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




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




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










THÁI NGUYÊN, NĂM 2009
LuËn v¨n Th¹c sü -3-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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







LuËn v¨n Th¹c sü -4-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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
LuËn v¨n Th¹c sü -5-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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











LuËn v¨n Th¹c sü -6-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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
sm

,

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

LuËn v¨n Th¹c sü -7-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên các hình vẽ Trang
Hình 1.1 Cấ u trú c chung củ a hệ điề u khiể n thí ch nghi
18
Hình 1.2 Hệ ĐKTN điề u chỉ nh hệ số khuyế ch đạ i
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
hạn
59
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
hạn.
66
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
LuËn v¨n Th¹c sü -8-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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 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

LuËn v¨n Th¹c sü -9-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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.
LuËn v¨n Th¹c sü -10-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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

LuËn v¨n Th¹c sü -11-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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 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 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
LuËn v¨n Th¹c sü -12-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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 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
LuËn v¨n Th¹c sü -13-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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.










LuËn v¨n Th¹c sü -14-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI















LuËn v¨n Th¹c sü -15-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

LuËn v¨n Th¹c sü -16-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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.
LuËn v¨n Th¹c sü -17-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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:



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

A
TT
I
R
S
2
+
_
u
y
1
LuËn v¨n Th¹c sü -18-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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
LuËn v¨n Th¹c sü -19-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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

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.
Bộ điều chỉnh hệ
số khuếch đại
khuÕch ®¹i

y
m

Bộ điều khiển Đối tƣợng
u
Ys
LuËn v¨n Th¹c sü -20-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên





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
e(t)


MÔ HÌNH MẪU
BỘ
ĐIỀU KHIỂN

ĐỐI TƢỢNG
CƠ CẤU
THÍCH NGHI
u
y

m
Y
s
_
+
LuËn v¨n Th¹c sü -21-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


giá: on-line nhƣ bình phƣơng 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  là véc tơ tham số giá tri đánh giá của đối tƣợng  và 
C
là véc tơ giá trị
đánh giá tham số của bộ điều khiển 
C
.
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) đƣợc 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(
C
(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.


Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp ISTR
u
TT thông số
))(()( tFtc
c



Đánh giá on-line
Tham số
)(t


Bộ điều khiển Đối tƣợng
Ys
Luận văn Thạc sỹ -22-
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn


Nh vy tham s ca nú c bit gớan tip thụng qua vic gii phng trỡnh
i s nờn c gi l ISTR

* H iu khin thớch nghi t chnh trc tip DSTR
Trong h DSTR (Hỡnh 1.5) cỏc tham s ca mụ hỡnh P(
C
) c biu din
theo tham s ca i tng sao cho tho món cỏc yờu cu cht lng.










Hỡnh 1.5 H KTN t iu chnh trc tip : DSTR

Khi ú mụ hỡnh c tham s hoỏ dng Pc(
C
) v b ỏnh giỏ on-line ỏnh
giỏ cỏc giỏ tr ca vộc t tham s
C
l
C
(t) ti mi thi im v giỏ tr ny dựng
cp nht li tham s b iu khin theo thi gian thc m khụng qua b tớnh toỏn
tham s. Vỡ vy m DSTR l kiu ỏnh giỏ mụ hỡnh i tng khụng tng minh
(Cũn gi l h iu khin thớch nghi khụng nhn dng).
Nh vy tham ca b iu khin c tớnh toỏn trc tip khụng phi qua gii

phng trỡnh.

* H iu khin thớch nghi t chnh lai
Kt hp c 2 phng phỏp trờn ta cú h t chnh thớch nghi lai, tc l cựng
lỳc ta ỏnh giỏ c tham s b iu khin v tham s i tng nhm trỏnh gii
Đánh giá on-line
tham số
)(t


Bộ điều khiển
Đối t-ợng
Ys
u
LuËn v¨n Th¹c sü -23-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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 phƣơng pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MRAC), nếu ta không
biết 
*

thì ta không thể tính đƣợc 
*
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 trƣớc
hoặc thay đổi thì phƣơng pháp điều khiển theo mô hình cần kết hợp với phƣơng
pháp điều khiển thích nghi để thay thế 
*
c
trong luật điều khiển bằng vector thông
số đánh giá 
c
. Từ đó ta có phƣơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
(MRAC).
Vector (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. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp:
Trong phƣơng pháp MRAC trực tiếp, thông số của bộ điều khiển 
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, 
*
)  GS(p, 

c
*
).
LuËn v¨n Th¹c sü -24-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Tại mỗi thời điểm bộ đánh giá sẽ tính toán trực tiếp 
c
*
(t) từ tín hiệu vào
uS(t) và tín hiệu ra yS(t) của đối tƣợng điều khiển. Thông số 
c
*
(t) sẽ đƣợc sử dụng
để tính toán các thông số của bộ điều khiển 
c
(t).
Sơ đồ hệ MRAC trực tiếp đƣợc chỉ ra trên hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp

Phƣơng pháp MRAC trực tiếp vector 
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(
c
(t)) và thuật toán của bộ đánh
giá 
c
(t) sao cho thoả mãn yêu cầu chất lƣợng của hệ thống điều khiển.

1.3.2. Phƣơng 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 
*
chƣa xác định nào đó. Tại mỗi thời điểm ứng với mỗi tín hiệu vào u(t) và tín
u
MÔ HÌ NH
W
M
(S)

BỘ ĐIỀ U KHIỂ N
C(

C
)


ĐỐI TƢỢNG
G
S
(s,*) G
S
(s,*
c
)


BỘ XÁ C ĐỊ NH
THAM SỐ LÀ M VIỆ C 
*
C

y
Y
m
LuËn v¨n Th¹c sü -25-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


hiệu ra y
S
(t) bộ đánh giá thông số làm việc sẽ cho ra giá trị (t) ứng với 
*

và đƣợc
coi là giá trị đúng của đối tƣợng tại thời điểm đó và sử dụng giá trị đó để tính toán
các thông số bộ điều khiển 
c
(t) nhờ giải phƣơng trình: 
c
(t) = F((t)).












Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp

Luật điều khiển C(
c
(t)) đƣợc xây dựng ở mỗi thời điểm phải thoả mãn các
chỉ tiêu của hệ thống ứng với mô hình đánh giá của đối tƣợng G
S
(p, (t)). Nhƣ vậy
vấn đề chính của MRAC gián tiếp là chọn luật điều khiển C(
c
(t)) và bộ đánh giá

các tham số (t), cũng nhƣ phƣơng trình 
c
(t) = F((t)) sao cho C(
c
(t)) đáp ứng
đƣợc các yêu cầu của mô hình đối tƣợng G
S
(
*
) với 
*
chƣa xác định.

Nguyên lý làm việc MRAC
Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu có thể coi nhƣ một hệ bán thích
nghi, trong đó đặc tính mong muốn đƣợc tạo ra từ mô hình mẫu. Mô hình mẫu là
một mô hình toán học đƣợc xây dựng trên cơ sở các tiêu chuẩn chất lƣợng đặt
trƣớc. Trong trƣờng hợp này, việc so sánh giữa tín hiệu đặt trƣớc với tín hiệu đầu ra
MÔ HÌ NH
W
M
(S)
BỘ ĐIỀ U KHIỂ N
C(

C
)

ĐỐI TƢỢNG

y
p

B
Ộ
X
Á
C
ĐỊ
N
H
T
H
A
M
SỐ
LÀ
M
VI
ỆC

*

BỘ TÍ NH TOÁ N

C
(t) = F[

(T)]

u
y