Điều khiển đối tượng theo phương pháp học

- NGUYỄN BÙI PHONG ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ Hà Nội - 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN BÙI PHONG ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG THEO PHƯƠNG PHÁP HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS.NGUYỄN CÔNG HIỀN Hà Nội – 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn trên do chính tay tôi viết không copy từ bất kỳ một luận văn nào đã có trước đây.
- 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN.
- 3 1.1Tổng quan và khái niệm về hệ phi tuyến.
- 3 1.1.2 Khái niệm về hệ phi tuyến.
- Các phương pháp điều khiển hệ phi tuyến.
- Phương pháp phân tích mặt phẳng pha.
- Phương pháp tuyến tính hoá lân cận điểm làm việc (cận tuyến tính.
- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà.
- Phương pháp điều khiển trượt.
- Phương pháp điều khiển cuốn chiếu.
- Phương pháp áp đặt cực.
- Phương pháp điều khiển tối ưu.
- Phương pháp điều khiển thích nghi.
- Điều khiển hệ phi tuyến theo phương pháp học.
- 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP HỌC.
- Nguồn gốc và sự phát triển của điều khiển theo phương pháp học.
- Phân loại và các lĩnh vực ứng dụng của phương pháp.
- Các thừa nhận trong phương pháp.
- Điều khiển theo phương pháp học với các đối tượng tuyến tính.
- Điều khiển theo phương pháp học dùng cho hệ phi tuyến.
- Luật ILC với hệ động học SISO tuyến tính.
- Một số sơ đồ của phương pháp học.
- Sơ đồ tổng quát của điều khiển theo phương pháp học.
- Sơ đồ điều khiển theo phương pháp học cho một hệ thống tuyến tính.
- Mô hình khí động học quạt gió-cánh phẳng (QGCP.
- Mô hình động lực học đơn giản.
- 38 b.Mô hình tuyến tính hoá.
- Đánh giá và lựa chọn các thông số của bộ điều khiển PID kinh điển.
- Đánh giá thông số thông qua đặc tính quá độ step và một số luật điều khiển PID áp dụng cho các đối tượng trễ.
- Bộ điều khiển Takahashi.
- 44 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN.
- Nhận dạng mô hình quạt gió cánh phẳng.
- Khái niệm cơ bản về nhận dạng thông số của hệ thống điều khiển.
- 51 4.1.3 Lựa chọn cấu trúc mô hình.
- 52 b) Mô hình ARMA.
- 52 c) Mô hình ARX.
- 53 d) Mô hình ARMAX.
- Thuật toán điều khiển theo phương pháp học áp dụng để điều khiển đối tượng quạt gió cánh phẳng.
- So sánh giữa phương pháp điều khiển PID kinh điển với điều khiển theo phương pháp học.
- §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Trang 1 MỞ ĐẦU: Ngày nay lý thuyết điều khiển các hệ tuyến tính đặc biệt là các hệ phi tuyến phát triển rất mạnh.
- Các phương pháp điều khiển hệ phi tuyến nhờ có sự giúp đỡ của máy tính điện tử đã thực hiện được nhiều yêu cầu mà trước đây không thể thực hiện mặc dù đã xây dựng được lý thuyết.
- Từ những năm 1980 khi mà công nghệ về máy tính có những bước tiến bộ nhảy vọt việc tính toán trên máy tính gần với thời gian thực nhiều ý tưởng sử dụng máy tính làm công cụ điều khiển hệ phi tuyến đã được đặt ra.
- Trong những năm này, một phương pháp mới sử dụng máy tính để điều khiển đã ra đời mang tên điều khiển theo phương pháp học (Learning control).
- Ngay từ khi mới ra đời phương pháp này đã áp dụng cho một nhóm các đối tượng đó là các hệ tay máy robot trong các dây truyền sản xuất, các công đoạn sản xuất nguyên nhiên vật liệu trong các cơ sở xí nghiệp mà có công việc lặp đi lặp lại.
- Việc nghiên cứu áp dụng phương pháp mới này vào điều khiển các đối tượng tuyến tính và cả các đối tượng phi tuyến có nhiều ưu điểm.
- Phương pháp này có thể áp dụng ngay cả khi không có nhiều thông tin về mô hình đối tượng, phương pháp tập trung điều khiển tín hiệu đầu ra bám theo tín hiệu điều khiển, có thể không sử dụng đến hiểu biết về trạng thái hệ thống.
- Cấu trúc điều khiển rất đơn giản, tín hiệu điều khiển được tổng hợp một cách lặp lại.
- Nhưng phương pháp mới chỉ áp dụng được trong một số nhóm đối tượng do một số giả thiết ban đầu của phương pháp như.
- Trong quá trình điều khiển tín hiệu bám cần luôn nhận dạng được trong tất cả các quá trình lặp.
- Việc nghiên cứu và áp dụng điều khiển theo phương pháp học vào các nhóm đối tượng khác là một hướng nghiên cứu mới.
- Đã có nhiều bài báo và một số luận án tiến sĩ nghiên cứu về phương pháp này.
- Trong khuôn khổ luận văn này, ta tiến hành tìm hiểu lý thuyết và áp dụng điều khiển theo phương pháp học vào điều khiển một đối tượng phi tuyến là mô hình khí động học quạt gió cánh phẳng.
- Đưa ra các nhận xét so sánh về ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này với phương pháp điều khiển PID kinh điển.
- §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN 1.1 TỔNG QUAN VÀ KHÁI NIỆM VỀ HỆ PHI TUYẾN.
- Trong lý thuyết điều khiển nhất là trong những năm gần đây lý thuyết điều khiển phi tuyến đã có những bước nhảy vọt về chất và lượng, cả trong lý thuyết lẫn ứng dụng.
- Thế chiến thứ hai đòi hỏi sự phát triển về lý thuyết và ứng dụng để có những máy bay lái tự động, những hệ điều khiển vị trí của các loại pháo, điều khiển các trạm rada tự động v.
- Những năm 1950, các phương pháp toán học và phân tích đã phát triển và được đưa vào ứng dụng một cách nhanh chóng.
- Ở Liên Xô ngự trị lĩnh vực điều khiển theo miền thời gian.
- Từ những năm 1980, máy tính số bắt đầu được sử dụng rộng rãi cho phép điều khiển với độ chính xác cao.
- Các phương pháp của Liapunov, Minorsky cũng như lý thuyết điều khiển hiện đại của L.S Pontryagin(Liên Xô), R.
- Các nguyên tắc điều khiển thích nghi, điều khiển trượt, điều khiển tối ưu.
- [8] Trong vòng 15 năm gần đây điều khiển phi tuyến có những bước nhảy vọt về chất lượng.
- Phép đổi trục toạ độ vi phôi (diffeomorphism) xây dựng trên nền hình học vi phân, do Isidori đưa ra đã tạo ra khả năng nghiên cứu, phân tích điều khiển hệ phi tuyến theo hướng kết quả đã có của điều khiển tuyến tính.
- §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Trang 4 Bên cạnh sự phát triển mới về chất lượng, trường phái điều khiển phi tuyến còn được bổ xung thêm các phương pháp như Gain – Scheduling, phương pháp áp đặt cực, điều khiển cuốn chiếu (Back stepping.
- Khái niệm về hệ phi tuyến.
- a1, a2  R Đối tượng đó được gọi là đối tượng phi tuyến.
- Hình 1.1 Mô tả một số khâu phi tuyến SISO (Single Input – Single Output) thường gặp.
- u(t)y(t)u(t)y(t)u(t)y(t)u(t)y(t)u(t)y(t)u(t)y(t)a) b) c)f)e)d) Mô hình hệ phi tuyến: LuËn v¨n tèt nghiÖp Cao häc - §iÒu khiÓn ®èi t-îng theo ph-¬ng ph¸p häc Cao häc 2002 – Ngµnh Tù §éng Ho.
- Do đó người ta có thể bỏ biến t khi xây dựng mô hình toán học (mô hình tĩnh) cho khâu phi tuyến của hệ.
- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN.
- Một số đặc điểm của phương pháp mặt phẳng pha - Mặt phẳng pha là phương pháp dùng miền thời gian nên kết quả của nó được quan sát dễ dàng.
- Phương pháp được áp dụng với hệ dừng (thông số không thay đổi theo thời gian.
- Phương pháp này áp dụng thuận tiện với hệ gồm một phần phi tuyến một phần tuyến tính mà phương pháp ghép nối các khâu tuyến tính và phi tuyến có thể đơn giản cấu trúc hệ phi tuyến.
- Mặc dù hiện nay với kỹ thuật máy tính phát triển, có thể dùng các phương pháp khác để mô hình hoá hệ phi tuyến nhưng phương pháp mặt phẳng pha cho phép quan sát hành vi của hệ, nhanh chóng đánh giá kết quả.
- Phương pháp tuyến tính hoá lân cận điểm làm việc (cận tuyến tính).
- sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả, phân tích cũng như tổng hợp bộ điều khiển có rất nhiều ưu điểm như.
- Các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thực nghiệm (nhận dạng) mà không cần phải đi từ những phương trình lý hoá phức tạp mô tả hệ.
- §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Trang 7 - Tập các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện.
- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép dễ dàng theo dõi được kết quả điều khiển và chỉnh định lại mô hình cho phù hợp.
- Từ những ưu điểm nổi bật đó của mô hình tuyến tính, cũng như mong muốn sử dụng được các thành tựu to lớn của lý thuyết điều khiển tuyến tính, nên trong khá nhiều trường hợp, khi điều kiện cho phép, người ta thường tìm cách chuyển thể gần đúng mô hình phi tuyến sang mô hình tuyến tính xấp xỉ tương đương để phân tích và để điều khiển.
- Phương pháp giải quyết một bài toán phi tuyến thông qua mô hình tuyến tính gần đúng hoặc sử dụng trực tiếp lý thuyết điều khiển tuyến tính trong khuôn khổ hạn chế được gọi chung thành phương pháp cận tuyến tính.
- Như vậy, việc tuyến tính hoá một hệ phi tuyến xung quanh điểm làm việc đồng nghĩa với sự xấp xỉ gần đúng hệ phi tuyến trong lân cận điểm trạng thái cân bằng hoặc điểm dừng bằng một mô hình tuyến tính.
- Với việc lấy xấp xỉ mô hình tuyến tính trong lân cận điểm làm việc thì việc phân tích chất lượng hệ phi tuyến có thể thực hiện bằng các công cụ của lý thuyết điều khiển tuyến tính nhưng chỉ trong một lân cận đủ nhỏ nào đó của điểm làm việc.
- Ngoài ra, do có sự hạn chế trên mà không phải tất cả các nhiệm vụ cơ bản trong phân tich hệ phi tuyến có thể giải quyết nhờ mô hình tuyến tính tương đương.
- Chẳng hạn xác định hệ phi tuyến có hiện tượng hỗn loạn hay phân nhánh, cũng như việc kiểm tra sự tồn tại dao động điều hoà trong hệ.
- §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Trang 8 Tuyến tính mở rộng Phương pháp cận tuyến tính chỉ xây dựng mô hình tương đương trong lân cận điểm làm việc đủ nhỏ nên với những điểm làm việc khác nhau ta sẽ phải có nhiều bộ điều khiển tuyến tính tương ứng.
- Nếu số điểm làm việc hữu hạn thì các bộ điều khiển sẽ hữu hạn ứng với từng điểm làm việc ta có thể có được một bộ điều khiển chung bằng cách ghép chúng lại với nhau nhờ khoá chuyển đổi giữa các bộ.
- Điều này làm cấu trúc bộ điều khiển trở nên phức tạp.
- Nhằm khắc phục nhược điểm trên người ta nghĩ tới xây dựng một bộ điều khiển chung (có thể là phi tuyến) sao cho mô hình tuyến tính tương đương của nó tại điểm làm việc cũng tương đương việc tuyến tính tại điểm đó.
- Kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển phi tuyến từ các bộ điều khiển tuyến tính như vậy được gọi là kỹ thuật Gain-scheduling.
- Bởi vậy các kết luận về chất lượng động học hệ thống mà bộ điều khiển gain – scheduling mang lại cũng chỉ đúng trong lân cận các điểm làm việc..
- §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Trang 9 Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà (hay cân bằng điều hoà) là phương pháp phổ biến để khảo sát các hệ phi tuyến bậc cao (n>2) sử dụng miền tần số được phát triển từ lý thuyết hệ tuyến tính.
- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà cho phép sử dụng các công cụ khảo sát của hệ tuyến tính đồng thời kết hợp với phương pháp mặt phẳng pha để khảo sát chế độ tự dao động.
- Nội dung của phương pháp Một hệ phi tuyến otonom (không có tác động vào) và kín, gồm có một khâu phi tuyến và thành phần tuyến tính ổn định hay trung tính nối tiếp nhau.
- Để đánh giá khả năng tồn tại của các sóng điều hoà không tắt dần, đặt đầu vào khâu phi tuyến tín hiệu điều hòa x(t.
- ở đầu ra khâu phi tuyến sẽ có tín hiệu z(t.
- Giả thiết ấy gọi là giả thiết lọc, là điều kiện cần thiết đối với phương pháp tuyến tính hoá điều hoà.
- Nếu phần phi tuyến có tính chất của bộ lọc hạ tần thì tỷ trọng của sóng bậc cao y(t) bé hơn z(t).
- Khi đặc tính phi tuyến không chẵn và không có tác động từ ngoài vào (xd = 0), việc khảo sát tự dao động đối xứng có nhiều ý nghĩa.
- Điều kiện của giả thiết lọc không phải là điều kiện chặt chẽ nhưng phương pháp tuyến tính hoá điều hoà làm đơn giản hoá việc khảo sát các bài toán thực tế và cho ta khái niệm gần đúng về các quá trình trong hệ thực

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt