Mô hình điều khiển dự báo và ứng dụng điều khiển thích nghi hướng tàu thủy

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 1(45) Tập 1/N¨m 2008

101

MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO

VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HƯỚNG TÀU THUỶ

Phạm Hữu Đức Dục (Trường ĐH Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp- Hà Nội)

1. Mở đầu

Trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình điều khiển dự báo

(MPC) được nhiều nhà khoa học quan tâm. MPC là một trong các phương pháp điều khiển hiện

đại có các ưu điểm nổi trội: trực quan, dễ thực hiện, không đòi hỏi ở người thực hiện phải có

kiến thức sâu, rộng về lý thuyết điều khiển, có thể thực hiện cho nhiều loại đối tượng điều khiển

như SISO, MISO, MIMO và điều khiển đối tượng có trễ khi đã biết trước tín hiệu đầu ra mong

muốn; đồng thời đây là một hướng nghiên cứu mới, có tính mở cao đối với nước ta hiện nay.

Bài báo này trình bày một số nét cơ bản về MPC, sau đó ứng dụng nó trong điều khiển thích

nghi hướng chuyển động của tàu thuỷ trong điều kiện có nhiễu là lực tác động của sóng, gió của

môi trường bên ngoài.

2. Giới thiệu MPC

2.1. Một số vấn đề cơ bản

Cấu trúc cơ bản của MPC được mô tả ở

hình 1, trong đó x1 và x2 tương ứng là các dữ

liệu vào trong quá khứ và dự báo; y là tín hiệu

điều khiển dự báo đầu ra; d là tín hiệu đầu ra

mong muốn; e là sai lệch: e = d - y.

Nỗ lực của MPC là dựa vào các bộ dữ

liệu vào-ra quá khứ và dự báo trong tương lai, Hình 1. Cấu trúc cơ bản của MPC

căn cứ vào giá trị của phiếm hàm mục tiêu thoả mãn bộ điều kiện ràng buộc của bài toán điều

khiển, tiến hành thực hiện bài toán tối ưu, từ đó tính toán tín hiệu điều khiển dự báo đầu ra sao

cho sai lệch điều khiển đạt cực tiểu, tức là khi đó tín hiệu ra dự báo có thể bám theo được tín

hiệu đầu ra mong muốn. Tín hiệu điều khiển dự báo đầu ra y(t+kt) (k=1, 2, ..., N), nằm trong

vùng giới hạn dự báo N xác định, được tính toán tại mỗi thời điểm t, phụ thuộc vào bộ các tín

hiệu x1, x2 tại thời điểm t và các tín hiệu điều khiển tương lai u(t+kt) (k = 0, 1, ..., N-1). Từ bộ

luật điều khiển xác định được tín hiệu điều khiển. Bộ luật điều khiển này cần thoả mãn phiếm

hàm mục tiêu có dạng tổng quát sau đây:

∑ ∑

= =

= λ + − + + λ ∆ + −

N2

N1

j

Nu

j 1

2

2

2

^

1 2 u 1

(J N , N , N ) )[j( t(y )tj t(d )]j )[j( t(u j )]1 (1)

trong đó:∆u (.) là gia số tín hiệu điều khiển; N1, N2 tương ứng là giới hạn trên, dưới của miền dự báo;

Nu là giới hạn vùng điều khiển; ),j( )j( λ1 λ2

là các hệ số dạng hằng số hoặc dạng hàm mũ. Đối tượng

điều khiển thông thường phải thoả mãn các điều kiện ràng buộc nhằm xác định phạm vi hoạt động,

điều kiện môi trường, điều kiện an toàn... Khi có sự tham gia của các điều kiện ràng buộc vào phiếm

hàm mục tiêu sẽ làm cho luật điều khiển phức tạp hơn khi không có điều khiển ràng buộc.

Mô hình

điều khiển

Tối ưu hoá

Phiếm hàm mục tiêu Điều kiện ràng buộc

x1

x2

y

e

d