Nghiên Cứu Lý Thuyết Điều Khiển Thích Nghi Ứng Dụng Cho Hệ Truyền Động Quấn Băng Vật Liệu

Header Page 1 of 126.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG
CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2012

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 1 of 126.

/>

Header Page 2 of 126.
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH
NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN
BĂNG VẬT LIỆU
Học viên

: Nguyễn Thị Bích Thủy

Lớp

: CH - K13

Chuyên ngành

: Tự động hóa

CB hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Văn Vỵ

BAN GIÁM
HIỆU

KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 2 of 126.

CB HƯỚNG DẪN

KHOA HỌC

HỌC VIÊN

TS. Nguyễn Văn Vỵ

Nguyễn Thị Bích Thủy

/>

Header Page 3 of 126.

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn là của riêng tôi làm
theo định hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Vỵ, không sao
chép của ngƣời khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Bích Thủy

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 3 of 126.

/>

Header Page 4 of 126.
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH
NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN
BĂNG VẬT LIỆU
Học viên

: Nguyễn Thị Bích Thủy

Lớp

: CH - K13

Chuyên ngành

: Tự động hóa

CB hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Văn Vỵ

BAN GIÁM

HIỆU

KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 4 of 126.

CB HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC

HỌC VIÊN

TS. Nguyễn Văn Vỵ

Nguyễn Thị Bích Thủy

/>

Header Page 5 of 126.

ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tâm và nghiêm khắc
của TS. Nguyễn Văn Vỵ. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy đã
tận tình hƣớng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành luận văn
này, cũng nhƣ việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời
gian làm luận văn.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử và Khoa
Điện Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện
giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài.
Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu,
Khoa Sau Đại học Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã
cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Bích Thủy

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 5 of 126.

/>

Header Page 6 of 126.

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................ vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................ 1
2. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
3. Nội dung của luận văn................................................................................... 2

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI.. 4
1.1. Lịch sử phát triển của hệ diều khiển thích nghi ......................................... 4
1.2. Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi ................................ 6
1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................... 6
1.2.2. Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi ........................................................... 6
1.2.3. Phân loại .................................................................................................. 7
1.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuyếch đại ...................... 7
1.2.3.2. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)........................ 8
1.2.3.3. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR). ............................................ 8
1.3. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) ............................ 10
1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp .............................................................. 11
1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp .............................................................. 12
1.4. Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực - APPC ........................................... 14
1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi ..................... 15
1.6. Hệ thống điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính ............................ 15
1.7. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................... 17
CHƢƠNG 2. HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU .... 19
2.1. Đặc điểm của hệ MRAC .......................................................................... 19
2.1.1. Sơ đồ cấu trúc MRAC ........................................................................... 19
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 6 of 126.

/>

Header Page 7 of 126.

iv

2.1.2. Phân loại MRAC ................................................................................... 21

2.1.2.1. Quan điểm cấu trúc ............................................................................ 21
2.1.2.2. Theo quan điểm ứng dụng.................................................................. 22
2.1.3. Nguyên lí làm việc của hệ MRAC ........................................................ 24
2.2. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo thuyết tối ƣu cục bộ ....................... 26
2.3. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov ............................... 35
2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lí thuyết ổn định tuyệt đối và
nguyên lí dƣơng của hệ thống động ................................................................ 38
2.5. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................... 44
CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP MRAC CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
QUẤN BĂNG VẬT LIỆU ............................................................................ 46
3.1. Hệ truyền động quấn băng vật liệu .......................................................... 46
3.1.1. Quá trình hoạt động của hệ tháo - quấn dây ......................................... 47
3.1.2 Kết cấu cơ khí của bộ phận quấn dây .................................................... 48
3.1.3. Yêu cầu công nghệ của cơ cấu quấn dây .............................................. 49
3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................... 50
3.2. Mô tả toán học đối tƣợng điều khiển ....................................................... 51
3.2.1. Mô tả toán học ở chế độ xác lập ........................................................... 52
3.2.2. Mô tả toán học ở chế độ quá độ ............................................................ 53
3.2.2.1. Mô tả chung........................................................................................ 53
3.2.2.2. Mô tả khi từ thông của động cơ không đổi. ( = const) .................... 54
3.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển ................................................................. 55
3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện............................................................ 55
3.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.................................................................. 58
3.3.3. Tính toán mạch vòng thích nghi ........................................................... 61
3.4. Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ .............................................................. 66
3.5. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................... 68
CHƢƠNG 4. KIỂM NGHIỆM CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ................. 70
4.1. Mục đích, phƣơng pháp và nội dung kiểm nghiệm ................................. 70
4.1.1. Mục đích ................................................................................................ 70
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 7 of 126.

/>

Header Page 8 of 126.

v

4.1.2. Phƣơng pháp đánh giá ........................................................................... 70
4.1.3. Nội dung ................................................................................................ 70
4.2. Tính toán các tham số của bộ điều khiển ................................................. 70
4.3. Sơ đồ mô phỏng Matlab-Simulink ........................................................... 73
4.4. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 76
4.5. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................... 85
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 87

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 8 of 126.

/>

Header Page 9 of 126.

vi

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU

Ký hiệu
θ
θ m , θs

V(.)
AS(t), BS(t)
Am, Bm
Xm, Xs
u(t)
x(t)
y(t)

Ý nghĩa
Véctơ tham số xấp xỉ
Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng.
Hàm Lyapunov.
Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của
nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống.
Là ma trận hằng số của mô hình mẫu.
Là các véctơ trạng thái của mô hình mẫu.
Tín hiệu điều khiển.
Véctơ trạng thái của hệ.
Tín hiệu.

CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

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 tự 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

Footer Page 9 of 126.

/>

Header Page 10 of 126.

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi ......................... 6
Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuyếch đại .......................................... 7
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC ................. 8
Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR .......................................... 9
Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR ....................................... 10
Hình 1.6. Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp ................ 11
Hình 1.7. Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp ............... 12
Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC .......................................................................... 14
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính .......... 16
Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý................................................. 16
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC...................... 20
Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu nối tiếp...................................... 21
Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song.................................. 21
Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song, nối tiếp ................... 22
Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp....................................... 23
Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu gián tiếp ...................................... 23
Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu ..................................................... 25
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi ............................................................... 30

Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số b j ............................................ 34
Hình 2.10: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số a j .......................................... 34
Hình 2.11: Luật điều khiển trên cơ sở hàm Lyapunop ................................... 37
Hình 2.12: Cấu trúc hệ một thông số .............................................................. 37
Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc MRAC trên cơ sở ổn định tuyệt đối ..................... 38
Hình 2.14. Phƣơng pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung Up2(t) ............................. 39
Hình 2.15: Cấu trúc hệ phản hồi ..................................................................... 41
Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi ................................................ 42
Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi đầy đủ..................................... 43
Hình 3.1: Sơ đồ động học của cơ cấu tháo - quấn dây.................................... 46
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 10 of 126.

/>

Header Page 11 of 126.

viii

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tháo - quấn dây .................................. 47
Hình 3.3: Cơ cấu quấn dây .............................................................................. 48
Hình 3.4: Quy luật thay đổi tốc độ của động cơ.................................................. 49
Hình 3.5. Sơ đồ thay thế của động cơ một chiều kích từ độc lập ................... 51
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi .... 54
Hình 3.7: Sơ đồ khối mô tả mạch vòng dòng điện động cơ .......................... 55
Hình 3.8: Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ .................................................. 55
Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện .............................................. 56
Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạch vòng dòng điện đã đƣợc biến đổi 57
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc hệ biến thiên tham số ........................................... 58

Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ĐKTN cho cơ cấu quấn dây ............ 67
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống ................................... 74
Hình 4.2. Mô hình hệ thống khi chƣa có ĐKTN ............................................ 75
Hình 4.3 . Mô hình hệ thống khi có ĐKTN .................................................... 75
Hình 4.4. Mô hình mẫu của đối tƣợng ............................................................ 75
Hình 4.5. Bộ điều khiển thích nghi ................................................................. 76
Hình 4.6: Đặc tính ra của hệ khi đƣờng kính cuộn dây và Mc thay đổi ........ 76
Hình 4.7: Đặc tính ra của hệ khi lƣợng đặt và phụ tải thay đổi ..................... 77
Hình 4.8: Đặc tính ra của hệ khi J và Mc thay đổi .......................................... 78
Hình 4.9: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác ............. 79
Hình 4.10: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp ............................ 80
Hình 4.11: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên ......................... 81
Hình 4.12: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên................................... 82
Hình 4.13: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng hình sin có chu kì ........... 83
Hình 4.14: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên.................................. 84

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 11 of 126.

/>

Header Page 12 of 126.

1

MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết của Điều khiển
thích nghi để nâng cao chất lƣợng điều khiển cho đối tƣợng phi tuyến và áp

dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay các bộ điều khiển trong thực tế chủ yếu sử dụng bộ điều khiển
PID. Bộ điều khiển PID với các tham số đƣợc lựa chọn phù hợp nói chung
đáp ứng đƣợc các yêu cầu của đối tƣợng điều khiển là tuyến tính. Tuy nhiên
các hệ thống cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến, có
chứa các tham số không biết trƣớc hoặc chứa các phần tử phi tuyến không thể
hoặc rất khó mô hình hóa trong việc xây dựng hệ thống phƣơng trình vi phân
mô tả hệ. 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. Ngoài ra
trong quá trình làm việc hệ cũng bị nhiễu tác động từ môi trƣờng.
Điều khiển các hệ phi tuyến nói trên các bộ điều khiển PID 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 và chịu ảnh hƣởng của nhiễu từ môi trƣờng, thƣờng đƣợc sử dụng lý
thuyết điều khiển hiện đại nhƣ : điều khiển tối ƣu, điều khiển bền vững
(ĐKBV) và điều khiển thích nghi (ĐKTN)......
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 đó 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.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 12 of 126.

/>

Header Page 13 of 126.

2

Vì những lý do trên việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ĐKTN
vào điều khiển các hệ thực là cần thiết và cần đƣợc tập trung nghiên cứu.
Hệ truyền động quấn băng vật liệu đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế và
là hệ có tính phi tuyến mạnh. Để đáp ứng yêu cầu điều khiển có thể sử dụng
bộ điều khiển thích nghi. Vì vậy tôi chọn hƣớng nghiên cứu là :
“Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền
động quấn băng vật liệu”
3. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn bao gồm những phần sau :
Chương 1 : Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết điều khiển thích nghi .
Nội dung của phần này là tìm hiểu những vấn đề chung về ĐKTN
Chương 2 : Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.
Nội dung của phần này là đi sâu vào phƣơng pháp Điều khiển thích
nghi theo mô hình mẫu, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều khiển cho bài toán ứng
dụng ở Chƣơng 3
Chương 3 : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu
Từ các nghiên cứu lý thuyết tiến hành tổng hợp bộ điều khiển cho đối
tƣợng cụ thể là hệ truyền động quấn băng vật liệu dùng động cơ một chiều.
Chương 4. Kiểm nghiệm, đánh giá chất lƣợng
Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển bằng mô phỏng
nhờ phần mềm MATLAB - SIMULINK
Từ các kết quả thực nghiệm nhận đƣợc ta tiến hành đánh giá nội dung
của phƣơng pháp và rút ra kết luận chung về đề tài.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 13 of 126.

/>

Header Page 14 of 126.

3

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 14 of 126.

/>

Header Page 15 of 126.

4

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 ở
dạng 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 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. 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 sơ 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 tính toán 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 thích 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
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 15 of 126.

/>

Header Page 16 of 126.

5

khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỉ 50 và đầu năm 1966. 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 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 1996 Park và các đồng nghiệp đã tìm phƣong 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
chung nghiên cứu của các nhà khoa học 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 kỉ 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

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 16 of 126.

/>

Header Page 17 of 126.

6

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
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 đƣợc mô tả trên hình 1.1

A

2

u
+

_

TT

I

R

S

y

1

Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi
Hệ gồm hai khối sau:
*Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển bao gồm:
+ Đối tƣợng:
+ Thiết bị điều khiển:

S
R

+ Mạch phản hồi cơ bản:
- Tín hiệu 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

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 17 of 126.

/>

Header Page 18 of 126.

7

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.
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 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:
1.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuyếch đại
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 khuyếch đại. Đặc
điểm của nó có thể làm giảm ảnh hƣởng của sự biến thiên thông số(Hình 1.2)
Bé ®iÒu chØnh hÖ
sè khuyÕch ®¹i

ym

u
Bé ®iÒu khiÓn

y

§èi t¦îng

Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuyếch đại
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 18 of 126.

/>

Header Page 19 of 126.

8

1.2.3.2. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
Mô hình mẫu đƣợc chọn sao cho đặc tính của mô hình mẫu là đặc tính
mong muốn ( Hình 1.3). Mô hình 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) = ym - ys tiến về 0 và hệ ổn định.
Tín hiệu vào của mạch vòng thích 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.

ym
M« h×nh mÉu
+

e(t)

-

u

Bé ®iÒu khiÓn

§èi t¦îng

Ys
c¬ cÊu thÝch nghi

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC
1.2.3.3. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (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

Footer Page 19 of 126.

/>

Header Page 20 of 126.

9

*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
tƣợng.

C

là véc tơ giá trị đánh giá của đối

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.

TT th«ng sè
0c (t) = F[0(t)]

®¸nh gi¸ on-line
tham sè 0(t)

u

ys
Bé ®iÒu khiÓn

§èi t¦îng

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 thỏa mãn các yêu cầu chất lƣợng.
Khi đó mô hình đƣợc tham số hoá dạng PC ( C) và bộ đánh giá on-line đánh

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 20 of 126.

/>

Header Page 21 of 126.

10

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.

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.
*Hệ thích nghi tự chỉnh lại:
Kết hợp cả hai phƣơng pháp trên ta có hệ tự chỉnh thích nghi lại, 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.
®¸nh gi¸ on-line
tham sè 0(t)

u

ys
Bé ®iÒu khiÓn

§èi t¦îng

Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR
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 vec tơ tham số của đối tƣợng
tính đƣợc vec tơ tham số của bộ điều khiển

*
C .

*

thì ta không thể

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.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 21 of 126.

/>

Header Page 22 of 126.

11

gii quyt c bi toỏn iu khin theo mụ hỡnh mu vi i tng
cú thụng s thay i v cu trỳc khụng bit trc thỡ phng phỏp iu khin
*
C

trờn cn kt hp vi phng phỏp KTN thay th
bng vec t thụng s ỏnh giỏ

C.

trong lut iu khin

T ú xut hin phng phỏp iu khin

thớch nghi theo mụ hỡnh mu (MRAC).
Theo cỏch thu c vect

(t), MRAC cú hai phng phỏp:

1.3.1. Phng phỏp MRAC 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 :
GS (p,

*

)

GS (p,

*
C )
*
C (t)

Ti mi thi im b ỏnh giỏ s tớnh trc tip

(t) v tớn hiu ra yS (t) ca i tng iu khin. Thụng s
dng tớnh toỏn cỏc thụng s ca b iu khin

t tớn hiu vo uS
*
C

(t) s c s

C(t).

S MRAC trc tip c ch ra trờn hỡnh 1.6
ym

Mô hình mẫu
WM (s)

+

e(t)

_
y

u

Bộ điều khiển
C(0c )

Đối tƯợng
G s (P,0*) => G s (P,0*C)

Bộ xác định tham
số làm việc 0*
c

Hỡnh 1.6. S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu trc tip
Trong phng phỏp MRAC trc tip vec t

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
S húa bi trung tõm hc liu

Footer Page 22 of 126.

/>

Header Page 23 of 126.

12

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 yS (t) b ỏnh giỏ thụng s lm vic s cho ra giỏ tr
ng vi

*

v c 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
trỡnh

C

(t)

C

(t) nh gii phng

(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 GS (p,

*

t)). Nh vy vn chớnh ca MRAC giỏn tip l chn lut iu khin C (
(t)) v b ỏnh giỏ cỏc tham s
cu ca mụ hỡnh i tng GS(

*

*

) vi

cha xỏc nh.
ym
+
_

Bộ điều khiển
C(0c )

Đối tƯợng

Bộ tính toán
0c (t) = F[0(t)]

Bộ xác định tham
số làm việc 0*c

Ys

Hỡnh 1.7. S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu giỏn tip
S húa bi trung tõm hc liu

Footer Page 23 of 126.

C

(t), sao cho C ( C(t)) ỏp ng c cỏc yờu

Mô hình mẫu
WM (s)

u

(

/>

Header Page 24 of 126.

13

Hệ MRAC có thể 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 đặt trƣớc. Trong trƣờng hợp này, việc so sánh giữa tín hiệu đặt
trƣớc với tín hiệu đầu ra của hệ, chính là so sánh giữa tín hiệu ra của mô hình
mẫu với tín hiệu ra của quá trình.
Mô hình mẫu đƣợc mô tả bởi phƣơng trình:
.

X m = AmXm + BmU
Ym = AmXm + BmU

Hệ thống đƣợc mô tả bởi phƣơng trình:
.

X s = As(t).Xs + Bs(t).U
Ys = C.Xs

Trong đó:
Xm, Xs : Là các vectơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình.
Am, Bm : Là các ma trận hằng của mô hình mẫu.
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.
Ym, Ys : Là các vectơ tín hiệu ra của mô hình và của hệ thống.
Sai lệch tín hiệu ra là:
= Ym - Ys = C.e

(1.3)

Với C là ma trận hằng

e = Xm - Xs là sai số tổng quát.
Tiêu chuẩn tối ƣu ở đây có thể xem nhƣ một hàm:
IP = F( , C, t, aim, ais )
Trong đó: aim, ais 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.
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 24 of 126.

/>

Header Page 25 of 126.

14

Lim e(t)
t

0 và hệ thống ổn định

0

1.4. Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực - APPC
Điều khiển thích nghi áp đặt cực (adaptive pole placement controlAPPC) 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 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.

u

Bé ®iÒu khiÓn
C(0*c )

r

§èi t¦îng ®iÒu
khiÓn G
s (S)

y

Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC
*
C

Cấu trúc của hệ điều khiển 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
*

C

mong muốn. Vectơ (

) đƣợc xác định từ phƣơng trình đại số:
*
C

Trong đó vectơ
Nếu biết

*

*

= F(

*

)

là vectơ các hệ số của hàm truyền đối tƣợng G(s).
*

tính đƣợc thì

khiển. Nếu không xác định đƣợc

C
*

theo (Hình 1.7) và đƣa vào luật điều

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
Số hóa bởi trung tâm học liệu

Footer Page 25 of 126.

/>