà DSTR là kiểu đánh giá mô hình đối tƣợng không tƣờng minh
(Còn gọi là hệ điều khiển thích nghi không nhận dạng).
Nhƣ
vậy tham của bộ điều khiển
đƣợc
tính toán trực tiếp không phải qua giải
phƣơng
trình.
* Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh lai

Kết hợp cả 2
phƣơng
pháp trên ta có hệ tự chỉnh thích nghi lai, tức là cùng
lúc ta đánh giá cả tham số bộ điều khiển và tham số đối tƣợng nhằm tránh giải
c
phƣơng
trình đại số. Đây là hệ thích nghi tự chỉnh nhằm kết hợp
ƣu
điểm của cả hai
hệ trên.
Trong một số tài liệu
ngƣời
ta gọi hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh STR là
hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực APPC vì hầu hết các bộ điều khiển
đƣợc
thiết kế
theo
phƣơng
pháp áp đặt cực.
1.3 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC).
Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu xuất phát từ phƣơng pháp điều
khiển theo mô hình mẫu.
Trong
ph
ƣ
ơng
pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MRAC), nếu ta không
biết θ
*
thì ta không thể tính

đƣợc
θ
*
c
. Do đó
phƣơng
pháp điều khiển theo mô hình
mẫu (MRAC) chỉ áp dụng
đƣợc
với đối
tƣợng
có thông số và cấu trúc biết
trƣớc
và
không thay đổi.
Để giải quyết bài toán mà đối
tƣợng
có thông số và cấu trúc không biết
tr
ƣ
ớc
hoặc thay đổi thì phƣơng pháp điều khiển theo mô hình cần kết hợp với
ph
ƣ
ơng
pháp điều khiển thích nghi để thay thế θ
*
trong luật điều khiển bằng vector thông
số đánh giá θ
c

. Từ đó ta có
phƣơng
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
(MRAC).
Vector θ(t) có thể thu đƣợc bằng phƣơng pháp đánh giá trực tiếp hoặc
phƣơng
pháp đánh giá gián tiếp, từ đó ta có thể chia
phƣơng
pháp điều khiển thích
nghi theo mô hình mẫu thành hai
phƣơng
pháp :
+
Phƣơng
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp.
+
Phƣơng
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp.
1.3.1.
Ph
ƣ
ơng
pháp MRAC trực tiếp:
Trong
phƣơng
pháp MRAC trực tiếp, thông số của bộ điều khiển θ
c
(t), cần
xác định theo yêu cầu về chất
lƣợng

của đối
tƣợng
điều khiển,
đƣợc
biểu diễn dƣới
dạng tham số trong mô hình đối
tƣợng
điều khiển: GS(p, θ
*
) → GS(p,
θ
c
*
).
c
c
Tại mỗi thời điểm bộ đánh giá sẽ tính toán trực tiếp θ
*
(t) từ tín hiệu vào
uS(t) và tín hiệu ra yS(t) của đối
tƣợng
điều khiển. Thông số θ
*
(t) sẽ
đƣợc
sử dụng
để tính toán các thông số của bộ điều khiển θ
c
(t).
Sơ đồ hệ MRAC trực tiếp

đƣợc
chỉ ra trên hình 1.6
Y
m
MÔ HINH
W
M
(S)
u
BÔ ĐIÊU KHIÊN
C(
θ
C
)
ĐỐI
T
Ƣ
ỢNG
G
S
(s,
θ

* )
⇒

G
S
( s,
θ

*
c
)
y
BÔ XAC ĐINH
THAM SÔ LAM VIÊC θ
*
C
Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp
Phƣơng pháp MRAC trực tiếp vector θ
c
(t) đƣợc điều chỉnh trực tiếp mà
không phải qua quá trình đánh giá thông số của đối
tƣợng
thực.
Nhƣ
vậy vấn đề cơ
bản của MRAC trực tiếp là chọn luật điều khiển C(θ
c
(t)) và thuật toán của bộ đánh
giá θ
c
(t) sao cho thoả mãn yêu cầu chất
lƣợng
của hệ thống điều khiển.
1.3.2.
Ph
ƣ
ơng

pháp MRAC gián tiếp.
Trong phƣơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp các
thông số của đối
tƣợng đƣợc
nhận biết trong quá trình làm việc và
đƣợc
sử dụng để
tính toán các thông số của bộ điều khiển.
Trong
phƣơng
pháp này mô hình đối
tƣợng đƣợc
xây dựng với vector tham
số θ
*
chƣa
xác định nào đó. Tại mỗi thời điểm ứng với mỗi tín hiệu vào u(t) và tín