nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển hệ phi tuyến

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


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ




TÊN ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN”



TRẦN THỊ TUYẾT

Thái Nguyên - 2010




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


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN”

Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ
Học viên : TRẦN THỊ TUYẾT
Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC



TS. Nguyễn Văn Vỳ

HỌC VIÊN



Trần Thị Tuyết

BAN GIÁM HIỆU


KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC





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

1
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của Thầy giáo.TS Nguyễn Văn Vỳ và chỉ tham khảo các tài liệu đã
đƣợc liệt kê.


Tác giả




Trần Thị Tuyết

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

2

MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ

Lời cam đoan
3
Lời mở đầu
9
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi
11
1.1. Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển thích nghi
11
1.2. Đặc điểm chung của hệ Điều khiển thích nghi
12
1.2.1. Định nghĩa

12
1.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi
13
1.2.3. Phân loại
14
1.3. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
17
1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp
18
1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp
18
1.4. Hệ Điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC
20
1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ Điều khiển thích nghi
21
1.6. Hệ thống Điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính
22
1.7. Kết luận chƣơng 1
24
Chƣơng 2: Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
25
2.1. Đặc điểm của hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
25
2.1.1. Sơ đồ cấu trúc MRAC
25
2.1.2. Phân loại MRAC
27
2.1.2.1. Theo quan điểm cấu trúc
27
2.1.2.2. Theo quan điểm ứng dụng

28
2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ MRAC
30
2.2. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo tối ƣu cục bộ
32
2.3. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov
41
2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lý thuyết ổn định tuyệt đối
và nguyên lý dƣơng của hệ thống động
44





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

3
2.5. Kết luận chƣơng 2
51
Chƣơng 3: Tổng hợp hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
hệ truyền động điện một chiều
52
3.1. Đặt bài toán
52
3.2. Tổng hợp MRAC cho hệ truyền động điện một chiều
53
3.2.1. Xây dựng mô hình toán học động cơ điện một chiều
53
3.2.1.1. Chế độ xác lập

53
3.2.1.2. Chế độ quá độ
54
3.2.2. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong vùng
gián đoạn của dòng điện phần ứng
57
3.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ thích nghi cho
động cơ điện một chiều
60
3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
60
3.3.2. Tổng hợp luật điều khiển thích nghi cho mạch vòng tốc độ
62
3.3.3. Tính toán mạch vòng thích nghi
65
3.4. Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ
74
3.5. Xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab – Simulink
77
3.6 Kết quả mô phỏng
78
3.7. Kết luận chƣơng 3
93
KẾT LUẬN CHUNG
93
TÀI LIỆU THAM KHẢO
94

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

4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Ký hiệu
Ký hiệu Ý nghĩa


θ
Véctơ tham số xấp xỉ.

sm
θ,θ
Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng.
V(.) Hàm Lyapunov.
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.
A
m
, B
m
Là ma trận hằng số của mô hình mẫu.
X
m
, X
s
Là các véctơ trạng thái của mô hình mẫu.
u(t) Tín hiệu điều khiển.
x(t) Véctơ trạng thái của hệ.
y(t) Tín hiệu.

2. Chữ viết tắt
ĐKTN Điều khiển thích nghi.
MIT Massachusetts Institute of Technology.
MRAC Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.
MRC Điều khiển theo mô hình mẫu.
STR Điều khiển tụ chỉnh.
SISO Một tín hiệu vào – Một tín hiệu ra.
APPC Điều khiển thích nghi áp đặt cực.
PPC Điều khiển áp đặt cực.

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

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang
Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi
13
Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại
14
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC
15
Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR.
16
Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR.
17
Hình 1.6. Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp
18
Hình 1.7. Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp
19
Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC.
21
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính.
23
Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý
23

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC
26
Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu nối tiếp
27
Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song
27
Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song, nối tiếp
28
Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp
29
Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu gián tiếp
29
Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu
31
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi
35
Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số
j
b


40
Hình 2.10: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số
j
a


41
Hình 2.11: Luật điều khiển trên cơ sở hàm Lyapunop
43

Hình 2.12: Cấu trúc hệ một thông số
44
Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thích nghi theo mô hình trên
44




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

6
cơ sở ổn định tuỵêt đối (thích nghi thông số).
Hình 2.14. Phương pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung U
p2
(t)
45
Hình 2.15: Cấu trúc hệ phản hồi
47
Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi
49
Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi đầy đủ.
50
Hình 3.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập
52
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi
55
Hình 3.3: Sơ đồ khối mô tả mạch vòng dòng điện động cơ
56
Hình 3.4: Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ
56

Hình 3.5: Sơ đồ khối của động cơ điện một chiều trong chế độ dòng
điện gián đoạn
58
Hình 3.6: Các đặc tính I=f(Uđk); I = f(

) ở vùng dòng điện gián đoạn
59
Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá của động cơ điện một chiều
trong vùng dòng điện gián đoạn khi từ thông không đổi (

= const)
59
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
61
Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạch vòng dòng điện đã được biến đổi
61
Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ biến thiên tham số
63
Hình 3.11:Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ĐKTN động cơ điện một chiều

Hình 3.12: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ truyền động điện
74
Hình 3.13. Mô hình động cơ điện một chiều khi chưa có ĐKTN
75
Hình 3.14. Mô hình động cơ điện một chiều khi có ĐKTN
76
Hình 3.15. Mô hình mẫu của đối tượng
76
Hình 3.16. Bộ Điều khiển thích nghi
77

Hình 3.17: Đặc tính ra của hệ khi Mc = 0
78
Hình 3.18. Đặc tính ra của hệ khi M
C
thay đổi nhảy cấp
79
Hình 3.19. Đặc tính ra của hệ khi mômen quán tính thay đổi
80
Hình 3.20. Đặc tính ra của hệ khi mômen quán tính thay đổi
81




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

7
Hình 3.21. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác
82
Hình 3.22. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp
83
Hình 3.23. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên
84
Hình 3.24. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp
85
Hình 3.25. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiê
86
Hình 3.26. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên
87
Hình 3.27. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng sin ngẫu nhiên

88
Hình 3.28. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên
89
Hình 3.29. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng sin có chu kỳ
90
Hình 3.30. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên
91
Hình 3.31. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên
92

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

8

LỜI MỞ ĐẦU
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 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.
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.
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.
Đƣợc sự hƣớng dẫn của Thầy giáo TS. Nguyễn Văn Vỳ, tôi đã tiến hành
nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích
nghi điều khiển hệ phi tuyến”
Kết cấu của luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi
Chương 2: Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
Chương 3: Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu hệ truyền

động điện một chiều






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

9

Đề tài đã đƣợc hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo,
giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin
gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thày giáo-TS Nguyễn Văn Vỳ, ngƣời đã luôn
quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trực tiếp giảng dạy và tập thể các
thày cô trong Khoa sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên đã tạo những điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành khoá học.
Tuy nhiên do kiến thức, khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi
những thiếu sót, vì vậy tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp cho bản luận
văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2010
Tác giả



Trần Thị Tuyết




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

10

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

1.1 - Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực
tế mà các hệ điều khiển tự động truyền thống không thoả mãn đƣợc. Trong các hệ
điều khiển tự động truyền thống, các xử lý điều khiển thƣờng dùng các mạch phản
hồi là chính. Vì vậy chất lƣợng ra của hệ bị thay đổi khi có nhiễu tác động hoặc
tham số của hệ bị thay đổi. Trong hệ ĐKTN cấu trúc và tham số của bộ điều khiển

có thể thay đổi, vì vậy chất lƣợng ra của hệ đƣợc đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định.
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 là có nhiều thông số thay 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 truyển động của Boocman, 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, 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 đƣợc Whitaker đề xuất khi giải quyết
vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm 1958. Phƣơng pháp độ nhạy và luật
MIT đã đƣợc dùng để thiết kế luật thich nghi với mục đích đánh giá các thông số
không biết trƣớc trong sơ đồ MRAC. Thời gian đó việc điều khiển các chuyến bay
do còn tồn tại nhiều hạn chế nhƣ thiếu phƣơng tiện tính toán, xử 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 kỉ 50 và đầu năm 1960. Thập kỉ 60 là thời gian quan trọng nhất trong việc phát
triển các lý thuyết tự động, đặc biệt là lý thuyết ĐKTN. Kỹ thuật không gian trạng




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

11
thái và lý thuyết ổn định dựa theo luật Lyapunov đã đƣợc phát triển. Một loạt các lý
thuyết nhƣ điều khiển đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh
giá thông số…ra đời cho phép tiếp tục phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN.
Vào năm 1966 Park và các đồng nghiệp đã tìm 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 Lyapunov. Tiến bộ của 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 ĐKTN đã đƣợc ứng dụng vào điều
khiển của các hệ thống phức tạp. Tuy nhiên thành công của thập kỉ 70 còn gây
nhiều tranh cãi trong ứng dụng điều khiển thích nghi. Đầu năm 1979 ngƣời ta chỉ ra
rằng những sơ đồ MRAC của thập kỉ 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 động vào hệ thống.
Trong những năm 80 nhiều thiết kế đã đƣợc cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết
ĐKTN bề vững. Một hệ thống ĐKTN đƣợc gọi là bền vững nếu nhƣ nó đảm bảo
chất lƣợng ra cho một số đối tƣợng trong đó có đối tƣợng đang cần xét và trong quá
trình làm việc hệ chịu nhiễu tác động.
Nội dung của bài toán trong ĐKTN là điều khiển những đối tƣợng có thông số
biết trƣớc và biến đổi theo thời gian. Cuối thập kỷ 80 các công trình nghiên cứu về
hệ ĐKTN bền vững, đặc biệt là MRAC cho các đối tƣợng có thông số biến thiên
theo thời gian tuyến tính. Các nghiên cứu của những năm 90 tập chung vào đánh giá
kết quả của các nghiên cứu năm 80 và nghiên cứu các lớp đối tƣợng phi tuyến có
tham số bất định. Những cố gắng này đã đƣợc đƣa ra một số lớp sơ đồ MRAC xuất
phát từ hệ thống phi tuyến.
1.2 - Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi
1.2.1. Định nghĩa




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

12
+
_
u
y
1
2
ITT
S
A
R
Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc của bộ điều
khiển có thế thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lƣợng ra của
hệ đảm bảo các chỉ tiêu đã định trƣớc.
1.2.2. Cấu trúc hệ Điều khiển thích nghi
Cấu trúc tổng quát của hệ ĐKTN đựoc mô tả trên hình 1.1
Hệ gồm hai khối sau:
* Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển bao gồm:
+ Đối tƣợng: S
+ Thiết bị điều khiển: R
+ Mạch phản hồi cơ bản:
- Tín hiều vào của hệ: u
- Tín hiệu ra của hệ: y
* Khối 2: Phần Điều khiển thích nghi bao gồm:
+ Khâu nhận dạng: I
+ Thiết bị tính toán: T.T
+ Cơ cấu thích nghi: A

Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi
Khâu nhận dạng có nhiệm vụ đánh giá các biến đổi của hệ thống do tác dụng của
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 điều chỉnh các thông số bộ điều
khiển nhằm đảm bảo chất lƣợng của hệ nhƣ mong muốn.




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

13
1.2.3. Phân loại
Các hệ ĐKTN đƣợc chia thành hai nhóm chính :
+ Hệ ĐKTN trực tiếp (có mô hình mẫu)
+ Hệ ĐKTN gián tiếp (có mô hình ẩn).
Trong hệ ĐKTN 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 ĐKTN gián tiếp việc điều chỉnh thông số của bộ điều khiển đƣợc
điều khiển qua hai giai đoạn sau:
+ Giai đoạn 1: Đánh giá thông số mô hình đối tƣợng.
+ Giai đoạn 2: Trên cơ sở đánh giá các 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 đặt ra.
Nhƣ vậy vai trò ĐKTN chỉ giới hạn ở chỗ là chọn giá trị thích hợp của bộ điều
khiển tƣơng ứng với các trạng thái làm việc của đối tƣợng.
Hệ ĐKTN có ba sơ đồ chính sau đây:
a. Hệ Điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại
Sơ đồ của hệ đƣợc mô tả trên hình 1.2









Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại

Bé ®iÒu khiÓn
§èi t¦îng
Bé ®iÒu chØnh hÖ
sè khuÕch ®¹i
u
y
m
y




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

14
u
e(t)
+
-
Y
s
m
y
M« h×nh mÉu
Bé ®iÒu khiÓn
§èi t¦îng
c¬ cÊu thÝch nghi
Đây là sơ đồ xây dựng theo nguyên tắc của mạch phản hồi và bộ điều khiển có
thể thay đổi thông số bằng bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại. Đặc điểm của nó có thể
làm giảm ảnh hƣởng của sự biến thiên thông số.
b. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
Mô hình mẫu đƣợc chọn sao cho đặc tính của mô hình mẫu là đặc tính mong
muốn (Hình 1.3). Mô hoặc mẫu chọn càng sát đối tƣợng thì kết quả điều khiển càng
chính xác. Cơ cấu thích nghi có nhiệm vụ hiệu chỉnh sao cho sai số e(t) = y
m
– y
s

tiến về 0 và hệ ổn định.
Tín hiệu vào của mạch vòng thính nghi là sai lệch giữa tín hiệu của mô hình
mẫu và của đối tƣợng.
Tín hiệu điều khiển là sai số giữa tín hiệu ra của mô hình mẫu với tín hiệu của
đối tƣợng. Luật thích nghi thƣờng đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Gradien, lý

thuyết ổn định của Lyapunov hoặc lý thuyết ổn định tuyệt đối của Pôpôp và nguyên
lý dƣơng động để hệ hội tụ và sai số là nhỏ nhất.









Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC
c. Hệ Điều khiển thích nghi tự chỉnh (Self-Tuning-Regulator-STR)
Hệ Điều khiển thích nghi tự chỉnh đƣợc phát biểu 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. Dựa vào thuật toán cập nhật tham số ngƣời ta chia STR
thành 2 loại chính: STR trực tiếp (DSTR) và STR gián tiếp (ISTR).




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

15
Bé ®iÒu khiÓn
§èi t¦îng
u
y
s
TT th«ng sè

0 (t) = F[0(t)]
c
®¸nh gi¸ on-line
tham sè 0(t)
* Hệ Điều khiển thích nghi tự động gián tiếp:
ISTR là hệ tƣờng minh vì các tham số đƣợc đánh giá on-line trên mô hình của
đối tƣợng và dùng để tính toán lại các tham số của bộ điều khiển. Sơ đồ ISTR đƣợc
chỉ ra ở hình 1.4. Gọi

là véc tơ giá trị đánh giá của đối tƣợng.

C
là véc tơ đánh
giá tham số của bộ điều khiển, P(

) 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

(t) dùng để tính toán lại bộ điều khiển nhƣ là tham số thật của đối tƣợng thông qua
giải phƣơng trình đại số:

C
(t) = F (

(t)) tại mỗi thời điểm t. Khi đó bộ điều khiển
có luật C (

C
(t)) để điều khiển đối tƣợng nhƣ trƣờng hợp tham số của nó đã biết.
Nhƣ vậy tham số của nó đƣợc biết gián tiếp thông qua việc giải phƣơng trình đại số

nên đƣợc gọi là ISTR.










Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR.
* Hệ Điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp DSTR:
Trong hệ DSTR (Hình 1.5) các tham số của mô hình P (

C
) đƣợc biểu diễn
theo tham số của đối tƣợng sao cho thảo mãn các yêu cầu chất lƣợng. Khi đó mô
hình đƣợc tham số hoá dạng P
C
(

C
) và bộ đánh giá on-line đánh giá các giá trị của
vec tơ tham số

C
là

C

(t) tại thời điểm và giá trị này đƣợc dùng để cập nhật lại
tham số bộ điều khiển theo thời gian thực.




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

16
u
®¸nh gi¸ on-line
tham sè 0(t)
y
s
§èi t¦îng
Bé ®iÒu khiÓn
Nhƣ vậy tham số của bộ điều khiển đƣợc tính toán trực tiếp không phải qua
giải phƣơng trình. Vì vậy mà DSTR là kiểu đánh giá mô hình đối tƣợng không qua
tƣờng minh.








Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR.
* Hệ thích nghi tự chỉnh lai:
Kết hợp cả hai 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
phƣơng trình đại số. Đây là hệ thích nghi tự chỉnh nhằm kết hợp ƣu điểm của cả hai
hệ trên.
1.3. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
MRAC (model reference adaptive control) xuất phát từ phƣơng trình điều
khiển theo mô hình mẫu (MRC). Trong phƣơng pháp điều khiển theo mô hình mẫu
nếu ta không biết vectơ tham số của đối tƣợng


*
thì ta không thể tính đƣợc vectơ
tham số của bộ điều khiển

C
*
. Do đó phƣơng pháp điều khiển theo mô hình mẫu
chỉ áp dụng đƣợc với đối tƣợng có thông số và cấu trúc biết trƣớc.
Để giải quyết đƣợc bài toán điều khiển theo mô hình mẫu với đối tƣợng có
thông số thay đổi và cấu trúc không biết trƣớc thì phƣơng pháp điều khiển trên cần
kết hợp với phƣơng pháp ĐKTN để thay thế

C
*
trong luật điều khiển bằng vec tơ
thông số đánh giá

C
. Từ đó xuất hiện phƣơng pháp điều khiển thích nghi theo mô
hình mẫu (MRAC).
Theo cách thu đƣợc vectơ


(t), MRAC có hai phƣơng pháp:




S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

17
Bộ điều khiển
C(0 )
u
Đối tƯợng
G (P,0*) => G (P,0*C)
y
c
s s
Bộ xác định tham
số làm việc 0*
M
Mô hình mẫu
W (s)
y
m
e(t)
+
_
c
1.3.1. Phng phỏp MRAC trc tip
S MRAC trc tip c ch ra trờn hỡnh 1.6

Hỡnh 1.6. S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu trc tip
Trong phng phỏp MRAC trc tip, thụng s ca b iu khin

C
(t) cn xỏc
nh theo yờu cu v cht lng ca i tng iu khin v biu din di dng
tham s trong mụ hỡnh i tng iu khin : G
S
(p,


*
) G
S
(p,

C
*
)
Ti mi thi im b ỏnh giỏ s tớnh trc tip

C
*
(t) t tớn hiu vo u
S
(t) v
tớn hiu ra y
S
(t) ca i tng iu khin. Thụng s

C
*
(t) s c s dng tớnh
toỏn cỏc thụng s ca b iu khin

C
(t).
Trong phng phỏp MRAC trc tip vect

C
(t) c iu chnh trc tip m
khụng phi qua quỏ trỡnh ỏnh giỏ thụng s ca i tng thc. Nh vy vn c
bn ca MRAC trc tip l chn lut iu khin C(

C
(t)) v thut toỏn ca b ỏnh
giỏ

C
(t) sao cho tho món yờu cu cht lng ca h thng iu khin.

1.3.2. Phng phỏp MRAC giỏn tip
Trong phng phỏp ny mụ hỡnh i tng c xõy dng vi vec t tham s


*
cha xỏc nh no ú. Ti mi thi im ng vi mi tớn hiu vo u(t) v tớn
hiu ra y
S
(t) b ỏnh giỏ thụng s lm vic s cho ra giỏ tr

(t) ng vi

*
v c




S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

18
Bộ điều khiển
C(0 )
u
Mô hình mẫu
W (s)
M
m
y
_

+
c
Bộ xác định tham
số làm việc 0*
c
Đối tƯợng
c
Bộ tính toán
0 (t) = F[0(t)]
Y
s
coi l giỏ tr ỳng vi i tng ti thi im ú v s dng giỏ tr ú tớnh toỏn
cỏc thụng s b iu khin

C
(t) nh gii phng trỡnh

C
(t) = F (

(t)) (Hỡnh 1.7).
Trong MRAC giỏn tip cỏc thụng s ca i tng c nhn bit trong quỏ
trỡnh lm vic v c s dng tớnh toỏn thụng s ca b iu khin. Lut iu
khin C (

C
(t)) c xõy dng mi thi im phi tho món cỏc ch tiờu ca h
ng vi mụ hỡnh ỏnh giỏ ca i tng G
S
(p,

*
(

t)). Nh vy vn chớnh ca
MRAC giỏn tip l chn lut iu khin C (

C
(t)) v b ỏnh giỏ cỏc tham s

(t),
sao cho C (

C
(t)) ỏp ng c cỏc yờu cu ca mụ hỡnh i tng G
S
(

*
) vi

*

cha xỏc nh.

Hỡnh 1.7. S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu giỏn tip
H MRAC cú th nh mt h bỏn thớch nghi, trong ú c tớnh mong mun
c to ra t mụ hỡnh mu.
Mụ hỡnh mu l mt mụ hỡnh toỏn hc c xõy dng trờn c s cỏc tiờu
chun t trc. Trong trng hp ny, vic so sỏnh gia tớn hiu t trc vi tớn
hiu u ra ca h, chớnh l so sỏnh gia tớn hiu ra ca mụ hỡnh mu vi tớn hiu ra
ca quỏ trỡnh.
Mụ hỡnh mu c mụ t bi phng trỡnh:

.
m
X
= A
m
X
m
+ B
m
U




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

19

m
Y
= A
m
X
m
+ B
m
U
Hệ thống đƣợc mô tả bởi phƣơng trình:

.
s
X
= A
s
(t).X
s
+ B
s
(t).U

s
Y
= C.X
s

Trong đó:
X

m
, X
s
: Là các vectơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình.
A
m
, B
m
: Là các 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.
Y
m
, Y
s
: Là các vectơ tín hiệu ra của mô hình và của hệ thống.
Sai lệch tín hiệu ra là:


= Y
m
– Y
s
= C.e (1.3)
Với C là ma trận hằng
e = X

m
– X
s
là sai số tổng quát.
Tiêu chuẩn tối ƣu ở đây có thể xem nhƣ một hàm:
IP = F(

, C, t, a
im
, a
ís
)
Trong đó: a
im
, a
is
là các thông số của mô hình và của quá trình.
Một mục tiêu của cơ cấu thích nghi ở đây là điều chỉnh thông số nào đó sao
cho hệ thống mô hình có sai lệch nhỏ nhất, tức là đạt đƣợc.
Lim e(t)  0 và hệ thống ổn định
t  0

1.4. Hệ Điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC
Điều khiển thích nghi áp đặt cực (adaptive pole placement control-APPC) xuất
phát từ hệ điều khiển áp đặt cực (PPC) áp dụng cho các đối tƣợng tuyến tính dừng
có tham số xác định.
Trong điều khiển PPC các yêu cầu chất lƣợng đƣợc chuyển hoá thành các vị
trí mong muốn của các điểm cực của hệ kín. Luật điều khiển có phản hồi sẽ đƣợc

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

20
s
c
r
y
u
Bé ®iÒu khiÓn
C(0* )
§èi t¦îng ®iÒu
khiÓn G (S)
tạo ra để áp đặt các điểm cực của hệ kín vào vùng mong muốn. Cấu trúc của hệ PPC
cho đối tƣợng dạng SISO tuyến tính dừng đƣợc chỉ ra ở Hình 1.8.






Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC

Cấu trúc của hệ điều khiển C (

C
*
) và vectơ tham số (


C
*
) đƣợc chọn sao cho
các điểm cực của hàm truyền hệ kín ( từ r đến y ) phải bằng các giá trị mong muốn.
Vectơ (

C
*
) đƣợc xác định từ phƣơng trình đại số:


C
*
= F(


*
)
Trong đó vectơ


*
là vectơ các hệ số của hàm truyền đối tƣợng G(s).
Nếu biết

*
tính đƣợc thì

C
*

theo (Hình 1.7) và đƣa vào luật điều khiển. Nếu
không xác định đƣợc

*
thì cũng không xác định đƣợc

C
*
và sơ đồ PPC không thể
thực hiện đƣợc. Trong trƣờng hợp này ngƣời ta xử lý các tham số chƣa biết bằng
cách thay vectơ

C
*
bằng giá trị đánh giá

(t) của nó. Đây chính là sơ đồ điều khiển
thích nghi áp đặt cực APPC. Tuỳ theo cách thu đƣợc đánh giá

C
(t) mà điều khiển
thích nghi áp đặt cực đƣợc chia thành APPC trực tiếp và APPC gián tiếp.
1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ Điều khiển thích nghi
Hiện nay kỹ thuật ĐKTN đã đƣợc sử dụng có kết quả trong nhiều lĩnh vực
khác nhau. Đặc biệt đƣợc ứng dụng ở lĩnh vực mà thông số của đối tƣợng biến thiên
theo thời gian nhƣ:
+ Xử lý các vật liệu thô trong các máy nghiền, máy trộn.
+ Điều khiển lò sấy và xử lý nhiệt độ.
+ Điều khiển lò xi măng.
+ Điều khiển các hệ thống sản xuất hoá chất, rƣợu, bia.

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

21
+ Điều khiển tầu thuỷ, máy bay.
+ Điều khiển các hệ thống năng lƣợng, vũ khí.
+ Điều khiển các rôbốt công nghiệp (tay máy, ngƣời máy…).
Hệ thống ĐKTN có ƣu điểm sau về hiệu quả kinh tế kỹ thuật là cải thiện chất
lƣợng sản phẩm, gia tăng sản lƣợng, tiết kiệm năng lƣợng, giảm thời gian bảo
dƣỡng, phát hiện sớm hỏng hóc, luận chứng kinh tế vững chắc.
Bên cạnh những ƣu điểm trên thì ĐKTN còn có nhƣợc điểm là số lƣợng tính
toán lớn. Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử,
máy tính…cho phép giải đƣợc những bài toán đó thuận lợi nên các hệ thống ĐKTN
ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và có hiệu quả vào thực tế.
Trong những năm gần đây các hệ thống ĐKTN theo mô hình mẫu và các hệ tự
chỉnh đã đạt đƣợc nhiều kết quả. Từ các luật điều khiển hiện đại đã tạo ra nhiều bộ
điều khiển theo chƣơng trình cho các hệ truyền động điện tự động.

1.6. Hệ thống Điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính
Trong hệ thống ĐKTN ngƣời ta phải dùng bộ điều khiển tự chỉnh có thể tự
thay đổi thích nghi với sự biến đổi thông số của đối tƣợng do nhiễu tác động. Máy
tính là một bộ điều khiển tự chỉnh lý tƣởng vì nó cùng một lúc có thể thực hiện
đƣợc nhiều chức năng nhƣ: thu thập dữ liệu, đánh giá thông số cơ cấu thích nghi,
tính toán thông số thiết bị tự chỉnh, đƣa tín hiệu điều khiển hệ thống.
Phần lớn các đối tƣợng là hệ liên tục vì vậy khi dùng máy tính làm bộ điều
khiển tự chỉnh ta phải có các bộ phận ghép nối.
Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính đƣợc trình bày ở

hình 1.9.
Trong sơ đồ trên khối A/D và D/A là hai bộ biến đổi từ tín hiệu liên tục sang
rời rạc và ngƣợc lại, nó đóng vai trò một bộ ghép nối.





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

22
Bé ®iÒu chØnh th«ng sè
u(t)
u(k)
e(k)
e(t)
Qu¸ tr×nhD/A + HOZ
M¸y
tÝnh
A/D
r(t)
_
+
y(k)
r(t)
A/D
M¸y
tÝnh
D/A + HOZ Qu¸ tr×nh
e(t)

y(t)
u(k)
u(t)
§èi t¦ îng d¦íi d¹ng sè









Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính.


Từ sơ đồ nguyên lý trên nếu thông số của đối tƣợng đƣợc gián đoạn hoá thành
tín hiệu số thì sơ đồ nguyên lý của hệ có dạng nhƣ hình 1.10.









Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý

Trong sơ đồ này đối tƣợng đã đƣợc gián đoạn hoá thành đối tƣợng nhờ bộ

biến đổi A/D.
Bộ biến đổi D/A vẫn làm nhiệm vụ của bộ biến đổi tín hiệu số từ máy tính
sang là u(k) thành tín hiệu liên tục là u(t) đƣa vào đối tƣợng.




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

23
Tín hiệu vào và tín hiệu ra đều dƣới dạng tín hiệu số đƣợc tổng hợp với nhau
rồi đƣa trực tiếp vào máy tính. Tín hiệu ra của máy tính qua bộ biến đổi D/A sẽ
đƣợc đƣa vào điều khiển đối tƣợng hoàn toàn tƣơng tự sơ đồ trên. Còn bộ biến đổi
A/D ở đây đƣợc mắc sau đối tƣợng với mục đích là gián đoạn hoá đối tƣợng thành
tín hiệu rời rạc để đƣa vào máy tính.
Phƣơng pháp này có thuận lợi cho việc điều khiển máy tính vì nó cho phép
tổng hợp trực tiếp dƣới dạng đảo các thuật toán về điều khiển trên máy tính. Điều
này rất quan trọng khi các phần tử của hệ thống điều khiển thích nghi là phi tuyến.
1.7. Kết luận chƣơng 1
Điều khiển thích nghi là phƣơng pháp điều khiển hiện đại có nhiều ƣu điểm
nên đƣợc áp dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp trong thực tế.
Điều khiển thích nghi có nhiều phƣơng pháp. Trong thời gian gần đây các
phƣơng pháp Điều khiển thích nghi phát triển và hoàn thiện với tốc độ nhanh đặc
biệt các hệ thống Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu và các hệ tự chỉnh đã đạt
đƣợc nhiều kết quả. Để minh chứng cho điều đó tôi nghiên cứu hệ Điều khiển thích
nghi theo mô hình mẫu MRAC.