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

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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

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

HỌC VIÊN

TS. Nguyễn Văn Vỳ

Trần Thị Tuyết

BAN GIÁM HIỆU

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

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

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

44

và nguyên lý dƣơng của hệ thống động

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

52

hệ truyền động điện một chiều
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

57

gián đoạn của dòng điện phần ứng
3.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ thích nghi cho

60

động cơ điện một chiều
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


θ

Ý nghĩa
Véctơ tham số xấp xỉ.

θ m , θs

Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng.

V(.)

Hàm Lyapunov.

AS(t), BS(t)

Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động

của nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống.

Am, Bm

Là ma trận hằng số của mô hình mẫu.

Xm, Xs

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


40

Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số b j


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

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 Up2(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

58

điện gián đoạn
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

59

trong vùng dòng điện gián đoạn khi từ thông không đổi ( = const)
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 MC 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




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....