Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)

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

PHẠM VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
PHI TẬP TRUNG CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI – 2018


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

Phạm Văn Hùng

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
PHI TẬP TRUNG CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. HOÀNG MINH SƠN

HÀ NỘI – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
được tác giả khác công bố.

Hà Nội, Ngày 13 tháng 04 năm 2018

Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS. TS Hoàng Minh Sơn

Phạm Văn Hùng


MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

ii

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG 5
1.1 Điều khiển dự báo dựa trên mô hình trạng thái

5

1.1.1 Bài toán điều khiển dự báo tuyến tính và phi tuyến

5

1.1.2 Tính ổn định của hệ điều khiển dự báo

7

1.2 Tổng quan về thuật toán và tính ổn định của hệ điều khiển dự báo phi tập
trung
14
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

21

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG DỰA TRÊN MÔ HÌNH
TUYẾN TÍNH
23
2.1 Bộ điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính

23

2.2 Điều khiển phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính hệ phản ứng/tách và
hệ nồi hơi-tuabin

34
2.2.1 Điều khiển dự báo phi tập trung hệ phản ứng/tách

34

2.2.2 Điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính hệ nồi hơituabin
40
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG HỆ PHI TUYẾN

46
47

3.1 Điều khiển dự báo phi tập trung sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng
đoạn
47
3.1.1 Mô hình trạng thái tuyến tính hóa từng đoạn LTI

49

3.1.2 Thiết kế bộ điều khiển

50

3.1.3 Thuật toán điều khiển

52

3.1.4 Tính ổn định của hệ điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến

55

3.1.5 Điều khiển ổn định hệ nồi hơi – tuabin

56

3.1.6 Thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung sử dụng mô hình LTI tuyến
tính hóa từng đoạn cho bài toán bám
62
3.2 Điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình phi tuyến giả LPV

78


3.2.1 Mô hình nội suy đầu ra LPV

79

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển

81

3.2.3 Điều khiển phi tập trung hệ nồi hơi-tuabin dựa trên mô hình LPV

83

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

88

90

Kết luận

90

Kiến nghị

90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

92

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

98


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
xk

Độ lớn của vector xk

xk

Chuẩn vô cùng của vector xk

col ( x1, x 2 ,..., xn )

Vector cột có các phần tử là các vector x1, x 2,..., xn

diag (A1, A2 ,..., An )

Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo chính là
các ma trận vuông cùng kích cỡ A1, A2,..., An

0m´n
In

Ma trận không m hàng, n cột
Ma trận đơn vị cỡ n (n hàng, n cột)
Chuyển vị của ( .)

(.)

T

¶f
¶x

hof
K
K∞
L

Đạo hàm Jacobi của f theo x
Hàm hợp của h và f , tức là h ( f (.) )
Lớp các hàm thực a : ¡ ³0 ® ¡ ³0 liên tục và đơn điệu tăng

và a ( 0 ) = 0

Lớp các hàm thực a (t ) Î K và không bị chặn
Lớp các hàm thực d : ¡ ³0 ® ¡ ³0

đơn điệu giảm và

lim d (t ) = 0
t ®¥

KL

Lớp các hàm thực liên tục b (r , s) : ¡ ³0 ´ ¡ ³0 ® ¡ ³0 với

b (,× s) Î K và b (r , ×) Î L

Danh mục các từ viết tắt
DMPC
ISS
LMI
LTI
LPV
MPC
NMPC

Decentralized model predictive control
Input-to-state stability
Linear matrix inequality
Linear time-invariant
Linear parameter-varying

Model predictive control
Nonlinear model predictive control

i


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Danh mục bảng biểu
Bảng 2-1 Các biến quá trình của hệ phản ứng/tách ....................................... 35
Bảng 2-2 Bảng thông số vận hành hệ phản ứng/tách [71] ............................... 36
Bảng 2-3 Điểm làm việc của hệ thống nồi hơi-tuabin [4] ................................ 41
Bảng 3-1 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPCd và DLMPC điều
khiển hệ nồi hơi - tuabin ............................................................................... 60
Bảng 3-2 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd và
DLMPC điều khiển hệ nồi hơi - tuabin ........................................................... 67
Bảng 3-3 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd,
DLMPC và MPC_LTI điều khiển hệ nồi hơi - tuabin ...................................... 73
Bảng 3-4 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd,
DLMPC, MPC_LTI và NMPC điều khiển hệ nồi hơi – tuabin ......................... 78
Bảng 3-5 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC_LTI và DMPCLPV điều khiển hệ nồi hơi - tuabin ................................................................ 88
Danh mục hình vẽ
Hnh 1-1 Minh họa MPC ở thời điểm tk ......................................................... 7
Hnh 1-2 Minh họa cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển cục bộ
độc lập........................................................................................................ 15
Hnh 1-3 Minh họa cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển cục bộ
có trao đổi thông tin với nhau ....................................................................... 16
Hnh 1-4 Minh họa cấu trúc DMPC gồm 2 bộ điều khiển dự báo cục bộ thực hiện
tính toán tối ưu tuần tự sử dụng thông tin từ các bộ điều khiển dự báo khác [13] 19
Hnh 1-5 Minh họa cấu trúc DMPC gồm 2 bộ điều khiển dự báo cục bộ thực hiện

tính toán tối ưu song song sử dụng thông tin từ các bộ điều khiển dự báo khác [13]
.................................................................................................................. 20
Hnh 2-1 Minh họa các tương tác giữa quá trình i = 1,2,..., M và quá trình j ¹ i
trong hệ điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính ............... 23
Hnh 2-2 Một quá trình phản ứng/tách tiêu biểu [70] ..................................... 34
Hnh 2-3 Đáp ứng hệ thống phản ứng/tách khi nhiễu thay đổi ......................... 38
Hnh 2-4 Đáp ứng hệ phản ứng/tách khi thay đổi giá trị ràng buộc.................. 39
Hnh 2-5 Đáp ứng hệ phản ứng/tách khi thay đổi trọng số hàm mục tiêu ......... 39
Hnh 2-6 Sơ đồ minh họa hệ nồi hơi-tuabin [5]. ............................................. 40
Hnh 2-7 Các biến vào/ra của mô hình nồi hơi-tuabin [6]............................... 41
Hnh 2-8 Đáp ứng hệ thống nồi hơi với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung
dự trên mô hình tuyến tính tại điểm làm việc 90% .......................................... 44
ii


Hnh 2-9 Đáp ứng hệ thống tuabin với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung
dựa trên mô hình tuyến tính tại điểm làm việc 90% ......................................... 44
Hnh 2-10 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi – tuabin với thuật toán điều khiển dự
báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính tại điểm làm việc 90% ............... 45
Hnh 3-1 Minh họa các tương tác giữa quá trình i = 1,2,..., M và quá trình j ¹ i
trong hệ phi tuyến sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn ................... 47
Hnh 3-2 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPCd sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu ...................................................... 58
Hnh 3-3 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu ...................................................... 58
Hnh 3-4 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng
mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu ................................... 59
Hnh 3-5 So sánh đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi-tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng
mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu và thuật toán điều khiển dự
báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính (DLMPC) ................................ 59

Hnh 3-6 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn khi có nhiễu đầu ra (OD: đường chấm gạch) bằng 5% giá
trị đặt ......................................................................................................... 61
Hnh 3-7 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn khi có nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt ..................... 61
Hnh 3-8 Minh họa tư tưởng xây dựng mô hình dự báo chứa thành phần tích phân
.................................................................................................................. 63
Hnh 3-9 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám..................................................... 66
Hnh 3-10 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám..................................................... 66
Hnh 3-11 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPC sử dụng
mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám ................................. 67
Hnh 3-12 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt 68
Hnh 3-13 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt 68
Hnh 3-14 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPC sử dụng
mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra bằng
5% giá trị đặt .............................................................................................. 69
Hnh 3-15 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với huật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi nhiễu đầu ra bằng 20% giá trị đặt
.................................................................................................................. 69
Hnh 3-16 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra bằng 20% giá trị đặt
.................................................................................................................. 70
iii


Hnh 3-17 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPC sử dụng

mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra bằng
20% giá trị đặt ............................................................................................ 70
Hnh 3-18 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi sử dụng thuật toán DMPC sử dụng mô hình
LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra biến đổi chậm
.................................................................................................................. 71
Hnh 3-19 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI
tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra biến đổi chậm ... 71
Hnh 3-20 So sánh đáp ứng đầu ra nồi hơi theo thuật toán điều khiển phi tập trung
sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu, không dự báo nhiễu
và thuật toán điều khiển tập trung LTI .......................................................... 72
Hnh 3-21 So sánh đáp ứng đầu ra tuabin theo thuật toán điều khiển phi tập trung
sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu, không dự báo nhiễu
và thuật toán điều khiển tập trung LTI .......................................................... 73
Hnh 3-22 Đáp ứng hệ thống nồi hơi – tuabin với bộ điều khiển dự báo tập trung
hệ phi tuyến khi Pf = 2Q ............................................................................. 76
Hnh 3-23 Đáp ứng hệ thống nồi hơi – tuabin với bộ điều khiển dự báo tập trung
hệ phi tuyến khi Pf = 20Q ............................................................................ 77
Hnh 3-24 Đáp ứng hệ thống nồi hơi – tuabin với bộ điều khiển dự báo tập trung
hệ phi tuyến khi Pf = 50Q ............................................................................ 77
Hnh 3-25 Minh họa các tương tác giữa quá trình i = 1,2,..., M và quá trình l ¹ i
trong hệ điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến dựa trên mô hình LPV .... 80
Hnh 3-26 Đáp ứng đầu ra của nồi hơi với thuật toán điều khiển phi tập trung dựa
trên mô hình LPV ....................................................................................... 85
Hnh 3-27 Đáp ứng đầu ra của tuabin với thuật toán điều khiển phi tập trung dựa
trên mô hình LPV ....................................................................................... 85
Hnh 3-28 Tín hiệu điều khiển của nồi hơi và tuabin với thuật toán điều khiển phi
tập trung dựa trên mô hình LPV ................................................................... 86
Hnh 3-29 So sánh đáp ứng đầu ra của nồi hơi sử dụng bộ điều khiển phi tập trung
dựa trên mô hình LPV (DMPC-LPV: đường gạch đứt) và dựa trên mô hình tuyến
tính LTI (DMPC-LTI: đường nét liền) ........................................................... 86

Hnh 3-30 So sánh đáp ứng đầu ra của tuabin sử dụng bộ điều khiển phi tập trung
dựa trên mô hình LPV và dựa trên mô hình tuyến tính LTI ............................. 87
Hnh 3-31 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin sử dụng bộ điều khiển phi tập
trung dựa trên mô hình LPV và dựa trên mô hình tuyến tính LTI .................... 87

iv


MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển dự báo với khả năng điều khiển các hệ thống nhiều vào/nhiều ra,
có động học từ đơn giản đến phức tạp trong điều kiện ràng buộc về tín hiệu điều
khiển và ràng buộc đầu ra, cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu trên
nhiều phương diện cũng như có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp [7,
21, 25, 47, 48, 52].
Tuy nhiên, khi số lượng các biến vào/ra tăng lên, kéo theo những khó khăn
trong giải bài toán tối ưu và ảnh hưởng tới tính năng thời gian thực của hệ thống
bởi khối lượng tính toán tăng theo cấp số mũ, vấn đề điều khiển tin cậy và bền
vững, cũng như giới hạn về truyền thông [13, 22, 31, 35, 55, 56, 64]. Điều khiển dự
báo phi tập trung (decentralized model predictive control, DMPC) hứa hẹn khắc
phục được hạn chế trên của điều khiển dự báo tập trung cho các quá trình lớn. Đặc
biệt với các quá trình mà bản thân cấu trúc của nó gồm các quá trình con có nhiễu
và có tương tác với nhau dưới dạng tương tác trạng thái hay tương tác vào/ra, thì
điều khiển dự báo phi tập trung sẽ giúp giảm sự phức tạp, mức độ tương tác giữa
các hệ con bởi nhiễu và trễ của các quá trình con có thể xử lý riêng mà không ảnh
hưởng trực tiếp đến quá trình con khác, từ đó giúp giảm chi phí thiết kế và đưa vào
vận hành.
Hệ điều khiển dự báo phi tập trung gồm nhiều bộ điều khiển dự báo cục bộ
được thiết kế để điều khiển các quá trình con của hệ. Các bộ điều khiển dự báo cục

bộ này có thể điều khiển độc lập hoặc có sự trao đổi thông tin với nhau để điều
khiển hệ thống. Trong đó, hệ điều khiển dự báo phi tập trung gồm các bộ điều khiển
cục bộ độc lập thường được thiết kế với giả thiết tương tác giữa các quá trình con
là yếu, đồng thời coi các tương tác này là nhiễu có thể bù được và đảm bảo tính ổn
định của hệ sử dụng các kết quả về ổn định của điều khiển dự báo tập trung [3, 9,
39, 46, 49, 63]. Tuy nhiên, chất lượng của hệ điều khiển dự báo phi tập trung mà
giữa các bộ điều khiển không có sự trao đổi thông tin với nhau nhiều khi bị hạn chế
bởi thiếu các thông tin hữu ích về tương tác giữa các quá trình con [14]. Cho đến
nay đã có nhiều nghiên cứu về hệ điều khiển dự báo phi tập trung gồm các bộ điều
khiển dự báo có trao đổi thông tin với nhau [8, 22, 29, 31, 35, 55, 56, 65, 69] nhưng
chủ yếu tập trung vào phát triển thuật toán dựa trên mô hình tuyến tính. Vấn đề
điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến xét đến ảnh hưởng của nhiễu, cũng
như phát triển các thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho các hệ thống
gồm nhiều hệ con có tương tác với nhau, nhằm giảm khối lượng tính toán và đảm
1


Luận án đủ ở file: Luận án full