Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại xây dựng mô hình trong điều khiển dự báo phi tuyến (Luận án tiến sĩ0

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LÊ THỊ HUYỀN LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYỄN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Lê thị Huyền Linh, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu
của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham
khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa đƣợc công bố trên bất
cứ một công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 5 tháng 8 năm 2015
Tác giả luận án

Lê Thị Huyền Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình làm luận án, thực sự đã có những lúc khó khăn, tƣởng
chừng nhƣ không thể tiếp tục, nhờ nhận đƣợc sự động viên, giúp đỡ của ngƣời thân,
bạn bè đồng nghiệp, thầy giáo hƣớng dẫn và tập thể các nhà khoa học, tôi đã có
đƣợc kết quả hôm nay. Từ sâu thẳm, tôi xin đƣợc trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất
cả. Cảm ơn những ngƣời thầy, ngƣời bạn đã đồng hành, giúp đỡ, chia sẽ cùng tôi
trong giai đoạn khó khăn, vất vả nhất của chặng đƣờng luận án.
Cũng qua đây, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo
hƣớng dẫn PGS. TS. Lại Khắc Lãi đã tận tình, dìu dắt và định hƣớng cho tôi trong
suốt thời gian qua. Tôi cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các
thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Khoa Điện, tập thể các nhà khoa học, đã đóng
góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp
đỡ về công việc và thời gian. Cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Điện, các Phòng
ban của Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã nhiệt tình,
tạo điều kiện trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Từ sâu tận đáy lòng, tôi muốn đƣợc nói lời cảm tạ đến bố mẹ, chị gái, chồng
và con gái bé bỏng đã luôn luôn bên tôi, hết lòng thƣơng yêu, quan tâm, sẻ chia, ủng
hộ, động viên tinh thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành
quyển luận án này.
Tác giả luận án

Lê Thị Huyền Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... xi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ............................................................................. 1
2. Phạm vi, đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu ................................ 3
3. Mục tiêu của luận án .............................................................................................. 4
4. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án ..................................... 4
5. Bố cục của luận án ................................................................................................. 5
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

7

Giới thiệu tổng quan về điều khiển dự báo theo mô hình ................................ 7

1.1.1. Khái niệm ......................................................................................................... 7
1.1.2. Nguyên lý của điều khiển dự báo theo mô hình............................................... 8
1.1.3. Các thành phần chính trong điều khiển dự báo dựa trên mô hình ................. 10
1.2.

Những vấn đề liên quan về điều khiển dự báo hệ tuyến tính ......................... 15

1.3.

Các ƣu nhƣợc điểm của điều khiển dự báo so với phƣơng pháp khác........... 20

1.4.

Những vấn đề liên quan về điều khiển dự báo hệ phi tuyến .......................... 21

1.5.

Đề xuất hƣớng nghiên cứu giải quyết trong luận án ...................................... 25

1.6.

Kết luận Chƣơng 1 ......................................................................................... 26

CHƢƠNG 2
NHẬN DẠNG NHIỄU VÀ BÙ NHIỄU CHO LỚP HỆ PHI TUYẾN CÓ
TRỄ
2.1.

27
Tổng quát chung về nhận dạng và mạng nơron ............................................. 27

2.1.1 Khái niệm về nhận dạng ................................................................................. 27
2.1.2 Khái quát về cấu trúc mạng nơron ................................................................. 28
2.1.3 Giới thiệu mạng nơron RBF ........................................................................... 30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v

2.1.4 Tóm lƣợc về nhận dạng trực tuyến hệ phi tuyến sử dụng mạng nơron nhân
tạo ................................................................................................................... 31
2.2.

Bài toán nhận dạng nhiễu cho lớp hệ phi tuyến có trễ ................................... 32

2.3.

Thuật toán nhận dạng nhiễu hệ phi tuyến có trễ trên cơ sở sử dụng mạng
nơron RBF khi chỉ có một thành phần nhiễu ................................................. 33

2.3.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng nhiễu ............................................................ 33
2.3.2. Ví dụ minh họa ............................................................................................... 42
2.4.

Tổng hợp tin hiệu bù nhiễu cho hệ thống có trễ với một kênh điều khiển ........... 45

2.5.

Thuật toán nhận dạng nhiễu hệ phi tuyến có trễ trên cơ sở sử dụng mạng
nơron RBF khi có nhiều thành phần nhiễu .................................................... 46

2.5.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng ........................................................................ 47
2.5.2. Ví dụ minh họa ............................................................................................... 54
2.6.

Xác định điều kiện ứng đối cho việc bù nhiễu trong các hệ thống có trễ với
nhiều thành phần nhiễu tác động .................................................................... 57

2.7.

Kết luận Chƣơng 2 ......................................................................................... 59

CHƢƠNG 3
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DỰA THEO MÔ HÌNH NỘI
CHO ĐỐI TƢỢNG CÓ TRỄ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG CSTR

61

3.1.

Đặt vấn đề....................................................................................................... 61

3.2.

Xây dựng tiêu chuẩn tối ƣu cho bài toán điều khiển tối ƣu và điều khiển dự
báo .................................................................................................................. 62

3.3.

Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo dựa trên mô hình nội cho lớp đối
tƣợng phi tuyến có trễ trên cơ sở đã nhận dạng và bù nhiễu ......................... 66

3.4.

Xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng CSTR................................................ 71

3.4.1. Xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng CSTR với một tín hiệu điều khiển ... 76
3.4.2. Xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng CSTR với hai tín hiệu điều khiển .... 80
3.5.

Thiết kế mô hình nhận dạng các nhiễu cho đối tƣợng CSTR ........................ 82

3.5.1. Thiết kế mô hình nhận dạng nhiễu trên hai kênh h và Cb với một tín hiệu điều
khiển ............................................................................................................... 82
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi

3.5.2. Thiết kế mô hình nhận dạng nhiễu trên hai kênh h và Cb với hai tín hiệu điều
khiển ............................................................................................................... 88
3.6.

Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo dựa trên mô hình nội cho đối tƣợng
CSTR trên cơ sở đã nhận dạng và bù nhiễu ................................................... 93

3.6.1. Xây dựng bộ IMPC điều khiển một kênh Cb với một tín hiệu điều khiển ........... 93
3.6.2. Xây dựng bộ IMPC điều khiển đồng thời cả hai kênh Cb và h với hai tín hiệu
điều khiển ....................................................................................................... 95
3.7.

So sánh bộ điều khiển PID với bộ điều khiển IMPC đã đƣợc nhận dạng và bù

nhiễu để điều khiển cho đối tƣợng CSTR ...................................................... 97

3.7.1. So sánh bộ điều khiển PID với bộ điều khiển IMPC điều khiển một kênh Cb
với một tín hiệu điều khiển ............................................................................ 97
3.7.2. So sánh bộ điều khiển PID và bộ điều khiển IMPC điều khiển đồng thời hai
kênh Cb và h với hai tín hiệu điều khiển ...................................................... 101
3.8.

Kết luận Chƣơng 3 ....................................................................................... 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 108
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 112

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
DT

thời gian trích mẫu

X (tk )

trạng thái tại thời điểm tk

X(tk+ 1), X(tk+ 2 ),...

trạng thái thại thời điểm tk+1, tk+2

x(t )

đầu ra của đối tƣợng điều khiển

u(t ) , U(t )

tác động điều khiển

τ

thời gian trễ

ai

các thông số đặc trƣng cho động học của đối tƣợng

f ( ) , F(X, U)

vectơ các tác động nhiễu

fˆ ( X, U) , Fˆ ( X, U)

hàm đánh giá của f (X, U)

wi* , wij

các trọng số lý tƣởng

ε , εi

sai số xấp xỉ

εM

số nhỏ nhất bất kỳ cho trƣớc

ε* , ε*i
wˆ i , wˆ ij

sai số xấp xỉ lý tƣởng

%ij
%i , w
w

sai lệch trọng số đánh giá

A , B, D

các ma trận thông số đặc trƣng của đối tƣợng

O
Im

ma trận với tất cả các thành phần bằng không

f i (X )

các hàm cơ sở

C i , Cij

tâm của hàm cơ sở

s i , s ij

độ trải rộng của hàm cơ sở

e(t ) , E(t )
%
f (X)

sai số trạng thái đầu ra

P,Q

ma trận đối xứng xác định dƣơng

rmin (Q) , rmax (Q )

giá trị riêng nhỏ nhất, lớn nhất của ma trận Q

λ , λ0

hệ số dƣơng λ > 0 , λ0 > 0

*

các trọng số đánh giá

ma trận đơn vị

sai số nhiễu đối tƣợng thực và nhiễu đánh giá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

viii

Pn , Pn- m + i

dòng thứ n và n - m2 + i của ma trận P

udk (t ), U dk (t )

tín hiệu điều khiển

ub (t ), Ub (t )

tín hiệu điều khiển bù

R (B) , R (D)

không gian hạng của ma trận B, D

X, U

các tập Compact

h

mức dung dịch

Cb

nồng độ dung dịch

l

khoảng cách từ van đến thành bình

T1, T2, T3

các van điện

T

hằng số thời gian

mv1, mv2, mv3

lƣu lƣợng của các dung dịch

K

hệ số truyền của van điện

2

góc mở van

Danh mục các chữ viết tắt
ARMAX

Autoregressive Moving Average with Exogenous

CSTR

Continuous Stirred Tank Reactor

DMC

Dynamic matrix control

DLP

Double-Layer Perceptron feedforward neural network

EHAC

Extended Horizon Adaptive Control

FIR

Finite Impulse Response

HEICON

Hierarchical Constraint Control

IMPC

Internal Model Predictive Control

GPC

Generalized Predictive Control

LS

Least Squares

MAC

Model Algorithmic Control

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MPC

Model Predictive Control

NAV

Nonlinear Absolute Values

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ix

OPC

Optimum Predictive Control

PFC

Predictive Functional Control

PID

Proportional Integral Derivative

RMPCT

Robust MPC Technology

RBF

Radial Basic Funtions

SMC

Sequential Monte Carlo

SISO

Single Input Single Output

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Bảng phân loại một số phƣơng pháp sử dụng cho xây dựng mô hình, giải
bài toán tối ƣu cho đối tƣợng tuyến tính, phi tuyến trong MPC ............................... 14
Bảng 1.2. Bảng tóm lƣợc một số phƣơng pháp nhận dạng mô hình dự báo của một
số phƣơng pháp MPC ............................................................................................... 17
Bảng 1.3. Bảng tóm lƣợc một số kỹ thuật MPC của một số hãng trên thế giới ....... 17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hình ảnh về ứng dụng điều khiển trong công nghệ xử lý hóa chất ............ 8
Hình 1.2. Nguyên lý cơ bản của điều khiển dự báo dựa trên mô hình ....................... 9
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo dựa trên mô hình ........................ 11

Hình 1.4. Cấu trúc mô hình lớp đối tƣợng phi tuyến có trễ ...................................... 25
Hình 2.1. Sai số đầu ra của đối tƣợng thực và mô hình ............................................ 27
Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống phi tuyến ...................................................................... 28
Hình 2.3. Cấu trúc của một số mạng nơron thƣờng gặp ........................................... 29
Hình 2.4. Cấu trúc mạng RBF xấp xỉ hàm f (×) ........................................................ 36
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhận dạng nhiễu cho các đối tƣợng có trễ trên cơ
sở mô hình song song và mạng nơron....................................................................... 42
Hình 2.6. Mô hình đối tƣợng hệ phi tuyến (2.35) dùng trong mô phỏng .................. 43
Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc nhận dạng nhiễu dựa trên cơ sở mạng nơron
RBF ........................................................................................................................... 43
Hình 2.8. Các đáp ứng tín hiệu đầu ra của hệ (2.35) ................................................ 43
Hình 2.9. So sánh thành phần phi tuyến F(.) của hệ (2.35) và thành phần nhiễu đƣợc
nhận dạng qua RBF ................................................................................................... 44
Hình 2.10. Sai lệch giữa nhiễu nhận dạng và nhiễu thực của hệ thống .................... 44
Hình 2.11. Sơ đồ kênh tạo tín hiệu bù ....................................................................... 46
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc các mạng nơron xấp xỉ các hàm f1 (×) , f 2 (×) , L , f m (×) của
2

hệ (2.44) .................................................................................................................... 48
Hình 2.13. Sơ đồ cấu trúc nhận dạng các nhiễu cho các lớp đối tƣợng có trễ trong
kênh điều khiển ......................................................................................................... 54
Hình 2.14. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc nhận dạng các nhiễu dựa trên cơ sở mạng
nơron RBF ................................................................................................................. 55
Hình 2.15. Các đáp ứng tín hiệu đầu ra của hệ (2.74) .............................................. 56
Hình 2.16. So sánh thành phần phi tuyến F(.) của hệ (2.74) và thành phần các nhiễu
đƣợc nhận dạng qua RBF .......................................................................................... 56
Hình 2.17. Sai số của mô hình nhận dạng và đối tƣợng thực (2.74)......................... 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

xii

Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc của đối tƣợng có trễ trong kênh điều khiển, có nhiễu phụ
thuộc trạng thái tác động và kênh bù nhiễu trên cơ sở nhận dạng nhiễu .................. 59
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho lớp
đối tƣợng có trễ ......................................................................................................... 68
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển dựa trên mô hình dự báo cho đối
tƣợng có trễ dựa trên cơ sở nhận dạng bằng mạng nơron đã có bù nhiễu ................ 70
Hình 3.3. Mô hình bình phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR ................................... 72
Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc nhận dạng các nhiễu cho đối tƣợng CSTR dùng
mạng nơron RBF và cơ cấu thích nghi AB với một tín hiệu điều khiển .................. 83
Hình 3.5. Sơ đồ khối mô tả đối tƣợng thực ............................................................... 83
Hình 3.6. Sơ đồ khối mô tả hàm nhiễu F(.) sử dụng một tín hiệu điều khiển ........... 84
Hình 3.7. Tín hiệu hàm nhiễu mức dung dịch f1 và nhiễu nồng độ dung dịch f2 của
đối tƣợng thực và sau khi nhận dạng sử dụng một tín hiệu điều khiển với thời gian
trễ

30s .................................................................................................................. 85

Hình 3.8. Đáp ứng mức dung dịch h và nồng độ dung dịch Cb sử dụng một tín hiệu
điều khiển với thời gian trễ

30s .......................................................................... 85

Hình 3.9. Sơ đồ khối mô tả hàm nhiễu F(.) + hàm sin trong trƣờng hợp sử dụng một
tín hiệu điều khiển ..................................................................................................... 86
Hình 3.10. Tín hiệu hàm nhiễu mức dung dịch f1 và nhiễu nồng độ dung dich f2 của
đối tƣợng thực và sau khi nhận dạng trong trƣờng hợp nhiễu có thêm hàm sin sử
dụng một tín hiệu điều khiển với thời gian trễ

30s ............................................. 87

Hình 3.11. Đáp ứng mức dung dịch h và nồng độ dung dịch Cb trong trƣờng hợp
nhiễu có thêm hàm sin sử dụng một tín hiệu điều khiển với thời gian trễ

30s ... 87

Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc nhận dạng các nhiễu cho đối tƣợng CSTR dùng mạng
nơron RBF và cơ cấu thích nghi AB với hai tín hiệu điều khiển .............................. 88
Hình 3.13. Sơ đồ khối mô tả hàm nhiễu F(.) sử dụng hai tín hiệu điều khiển .......... 89
Hình 3.14. Tín hiệu hàm nhiễu mức dung dịch f1 và nhiễu nồng độ dung dịch f2 của
đối tƣợng thực và sau khi nhận dạng trong trƣờng hợp sử dụng hai tín hiệu điều
khiển với thời gian trễ

30s .................................................................................. 90

Hình 3.15. Đáp ứng mức dung dịch và nồng độ dung dịch sử dụng hai tín hiệu điều
khiển với thời gian trễ

30s .................................................................................. 91

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full