Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi điều khiển hệ phi tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

----------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

TÊN ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN”

TRẦN THỊ TUYẾT

Thái Nguyên - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN”

Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ

Học viên : TRẦN THỊ TUYẾT

Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Nguyễn Văn Vỳ

HỌC VIÊN

Trần Thị Tuyết

BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự

hƣớng dẫn của Thầy giáo.TS Nguyễn Văn Vỳ và chỉ tham khảo các tài liệu đã

đƣợc liệt kê.

Tác giả

Trần Thị Tuyết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

MỤC LỤC Trang

Trang bìa phụ

Lời cam đoan 3

Lời mở đầu 9

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi 11

1.1. Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển thích nghi 11

1.2. Đặc điểm chung của hệ Điều khiển thích nghi 12

1.2.1. Định nghĩa 12

1.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi 13

1.2.3. Phân loại 14

1.3. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 17

1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp 18

1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 18

1.4. Hệ Điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC 20

1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ Điều khiển thích nghi 21

1.6. Hệ thống Điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính 22

1.7. Kết luận chƣơng 1 24

Chƣơng 2: Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC 25

2.1. Đặc điểm của hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC 25

2.1.1. Sơ đồ cấu trúc MRAC 25

2.1.2. Phân loại MRAC 27

2.1.2.1. Theo quan điểm cấu trúc 27

2.1.2.2. Theo quan điểm ứng dụng 28

2.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ MRAC 30

2.2. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo tối ƣu cục bộ 32

2.3. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov 41

2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lý thuyết ổn định tuyệt đối

và nguyên lý dƣơng của hệ thống động

44

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

2.5. Kết luận chƣơng 2 51

Chƣơng 3: Tổng hợp hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

hệ truyền động điện một chiều

52

3.1. Đặt bài toán 52

3.2. Tổng hợp MRAC cho hệ truyền động điện một chiều 53

3.2.1. Xây dựng mô hình toán học động cơ điện một chiều 53

3.2.1.1. Chế độ xác lập 53

3.2.1.2. Chế độ quá độ 54

3.2.2. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong vùng

gián đoạn của dòng điện phần ứng

57

3.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ thích nghi cho

động cơ điện một chiều

60

3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 60

3.3.2. Tổng hợp luật điều khiển thích nghi cho mạch vòng tốc độ 62

3.3.3. Tính toán mạch vòng thích nghi 65

3.4. Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ 74

3.5. Xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab – Simulink 77

3.6 Kết quả mô phỏng 78

3.7. Kết luận chƣơng 3 93

KẾT LUẬN CHUNG 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Ký hiệu

Ký hiệu Ý nghĩa



θ Véctơ tham số xấp xỉ.

m s

θ , θ Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng.

V(.) Hàm Lyapunov.

AS(t), BS(t) Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động

của nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống.

Am, Bm Là ma trận hằng số của mô hình mẫu.

Xm, Xs

Là các véctơ trạng thái của mô hình mẫu.

u(t) Tín hiệu điều khiển.

x(t) Véctơ trạng thái của hệ.

y(t) Tín hiệu.

2. Chữ viết tắt

ĐKTN Điều khiển thích nghi.

MIT Massachusetts Institute of Technology.

MRAC Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.

MRC Điều khiển theo mô hình mẫu.

STR Điều khiển tụ chỉnh.

SISO Một tín hiệu vào – Một tín hiệu ra.

APPC Điều khiển thích nghi áp đặt cực.

PPC Điều khiển áp đặt cực.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang

Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi 13

Hình 1.2. Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại 14

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu của MRAC 15

Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR. 16

Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR. 17

Hình 1.6. Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 18

Hình 1.7. Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 19

Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC. 21

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính. 23

Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý 23

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC 26

Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu nối tiếp 27

Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song 27

Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song, nối tiếp 28

Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp 29

Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu gián tiếp 29

Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu 31

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi 35

Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số

b j



40

Hình 2.10: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số

a j



41

Hình 2.11: Luật điều khiển trên cơ sở hàm Lyapunop 43

Hình 2.12: Cấu trúc hệ một thông số 44

Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thích nghi theo mô hình trên 44

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

cơ sở ổn định tuỵêt đối (thích nghi thông số).

Hình 2.14. Phương pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung Up2(t) 45

Hình 2.15: Cấu trúc hệ phản hồi 47

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi 49

Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi đầy đủ. 50

Hình 3.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 52

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi 55

Hình 3.3: Sơ đồ khối mô tả mạch vòng dòng điện động cơ 56

Hình 3.4: Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ 56

Hình 3.5: Sơ đồ khối của động cơ điện một chiều trong chế độ dòng

điện gián đoạn

58

Hình 3.6: Các đặc tính I=f(Uđk); I = f() ở vùng dòng điện gián đoạn 59

Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá của động cơ điện một chiều

trong vùng dòng điện gián đoạn khi từ thông không đổi ( = const)

59

Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 61

Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạch vòng dòng điện đã được biến đổi 61

Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ biến thiên tham số 63

Hình 3.11:Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ĐKTN động cơ điện một chiều

Hình 3.12: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ truyền động điện 74

Hình 3.13. Mô hình động cơ điện một chiều khi chưa có ĐKTN 75

Hình 3.14. Mô hình động cơ điện một chiều khi có ĐKTN 76

Hình 3.15. Mô hình mẫu của đối tượng 76

Hình 3.16. Bộ Điều khiển thích nghi 77

Hình 3.17: Đặc tính ra của hệ khi Mc = 0 78

Hình 3.18. Đặc tính ra của hệ khi MC thay đổi nhảy cấp 79

Hình 3.19. Đặc tính ra của hệ khi mômen quán tính thay đổi 80

Hình 3.20. Đặc tính ra của hệ khi mômen quán tính thay đổi 81

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

Hình 3.21. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác 82

Hình 3.22. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp 83

Hình 3.23. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên 84

Hình 3.24. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp 85

Hình 3.25. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiê 86

Hình 3.26. Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên 87

Hình 3.27. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng sin ngẫu nhiên 88

Hình 3.28. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 89

Hình 3.29. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng sin có chu kỳ 90

Hình 3.30. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 91

Hình 3.31. Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên 92