Điều khiển tối ưu hợp tác phân tán bẩy sự kiện cho đa hệ cơ khí phi holonom tự hành kết nối vật lý và ràng buộc ngõ vào :Báo cáo tổng kết đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Bộ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

QUỸ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CƠ BẢN

TRONG KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Tên đề tài: Điều khiển tối ưu hợp tác phân tán bẩy sự kiện cho đa

hệ cơ khí phi holonom tự hành kết nối vật lý và ràng buộc ngõ

vào.

Mã số đề tài: 107.04-2019.25

TP HCM, 2022

3

Mẫu M4a

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

1. Tên đề tài: Điều khiển tối ưu hợp tác phân tán bẩy sự kiện cho đa hệ cơ khí phi

holonom tự hành kết nối vật lý và ràng buộc ngõ vào.

2. Mã số: 107.04-2019.25

3. Danh sách chủ nhiệm, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên Đơn vị công tác Chức danh trong đề tài

1

PGS.TS. Nguyễn Tấn

Luỹ

Trường Đại học Công nghiệp

TP. Hồ Chí Minh Chủ nhiệm đề tài

2 TS. Trần Hữu Toàn Trường Đại học Công nghiệp

TP. Hồ Chí Minh Thành viên chủ chốt

3 TS. Trần Trọng Toàn

Viện cơ học và tin học ứng

dụng, Viện hàn lâm khoa học

và công nghệ Việt Nam

Thư ký đề tài

4. Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Công Nghiệp Tp HCM.

5. Thời gian thực hiện:

5.1 Theo hợp đồng: 24 tháng, từ 05/09/2019 đến 05/09/2021

5.2 Gia hạn (nếu có): 12 tháng

5.3 Thực hiện thực tế: 32 tháng, từ 05/09/2019 đến 05/06/2022

6. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 684.000.000 đồng (bằng chữ: Sáu trăm tám

mươi bốn triệu đồng chẵn).

PHẦN II. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Mục tiêu

Đề tài bao gồm lý thuyết và phương pháp tính toán mới trong lĩnh vực điều khiển

hợp tác phân tán đa hệ cơ khí phi holonom tự hành với kết nối vật lý và ràng buộc ngõ

Mã số hồ sơ

Ngày nhận báo cáo

(Do Cơ quan điều hành Quỹ ghi)

4

vào. Phép toán biến đổi mới cho luật điều khiển truyền thẳng được đề xuất để tích hợp

động học và động lực học dễ dàng thiết kế điều khiển tối ưu hợp tác phân tán. Từ đó dựa

vào lý thuyết qui hoạch động thích nghi bền vững và cơ chế bẩy sự kiện, phương pháp

mới xấp xỉ nghiệm trực tuyến trong điều khiển hợp tác phân tán được cung cấp sao cho

độ phức tạp tính toán và gánh nặng truyền thông được giảm thiểu.

2. Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Phạm vi và nội dung nghiên cứu chính của đề tài được thể hiện như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về điều khiển phân tán hợp tác đa hệ cơ khí phi

holonom tự hành, thuộc lớp hệ phi tuyến truyền ngược nghiêm ngặt với kết

nối vật lý và ràng buộc ngõ vào, chú ý thêm kết nối truyền thông, nhiễu ngoài

và các tham số bất định.

- Dựa vào lý thuyết đồ thị đề xuất cấu hình hợp tác phân tán giữa các đối tượng

trong hệ và mô hình hoá hệ thống.

- Thiết kế luật điều khiển truyền thẳng để tích hợp mô hình động học và động

lực học thành hệ phi tuyến duy nhất, loại bỏ kết nối bất định dễ dàng cho thiết

kế luật điều khiển tối ưu phân tán ở bước tiếp theo.

- Biến đổi bài toán tối ưu hợp tác phân tán cho đa hệ cơ khí (đa hệ phi tuyến

truyền ngược nghiêm ngặt) thành phương trình vi phân phi tuyến bậc cao

Hamilton-Jacobi-Isaacs (HJI) và thiết kế phương pháp để xấp xỉ trực tuyến

nghiệm phương trình HJI.

- Tăng cường hiệu quả của luật điều khiển bằng cách khai thác cơ chế kích hoạt

sự kiện.

- Chứng minh tính ổn định và sự hội tụ của hệ thống sử dụng lý thuyết

Lyapunov và biến đổi toán học nâng cao.

3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết về điều khiển phân tán hệ phi tuyến truyền ngược nghiêm

ngặt và tiếp cận đến những kết quả công bố mới nhất, đề tài phân tích ưu nhược điểm của

từng phương pháp, tiếp tục nghiên cứu và phát triển vấn đề mới. Có hai hướng tiếp cận

chính như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết về động học và động lực học chứa các tham số bất định

của hệ phi tuyến truyền ngược nghiêm ngặt từ đó áp dụng cho hệ phi holonom

di động ràng buộc ngõ vào và nhiễu; Khảo sát kết nối vật lý và truyền thông

5

giữa các đối tượng trong một hệ thống. Khi đó các giả thiết phù hợp và phạm

vi giải quyết bài toán được đặt ra.

- Khai thác lý thuyết qui hoạch động thích nghi bền vững (robust adaptive

dynamic programming), là lĩnh vực hẹp của học tăng cường bền vững (robust

reinforcement learning), để thiết kế phương pháp xấp xỉ nghiệm phương trình

vi phân phi tuyến bậc cao Hamilton-Jacobi-Isaacs liên quan đến luật điều

khiển mong muốn

Theo hướng tiếp cận như trên, phương pháp nghiên cứu bao gồm:

- Phân tích và thiết kế hệ thống được thực hiện bằng cách sử dụng lý thuyết hệ

thống động nhiều vật và lý thuyết điều khiển hiện đại. Trong khi đó sự ổn định

và hội tụ được chứng minh bằng lý thuyết Lapunov và toán học. Ngoài ra, mô

phỏng số được sử dụng để kiểm chứng tính hiệu quả của phương pháp đề xuất.

- So sánh kết quả đạt được với kết quả của các nghiên cứu khác trong cùng lĩnh

vực, cùng đối tượng.

4. Kết quả nghiên cứu

(Mô tả các kết quả nghiên cứu đạt được. Đánh giá về các kết quả nghiên cứu bao gồm tính mới,

giá trị khoa học, giá trị thực tiễn và khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu)

a) Tính mới của nghiên cứu:

- Bộ quan sát trạng thái dựa vào ngõ ra được thiết kế nhằm hạn chế số lượng

cảm biến hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành của hệ cơ khí phi holonom. Tính ổn

định khi áp dụng luật điều khiển và bộ quan sát trạng thái cho hệ kín được phát

biểu và chứng minh nghiêm ngặt.

- Luật điều khiển truyền thẳng tích hợp mô hình động học và động lực học cho

hệ phi tuyến truyền ngược nghiêm ngặt. Luật này loại bỏ hoàn toàn thủ tục

nhận dạng hệ thống làm giảm chi phí tính toán khác với các luật trong đang có.

Luật điều khiển truyền thẳng tích hợp đề xuất từ hệ phi tuyến truyền ngược

nghiêm ngặt được áp dụng cho mô hình động học và động lực học cho các đối

tượng phi holonom di động kết nối vật lý.

- Luật điều khiển tối ưu hợp tác phân tán với ràng buộc ngõ vào và loại bỏ nhiễu

dựa vào cơ chế kích hoạt sự kiện. Chất lượng tối ưu là điểm khác biệt của

phương pháp này so với các phương pháp đã có. Ngoài ra cơ chế kích hoạt sự

kiện đã làm giảm đáng kể chi phí tính toán và chi phí truyền thông so với các

6

phương pháp điều khiển lấy mẫu theo chu kỳ. Định lý mới về sự ổn định và hội

tụ khi áp dụng luật này được phát biểu và chứng minh nghiêm ngặt.

b) Giá trị thực tiễn: Nghiên cứu đã được ứng dụng thực tế trong việc điều khiển tối

ưu bền vững trực tiếp cho một loại cơ cấu chấp hành của hệ cơ khí phi holonom di

động đang được sử dụng rộng rãi trong trong công nghiệp, đó là hệ phi tuyến phức

tạp sử dụng bộ quan sát trạng thái vì không có cảm biến vị trí. Luật điều khiển tối

ưu phân tán đã được chứng minh ổn định chặt chẽ có thể áp dụng trực tiếp cho các

đối tượng phi holonom tự hành thực tế.

c) Khả năng ứng dụng:

- Từ kết quả nghiên cứu của đề tài khi thực nghiệm trên một loại cơ cấu chấp

hành, ta có thể ứng dụng luật điều khiển nhúng và bộ quan sát trạng thái

nhúng trên các robot di động thực tế trong công nghiệp và trong logistic.

- Kết quả của đề tài có thể làm cơ sở khoa học để nghiên cứu và phát triển

các thuật toán điều khiển nâng cao cho các hệ phi tuyến có trễ hoặc hệ phi

tuyến có mô hình động học hoàn toàn không biết.

d) Kết quả công bố:

1. Công trình đăng trên tạp chí ISI uy tín do Quỹ Nafosted ban hành, theo Quyết

định số 151/QĐ-HĐQL-NAFOSTED ngày 09 tháng 8 năm 2019 của Hội đồng

Quản lý Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia [Luy Nguyen Tan,

Thanh Pham Cong, Duy Pham Cong, Neural Network Observers and

Sensorless Robust Optimal Control for Partially Unknown PMSM with

Disturbances and Saturating Voltages, vol. 36, no. 10, pp. 12045 - 12056,

2021, DOI: 10.1109/TPEL.2021.3071465, ISI(SCI), Q1, IF=6.15 (2021)]. Các

đóng góp mới trong công trình được tóm tắt như sau:

1.1. Để làm cơ sở thiết kế luật điều khiển tối ưu hợp tác phân tán bẩy sự kiện cho

đa hệ cơ khí phi holonom tự hành kết nối vật lý và ràng buộc ngõ vào, cần

thiết phải khảo sát loại cơ cấu chấp hành là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu của hệ cơ phí phi holonom tự hành với ngõ vào bị ràng buộc và không

đủ trạng thái để thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái.

1.2. Bộ quan sát trạng thái dựa vào mạng thần kinh nhân tạo được thiết kế. Trong

đó thông tin biết trước về động học hệ thống là không cần thiết. Luật cập

7

nhật số trực tuyến bộ trọng số dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov bảo đảm

hệ kín luôn ổn định.

1.3. Dưới sự ảnh hưởng của nhiễu, vị trí góc quay và tốc độ quay của trục cơ cấu

chấp hành trích xuất từ sức điện động ngược là không chính xác, bộ quan sát

thứ hai được thiết kế. Sai số bám giữa của góc quay và tốc độ quay được

chứng minh là ổn định và bị chặn lân cận zero.

1.4. Dựa vào kỹ thuật học tăng cường tích phân (Intergral Reinforcement

Learning-IRL) thuật toán điều khiển tối ưu bền vững với ngõ vào bị bão hoà

được đề xuất. Mô phỏng và thực nghiệm chứng tỏ rằng thuật toán này là hiệu

quả.

2. Công trình đăng trên tạp chí ISI uy tín do Quỹ Nafosted ban hành, theo Quyết

định số 151/QĐ-HĐQL-NAFOSTED ngày 09 tháng 8 năm 2019 của Hội đồng

Quản lý Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia [Luy Nguyen Tan,

Huu-Toan Tran, Trong-Toan Tran, Event-Triggered Observers and

Distributed H∞ Control of Physically Interconnected Nonholonomic

Mechanical Agents in Harsh Conditions, pp. 1-14, 2022, DOI:

10.1109/TSMC.2022.3177043, ISI(SCI), Q1, IF=13.45 (2021)] và [Tan-Luy

Nguyen, Huu-Toan Tran, Trong-Toan Tran, and Cong-Thanh Pham,

Reinforcement Learning-Based Event-Triggered Robust Optimal Control for

Mobile Euler-Lagrange Systems with Dead-Zone and Saturation Actuators,

International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, vol.

10, no. 3, pp. 116-127, 2021, DOI: 10.18178/ijmerr.10.3.116-127]. Các đóng

góp mới trong công trình được tóm tắt như sau:

2.1. Khảo sát hệ cơ phí phi holonom di động kết nối vật lý hoạt động trong môi

trường phức tạp:

- Cơ cấu chấp hành bị ràng buộc (bị bão hoà và bị ảnh hường bởi vùng chết

của hộp số)

- Bánh xe chạy trong bề mặt trơn trượt nên hệ cơ khí bị trượt ngang và trượt

dọc.

- Tham số bất định (khối lượng tải, lực quán tính, lực ly tâm quay vòng, lực

ma sát) ảnh hưởng lên hệ thống.

- Nhiễu ngoài gồm nhiễu mô men và nhiễu cảm biến ảnh hưởng lên hệ

8

- Không đủ trạng thái hồi tiếp khi thiết kế bộ điều khiển.

2.2. Thiết kế bộ quan sát trạng thái kích hoạt sự kiện dựa vào ngõ ra và luật điều

khiển truyền thẳng tích hợp mô hình động học và động lực học cho các đối

tượng phi holonom di động kết nối vật lý. Bộ quan sát và luật điều khiển chỉ

cập nhật tham số khi có một sự kiện xảy ra. Điều này làm giảm chi phí tính

toán và chi phí truyền thông. Tính ổn định khi áp dụng luật cập nhật này cho

hệ kín được phát biểu và chứng minh nghiêm ngặt.

2.3. Luật điều khiển tối ưu hợp tác phân tán với ràng buộc ngõ vào và loại bỏ

nhiễu dựa vào cơ chế kích hoạt sự kiện. Chất lượng tối ưu là điểm khác biệt

của phương pháp này so với các phương pháp đã có. Định lý về sự ổn định

và hội tụ khi áp dụng luật này được phát biểu và chứng minh nghiêm ngặt.

So sánh với luật điều khiển phân tán theo chu kỳ lấy mẫu, luật điều khiển

dựa vào kích hoạt sự kiện hiệu quả hơn về độ phức tạp tính toán và chi phí

truyền thông.

5. Thay đổi so với thuyết minh ban đầu

Không thay đổi so với thuyết minh ban đầu.

PHẦN III. KẾT QUẢ CÔNG BỐ VÀ ĐÀO TẠO

1. Kết quả công bố

STT Công trình khoa học

ISSN/

ISBN

Tình trạng

(Đã in/chấp

nhận đăng)

1 Công trình công bố quốc tế trên tạp chí thuộc danh mục ISI uy tín

1.1

Luy Nguyen Tan, Huu-Toan Tran, Trong-Toan Tran,

Event-Triggered Observers and Distributed H∞ Control

of Physically Interconnected Nonholonomic Mechanical

Agents in Harsh Conditions, pp. 1-14, 2022, DOI:

10.1109/TSMC.2022.3177043, ISI(SCI), Q1, IF=13.45

(Thuộc ISI Uy tín do Quỹ Nafosted ban hành, theo

Quyết định số 151/QĐ-HĐQL-NAFOSTED ngày 09

tháng 8 năm 2019 của Hội đồng Quản lý Quỹ Phát triển

khoa học và công nghệ Quốc gia).

2168-2216

Chấp nhận

đăng (online

ngày

01/06/2022)

9

1.2

Luy Nguyen Tan, Thanh Pham Cong, Duy Pham Cong,

Neural Network Observers and Sensorless Robust

Optimal Control for Partially Unknown PMSM with

Disturbances and Saturating Voltages, vol. 36, no. 10,

pp. 12045 - 12056, 2021, DOI:

10.1109/TPEL.2021.3071465, ISI(SCI), Q1, IF=6.15

(Thuộc ISI Uy tín do Quỹ Nafosted ban hành, theo

Quyết định số 151/QĐ-HĐQL-NAFOSTED ngày 09

tháng 8 năm 2019 của Hội đồng Quản lý Quỹ Phát triển

khoa học và công nghệ Quốc gia)

0885-8993 Đã in

2 Công trình công bố quốc tế trên tạp chí không thuộc ISI

2.1

Tan-Luy Nguyen, Huu-Toan Tran, Trong-Toan Tran,

and Cong-Thanh Pham, Reinforcement Learning-Based

Event-Triggered Robust Optimal Control for Mobile

Euler-Lagrange Systems with Dead-Zone and

Saturation Actuators, International Journal of

Mechanical Engineering and Robotics Research, vol.

10, no. 3, pp. 116-127, 2021, SCOPUS, Q3.

2278-0149 Đã in

3 Công trình công bố trên tạp chí quốc gia có uy tín

3.1

Nguyễn Tấn Luỹ, Trần Hữu Toàn, Đặng Quang Minh,

Thuật toán điều khiển tối ưu bền vững kích hoạt sự kiện

cho hệ phi tuyến truyền ngược nghiêm ngặt với vùng

chết và nhiễu ngoài, Chuyên san Đo lường, điều khiển

và Tự động hoá, Quyển 22, Số 2-3, Trang 3-14, 2019.

1859-0551 Đã in

4 Báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế

4.1

Tan-Luy Nguyen, Huu-Toan Tran, Trong-Toan Tran,

and Cong-Thanh Pham, Reinforcement Learning-Based

Event-Triggered Robust Optimal Control for Mobile

Euler-Lagrange Systems with Dead-Zone and

Saturation Actuators, International Journal of

Mechanical Engineering and Robotics Research, 2020

2278-0149 Đã in