Xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi bền vững cho các đối tượng công nghệ nhiệt điện

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Lê Phấn Dũng

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG
CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh

Hà Nội – Năm 2011

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
1/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

Trang
TRANG PHỤ ĐỂ ...…………………………………………………………………1
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 8
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI .................................... 14
1.1.

Những vấn đề chung về hệ điều khiển thích nghi.............................................. 14

1.1.1. Lịch sử phát triển hệ ĐKTN .................................................................... 14
1.1.2. Khái niệm chung về điều khiển thích nghi .............................................. 16
1.1.2.1. Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số ....................................... 17
1.1.2.2. Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi ....................................... 18
1.2.

Những tồn tại của hệ điều khiển thích nghi......................................................... 20

1.3.

Điều khiển bền vững.................................................................................................. 21

2.1.

Nhận dạng đối tượng bất định ................................................................................. 25

2.1.1. Phương pháp mô hình hoá đối tượng không đổi ..................................... 25
2.1.2. Đối tượng bất định và phương pháp mô hình hoá ................................... 27

2.1.2.1. Mô hình bất định phi cấu trúc kiểu đĩa tròn và nguyên tắc xử lý số
liệu
........................................................................................................... 27
2.1.2.2. Mô hình hoá “nhân” bất định ............................................................ 30
2.1.3. Các phương pháp và tiêu chuẩn đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống .. 33
2.1.3.1. Miền nghiệm đặc tính và khái niệm dự trữ ổn định theo chỉ số dao
động ........................................................................................................... 33
2.1.3.1.1. Miền nghiệm đặc tính ............................................................... 33
2.1.3.1.2. Khái niệm dự trữ ổn định theo chỉ số dao động ........................ 35
2.1.3.1.3. Chỉ số dao động mềm và đặc tính mềm .................................... 38
2.1.3.2. Điều kiện đảm bảo dự trữ ổn định hệ thống theo đường biên mềm . 41
2.1.3.3. Tiêu chuẩn Nyquisst mở rộng theo đặc tính mềm ............................ 42
2.1.3.4. Tiêu chuẩn Parabol theo đặc tính mềm ............................................. 43
2.1.3.5. Điều kiện đủ của tiêu chuẩn Parabol................................................. 43
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
2/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2.2.

Bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao ............................................................... 45

2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển ........................................................................... 45
2.2.2. Bộ điều chỉnh bền vững tối ưu lý tưởng .................................................. 47
2.2.3. Bộ điều chỉnh bền vững thực tế, tối ưu cho kênh điều khiển đặt ............ 48
2.2.4. Tối ưu hoá tham số hệ thống điều khiển ................................................. 51

2.2.5. Đặc tính mềm xấu nhất và phương pháp xác định .................................. 53
2.2.5.1. Đối tượng bất định và đặc tính xấu nhất ........................................... 53
2.2.5.2. Công thức xác định đặc tính mềm xấu nhất ...................................... 54
2.3.

Bài toán tối ưu hoá hệ bất định và thuật giải....................................................... 56

2.4.

Nguyên lý thích nghi bền vững [4,5] .................................................................... 58

2.4.1. Phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng đang làm việc .................... 58
2.4.2. Nguyên lý hiệu chỉnh thích nghi bền vững [4] ........................................ 59
Chương 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN HƠI QUÁ NHIỆT ............................... 64
3.1.

Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt ........................................................ 64

3.1.1. Tầm quan trọng của việc đảm bảo ổn định nhiệt độ hơi quá nhiệt.......... 64
3.1.2. Các nguyên nhân làm thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt ............................ 64
3.1.3. Các phương pháp điều chỉnh hơi quá nhiệt ............................................. 65
3.1.3.1. Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng giảm ôn .............................. 66
3.1.3.2. Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt bằng cách điều chỉnh đường
khói
........................................................................................................... 67
3.2. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi mới tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở
rộng 1 ......................................................................................................................................... 67
3.2.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống quá nhiệt Nhà máy ........................................ 67
3.2.1.1. Bộ quá nhiệt bức xạ........................................................................... 69
3.2.1.2. Bộ quá nhiệt mành. ........................................................................... 69

3.2.1.3. Bộ quá nhiệt đối lưu .......................................................................... 70
3.2.2. Nguyên lý điều khiển bộ quá nhiệt Nhà máy .......................................... 71
3.3.

Tổng hợp hệ thống hơi quá nhiệt cho Nhà máy ................................................. 72

3.3.1. Nhận dang đối tượng bộ quá nhiệt .......................................................... 73
3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển ........................................................................... 79
3.3.3. Đánh giá chất lượng điều chỉnh ............................................................... 82
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
3/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 85

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
4/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, nội dung luận văn này là do tôi làm theo sự hướng dẫn của

PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh. Không sao chép bất kỳ của ai hay nội dung của
đề tài nào đã được công bố.
Các số liệu thu thập tại nhà máy nhiệt điện Uông Bí được đưa ra trong luận văn là
hoàn toàn trung thực. Các kết quả tính toán đưa ra trong luận văn chưa từng được
công bố.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ công nhân viên tại nhà máy nhiệt điện Uông
Bí Mở rộng 1, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình khảo sát và lấy số liệu tại nhà
máy.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng
dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Học viên

Lê Phấn Dũng

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
5/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐKTN

Điều khiển thích nghi

MARC

Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

ĐKBV

Điều khiển bền vững

ĐKTNBV

Điều khiển thích nghi bền vững

MIT

Massachusetts Institute of Technology

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
6/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Tiến độ thực hiện các nhà máy nhiệt điện tại miền Bắc .............................. 10 

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
7/85

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số ................................................ 18 
Hình 1.2 Bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi ........................................... 19 
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển................................................................. 21 
Hình 2.1. Mô hình bất định kiểu đĩa tròn. ................................................................. 28 
Hình 2.2. Đường bao đối với các bán kính (khoảng cách điểm) giữa đặc tính biến
thiên bất định và đặc tính cơ sở................................................................................. 32 
Hình 2.3. Sự phân bố các nghiệm phương trình đặc tính trên mặt phẳng phức ....... 35 
Hình 2.4. Nghiệm đặc tính bên trái và góc quay của véc tơ con .............................. 37 
Hình 2.5. Sự biến thiên của chỉ số dao động mềm theo tần số, ứng với các hệ số
mềm hoá .................................................................................................................... 39 
Hình 2.6. Đường biên mềm các nghiệm đặc tính ..................................................... 39 
Hình 2.7. Đặc tính mềm của hệ hở............................................................................ 41 
Hình 2.8. Nghiệm đặc tính bên trái đường biên mềm và góc quay của các véc tơ con
................................................................................................................................... 41 
Hình 2.9. Đồ thị đánh giá dự trữ ổn định theo điểm cắt cao nhất giữa đặc tính mềm
và parabol .................................................................................................................. 44 
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển. ................................. 47 
Hình 2.11 Đặc tính mềm của hệ hở với hàm truyền ................................................. 50 
Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển hệ một vòng................................................................. 51 
Hình 2.13 Mô hình biến thiên kiểu đĩa tròn của đối tượng bất định. ........................ 54 
Hình 2.16. Các dải bất định của đối tượng .............................................................. 60 
Hình 3.1. Đặc tính điều chỉnh của thiết bị hơi quá nhiệt. ......................................... 65 
Hình 3.2. Cấu tạo bộ phun nước giảm ôn. ................................................................ 66 
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống quá nhiệt của Nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng 1 ... 68 
Hình 3.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi mới. .................................... 72 
Hình 3.6. Đặc tính thời gian của nhiệt độ sau quá nhiệt cấp 3 ở các phụ tải khác

nhau. .......................................................................................................................... 74 
Hình 3.7. Đặc tính thời gian của lưu lượng nước phun giảm ôn .............................. 75 
Hình 3.8. a, Thông số nhận dạng đối tượng; b, Sai số mô hình với số liệu thực tế. . 76 
Hình 3.9. a, Thông số nhận dạng đối tượng; b, Sai số mô hình với số liệu thực tế. . 76 
Hình 3.10. a, Thông số nhận dạng đối tượng cơ sở; b, Sai số mô hình với số liệu
thực tế của đối tượng cơ sở. ...................................................................................... 77 
Hình 3.11. Mô hình hóa nhân bất định. .................................................................... 78 
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
8/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Hình 3.12. 1, Đặc tính mềm của hệ hở; 2, Đặc tính mềm của hệ hở ở đặc tính xấu
nhất. ........................................................................................................................... 79 
Hình 3.13. Đặc tính quá độ của hệ thống. ................................................................. 80 
Hình 3.14: 1, Đặc tính mềm của hệ hở sau khi tối ưu hóa lại; 2, Đặc tính mềm của
hệ hở ở đặc tính xấu nhất sau khi tối ưu hóa lại........................................................ 81 
Hình 3.15: 1, Đặc tính quá độ của hệ thống; 2, Đặc tính quá độ của hệ thống ở chế
độ xấu nhất. ............................................................................................................... 82 

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
9/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỞ ĐẦU
Những năm gần đây lý thuyết điều khiển hiện đại đã được ứng dụng
rộng rãi trong thực tế trong đó có điều khiển thích nghi. Đặc biệt là điều khiển
thích nghi cho các hệ phi tuyến. 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 đổi theo thời
gian. Tuy nhiên trong thực tế các giả thiết đó không đáp ứng được, vì vậy hệ điều
khiển thích nghi (ĐKTN) là không bền vững. Để ứng dụng ĐKTN điều khiển các
hệ thực trong thực tế, việc nâng cao tính bền vững cho hệ ĐKTN là một yêu cầu rất
cần thiết.
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, lĩnh vực năng
lượng đang được Nhà nước và Chính phủ hết sức coi trọng. Tình trạng thiếu điện
diễn ra thường xuyên trong những năm gần đây và dự báo trong tương lai gần tình
trạng này vẫn chưa thể chấm dứt. Trong tổng sơ đồ điện VII mới được Thủ tướng
phê duyệt thì xây dựng Nhà máy Nhiệt điện là một trong những giải pháp cấp thiết
nhất để giải quyết vấn đề thiếu điện hiện nay. Cụ thể đến năm 2020 Nhiệt điện
chiếm đến 54% trong tổng công suất huy đông động của lưới điện cả nước. Sau đây
là bảng số liệu về thực tế xây dựng các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam tính đến
tháng 6 năm 2011.
Bảng 1. Tiến độ thực hiện các nhà máy nhiệt điện tại miền Bắc
STT

Tên dự án

Công

Thời gian

Thời gian

Thời gian

Tổng thời

suất

bắt đầu dự

dự kiến kết

thực tế kết

gian chậm

án

thúc

thúc

Tháng

Tháng

Tháng

6/1998

1/2001

1/2003

Tháng

Tháng

Tháng

6/2003

8/2006

11/2009

39 tháng

Tháng

Tháng

Chưa kết

dự kiến

5/2008

6/2011

thúc

chậm 01

(MW)
1

Nhà máy Nhiệt
điện Phả Lại 2

600

dự án
24 tháng

Nhà máy Nhiệt
2

điện UB Mở
rộng 1

3

300

Nhà máy Nhiệt
điện UB Mở

300

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
10/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

STT

Tên dự án

Công

Thời gian

Thời gian

Thời gian

Tổng thời

suất

bắt đầu dự

dự kiến kết

thực tế kết

gian chậm

án

thúc

thúc

(MW)
rộng 2

dự án
tháng
6 tháng (đã

4

Nhà máy Nhiệt
điện Cẩm Phả 1

300

Tháng

Tháng

Tháng

4/2006

4/2009

8/2010

tính trừ các
nguyên
nhân khách
quan)

Chưa kết
5

Nhà máy Nhiệt
điện Cẩm Phả 2

300

Tháng

Tháng

thúc (dự

12/2007

10/2010

kiến tháng
7/2011)

Nhà máy điện
6

Quảng Ninh 1
#1

300

Tháng

Tháng

Tháng

5/2006

2/2009

4/2011
Chưa kết

Nhà máy điện
7

Quảng Ninh 1

300

#2

điện Hải Phòng

thúc(dự kiến

9/2009

tháng
6/2011)
Chưa kết

Nhà máy Nhiệt
8

Tháng

600

1

Tháng

Tháng

thúc (dự

11/2005

9/2008

kiến tháng
6/2011)

26 tháng
dự kiến
chậm 21
tháng
dự kiến
chậm 32
tháng

Trong các Nhà máy Nhiệt điện hiện nay đều được trang bị hệ thống giám sát
và hệ thống điều khiển rất hiện đại. Thiết bị đo lường điều khiển được trang bị đến
từng hệ thống của nhà máy. Do đó công tác hiệu chỉnh hệ thống đo lường và điều
khiển trở nên rất phức tạp.

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
11/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Các đối tượng điều khiển trong Nhà máy Nhiệt điện có tính chất phi tuyến,
có quán tính nhiệt lớn, có trễ vận tải, và các tham số không biết trước và thay đổi
theo thời gian. V ề cấu trúc đối tượng có phần động học không thể hoặc rất khó
mô hình hoá. Ngoài ra trong quá trình làm việc hệ còn chịu nhiễu tác động.
Các chuyên gia điều khiển hiệu chỉnh nhà máy thông thường phải lấy trực
tiếp đặc tính từ quá trình đốt thử lò hơi để tính toán các hệ số các bộ điều chỉnh.
Công việc này gây rất nhiều tốn kém chi phí cho công tác vận hành chạy thử cũng
như chậm tiến độ cho các dự án. Hiện nay Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí mở rộng 1
đã đưa vào phát điện lên lưới, song hệ thống điều khiển tự động vẫn chưa thể hoạt

động như trong hồ sơ mời thầu của dự án này. Thực tế cho thấy sự biến động của
tính chất than đã ảnh hưởng rất nhiều đến công tác hiệu chỉnh của các nhà máy.
Từ yêu cầu cần thiết trên, luận văn của tôi tập trung nghiên cứu “Xây dựng
hệ thống điều khiển thích nghi bền vững cho các đối tượng công nghệ Nhiệt
điện”.
Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi và hệ thống điều khiển bền vững
Nội dung của chương tập trung vào nghiên cứu những đặc điểm chung nhất của
ĐKTN và ĐKBV. Đi sâu phân tích những tồn tại của ĐKTN và xác định hướng
nghiên cứu. Khắc phục nó bằng ĐKBV
Chương 2: Hệ điều khiển thích nghi bền vững
Nội dung của chương tập trung nghiên cứu phương pháp nhận dạng mô hình bất
định. Các tiêu chuẩn đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống. Xây dựng bộ điều chỉnh
bền vững chất lượng cao. Quy tắc tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững.
Chương 3: Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bền vững cho đối tượng điều chỉnh
nhiệt độ hơi quá nhiệt.
Nội dung của chương gồm:
-

Tìm hiểu về hệ thống điều chỉnh hơi quá nhiệt trong Nhà máy Nhiệt điện

-

Mô tả hệ thống điều khiển hơi quá tại nhà máy Nhiệt điện Uông Bí mở

rộng 1.
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
12/85

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

-

Sử dụng phần mềm Cascad để nhận dạng đối tượng trong hệ thống điều

khiển hơi quá nhiệt và tổng hợp bộ điều chỉnh cho hệ thống.
Chương 4: Kết luận

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
13/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.1.
1.1.1.

Những vấn đề chung về hệ điều khiển thích nghi
Lịch sử phát triển hệ ĐKTN
Trong các hệ điều khiển tự động truyền thống, các mạch phản hồi

thường sử dụng để nâng cao chất lượng điều chỉnh hệ thống. Các hệ điều
khiển loại này có nhược điểm khó khắc phục là trong quá trình làm việc vì có nhiều
yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống như môi trường làm việc liên tục bị thay đổi, đồng

thời bản thân tham số của hệ cũng bất định, trong quá trình làm việc hệ luôn chịu
tác động của nhiễu, dẫn tới chất lượng ra của hệ không đáp ứng được đối với hệ
đòi hỏi chất lượng cao.
Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời đã khắc phục các nhược điểm của các
hệ điều khiển tự động truyền thống. Trong ĐKTN cấu trúc và tham số của bộ điều
khiển có thể thay đổi nên chất lượng ra của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã
định khi các tham số của hệ thay đổi.
Ban đầu điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời 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 hưởng đến quá trình ổn
định quỹ đạo bay, tốc độ bay. Năm 1958 trên cơ sở lý thuyết về chuyển động, lý
thuyết điều khiển tối ưu... hệ ĐKTN ra đời. Ngay sau khi ra đời lý thuyết này đã
được hoàn thiện nhưng chưa được ứng dụng vì số lượng tính toán quá lớn.
Hệ ĐKTN có mô hình mẫu (MRAC - Model Reference Adative Control) đã
được Whitaker đề xuất khi giải quyết vấn đề điều khiển lái tự động máy bay
năm 1958. Phương pháp độ nhạy và luật MIT (Massachusetts Institute of
Technology) đã được dùng để thiết kế luật thích nghi với mục đích đánh giá các
thông số không biết trước trong sơ đồ MRAC. Thời gian đó việc điều khiển các
chuyến bay do còn tồn tại nhiều hạn chế như thiếu phương tiện tính toán, xử lý tín
hiệu và lý thuyết cũng chưa 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
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
14/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

bị lắng xuống vào cuối thập kỷ 50 và đầu năm 1960.

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 Lyapunop đã được phát triển. Một loạt các lý thuyết như : 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. Năm 1966 Park và
các đồng nghiệp đã tìm được phương 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 ổn định của Lyapunop.
Tiến bộ của lý thuyết điều khiển những năm 60 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 được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp.
Đầu năm 1979 người ta chỉ ra rằng những sơ đồ MARC 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. Người ta xuất bản nhiều tài liệu
về độ không ổn định do các khâu động học không mô hình hoá được hoặc do nhiễu
tác động vào hệ thống.
Trong những năm 80 nhiều thiết kế đã được cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết
điều khiển thích nghi (ĐKTN). Một hệ ĐKTN được gọi là bền vững nếu như nó
đảm bảo chất lượng ra cho một lớp đối tượng trong đó có đối tượng đang xét và
trong quá trình làm việc hệ chịu nhiễu tác động. Cuối thập kỷ 80 có các công trình
nghiên cứu về hệ ĐKTNBV, đặc biệt là MARC cho các đối tượng tuyến tính có
thông số biến thiên theo thời gian.
Cuối thập niên 80, PGS.TSKH.VS. Nguyễn Văn Mạnh, bằng phương pháp
“vượt khe”[1] đã giải quyết được bài toán lâu nay các nhà khoa học chưa có hướng
giải quyết triệt để bài toán phi tuyến phức tạp, các hàm tối ưu hoá có dạng khe, khe
sâu. Bằng phương “vượt khe” để tìm lời giải tối ưu đã mở ra một hướng phát triển
trong nghành điều khiển tự động hóa.
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
15/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đến những năm 90 của thể kỷ 20, dựa trên thuật toán “vượt khe” làm nền
tảng, PGS.TSKH.VS. Nguyễn Văn Mạnh đã đề xuất một loạt các vấn đề mới đó là:
tiêu chuẩn parabol về ổn định của hệ thống, dự trữ ổn định theo chỉ số dao động
mềm, bộ điều chỉnh bền vững tối ưu, nguyên lý thích nghi bền vững.
Trong đó xây dựng hệ thống thích nghi bền vững là vấn đề mới được tác giả
đặt ra lần đầu tiên, trong bối cảnh vấn đề xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi
đang gặp nhiều khó khăn. Đây là bước đột phá trong lĩnh vực điều khiển, hệ thống
xây dựng được đơn giản hẳn so với những hệ thống trước đây, mà hệ thống có tính
ổn định và bền vững cao.
Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện, điện tử,
máy tính ... cho phép giải được những bài toán đó một cách thuận lợi nên hệ
thống ĐKTNBV đã được ứng dụng rộng rãi vào thực tế.
1.1.2.

Khái niệm chung về điều khiển thích nghi
Thích nghi là quá trình thay đổi thống số và cấu trúc hay tác động điều khiển

trên cở sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích đạt được
một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu cũng
như khi điều kiện làm việc thay đổi. Như vậy, điều khiển thích nghi là tổng hợp các
kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm
hiện thực hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của
quá trình được điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian.
Điều khiển thích nghi có mục đích tạo ra bộ điều khiển làm cho hệ thống có

chất lượng không đổi mặc dù đối tượng có sự thay đổi bên trong. ĐKTN hướng tới
một bộ điều khiển mềm dẻo, có khả năng tự thay đổi cấu trúc hoặc tham số và sự
thay đổi đó phải phù hợp với sự thay đổi tương ứng trong đối tượng nhằm giữ được
ổn định chất lượng hệ thống.
Bộ điều khiển thích nghi thường có một trong hai loại cấu trúc cơ bản
- Cấu trúc 1: Cấu trúc tự chỉnh tham số
- Cấu trúc 2: Cấu trúc có mô hình theo dõi

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
16/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1.1.2.1.

Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số

Để hiểu rõ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số ta xét bài toán quen biết
trong điều khiển tuyến tính là xác định tham số bộ điều khiển PID. Như đã biết có
một số phương pháp tìm tham số thích hợp cho bộ điều khiển PID, chẳng hạn như
hai phương pháp của Ziegler-Nichols, phương pháp tổng hợp trực tiếp, phương pháp
mô hình nội, phương pháp bộ điều khiển tối ưu bền vững của PGS.TSKH.VS
Nguyễn Văn Mạnh… Cũng như ta đã biết, phương pháp xác định tham số tối ưu cho
bộ điều khiển PID sao cho chuẩn bậc hai của sai lệch e(t) của hệ kín đạt giá trị nhỏ
nhất. Tuy nhiên các phương pháp như của Ziegler-Nichols, phương pháp tổng hợp
trực tiếp, phương pháp mô hình nội … có chung một nhược điểm là chúng đều bắt
đầu từ mô hình rõ (certain) của đối tượng dưới dạng hàm truyền đạt S(s), kiểu thực hữu tỷ hợp thức:

1.1
Trong đó, các tham số ai , i = 1, 2, 3…, n và bj , j = 1, 2,…, m đã được xác
định (hằng số cho trước). Như vậy chúng sẽ không áp dụng được trực tiếp cho bài
toán điều khiển mà ở đó đối tượng lại có mô hình bất định, tức là có bậc hoặc các
tham số ai, bj thay đổi ngẫu nhiên không biết trước.
Song nếu ta đưa thêm vào bộ điều khiển một cơ cấu nhận dạng được tích hợp
theo các thuật toán nhận dạng tham số mô hình đối tượng, nhằm xác định trực tuyến
(on-line) các tham số ai, i = 1, 2, 3…, n và bj, j = 1, 2, 3…, m của đối tượng, tức là
xác định mô hình đối tượng S(s) và một cơ cấu xác định tham số bộ điều khiển trên
cơ sở hàm truyền đạt S(s) vừa nhận dạng được, thì cuối cùng ta sẽ có một bộ điều
khiển mềm dẻo, linh hoạt với các khả năng sau:
-

Nhờ có cơ cấu nhận dạng bộ điều khiển luôn phát hiện được sự thay đổi bên
trong của đối tượng. Cụ thể là tại mọi thời điểm nó luôn xác định được các
tham số ai, i = 1, 2, 3…, n và bj, j = 1, 2, 3…, m của đối tượng và như vậy nó
xác định được hàm truyền đạt S(s) hiện thời của đối tượng.

-

Cơ cấu xác định tham số điều khiển, sử dụng thuật toán thiết kế bộ điều

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
17/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

khiển có cấu trúc cho trước và mô hình hiện thời S(s) của đối tượng luôn đưa
ra được những tham số điều khiển mang tính thời sự. Vì vậy bộ điều khiển sẽ
luôn đảm bảo được một chất lượng ổn định cho hệ thống cho dù đối tượng có
thay đổi.
Bộ điều khiển với hai cơ cấu nhận dạng và xác định tham số điều khiển như trên
được gọi là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số.[8]

Tham số ai, bj của S(s)

Nhận dạng
đối tượng

Xác đinh tham
số bộ điều khiển

ω

e

Bộ điều
khiển

u

Đối
tượng

y

Hình 1.1 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số

1.1.2.2.

Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi

Mục đích của việc thiết kế bộ điều khiển là tạo ra cho hệ kín, bao gồm đối
tượng điều khiển và bộ điều khiển, một chất lượng mong muốn. Thể hiện chất lượng
mong muốn đó dưới dạng hàm truyền đạt hệ kín thì nhiệm vụ trên sẽ được cụ thể
hoá là phải tạo ra bộ điều khiển sao cho hệ kín có được hàm truyền đạt mẫu mong
muốn.
1.2
Điều này không được phụ thuộc vào sự thay đổi mô hình đối tượng. Nói cách
khác, cho dù đối tượng thay đổi như thế nào đi nữa thì bộ điều khiển vẫn phải làm
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
18/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

sao cho hệ kín có được hàm truyển đạt như trên không đổi. Điều này đồng nghĩa với
việc là trong mọi trường hợp thay đổi bên trong đối tượng, bộ điều khiển phải luôn
tạo ra được đầu ra y(t) của hệ kín tương tự như đầu ra ym(t) của mô hình.
Hệ thống có bộ điều khiển làm cho nó thoả mãn:
ym(t) = y(t)
↔ e(t) = y(t) – ym(t) = 0

(1.3)

được gọi là hệ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi (model reference adaptive

control) viết tắt thành MRAC. Hình 1.1 mô tả cấu trúc bộ điều khiển thích nghi có
mô hình theo dõi.[8]

Gm(s)

ym
Cơ cấu thay đổi
tham số

ω

Bộ điều
khiển

u

Đối
tượng

u

y

Hình 1.2 Bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi
Nhiều khi, để đơn giản trong ứng dụng thì thay vì đạt được e(t) = 0 người ta
thường đặt ra mục tiêu thấp hơn như sau:
lim

e t

0

(1.4)

Có thể thấy để đạt được mục đích (1.4) ta có vô vàn phương án giải quyết. Vì
vậy bài toán điều khiển thích nghi với mô hình theo dõi cũng sẽ có vô số lời giải.
Chẳng hạn như để có được (1.4) thì đơn giản nhất là ta phải thay đổi các tham số
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
19/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

của bộ điều khiển, mà sau đây được viết chung lại thành vector p sao cho:
-

Khi e > 0 thì phải giảm e(t), tức là phải tạo ra được

-

Ngược lại, khi e < 0 thì phải giảm e(t), tức là phải tạo ra được

< 0.
> 0.

Nói cách khác, cần phải thay đổi vector tham số điều khiển p để luôn có:
< 0.

(1.5)

Nhưng vì:

Nên cuối cùng đạt được mục đích (1.5) nếu như thiết kế được bộ điều khiển
phụ thuộc tham số p với cơ cấu thay đổi tham số thoã mãn:
,

0

hoặc
,

0

Trong đó γ là một hằng số dương tuỳ ý.
Hai công thức thay đổi vector tham số p nêu trên vẫn thường được biết đến
dưới tên gọi là luật MIT vì chúng có nguồn gốc từ Học viện công nghệ
Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology). Ngoài ra, ta có thể thấy đại
lượng

trong các công thức đó chính là thước đo cho sự nhạy cảm của sai lệch e(t)

đối với thay đổi tham số p của bộ điều khiển.
1.2.

Những tồn tại của hệ điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi là phương pháp điều khiển hiện đại được ứng dụng

điều khiển các hệ thống phức tạp. Ngoài những ưu điểm mà ĐKTN đạt được thì

nhược điểm cơ bản của phương pháp điều khiển thích nghi là không bền vững đối
với nhiễu và khi đối tượng có các phần tử phi tuyến không thể mô hình hoá được.
Các luật thích nghi và bộ điều khiển được phân tích và thiết kế trên cơ sở đối
tượng không có nhiễu tác động và các khâu động học đều có thể mô hình hoá được.
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
20/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Song trong thực tế các sơ đồ thực hiện trên các thiết bị thực thường khác với các mô
hình lý tưởng. Các đối tượng trong thực tế có thể được giới hạn kích thước (số
chiều), tính phi tuyến, số đầu vào và đầu ra. Đặc tính của nó có thể sai khác bởi các
nhiều trong và nhiễu ngoài tác động vào. Sự khác nhau giữa mô hình thay thế và mô
hình thực sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ. Vì vậy mà đặc tính của mô hình lý
tưởng không thể áp dụng cho mô hình thực.
Khi thiết kế hệ ĐKTN cho hệ thực phải chấp nhận các giả thiết sau:
-

Đối tượng trong quá trình làm việc không chịu tác động của nhiễu.

-

Không có phần tử không mô hình hoá được.

-

Các tham số không biết không thay đổi theo thời gian.

Trong thực tế các giả thiết trên là khó có thể thoã mãn được.
Như vậy khi xét đến nhiễu, đến sai số mô hình và sai số trong việc xác định
tín hiệu vào ra của đối tượng thì hệ ĐKTN không còn bền vững nữa, đặc biệt khi hệ
nằm ở biên giới ổn định.
1.3.

Điều khiển bền vững
Điều khiển bền vững ra đời nhằm đảm bảo thiết kế bộ điều khiển sao cho ổn

định và chất lượng của hệ thống vẫn đảm bảo khi các yếu tố không chắc chắn hoặc
nhiễu loạn nằm trong giới hạn định trước. Cho hệ thống bị nhiễu tác động ở đầu ra,
có sơ đồ cấu trúc như hình 1.3. Bài toán đặt ra của điều khiển là tìm bộ điều khiển
R(p) để hệ có được chất lượng như mong muốn. Tất nhiên rằng một trong những
chất lượng yêu cầu đầu tiên là phải làm ổn định hệ thống, kể cả với tín hiệu nhiễu
n(t) [9].
n

u

e

z

R(s)

O(s)

y

-

Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
21/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Khâu điều khiển R(p) được xây dựng dựa trên kiến thức và hiểu biết về đối
tượng S được mô tả lại bằng mô hình S(p), song không có một sự đảm bảo nào cho
rằng mô hình S(p) phản ánh được đối tượng S một cách hoàn toàn chính xác cho dù
mô hình S(p) có độ phức tạp cao, và như vậy trong thực tế bao giờ cũng tồn tại một
sai lệch ∆S giữa đối tượng S với mô hình S(p). Vấn đề phải giải quyết ở đây là khâu
điều khiển R(p) được xây dựng cho mô hình đối tượng S(p) nhưng thực tế lại làm
việc với đối tượng S mà sự sai lệch ∆S giữa đối tượng và mô hình không biết trước.
Tuy nhiên vẫn phải thiết kế được bộ điều khiển R(p) thỏa mãn các yêu cầu về chất
lượng hệ thống thực. Bộ điều khiển R(p) đáp ứng đước các yêu cầu về chất lượng và
có khả năng làm việc thích ứng với các sai lệch ∆S càng lớn, có nghĩa là với một
lớp mô hình £ cho đối tượng càng rộng thì tính bền vững của bộ điều khiển càng
cao. Như vậy, một hệ thống được gọi là bền vững nếu chất lượng E của hệ thống
không những thõa mãn cho riêng mô hình đối tượng S(p) đang nghiên cứu mà cho
một lớp các mô hình đối tượng £ với S(p) là một phần tử, hoặc cho một lớp các sai
lệch D so với S(p).
Tính bền vững của hệ đối với một chất lượng E thường được đánh giá bởi:
tính định lượng bền vững và tính ổn định bền vững.
Tính định lượng trong điều khiển là bộ điều khiển R(p) có khả năng làm cho toàn bộ

hệ thống ít hoặc không ảnh hưởng bởi nhiễu.
Tính ổn định bền vững nếu ổn định nội với một lớp các mô hình đối tượng
hoặc với một lớp các sai lệch so với đối tượng.
Như ta đã biết phương pháp tham số hóa bộ điều khiển xuất phát điểm từ
Youla [9]. Nội dung của phương pháp này như sau:
Trường hợp đối tượng là ổn định
Xét hệ có các khâu như hình 1.3. Bài toán đặt ra là xác định tập hợp O gồm
tất cả các bộ điều khiển làm ổn định hệ thống.
Gọi: Q s
Sẽ có: R s

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
22/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Với bộ điều khiển trên, hàm truyền đạt G

s của hệ kín, tức là hàm truyền

đạt giữa tín hiệu vào ω(t) và tín hiệu ra y(t) ứng với n(t)=0, là:
G

SR
1 SR

s

SQ

Và hàm truyền đạt G s biểu diễn quan hệ giữa tín hiệu n(t) và tín hiệu ra
y(t) (ứng với ω(t)=0 là:
G s

1
1

1

SR

SQ

) thì G

Như vậy nếu Q(s) là hàm bền (

s và G s cũng là hàm

bền, tức là hệ kín ổn định bền vững với nhiễu đầu ra.
Như vậy, tập hợp O gồm tất cả các bộ điều khiển làm ổn định hệ thống có
dạng phụ thuộc tham số Q như sau:
1

;

Trong đó: RH∞ là không gian các hàm thực – hữu tỷ, hợp thức và bền.

Trường hợp đối tượng không ổn định
Khi hệ có đối tượng không ổn định
;
Tức là S

(1.6)

, hay A(s) không phải là đa thức Hurwitz, ta luôn chuyển

được về trường hợp đã xét ở trên bằng cách biến đổi:
; Với N, M RH∞

(1.7)

Vậy cả hàm thực – hữu tỷ ở tử số N(s) và ở mẫu số M(s) là những hàm bền.
Việc có được (1.7) từ (1.6) là hiển nhiên, vì chẳng hạn ta chỉ cần chia cả đa thức
B(s) và A(s) của (1.6) cho một đa thức Hurwits C(s) nào đó có bậc đủ lớn:
C(s) = c0+c1s+....+cll (l ≥ n)
Là thu được hai hàm bền:
; và
Giả sử bộ điều khiển R(s) có cấu trúc tương tự:
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
23/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

; với

(1.8)

của hệ kín biểu diễn quan hệ giữa tín hiệu ω(t) và

Và hàm truyền đạt

tín hiệu ra y(t) (ứng với n(t)=0 là:

Và hàm truyền đạt

biểu diễn quan hệ giữa tín hiệu n(t) và tín hiệu ra

y(t) (ứng với ω(t)=0 là:

Rõ ràng, nếu như có được quan hệ:
NU + MV = 1
thì cả hai hàm truyền đạt

và

(1.9)

là những hàm bền và do đó hệ ổn định bền

vững với nhiễu đầu ra.
Như vậy vấn đề xác định bộ điều khiển (1.8) làm hệ ổn định (cả với nhiễu
đầu ra) chỉ còn là tìm U, V

RH∞ thõa mãn (1.9). Song phương trình 1.9 (phương

trình Bezout) lại có vô số nghiệm, vì chẳng hạn khi đã có một nghiệm là:
NX + MY = 1 với X, Y

RH∞

(1.10)

Thì tất cả các hàm U =X +MQ, V=Y - NQ.
Với mọi tham số Q

RH∞ cũng sẽ là nghiệm của nó. Như vậy, tập hợp O

gồm tất cả các bộ điều khiển làm hệ kín có cấu trúc cho ở hình 1.3, ổn định bền
vững sẽ là:

Kết luận
Hệ thống điều khiển đối tượng bất định có cấu trúc phức tạp nhưng vẫn không đảm
bảo độ tin cậy và ổn định. Với thiết kế như trên thì bộ điều khiển sẽ không bắt kịp
sự thay đổi của đối tượng gây nên tính ổn định của hệ thống. Do đó khó áp dụng
được những phương pháp này trong thực tế.

LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
24/85


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG VÀ NGUYÊN LÝ THÍCH NGHI
2.1.

Nhận dạng đối tượng bất định

2.1.1.

Phương pháp mô hình hoá đối tượng không đổi

Như ta đã biết các đối tượng điều khiển tuyến tính (không đổi) có thể được mô
tả dưới dạng hàm truyền. Có thể mô tả dạng phân thức cơ bản của hàm truyền như
sau[2]:
- Binomial - dạng nhân tử nhị thức:
W (s) =

b0 (1 + b1 s )(1 + b2 s )...(1 + bm s ) e − τs
× q ,
(1 + a1 s )(1 + a 2 s )...(1 + a n s )
s

(2.1)

- Trinomial - dạng nhân tử tam thức:
W (s) =

b0 (1 + b1s + b2 s 2 )(1 + b3 s + b4 s 2 )... e − τs bi ≡ 0∀i > m,
× q ,
ai ≡ 0∀i > n,
(1 + a1 s + a 2 s 2 )(1 + a3 s + a 4 s 2 )...
s

(2.2)

- Polynomial - dạng đa thức:
W (s) =

b0 + b1 s + ... + bm s m
1 + a1 s + ... + a n s n

×

e − τs
sq

.

(2.3)

Trong các mô hình trên, sử dụng các ký hiệu, như sau:
b0, b1, ..., bm – các hệ số của tử thức, trong đó b0 là hệ số truyền,
a1, a2, ..., an – các hệ số của mẫu thức,

τ – thời gian trễ vận tải ,
X={b0, b1,...,bm, a1,...an,τ} – véctơ tham số của đối tượng.
m≥0 – bậc nguyên của tử thức; n≥0 – bậc nguyên của mẫu thức,
q – bậc tích phân (bậc phi tĩnh) nếu q>0 hoặc là bậc vi phân nếu q<0,
Bộ ba (m, n, q) qui định cấu trúc của hàm truyền nên thường gọi đơn giản là
cấu trúc của mô hình.
Để tìm được mô hình tối ưu của đối tượng, ta có thể xác định bằng cách chọn
nhiều cấu trúc khác nhau, ứng với mỗi cấu trúc đã chọn giải bài toán tối ưu hoá các

tham số theo chỉ tiêu sai lệch cực tiểu giữa mô hình và chuỗi số liệu. Sau đó, trong
số các mô hình tối ưu tham số tìm được ứng với những cấu trúc đã thử, mô hình nào
LÊ PHẤN DŨNG – KHÓA 2009

LỚP KỸ THUẬT NHIỆT - LẠNH
25/85