Xây dựng thư viện khối thích nghi điều khiển hệ phi tuyến

Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:..............................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:....................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:....................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SỸ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ….tháng…năm 2008.


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên:

PHÙNG ĐỨC HUY

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh :

06-12-1980

Nơi sinh : BUÔN MÊ THUỘT

Chuyên ngành :

TỰ ĐỘNG HĨA

Khố (Năm trúng tuyển) :

2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG THƯ VIỆN KHỐI THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:


Xây dựng thư viện các khối tự chỉnh định.



Dùng thư viện các khối tự chỉnh định để giải bài tập thích nghi, ước lượng và điều

khiển đối tượng phi tuyến.



Xây dựng thư viện khối neural mờ thích nghi trực tiếp điều khiển mơ hình thực
cánh tay mềm dẻo hai bậc tự do trong phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc Gia C6.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ...........................................................................................
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ..........................................................................
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): ........................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Lời cảm ơn.
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Phương Hà người đã
tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức giúp tơi hồn thành luận án này. Và quan
trọng hơn hết, PGS là người đã gợi mở cho tác giả một đề tài, một hướng nghiên
cứu mới mẻ, độc đáo, có tính ứng dụng cao, hồn tồn phù hợp với năng lực của tác

giả.
Bên cạnh đó tơi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ mơn Điều
Khiển Tự Động: thầy Huỳnh Thái Hồng, thầy Trương Đình Châu, thầy Nguyễn
Mộng Hùng, thầy Nguyễn Thiện Thành, thầy Nguyễn Đức Thành….đã định
hướng và hỗ trợ một số phần quan trọng cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển
đề tài.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn cao học khóa 2005 và 2006 đã
động viên giúp đỡ tơi trong suốt khóa học.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và
động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình trong suốt thời
gian qua.

Tp.HCM, ngày….tháng….năm 2008.
Tác giả

PHÙNG ĐỨC HUY


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Tóm tắt luận văn thạc sỹ
Sự kết hợp các giải thuật thích nghi với thư viện Simulink của Matlab ngày
càng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động. Lần đầu tiên, có
một luận văn đưa ra nghiên cứu xây dựng một thư viện khối thích nghi bao gồm giải
thuật điều khiển thích nghi trực tiếp (Direct Adaptive Control) cùng với thuật toán
tự chỉnh định (Selt-Tuning Regulator) và Neural mờ thích nghi trực tiếp (Direct
Adaptive Neural Fuzzy Control). Đặc tính nổi bật của thư viện này là có thể dùng
nó để thiết kế sơ đồ khối điều khiển được nhiều đối tượng khác nhau dưới dạng mơ
phỏng và có thể ứng dụng để điều khiển trong thực tế. Thuật toán ước lượng sẽ ép
đối tượng bám theo một mơ hình có bậc nhỏ hơn bậc thực tế của đối tượng. Một số

ứng dụng ước lượng và điều khiển cũng được trình bày để minh họa cho đặc tính
vượt trội của thư viện khối thích nghi này.
Luận văn cũng đồng thời đưa ra hướng phát triển và mở rộng cho thư viện
này. Hiện tại thư viện được thiết kế dưới dạng mã nguồn mở nên việc thiết kế thêm
vào thư viện rất dễ dàng. Trong khi đó, giải thuật điều khiển thích nghi lại rất nhiều
(MRAC: Model Reference Adaptive Control , MRAS: Model Reference
Adaptive System, điều khiển thích nghi gián tiếp: Indirect Adaptive Control
…). Vì vậy để thiết kế được thư viện khối thích nghi với tất cả các giải thuật thích
nghi trên cần phải có nhiều nhóm nghiên cứu, nhiều tổ chức cùng nhau thực hiện.
Khi đó, thư viện khối thích nghi này sẽ trở nên rộng lớn hơn, hữu ích hơn và ứng
dụng nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển tự động đang phát triển mạnh mẽ hiện
nay.


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

ABSTRACT
The intergration between adaptive algorithms and Simulink Library of
Matlab is applied wider and wider in area of automatic control. Firstly, there is a
dissertation which studies to design a block adaptive library consist of Direct
Adaptive Neural Fuzzy Control and Selt-Tuning Regulator algorithms. The
salient characteristic of this library is that you can use it to design block diagrams
controlling different objects under imitation and can apply to control in real
condition. Estimative algorithm forces object to follow a model which has a smaller
degree than a real ones. Some applications in estimator and controller are also
presented to demonstrate the superiority of this block adaptive library.
In addition, the dissertation also bring out the way of development and
expansion for this library. At present, the library is designed under open source to
add other designs in the library easily. Meanwhile, there are too many adaptive
algorithms (MRAC: Model Reference Adaptive Control , MRAS:

Model

Reference Adaptive System, Indirect Adaptive Control …). Thus, designing the
block adaptive library with all adaptive algorithms needs many studying groups and
organizations work together. At this time, the block adaptive library becomes wider,
more effective and applied in the area of automatic control which has strongly
development in nowadays.


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Mục lục
Chương 1: Tổng quan
1.1.

Tổng quát về Simulink và thư viện các khối của Matlab .......................... 1

1.2.

Một số kết quả nghiên cứu thư viện khối điều khiển thích nghi dựa trên
Simulink của Matlab ................................................................................. 2

1.3.

Phương pháp xây dựng thư viện khối thích nghi ....................................... 13

1.4.

Nội dung tóm lược của luận văn ............................................................... 15

Chương 2: Xây dựng thư viện khối tự chỉnh định
2.1.

Giới thiệu thư viện .................................................................................... 17

2.2.

Các khối ước lượng ................................................................................... 20

2.3.

Khối ước lượng trực tiếp ........................................................................... 21

2.4.

Khối ước lượng gián tiếp .......................................................................... 23

2.5.

Khối thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp đặt cực ............................. 24

2.6.

Khối điều khiển thích nghi [STR] ............................................................ 28

2.7.

Khối hàm tổn thất ..................................................................................... 29

2.8.

Kết luận .................................................................................................... 30

Chương 3: Xây dựng thư viện khối neural mờ thích
nghi trực tiếp
3.1.

Giới thiệu thư viện ..................................................................................... 31

3.2.

Khối sai số bám . ....................................................................................... 32

3.3.

Khối ước lượng trực tuyến . ....................................................................... 33

3.4.

Khối điều khiển trượt ................................................................................ 34


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

3.5.

Khối nhận dạng neural mờ ....................................................................... 35

3.6.

Khối điều khiển neural mờ thích nghi trực tiếp sử dụng 5 tập mờ .............. 39

3.7.

Khối điều khiển neural mờ thích nghi trực tiếp sử dụng 9 tập mờ .............. 41

3.8.

Kết luận .................................................................................................... 43

Chương 4: Ứng dụng thư viện về bộ tự chỉnh định
điều khiển các đối tượng phi tuyến
4.1.

Giới thiệu về bộ tự chỉnh định ................................................................... 45

4.2.

Bài tập thích nghi....................................................................................... 48

4.3.

Khảo sát mơ phỏng đối tượng cánh tay máy một bậc. ................................ 57

4.4.

Khảo sát mô phỏng đối tượng bồn nước đôi............................................... 74

4.5.

Kết luận ..................................................................................................... 84

Chương 5: Điều khiển cánh tay mềm dẻo dùng neural
mờ thích nghi trực tiếp.
5.1.

Giới thiệu................................................................................................... 86

5.2.

Xây dựng mơ hình tốn cánh tay................................................................ 88

5.3.

Xây dựng mơ hình mơ phỏng..................................................................... 97

5.4.

Thiết bị kết nối hệ thống điều khiển cánh tay mềm dẻo tại phòng thí nghiệm
C6............................................................................................................. 101

5.5.

Khảo sát khối neural mờ thích nghi trực tiếp sử dụng 5 tập mờ ................. 109

5.5.

Khảo sát khối neural mờ thích nghi trực tiếp sử dụng 9 tập mờ................. 112

5.6.

So sánh kết quả neural mờ thích nghi trực tiếp với LQR ........................... 120

5.7.

Kết luận. ................................................................................................... 121

Chương 6: Nhận xét kết quả đạt được và định hướng
phát triển đề tài
6.1.

Kết quả đạt được ....................................................................................... 123

6.2.

Một số hạn chế .......................................................................................... 125


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

6.3.

Hướng phát triển ....................................................................................... 125

Tài liệu tham khảo ............................................................................... 127
Phụ lục ......................................................................................................... 129
Phần A: ........................................................................................................... 129
1.1.

Ước lượng con lắc mềm dẻo ..................................................................... 129

1.2

Khối STR Anti windup ............................................................................. 136

Phần B: Code S-function nhúng trong thư viện STR ......................... 138
1.

nzdesign.m ............................................................................................... 138

2.

nzrstd.m ................................................................................................... 139

3.

phivector.m .............................................................................................. 140

4.

rls.m ........................................................................................................ 142

5.

rst.m ........................................................................................................ 145

6.

rstd.m ....................................................................................................... 148

7.

zdesign.m ................................................................................................. 149

Phần B: Lý Lịch trích ngang ...................................................................... 152


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Danh mục các hàm, ký hiệu, từ viết tắt
 Ký hiệu
V:

Hàm Lyapunov

Q:

Ma trận trọng số xác định dương của hàm Lyapunov

C6: Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia.TP.HCM
Tip: điểm tại đầu mút của cánh tay mềm dẻo hai bậc tự do
 Từ viết tắt
STR: Self-tuning Regulators
Bộ tự chỉnh định
ISTR: Indirect Self-tuning Regulators
Bộ tự chỉnh định gián tiếp
DSTR:Direct Self-tuning Regulators
Bộ tự chỉnh định trực tiếp
MRAS: Model-reference Adaptive Systems

Điều khiển thích nghi dùng mơ hình tham chiếu
MRAC: Model-reference Adaptive Control
Điều khiển thích nghi dùng mơ hình tham chiếu thiết kế cho bộ điều khiển
MVC: Moving-average Controllers
Bộ trung bình di chuyển
MIMO: Multi Input Multi Output
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
SISO: Single Input Single Output
Một vào một ra
DAFN: Driect Adaptive Fuzzy Neural
Điều khiển neural mờ thích nghi trực tiếp
RLS: Recurrsive Least-squares estimation
Thuật tốn ước lượng bình phương cực tiểu đệ qui
NN: Neural Network


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Mạng nơrol

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng biểu
Hình 1.1. Thư viện khối điều khiển thích nghi trực tếp của Viện khoa học Lund .. 2
Hình 1.2. Khối PI Controller................................................................................ 3
Hình 1.3. Khối Performance ................................................................................ 3
Hình 1.4. Sơ đồ khối Điều khiển thích nghi trực tiếp từ thư viện khối Lund ........ 3
Hình 1.5. Thư viện khối thích nghi của Lennart Ljung......................................... 4
Hình 1.6. Khối Controller .................................................................................... 5
Hình 1.7. Khối EKF Adaptive Control................................................................. 5
Hình 1.8. Demo điều khiển thích nghi lái xe ........................................................ 5
Hình 1.9. Thư viện khối nhận dạng các hệ thống động ........................................ 6

Hình 1.10. Demo nhận dạng hệ SISO liên tục....................................................... 6
Hình 1.11. Demo nhận dạng hệ SISO rời rạc ........................................................ 7
Hình 1.12. Demo nhận dạng hệ MIMO liên tục .................................................... 7
Hình 1.13. Demo nhận dạng hệ MIMO rời rạc...................................................... 7
Hình 1.14. Sơ đồ khối tự chỉnh định ..................................................................... 8
Hình 1.15. Khối ước lượng RLS ........................................................................... 9
Hình 1.16. Khối thiết kế Bộ điều khiển................................................................. 9
Hình 1.17. Demo 1 nhận dạng các tham số đối tượng dùng các khối trong thư viện
khối thích nghi........................................................................................... 9
Hình 1.18. Demo 4 nhận dạng trực tuyến và thiết kế bộ điều khiển ...................... 10
Hình 1.19. Khối tự chỉnh định hệ MIMO.............................................................. 10
Hình 1.20. Thư viện khối neural mờ thích nghi của giáo sư Giampero Campa...... 11


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 1.21. ANNDEMO của thư viện khối mạng Neural của giáo sư Giampero
Campa ....................................................................................................... 12
Hình 1.22. Thư viện khối thích nghi tự chỉnh định................................................ 14
Hình 1.23. Thư viện khối thích nghi Neural mờ trực tiếp...................................... 14
Hình 2.1. Sơ đồ khối bộ tự chỉnh định ................................................................. 17
Hình 2.2. Thư viện khối tự chỉnh định ................................................................. 18
Hình 2.2. Thư viện mẫu trống.............................................................................. 19
Hình 2.3. Sơ đồ khối và bảng thông số của khối RLS-estimator ........................... 20
Hình 2.4. Sơ đồ khối bên trong của khối RLS-estimator. ...................................... 20
Hình 2.5. Sơ đồ khối và bảng thơng số khối ước lượng trực tiếp........................... 21
Hình 2.6. Sơ đồ khối bên trong khối ước lượng trực tiếp ...................................... 22
Hình 2.7 Sơ đồ khối con Make R Monic của khối ước lượng trực tiếp................. 22
Hình 2.8. Sơ đồ khối con Tính [R,S] của khối ước lượng trực tiếp........................ 22
Hình 2.9. Sơ đồ khối con Tính phi của khối ước lượng trực tiếp ........................... 22

Hình 2.10. Sơ đồ khối con Tính u_f và y_f của khối ước lượng trực tiếp .............. 23
Hình 2.11. Sơ đồ khối và bảng thông số khối ước lượng gián tiếp ........................ 23
Hình 2.12. Sơ đồ khối bên trong khối ước lượng gián tiếp.................................... 24
Hình 2.13. Sơ đồ khối con Tính thơng số mơ hình đối tượng từ giá trị ước
lượng ......................................................................................................... 24
Hình 2.14. Sơ đồ khối và bảng thông số khối thiết kế bộ điều khiển bằng phương
pháp đặt cực khơng khử zero ..................................................................... 25
Hình 2.15. Sơ đồ khối bên trong khối thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp đặt
cực khơng khử zero.................................................................................... 26
Hình 2.16. Sơ đồ khối và bảng thông số khối thiết kế bộ điều khiển bằng phương
pháp đặt cực có khử zero ........................................................................... 27
Hình 2.17. Sơ đồ khối bên trong khối thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp
đặt cực có khử zero .................................................................................. 27
Hình 2.18. Sơ đồ khối và bảng thơng số khối điều khiển thích nghi .................... 28


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 2.19. Sơ đồ khối bên trong khối điều khiển thích nghi ................................. 29
Hình 2.20. Sơ đồ khối và bảng hướng dẫn cơng thức tính hàm tổn thất................. 29
Hình 2.21. Sơ đồ khối bên trong khối hàm tổn thất............................................... 30
Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển thích nghi ..................................................... 31
Hình 3.2. Thư viện khối neural mờ thích nghi trực tiếp......................................... 32
Hình 3.3. Sơ đồ khối và bảng thông số nhập vào của khối sai số bám.................. 32
Hình 3.4. Sơ đồ khối bên trong của khối sai số bám ............................................ 33
Hình 3.5. Sơ đồ khối và bảng các thông số nhập vào của khối ước lượng trực
tuyến.......................................................................................................... 33
Hình 3.6. Sơ đồ khối bên trong của khối ước lượng trực tuyến ............................ 34
Hình 3.7. Sơ đồ khối và bảng các thông số nhập vào của khối điều khiển trượt ... 34
Hình 3.8. Sơ đồ khối bên trong của khối điều khiển trượt .................................... 35

Hình 3.9. Sơ đồ khối và bảng các thông số nhập vào của khối nhận dạng neural
mờ ............................................................................................................ 36
Hình 3.10. Sơ đồ khối bên trong của khối nhận dạng neural mờ ........................... 36
Hình 3.11.Sơ đồ khối và bảng các thơng số nhập vào của khối Neural Fuzzy
Singleton ................................................................................................... 37
Hình 3.12. Sơ đồ khối bên trong của khối Neural Fuzzy Singleton với 9 tập mờ .. 38
Hình 3.13. Tập mờ ngõ vào x dạng Gaussian........................................................ 39
Hình 3.14. Sơ đồ khối và bảng các thông số nhập vào của khối điều khiển
neural mờ thích nghi trực tiếp sử dụng 5 tập mờ. ....................................... 40
Hình 3.15. Sơ đồ khối bên trong của khối điều khiển neural mờ thích nghi
trực tiếp sử dụng 5 tập mờ ......................................................................... 41
Hình 3.16. Sơ đồ khối và bảng các thơng số nhập vào của khối điều khiển neural
mờ thích nghi trực tiếp sử dụng 9 tập mờ................................................... 42
Hình 3.17. Sơ đồ khối bên trong của khối điều khiển neural mờ thích nghi
trực tiếp sử dụng 9 tập mờ. ........................................................................ 43
Hình 4.1. Thư viện khối tự chỉnh định được links vào Simulink Matlab 7.04 ...... 45
Hình 4.2. Sơ đồ khối bộ tự chỉnh định trực tiếp .................................................... 46


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 4.3. Sơ đồ khối bộ tự chỉnh định gián tiếp.................................................... 47
Hình 4.4. Mơ hình ước lượng bài tốn trên. .......................................................... 49
Hình 4.5. Vector tham số theta và nhiễu cộng vào hệ thống.................................. 50
Hình 4.6. Tập dữ liệu vào ra thu thập trong q trình ước lượng. ......................... 50
Hình 4.7. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định gián tiếp dùng phương pháp
đặt cực khử zero (zero=-0.84) ................................................................... 51
Hình 4.8. Bộ chỉnh định thích nghi gián tiếp khử zero(zero =-0.84)...................... 52
Hình 4.9. Tín hiệu nhiễu. ..................................................................................... 52
Hình 4.10. Hàm tổn thất. ..................................................................................... 52

Hình 4.11. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định gián tiếp dùng phương pháp đặt cực
khơng khử zero (zero=-0.84). .................................................................... 53
Hình 4.12. Bộ chỉnh định thích nghi gián tiếp khơng khử zero(zero=-0.84). ......... 54
Hình 4.13. Tín hiệu nhiễu ..................................................................................... 54
Hình 4.14. Hàm tổn thất ....................................................................................... 54
Hình 4.15. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định trực tiếp.......................................... 55
Hình 4.16. Bộ chỉnh định thích nghi trực tiếp. ...................................................... 56
Hình 4.17. Tín hiệu nhiễu. .................................................................................... 56
Hình 4.18. Hàm tổn thất. ..................................................................................... 56
Hình 4.19. Cánh tay máy một bậc tự do................................................................ 57
Hình 4.20. Khối simulink cánh tay máy một bậc tự do. ....................................... 62
Hình 4.21. Mơ hình ước lượng cánh tay máy một bậc tự do.................................. 62
Hình 4.22. Tín hiệu nhiễu ..................................................................................... 63
Hình 4.23.Vector tham số và sự thay đổi của khối lượng vật nặng....................... 64
Hình 4.24. Tập dữ liệu vào ra cần ước lượng. ...................................................... 64
Hình 4.25. Tín hiệu nhiễu ..................................................................................... 64


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 4.26. Vector tham số và sự thay đổi của khối lượng vật nặng...................... 65
Hình 4.27. Tập dữ liệu vào ra cần ước lượng. ...................................................... 65
Hình 4.28. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định trực tiếp.......................................... 65
Hình 4.29. Tín hiệu nhiễu và khối lượng vật nặng. ............................................... 66
Hình 4.30. Bộ chỉnh định thích nghi trực tiếp với tín hiệu đặt là hàm nấc. ............ 67
Hình 4.31. Bộ chỉnh định thích nghi trực tiếp với tín hiệu đặt là hàm nấc và Sin...67
Hình 4.32. Tín hiệu nhiễu và khối lượng vật nặng. ............................................... 68
Hình 4.33. Bộ chỉnh định thích nghi trực tiếp với tín hiệu đặt là hàm nấc. ............ 68
Hình 4.34. Bộ chỉnh định thích nghi trực tiếp với tín hiệu đặt là hàm nấc và Sin...69
Hình 4.35. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định gián tiếp. ........................................ 70

Hình 4.36. Tín hiệu nhiễu và khối lượng vật nặng. ............................................... 71
Hình 4.37. Bộ chỉnh định thích nghi gián tiếp dùng phương pháp đặt cực với tín
hiệu đặt là hàm nấc .................................................................................... 71
Hình 4.38. Bộ chỉnh định thích nghi gián tiếp dùng phương pháp đặt cực với tín
hiệu đặt là hình Sin .................................................................................... 72
Hình 4.39. Tín hiệu nhiễu và khối lượng vật nặng. ............................................... 72
Hình 4.40. Bộ chỉnh định thích nghi gián tiếp dùng phương pháp đặt cực với tín
hiệu đặt là hàm nấc ................................................................................... 73
Hình 4.41. Bộ chỉnh định thích nghi gián tiếp dùng phương pháp đặt cực với tín
hiệu đặt là hàm nấc và Sin ......................................................................... 73
Hình 4.42. Mơ hình tốn bồn nước đơi. ................................................................ 74
Hình 4.43. Khối Simulink bồn nước đơi. .............................................................. 76
Hình 4.44. Mơ hình ước lượng bồn nước đơi. ....................................................... 76
Hình 4.45. Tín hiệu nhiễu. .................................................................................... 77
Hình 4.46. Vector tham số và kích thước van xả................................................... 77
Hình 4.47. Tập dữ liệu ước lượng ......................................................................... 77
Hình 4.48. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định trực tiếp.......................................... 78
Hình 4.49. Tín hiệu nhiễu ..................................................................................... 79


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 4.50. Độ cao của mực nước dùng bộ chỉnh định trực tiếp với tín hiệu đặt là
hình Sin ..................................................................................................... 79
Hình 4.51.Tín hiệu điều khiển và kích thước van xả. ............................................ 79
Hình 4.52. Độ cao của mực nước dùng bộ chỉnh định trực tiếp với tín hiệu đặt là
hàm nấc ..................................................................................................... 80
Hình 4.53.Tín hiệu điều khiển và kích thước van xả ............................................. 80
Hình 4.54. Độ cao của mực nước dùng bộ chỉnh định trực tiếp với tín hiệu đặt là
hình sin ...................................................................................................... 80

Hình 4.55.Tín hiệu điều khiển và kích thước van xả ............................................. 80
Hình 4.56. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh định gián tiếp. ........................................ 81
Hình 4.57. Tín hiệu nhiễu. .................................................................................... 82
Hình 4.58. Độ cao của mực nước dùng bộ chỉnh định gián tiếp với tín hiệu đặt là
hình Sin ..................................................................................................... 82
Hình 4.59. Tín hiệu điều khiển và sự thay đổi kích thước van xả. ......................... 82
Hình 4.60. Độ cao của mực nước dùng bộ chỉnh định gián tiếp với tín hiệu đặt là
hàm nấc ..................................................................................................... 83
Hình 4.51. Tín hiệu điều khiển và sự thay đổi kích thước van xả. ......................... 83
Hình 4.62. Độ cao của mực nước dùng bộ chỉnh định trực tiếp với tín hiệu đặt là
hình nấc ..................................................................................................... 83
Hình 4.63.Tín hiệu điều khiển và kích thước van xả ............................................. 83
Hình 5.1. Thư viện khối neural mờ thích nghi trực tiếp trong Simulink của Matlab
7.04 ........................................................................................................... 86
Hình 5.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp................................ 87
Hình 5.3. Cánh tay mềm dẻo hai bậc tự do ........................................................... 88
Hình 5.4. Cánh tay mềm dẻo đơn ......................................................................... 88
Hình 5.5. Mơ hình cánh tay mềm dẻo đơn. ........................................................... 89
Hình 5.6. Mơ hình thay thế đơn giản cánh tay mềm dẻo ....................................... 90
Hình 5.7. Biểu diễn vị trí cánh tay trong tọa độ Oxy ............................................. 94


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 5.8. Mơ hình Simulink mơ phỏng hệ thống cánh tay mềm dẻo ..................... 97
Hình 5.9. Sơ đồ khối Commands ........................................................................ 98
Hình 5.10. Sơ đồ simulink của khối Subsystem. ................................................... 98
Hình 5.11. Khối điều khiển thích nghi trực tiếp sử dụng 9 tập mờ và 5 tập mờ ..... 99
Hình 5.12. Sơ đồ simulink của khối Flexible link. ............................................... 100
Hình 5.13. Sơ đồ simulink của khối Safety. ......................................................... 100

Hình 5.14. Sơ đồ simulink của khối Measurement. .............................................. 101
Hình 5.15. Kết nối thiết bị với máy tính tại phịng thí nghiệm.............................. 101
Hình 5.16. Card Quanser PCI MultiQ.................................................................. 103
Hình 5.17. Bộ khuếch đại cơng suất (UPM)......................................................... 106
Hình 5.18. Sơ đồ kết nối động cơ ........................................................................ 107
Hình 5.19. Mơ hình Simulink điều khiển cánh tay mềm dẻo thực. ...................... 108
Hình 5.20.Khối Flexible link(Real Model) mơ hình thực ..................................... 108
Hình 5.21. Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip bám theo tín hiệu đặt là hình bì
Thư........................................................................................................... 110
Hình 5.22. Sai số trên các trục tọa độ x và y ........................................................ 110
Hình 5.23.Tín hiệu nhiễu cộng vào hệ thống........................................................ 111
Hình 5.24. Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip bám theo tín hiệu đặt là hình bì
Thư.......................................................................................................... 111
Hình 5.25. Sai số trên các trục tọa độ x và y ........................................................ 112
Hình 5.26. Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip ..................................................... 113
Hình 5.27. Sai số trên các trục tọa độ x và y ........................................................ 114
Hình 5.28.Vị trí của đỉnh tip so với trục x và trục y ............................................. 114
Hình 5.29.Tín hiệu nhiễu cộng vào hệ thống........................................................ 115
Hình 5.30. Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip ..................................................... 115
Hình 5.31. Sai số trên các trục tọa độ x và y ........................................................ 116


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 5.32. Vị trí của đỉnh tip so với trục x và trục y ............................................ 116
Hình 5.33.Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip ...................................................... 117
Hình 5.34.Sai số trên các trục tọa độ x và y ......................................................... 117
Hình 5.35. Vị trí của đỉnh tip so với trục x và trục y ............................................ 118
Hình 5.36.Tín hiệu nhiễu cộng vào hệ thống........................................................ 118
Hình 5.37.Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip. ..................................................... 119

Hình 5.38. Sai số trên các trục x và y................................................................... 119
Hình 5.39.Vị trí của đỉnh tip so các trục x và y .................................................... 120
Hình 5.40.Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tip ...................................................... 120


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Chương 1: Tổng quan
1.1. Tổng quát về Simulink và thư viện các khối của Matlab.
Với sự phát triển của xã hội ngày nay các hệ thống tự động hóa trong cơng
nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống con người nhiều hơn. Vì vậy, để đáp ứng
nhu cầu điều khiển ngày càng cao về chất lượng điều khiển hệ thống là rất quan
trọng. Mà các hệ thống thực đều có tính phi tuyến cao, nhạy cảm với nhiễu từ môi
trường tác động lên hệ thống điều khiển. Với hệ thống phi tuyến không thể điều
khiển đạt được chỉ bằng kỹ thuật cổ điển. Do đó, các nhà nghiên cứu trong những
năm gần đây đã nhúng các bộ điều khiển thông minh như: điều khiển Nơron, điều
khiển mờ, giải thuật di truyền, điều khiển thích nghi và bền vững đã nhanh chóng
được hưởng ứng, mang đầy hứa hẹn với những hệ thống phi tuyến trong tương lai.
Nhưng để có thể nhúng giải thuật vào hệ thống điều khiển người ta cần phải
có một phần mềm hỗ trợ các thuật toán. Mà mạnh nhất trong tất cả các phần mềm
đó chính là Matlab. Với Matlab chúng ta khơng những có thể lập trình theo hướng
m-file hay S-function mà nó cịn cho chúng ta một thư viện khối giao diện dễ nhìn
để mơ phỏng lý thuyết trước khi đưa ra áp dụng thực tế. Đó chính là thư viện
Simulink của Matlab. Simulink là một tích hợp ưu việt trong Matlab, ngồi giao
diện dễ nhìn nó có thể liên kết được với m-file, S-function, C++… file làm cho việc
thực hiện sơ đồ mô phỏng của chúng ta dễ dàng hơn.Trong thư viện khối Simulink
của Matlab có rất nhiều khối cơ bản khác nhau như: thư viện khối liên tục, thư viện

khối rời rạc, thư viện khối các phép tính …Từ những thư viện khối cơ bản này, các
nhà nghiên cứu xây dựng thành các hệ thống, các bộ điều khiển, các bộ ước lượng
… để phục vụ cho cơng việc mơ phỏng của chính mình. Ngày nay lĩnh vực điều
khiển tự động đang trên đà phát triển nên việc sử dụng Simulink của Matlab cũng
ngày càng phổ biến hơn. Mặc dù các thư viện khối Simulink đã và đang được mở
rộng nhưng nhìn chung vẫn chưa thực sự có một thư viện dành riêng cho lĩnh vực
điều khiển tự động. Vì vậy một câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực

Trang số - 1-


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

điều khiển tự động là: Tại sao chúng ta không dựa trên nền thư viện khối của
Simulink để tạo ra một thư viện khối dành riêng cho lĩnh vực Điều khiển tự
động ở Việt Nam?
1.2. Một số kết quả nghiên cứu thư viện khối điều khiển thích nghi dựa
trên Simulink của Matlab.
Để trả lời câu hỏi trên, các nhà nghiên cứu trong chuyên môn điều khiển tự
động đã bắt tay vào việc tạo ra thư viện riêng cho chính mình. Ban đầu họ tạo ra
những thư viện nhỏ, riêng chỉ dành phục vụ cho chính bản thân của mình hay phục
vụ cho một lĩnh vực nhỏ có liên quan. Như trong việc thiết kế các khối thích nghi
thơng thường thì có Stefan Solyom và Anders Robertsson [1] thuộc Khoa Điều
khiển tự động của Viện khoa học Lund thiết kế thư viện điều khiển thích nghi trực
tiếp vào tháng 9 năm 2004, hay giáo sư Lennart Ljung [2] thiết kế thư viện điều
khiển thích nghi để lái xe vào năm 2000 hay tiến sĩ Ľuboš Čirka và tiến sĩ Miroslav
Fikar [3] thuộc trường Đại học kỹ thuật Slovak tại Bratislava nghiên cứu thư viện
các bộ nhận dạng hệ SISO và MIMO vào năm 2007...
Với Stefan Solyom và Anders Robertsson [1], chỉ từ những khối cơ bản
trong Simulink, họ đã thành công trong việc thiết kế được thư viện dành cho điều

khiển thích nghi trực tiếp động cơ DC-servo của riêng mình.

Hình 1.1. Thư viện khối điều khiển thích nghi trực tếp của Viện khoa học Lund

Trang số - 2-


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Nhìn chung thư viện khối điều khiển thích nghi trực tiếp của Viện khoa học
Lund tương đối nhỏ gọn và chỉ được thiết kế đơn giản như khối PI Controller hay
khối Performance:

Hình 1.2 Khối PI Controller

Hình 1.3 Khối Performance

Nhưng họ đã vận dụng thư viện này, đầu tiên là giải quyết những bài tập điều
khiển thích nghi trực tiếp của họ. Sau đó mới đưa vào điều khiển đối tượng thực là
động cơ DC-servo. Một trong những bài tập điều khiển thích nghi trực tiếp như sau:
Cho mơ hình động của đối tượng:
y (t  h)  ay (t )  b(u (t )  v)

Với a  1 và b  h và nhiễu v(t) được tạo bởi:
v(t )  ad v(t  h)  v(t  2h)  e(t )

Với ad  2 cos(h) và giá trị của các tham số: a  b  1,   0.1 và h  1 .
Và một sơ đồ khối điều khiển thích nghi trực tiếp đã được thiết lập:

Hình 1.4. Sơ đồ khối Điều khiển thích nghi trực tiếp từ thư viện khối Lund

Trang số - 3-


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Nhìn chung về mơ phỏng thì hai nhà nghiên cứu [1] đã thực hiện tốt nhưng
họ vẫn chưa kết nối điều khiển được với mơ hình thực. Và cuối cùng kết quả của
thư viện này chỉ áp dụng được cho vấn đề mô phỏng điều khiển thích nghi trực tiếp.
Với giáo sư Lennart Ljung [2], bằng những kiến thức lý thuyết về: kỹ thuật
thích nghi, nhận dạng đệ qui, điều khiển thích nghi, tự chỉnh định, thuyết hội tụ và
tiệm cận…giáo sư đã thiết kế một thư viện khối điều khiển thích nghi dành cho điều
khiển lái xe như sau:

Hình 1.5. Thư viện khối thích nghi của Lennart Ljung
Thư viện khối này tương đối lớn và đã có sự phức tạp trong việc thiết kế.
Ngoài việc sử dụng các khối cơ bản trong Simulink, giáo sư Lennart Ljung đã đưa
S-function vào các khối để tạo nên những khối có lý thuyết phức tạp.

Trang số - 4-


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Như khối Controller hay khối EKF Adaptive Control:

Hình 1.6. Khối Controller

Hình 1.7. Khối EKF Adaptive Control.

Về cơ bản, giáo sư đã thực hiện được một số demo trong việc điều khiển
thích nghi lái xe.

Hình 1.8. Demo điều khiển thích nghi lái xe.
Một lần nữa thư viện này vẫn chưa áp dụng được với mơ hình thực mà chỉ
dừng lại ở việc mơ phỏng bằng demo. Nhưng nhìn chung thư viện này cũng đã được
thiết kế nhiều hơn và phức tạp hơn thư viện trước khi đã đưa S-function nhúng vào
các khối Simulink.
Và cao hơn trong việc thiết kế thư viện các khối Simulink là nghiên cứu của
tiến sĩ Ľuboš Čirka và tiến sĩ Miroslav Fikar [3] thuộc trường đại học kỹ thuật
Slovak tại Bratislava. Nhóm nghiên cứu thiết kế thư viện Idtool để giải quyết vấn đề

Trang số - 5-


Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

nhận dạng cho hệ SISO và cả hệ MIMO vào năm 2007. Thư viện này được dựa trên
các khối cơ bản trong Simulink và S-function. Đồng thời nhóm nghiên cứu cịn viết
bằng C-file, MEX-file dịch qua file dạng .dll để việc nhận dạng được thực hiện
nhanh chóng hơn. Như vậy về cơ bản, việc thiết kế đã có phần phức tạp hơn.

Hình 1.9. Thư viện khối nhận dạng các hệ thống động
Trong thư viện nhận dạng trên, chúng ta thấy nhóm nghiên cứu đã giải quyết
được vấn đề nhận dạng hệ liên tục, nhận dạng hệ rời rạc và vấn đề nhận dạng trong
hệ SISO. Và nhóm đưa ra một số demo cho vấn đề nhận dạng:

Hình 1.10. Demo nhận dạng hệ SISO liên tục

Trang số - 6-

Luận văn thạc sỹ - Phùng Đức Huy

Hình 1.11. Demo nhận dạng hệ SISO rời rạc

Hình 1.12. Demo nhận dạng hệ MIMO liên tục

Hình 1.13. Demo nhận dạng hệ MIMO rời rạc
Với thư viện khối idtool này thì việc thiết kế các khối nhận dạng đã trở nên
dễ dàng hơn. Người dùng chỉ việc tìm hiểu rõ về lý thuyết nhận dạng và lấy các

Trang số - 7-