Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình cho đối tượng phi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGUYEN THI MAI HUONG NGHIEN CUU XAY DUNG THUAT TOAN DIEU KHIEN DU BAO THEO MO HINH CHO BOI TUQNG PHI TUYEN LIEN TUC LUAN AN TIEN Si KY THUAT THAI NGUYEN - NĂM 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGUYÉN THỊ MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIÈU KHIEN DU BAO THEO MO HINH CHO DOI TUQNG PHI TUYEN LIEN TUC Chuyén nganh: Ky thuat điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIÊN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lại Khắc Lãi THÁI NGUYÊN - NĂM 2016 ii LOI CAM ON Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ về các công tác tổ chức của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể cán bộ hướng dẫn đã tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, tập thê các nhà khoa học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, của bộ môn Điều khiến tự động trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu, các Phòng ban của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án.

Thái Nguyên, ngày tháng 0Ï năm 2016 Tác giả luận án Nguyễn Thị Mai Hương iii MUC LUC LOT CAM DOAN i LOI CAM ON ii MUC LUC iii MỞ ĐẦU 1 TV. Tính cấp thiết của luận ánn. Me tiêu của luấn ẤN sscecaesaoabtiasiobiirbiaSs003x95800100S8x80333148616013800/800ã83883x8° 4 4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu .Y nghĩa khoa học và thực tiỄn.

Ý nghĩa khoa hỌc. Ý nghĩa thực tiễn 6. Bố cục luận án. --- 2-2 SE £ ke +21 EEEEEEEEEEEEEEEEEE157111 1511711111513.

6 CHƯƠNG 1 8 TONG QUAN VE DIEU KHIEN DU BAO CHO HE PHI TUYEN 8 1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về điều khiển dự báo hệ phi tuyến trên thế giới 1. Các phương pháp quy hoạch phi tuyến. Bài toán tối ưu hóa phi tuyến bị ràng buộc gồm: Kỹ thuật hàm phạt và hàm chặn, Phương pháp SQP [3], [Š5[ và GA [2].

Các phương pháp điều khién t6i WU. Các công trình nghiên cứu về điều khiến dự báo hệ phi tuyến ÍTODE HƯỚC. 5à 9 TH TT HH TT ng 20 1. Những vấn để cần tiếp tục nghiên cứu về điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến và hướng nghiên cứu của luận án.

Kết luận chương l. -+-2++S+tềEtS2E221192152132213213511E 232tr errree 23 CHƯƠNG 2 24 DIEU KHIEN DU BAO HE PHI TUYEN TREN NEN CAC PHUONG PHAP QUY HOACH PHI TUYEN 24 2. Nguyên lý làm việc của điều khiển dự báo phi tuyến 2. Cấu trúc bộ điều khiển dự báo.----- 55+ s+E22ESEECEE2E2E2Ex2Exc22 2.

Kỹ thuật cài đặt bộ điều khiển dự báo trên nền các phương pháp quy hoạch phi tuyễn. Áp dụng vào điều khiển dự báo lớp hệ song tuyến. Thuật toán điêu khiên dự báo phi tuyên cho hệ song tuyên. DKDB trên nên tôi ưu hóa theo sai lệch tín hiệu điêu khiên.

Kết luận chương 2.11 2e 42 CHƯƠNG 3 43 DE XUAT MỘT PHUONG PHAP MOI DE DIEU KHIEN DU BAO HE PHI TUYEN LIEN TUC TREN NEN BIEN PHAN 43 3. Nội dung cơ bản của phương pháp biến p0. Nguyên lý biến phân. Bộ điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator).

Điều kiện đủ cho tính ôn định của hệ LQR. Áp dụng nguyên tắc điều khiển LQR để điều khiển tối ưu hệ tuyến tính bám ổn định theo giá trị đầu ra cho trước. Phương pháp đề xuất đẻ điều khiển dự báo với cửa sô dự báo vô hạn cho hệ song tuyến liên tục không dừng, bám theo được giá trị con Na. Tư tưởng chính của phương pháp.

Xây dựng thuật toán điều khiến. Khả năng xử lý điều kiện ràng buộc. Chứng minh tính bám ồn định của phương pháp được đề xuất. Khả năng áp dụng cho hệ phi tuyến affine không đừng CHƯƠNG 4 58 THUC NGHIEM KIEM CHUNG CHAT LUQNG PHƯƠNG PHAP DA DE XUAT TREN DOI TUQNG TRMS 58 4.1, MOhinh todn etahE TRMS vsssvcssvesccnsaceesersssscasnsasevsnenerseversneeesvescoerenseeees 4.

Mô tả vật lý hệ TRMS 4. Mô hình tựa NewtON. Thiết kế bộ điều khiển dự báo trên nền quy hoạch phi tuyến. Thiết kế và cài đặt bộ điều khiến dự báo cho hệ TRMS.

Mô phỏng trên MatLab 4. Thiết kế bộ điều khiển dự báo trên nền biến phân (phương pháp điều khiển được luận án để xuất). Thiết kế và cài đặt bộ điều khiển. Mô phỏng trên MatLab và so sánh, đánh giá chất lượng.

Thí nghiệm trên mô hình vật lý của hệ TIRMS. Cài đặt bộ quan sát Kalman. Các kết qua thyte nghiGi. Két lian nh.

90 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CONG BO LIEN QUAN DEN DE 0 22 2251212232111122122122222212112112111111122111121121212221212112 1e 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 II TA Nga. 93 vi DANH MỤC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT Các kí hiệu: Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ N, Mién (phạm vi) dự báo N, Miền (phạm vi) điều khiển Jứm) Chiều dài của phần đuôi của cánh tay đòn (n ) |, (m) Chiều dài của phần chính của cánh tay đòn (m ) Jứn) Chiều dài cánh tay đòn đối trọng (¡n ) 10m) Khoảng giữa cánh tay đòn đối trọng và khớp (bộ nối) (m ) TU) Bán kính của hộp bảo vệ cánh quạt chính/đuôi mm, (kg) Khối lượng của động cơ một chiều đuôi (kø) m„„„(kg) Khối lượng của động cơ một chiều chính (4ø) 1g, (kg) Khối lượng của đối trọng (kg) m, (kg) Khối lượng của phần đuôi của cánh tay đòn (kg) m,, (kg) Khối lượng phần chính của cánh tay đòn (kg) m,(kg) Khối lượng của cánh tay đòn đối trọng (kø) mm, (kg) Khối lượng của lưới chắn đuôi (kg) My, (Keg) Khối lượng của lưới chan chinh (kg ) k, Hệ số con quay Vii Ravin (Q) Điện trở phan ứng của ĐCMC cánh quạt chính/đuôi (©) Tyy(nH) Điện cảm phần ứng của ĐCMC cánh quạt chinh/dudi (# ) k,0(Nm/A) Từ thông 2mm, (gem”) Mômen quan tinh cia DCMC chinh/dudi (kg m/s) Bryne (kgm? [s) Hệ số ma sát nhớt của ĐCMC chính và ĐCMC đuôi (kgm?/s) Fy, Ham phi tuyén của lực khí động học từ cánh quạt chính và cánh quạt đuôi (M ) g Gia téc trong truéng (m/s?) J Mômen quán tính của trục ngang (trục hoành) (kg?) Tp. M frien Mômen của lực ma sất trong mặt phẳng thắng đứng/ mặt phẳng ngang Âu» Emp› mm #pp› kim kqyus Rụ; & “th/v? ky» in Các hệ số dương ( WMm/AWb) Oy), Vận tốc góc của cánh quạt chính và cánh quạt đuôi (rad/s) Quy Vận tốc góc của cánh tay đòn TRMS trong mặt phẳng ngang/ mat phang thang dimg (rad/s) Dyn Điện áp ĐCMC cánh quat chinh/dudi (V ) b, aujh Sức điện động của ĐCMC cánh quạt chinh/dudi (V ) viii Tayjh Dòng điện phần ứng của ĐCMC cánh quạt chinh/dudi (4) Poin Từ thông của ĐCMC cánh quat chinh/dudi (Wo) Mu, Mômen điện từ của ĐCMC cánh quạt chính/đuôi (Wm ) My; Mômen tải của ĐCMC cánh quạt chính/đuôi ( Nrn ) J2 Các hệ số biến dạng của chiều dài cánh tay đòn chính và đuôi S, Vận tốc góc của cánh tay đòn TRMS trong mặt phẳng thắng đứng mà không bị ảnh hưởng bởi cánh quạt đuôi (rad/s) S, Vận tốc góc của cánh tay đòn TRMS trong mặt phẳng ngang mà không bị ảnh hưởng bởi cánh quạt chính (rad/s ) Hk+ ik) Đầu ra dự báo ở thời điểm thứ z+¡ so với thời điểm thứ + uk + ilk) Tín hiệu điều khiển ở thời điểm thứ z+¿ so với thời điểm thứ z Yrep Tín hiệu đặt hoặc đầu ra quá trình Tụ, Vector của ø giá trị trạng thái của hệ tính tại thời điểm t=kT Uy, Vector cla m<n gid tri tin hiéu diéu khién (tin hiéu dau vào) Ye Vector của r<m giá tri tín hiệu đáp ứng (tín hiệu đầu ra) Cn Sai lệch T Chu kỳ trích mẫu tín hiệu JU) Ham muc tiéu u" Nghiệm của bài toán tối ưu %, Trọng số sai lệch 7 Trọng số điều khiển Q Ma trận trọng số sai lệch R Ma trận trọng số điều khiển Aw, Sai lệch tín hiệu điều khiên © Ma trận có tất cả các phần tử đều bằng 0 1 Ma trận đơn vi 6 Sai lệch giữa tham số trạng thái hiện thời và tham số trạng thái xác lập 0 Sai lệch giữa tín hiệu điều khiển hiện thời và tín hiệu điều khiển xác lập s(U) Ham phat Các chữ viết tắt: ANHS Adaptive Neural Fuzzy Inference System BB Branch and Bound BFO Bacterial Foraging Optimization DCMC Động cơ một chiều ĐKDB Điều khiển dự báo DMC Dynamical Matrix Control EKF Extended Kalman Filter FSMC Fuzzy Sliding Mode Control GA Genetic Algorithm GPC Generalized Predictive Control Ilo Increment Input Output models 1O Direct Input Output models IOM Input Output Models LP Linear programming LQG Linear Quadratic Gausian LỌR Linear Quadratic Regulator LRPC Long-Range Predictive Control LTI Linear time - invariant xi MIMO Multiple Input Multiple Output MPC Model Prediction Control MPCS "Thuật toán MPC NMPC Nonlinear Model Prediction Control NNs Neural Networks PIDAFC PID Active force control QP Quadratic Programing RHC Receding horizon control SISO Single Input Single Output SQP Sequential Quadratic Programing TRMS Twin rotor MIMO system UKF Unscented Kalman Filter xii DANH MUC CAC HINH ANH, DO THI Hình 2. Cầu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo 37 Hình 2.

Sơ đồ khối của MPC để điều khiển hệ song tuyến 44 Hình 3.1: Hệ kín với bộ điều khiển phản hồi trạng thái toi wu LOR 60 Hình 3.2: Mô tả tư tưởng của phương pháp 63 Hình 3. Điều khiển dự báo hệ phi tuyến liên tục với cửa số dự báo 68 vô hạn Hình 4. Cấu hình vật lý của hệ TRMS 72 Hình 4. Cấu trúc bộ ĐKDB áp dụng cho thuật toán SQP 79 Hình 4.

Đáp ứng của góc chao dọc khi tín hiệu đặt là xung vuông 79 Hình 4. Đáp ứng của góc đảo lái khi tín hiệu đặt là xung vuông 80 Hình 4. Đáp ứng của góc chao dọc khi tín hiệu đặt là substep 80 Hình 4. Đáp ứng của góc đảo lái khi tín hiệu đặt là substep 81 Hình 4.

Sơ đỗ câu trúc bộ ĐKDB phản hôi trạng thái đê tín hiệu ra N8 bám theo tín hiệu đâu ra mâu cho hệ TRMS Hình 4. Đáp ứng đầu ra góc đảo lái khi tín hiệu đặt là xung vuông 84 Hình 4. Đáp ứng đầu ra góc chao dọc khi tín hiệu đặt là xung vuông 84 Hình 4. Đáp ứng đầu ra góc đảo lái khi tín hiệu đặt là substep 84 Hình 4.

Đáp ứng đầu ra góc chao dọc khi tín hiệu đặt là substep 85 Hình 4. Lưu đồ của phương pháp quan sát Kalman mở rộng 89 Hình 4. Sơ đồ mô phỏng kiểm tra bộ quan sát trạng thái 92 xiii Hình 4.