Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến - Hướng dẫn: PGS. TS Hoàng Minh Sơn

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, Ngày 13 tháng 04 năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS. TS Hoàng Minh Sơn Phạm Văn Hùng MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ ii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG 5 1.1 Điều khiển dự báo dựa trên mô hình trạng thái 5 1.1 Bài toán điều khiển dự báo tuyến tính và phi tuyến 5 1.2 Tính ổn định của hệ điều khiển dự báo 7 1.2 Tổng quan về thuật toán và tính ổn định của hệ điều khiển dự báo phi tập trung 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 21 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG DỰA TRÊN MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH 23 2.1 Bộ điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính 23 2.2 Điều khiển phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính hệ phản ứng/tách và hệ nồi hơi-tuabin 34 2.1 Điều khiển dự báo phi tập trung hệ phản ứng/tách 34 2.2 Điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính hệ nồi hơi- tuabin 40 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 46 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG HỆ PHI TUYẾN 47 3.1 Điều khiển dự báo phi tập trung sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn 47 3.1 Mô hình trạng thái tuyến tính hóa từng đoạn LTI 49 3.2 Thiết kế bộ điều khiển 50 3.3 Thuật toán điều khiển 52 3.4 Tính ổn định của hệ điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến 55 3.5 Điều khiển ổn định hệ nồi hơi – tuabin 56 3.6 Thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám 62 3.2 Điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình phi tuyến giả LPV 78 3.1 Mô hình nội suy đầu ra LPV 79 3.2 Thiết kế bộ điều khiển 81 3.3 Điều khiển phi tập trung hệ nồi hơi-tuabin dựa trên mô hình LPV 83 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 Kết luận 90 Kiến nghị 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 98 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu xk Độ lớn của vector xk xk Chuẩn vô cùng của vector xk col ( x1, x 2 ,., xn ) Vector cột có các phần tử là các vector x1, x 2,., xn Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo chính là diag (A1, A2 ,., An ) các ma trận vuông cùng kích cỡ A1, A2,., An 0m´n Ma trận không m hàng, n cột In Ma trận đơn vị cỡ n (n hàng, n cột) (.) T Chuyển vị của ( .) ¶f Đạo hàm Jacobi của f theo x ¶x hof Hàm hợp của h và f , tức là h ( f (.) ) Lớp các hàm thực a : ¡ ³0 ® ¡ ³0 liên tục và đơn điệu tăng K và a ( 0 ) = 0 K∞ Lớp các hàm thực a (t ) Î K và không bị chặn Lớp các hàm thực d : ¡ ³0 ® ¡ ³0 đơn điệu giảm và L lim d (t ) = 0 t ®¥ Lớp các hàm thực liên tục b (r , s) : ¡ ³0 ´ ¡ ³0 ® ¡ ³0 với KL b (,× s) Î K và b (r , ×) Î L Danh mục các từ viết tắt DMPC Decentralized model predictive control ISS Input-to-state stability LMI Linear matrix inequality LTI Linear time-invariant LPV Linear parameter-varying MPC Model predictive control NMPC Nonlinear model predictive control i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu Bảng 2-1 Các biến quá trình của hệ phản ứng/tách. 35 Bảng 2-2 Bảng thông số vận hành hệ phản ứng/tách [71].

36 Bảng 2-3 Điểm làm việc của hệ thống nồi hơi-tuabin [4]. 41 Bảng 3-1 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPCd và DLMPC điều khiển hệ nồi hơi - tuabin. 60 Bảng 3-2 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd và DLMPC điều khiển hệ nồi hơi - tuabin. 67 Bảng 3-3 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd, DLMPC và MPC_LTI điều khiển hệ nồi hơi - tuabin.

73 Bảng 3-4 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd, DLMPC, MPC_LTI và NMPC điều khiển hệ nồi hơi – tuabin. 78 Bảng 3-5 So sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC_LTI và DMPC- LPV điều khiển hệ nồi hơi - tuabin. 88 Danh mục hình vẽ Hnh 1-1 Minh họa MPC ở thời điểm tk. 7 Hnh 1-2 Minh họa cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển cục bộ độc lập.

15 Hnh 1-3 Minh họa cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển cục bộ có trao đổi thông tin với nhau. 16 Hnh 1-4 Minh họa cấu trúc DMPC gồm 2 bộ điều khiển dự báo cục bộ thực hiện tính toán tối ưu tuần tự sử dụng thông tin từ các bộ điều khiển dự báo khác [13] 19 Hnh 1-5 Minh họa cấu trúc DMPC gồm 2 bộ điều khiển dự báo cục bộ thực hiện tính toán tối ưu song song sử dụng thông tin từ các bộ điều khiển dự báo khác [13]. 20 Hnh 2-1 Minh họa các tương tác giữa quá trình i = 1,2,., M và quá trình j ¹ i trong hệ điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính. 23 Hnh 2-2 Một quá trình phản ứng/tách tiêu biểu [70].

34 Hnh 2-3 Đáp ứng hệ thống phản ứng/tách khi nhiễu thay đổi. 38 Hnh 2-4 Đáp ứng hệ phản ứng/tách khi thay đổi giá trị ràng buộc. 39 Hnh 2-5 Đáp ứng hệ phản ứng/tách khi thay đổi trọng số hàm mục tiêu. 39 Hnh 2-6 Sơ đồ minh họa hệ nồi hơi-tuabin [5].

40 Hnh 2-7 Các biến vào/ra của mô hình nồi hơi-tuabin [6]. 41 Hnh 2-8 Đáp ứng hệ thống nồi hơi với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dự trên mô hình tuyến tính tại điểm làm việc 90%. 44 ii Hnh 2-9 Đáp ứng hệ thống tuabin với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính tại điểm làm việc 90%. 44 Hnh 2-10 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi – tuabin với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính tại điểm làm việc 90%.

45 Hnh 3-1 Minh họa các tương tác giữa quá trình i = 1,2,., M và quá trình j ¹ i trong hệ phi tuyến sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn. 47 Hnh 3-2 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPCd sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu. 58 Hnh 3-3 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu. 58 Hnh 3-4 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu.

59 Hnh 3-5 So sánh đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi-tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu và thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dựa trên mô hình tuyến tính (DLMPC). 59 Hnh 3-6 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn khi có nhiễu đầu ra (OD: đường chấm gạch) bằng 5% giá trị đặt. 61 Hnh 3-7 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn khi có nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt. 61 Hnh 3-8 Minh họa tư tưởng xây dựng mô hình dự báo chứa thành phần tích phân.

63 Hnh 3-9 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám. 66 Hnh 3-10 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám. 66 Hnh 3-11 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám. 67 Hnh 3-12 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt 68 Hnh 3-13 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt 68 Hnh 3-14 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra bằng 5% giá trị đặt.

69 Hnh 3-15 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi với huật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi nhiễu đầu ra bằng 20% giá trị đặt. 69 Hnh 3-16 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra bằng 20% giá trị đặt. 70 iii Hnh 3-17 Tín hiệu điều khiển hệ nồi hơi và tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra bằng 20% giá trị đặt. 70 Hnh 3-18 Đáp ứng đầu ra hệ nồi hơi sử dụng thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra biến đổi chậm.

71 Hnh 3-19 Đáp ứng đầu ra hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn cho bài toán bám khi có nhiễu đầu ra biến đổi chậm. 71 Hnh 3-20 So sánh đáp ứng đầu ra nồi hơi theo thuật toán điều khiển phi tập trung sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu, không dự báo nhiễu và thuật toán điều khiển tập trung LTI. 72 Hnh 3-21 So sánh đáp ứng đầu ra tuabin theo thuật toán điều khiển phi tập trung sử dụng mô hình LTI tuyến tính hóa từng đoạn có dự báo nhiễu, không dự báo nhiễu và thuật toán điều khiển tập trung LTI .