Luận án TS: Điều khiển trượt thích nghi hệ thống động phi tuyến - Nguyễn Đức Minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐỨC MINH ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI HỆ THỐNG ĐỘNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐỨC MINH ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI HỆ THỐNG ĐỘNG PHI TUYẾN Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số chuyên ngành: 6252600 Phản biện độc lập 1: GS.TSKH NGUYỄN XUÂN QUỲNH Phản biện độc lập 2: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Phản biện 1: TS.

NGUYỄN CHÍ NGÔN Phản biện 2: PGS.TSKH HỒ ĐẮC LỘC Phản biện 3: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA 2. TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận án __________________________________ Nguyễn Đức Minh i TÓM TẮT LUẬN ÁN Điều khiển có cấu trúc thay đổi VSC (Variable Structure Control) với chế độ trượt, hay điều khiển trượt SMC (Sliding Mode Control) được biết đến như là một phương pháp điều khiển phi tuyến bền vững đơn giản, hiệu quả. Phương pháp điều khiển này có nhiều ưu điểm như: (i) ít nhạy với sự biến thiên của các thông số của hệ thống; (ii) có khả năng chống nhiễu tốt; (iii) đáp ứng động học nhanh. Tuy nhiên do tín hiệu điều khiển trượt cổ điển có dạng chuyển mạch nên tồn tại hiện tượng dao động có tần số cao (chattering) của các quỹ đạo pha xung quanh mặt trượt.

Hơn nữa, khi thiết kế điều khiển SMC yêu cầu phải biết trước giá trị chặn trên của các thành phần bất định của hệ thống. Các thành phần bất định thường bao gồm các thành phần động học không mô hình, sự biến thiên của các thông số và nhiễu loạn. Nếu giá trị chặn trên thực vượt quá giá trị chặn trên được giả thiết trong khi thiết kế bộ điều khiển, sự ổn định của hệ thống sẽ không được bảo đảm. Ngoài ra cũng giống như các phương pháp điều khiển kinh điển khác, việc thiết kế bộ điều khiển trượt yêu cầu phải biết mô hình toán học cùng các thông số của mô hình của đối tượng.

Điều này sẽ ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển trong một số ứng dụng mà ở đó mô hình toán học của đối tượng được điều khiển khó xác định một cách chính xác và các thông số có tầm biến thiên rộng. Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron áp dụng cho hệ phi tuyến động bất định không rõ thông số mô hình với ba nội dung chính: Kết hợp lý thuyết điều khiển trượt và mạng nơ ron để thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron áp dụng cho hệ thống phi tuyến động bất định không rõ thông số mô hình. Bộ điều khiển mới có các đặc điểm: (i) là một mạng nơ ron được dùng làm bộ điều khiển trực tiếp; (ii) không cần nhận dạng trước các thông số của mô hình đối tượng, luật điều khiển được suy ra trực tiếp trong quá trình huấn luyện trực tuyến; (iii) có khả năng thích nghi trước sự thay đổi của các chặn trên của các thành phần bất định và có khả năng kháng nhiễu tốt. Phát triển bộ điều khiển trượt thích nghi nêu trên thành bộ điều khiển trượt thích nghi phân ly DANSMC cho hệ phi tuyến đa biến.

Áp dụng các nghiên cứu về điều khiển trượt thích nghi phân ly lên hệ con lắc ngược xoay và con lắc ngược hai chiều thông qua mô phỏng và thực nghiệm. ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Dương Hoài Nghĩa và TS. Nguyễn Đức Thành, hai người thầy đã hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại Đại học Bách Khoa.

Những gợi ý đúng lúc hết sức quý báu cùng những ý kiến phản biện sâu sắc của các thầy đã giúp tôi nhận thức, định hướng đúng và hoàn thiện nghiên cứu của mình. Trong những năm cùng làm nghiên cứu với các thầy, tôi không chỉ học được các phương pháp nghiên cứu khoa học mà còn học được nhiều điều về tư cách, đạo đức trong cuộc sống Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Tự Động ĐHBK TPHCM vì đã truyền đạt cho tôi những kiến thức nền tảng hết sức quý báu trong thời gian tôi còn học cao học, cũng như những góp ý khoa học và những phản biện thẳng thắn trong khi tôi thực hiện các chuyên đề tiến sĩ là những cơ sở hết sức có giá trị giúp tôi hoàn chỉnh luận án của mình. Xin cảm ơn vợ, và các con tôi đã cùng chia xẻ trong những ngày khó khăn nhất cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể yên tâm thực hiện luận án này. Xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp là các giảng viên của Khoa tin học trường Đại học Yersin và bạn bè thân hữu, những người luôn giúp đỡ và động viên tôi trong những năm tháng làm luận án.

Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng luận án không tránh khỏi những thiếu xót. Tác giả rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp. iii MỤC LỤC 1 TỔNG QUAN .2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của luận án .1 Lý thuyết điều khiển trượt .1 Đối tượng điều khiển .2 Mặt trượt .3 Luật điều khiển trượt kinh điển .4 Điều khiển trượt cho hệ thống MIMO .5 Đặc điểm của điều khiển trượt .2 Xấp xỉ hàm của mạng nơ-ron truyền thẳng .3 Một số mô hình điều khiển trượt dùng mạng nơ ron .1 Mô hình sử dụng mạng nơ ron làm thành phần điều khiển tương đương 19 2.2 Mô hình điều khiển trượt phân ly dùng mạng nơ ron. 20 3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI PHÂN LY DÙNG MẠNG NƠ RON .1 Điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron .1 Mô tả bộ điều khiển .2 Luật cập nhật thích nghi để huấn luyện mạng .2 Điều khiển trượt thích nghi phân ly dùng mạng nơ ron DANSMC.

33 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .1 Điều khiển trượt thích nghi phân ly con lắc ngược hai bậc xoay tự do .1 Mô tả con lắc ngược xoay .2 Phân tích điều khiển .3 Mô tả quá trình và các kết quả mô phỏng .4 Mô tả quá trình và các kết quả thực nghiệm .2 Điều khiển trượt thích nghi phân ly con lắc hai chiều. 73 6 CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ. 77 7 Tài liệu tham khảo. 78 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2-1 Tín hiệu điều khiển trượt có dạng chuyển mạch.

14 Hình 2-2 Mô phỏng quỹ đạo pha và hiện tượng chattering. 15 Hình 2-3 Mạng nơ-ron một lớp ẩn trong bộ điều khiển DNNSMC. 23 Hình 2-4 Hệ thống DNNSMC của Lon-Chen Hung và Hung Yuan Chung. 24 Hình 2-5 Mô hình điều khiển trượt phân ly dùng thuật toán SPSA.

25 Hình 2-6 Đáp ứng góc con lắc ngược của điều khiển DNNSMC so với DFSM. 25 Hình 3-1 Mạng nơ ron dùng làm bộ điều khiển. 29 Hình 3-2 Mô hình điều khiển trượt thích nghi phân ly. 35 Hình 4-1 Mô hình con lắc ngược xoay.

39 Hình 4-2 Mô hình con lắc ngược trên simulink. 41 Hình 4-3 Mô phỏng điều khiển DANSMC lên con lắc ngược xoay. 41 Hình 4-4 Mô phỏng điều khiển DNNSMC lên con lắc ngược xoay trong 10s đầu tiên. 45 Hình 4-5 Mô phỏng điều khiển DNNSMC lên con lắc ngược xoay trong 0.

46 Hình 4-6 Đáp ứng của tín hiệu mặt trượt của điều khiển DNNSMC. 47 Hình 4-7 Quỹ đạo pha các biến trạng thái của điều khiển DNNSMC. 48 Hình 4-8 Quỹ đạo pha các biến trạng thái của điều khiển DNNSMC trong quá trình quá độ. 49 Hình 4-9 Quá trình huấn luyện và hội tụ bộ điều khiển DANSMC.

50 Hình 4-10 Đáp ứng của tín hiệu trượt qua các phiên huấn luyện của điều khiển DANSMC. 51 Hình 4-11 Đáp ứng của điều khiển DANSMC. 52 Hình 4-12 Đáp ứng của tín hiệu mặt trượtcủa điều khiển DASMC. 53 Hình 4-13 Quỹ đạo pha các biến trạng thái của điều khiển DANSMC.

54 Hình 4-14 So sánh đáp ứng của điều khiển DNNSMC và DANSMC. 55 Hình 4-15 Kết cấu phần cứng mô hình thực nghiệm để điều khiển trượt thích nghi phân ly con lắc ngược xoay dùng mạng nơ ron. 57 Hình 4-16 Mô hình thực con lắc ngược trong phòng thí nghiệm. 58 Hình 4-17 Sơ đồ khối chip vi điều khiển TMS320 2812.

59 Hình 4-18 Đáp ứng của trong 30 giây. 62 Hình 4-19 Đáp ứng của trong 30 giây. 62 Hình 4-20 Tín hiệu điều khiển u trong 30 giây. 63 Hình 4-21 Đáp ứng của góc khi thay đổi khối lượng và chiều dài con lắc.

64 Hình 4-22 Đáp ứng của góc khi thay đổi khối lượng và chiều dài con lắc. 65 Hình 4-23 Con lắc ngược hai chiều. 66 Hình 4-24 Biểu diễn hệ tọa độ con lắc ngược hai chiều. 67 Hình 4-25 Mô hình điều khiển DANSMC cho con lắc ngược hai chiều.

69 Hình 4-26 Kết quả phiên huấn luyện thứ nhất. 70 Hình 4-27 Kết quả của phiên huấn luyện thứ hai. 70 Hình 4-28 Quỹ đạo x-y của phiên huấn luyện thứ nhất và thứ hai. 71 Hình 4-29 Mô phỏng với biên độ nhiễu biến thiên.

71 Hình 4-30 Mô phỏng với biên độ nhiễu biến thiên mạnh. 72 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bộ trọng số thu được sau phiên huấn luyện đầu tiên. 43 Bảng 2 Bộ trọng số thu được sau phiên huấn luyện cuối.