MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu. Các hệ thống phi tuyến MIMO có những thuộc tính rất phức tạp, khó có thể đo đạc hoặc xác định được một cách chính xác như: Sự thay đổi thông số theo thời gian; tồn tại các thành phần không chắc chắn trong mô hình; đặc tính từ trễ của vật liệu; dễ ảnh hưởng bởi tác động nhiễu bên ngoài. Những đặc tính này ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ số thực hiện của bộ điều khiển [1]. Do tồn tại những thuộc tính phi tuyến và phức tạp nên mô hình động học của các hệ thống phi tuyến MIMO không thể đo hoặc xác định được một cách chính xác [2].
Vì vậy các phương pháp điều khiển cổ điển dựa vào mô hình động học của hệ thống không thể đạt được chỉ số thực hiện mông muốn khi tồn tại sự không chắc chắn vê tham số mô hình và tác động nhiễu từ bên [3]. Để thích nghi với những thuộc tính phức tạp của các hệ thống phi tuyến MIMO, các bộ điều khiển hiện đại không ngừng được nghiên cứu và phát triển nhằm đạt được các chỉ số thực hiện mong muốn. Một trong những bộ điều khiển hiện đại dựa trên nguyên lý bộ điều khiển cổ điển PID là bộ điều khiển fuzzy PID [4], trong nghiên cứu này, hệ thống suy luận mờ được ứng dụng để điều chỉnh các thông số của bộ PID khi các tham số của mô hình thay đổi để ngõ ra của hệ thống có thể bám đuổi tốt nhất quỹ đạo đã đặt trước. Hạn chế của nghiên cứu này là việc chọn các luật mờ tốn rất nhiều thời gian và người thiết kế phải am hiểu rất tốt hệ thống thì mới có thể đạt được.
Trong nghiên cứu [5], thuật toán tối ưu bầy đàn được ứng dụng để chọn lọc các tham số của bộ điều khiển PID thoả mãn các chỉ số thực hiện đặt trước. Tuy nhiên phương pháp này cũng tốn rất nhiều thời gian để chọn lọc và chỉ phù hợp với trường hợp điều khiển offline còn đối với các hệ thống yêu cầu điều khiển online thì khó áp dụng được. Một phương pháp hiện đại khác cũng thường được ứng dụng trong điều khiển hệ thống phi tuyến MIMO đảm bảo sự ổn định dưới sự tác động của nhiễu là sliding mode controllers (SMC) [6]. Đối với bộ điều khiển SMC thì thời gian để hệ thống đạt đến mặt trượt trong thời gian xác định là vấn đề cần xem xét một cách cẩn thận khi thiết kế bộ điều khiển.
Khi hệ thống đã hoạt động ở chế độ trượt thì không còn chịu tác động của nhiễu bên ngoài với điều kiện biên độ của nhiễu phải nhỏ hơn biên độ sai số đã chọn của bộ điều khiển. Việc chọn biên độ sai số trong bộ điều khiển trượt đóng một vai trò quan trong trong chất lượng của hệ thống. Nếu chọn 1 Luan van biên độ sai số nhỏ thì hệ thống dễ mất ổn định. Trái lại nếu chọn biên độ sai số lớn thì hiện tượng dao động chattering sẽ xuất hiện ở ngõ ra làm ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển và tuổi thọ của cơ cấu chấp hành [7].
Chỉ số thực hiện của bộ điều khiển phụ thuộc vào số nơ ron và số lớp ẩn trong cấu trúc của mạng. Việc chọn số nơ ron, số lớp ẩn và tốc độ học phù hợp là một vấn đề khó, đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu [10]. Một hạn chế nữa của mạng nơ ron đó là tất cả các trọng số của mạng phải được cập nhật trong mỗi chu kỳ học. Đặc tính này làm ảnh hưởng đến thời gian học của mạng đặc biệt trong trường hợp mạng nhiều lớp và các ứng dụng yêu cầu phải học online.
Nhằm nâng cao hiệu quả học của mạng nơ ron, tác giả đề xuất đề tài “Thiết kế bộ điều khiển cho hệ phi tuyến MIMO sử dụng CMAC” để chứng tỏ hiệu quả của bộ điều khiển cho các hệ thống phi tuyến MIMO theo thời gian thực.2 Mục tiêu đề tài. Ý nghĩa khoa học Thiết kế bộ điều khiển cho hệ phi tuyến MIMO sử dụng CMAC hoạt động ổn định dưới ảnh hưởng của sự thay đổi của tham số mô hình và tác động của nhiễu Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng bộ điều khiển CMAC và RCMAC để điều khiển mô hình bàn trượt đạt độ chính xác cao, có thể áp dụng vào thực tế 1.3 Đối tượng nghiên cứu. Các bộ điều khiển thông minh Mô hình động học hệ thống phi tuyến MIMO Bộ điều khiển CMAC và RCMAC Mô hình bàn trượt điều khiển bởi động cơ áp điện 2 Luan van 1.4 Phạm vi nghiên cứu. Sử dụng bộ điều khiển RCMAC để điều khiển mô hình bàn trượt theo quỹ đạo đặt trước.5 Phương pháp nghiên cứu.
Tìm hiểu một số công trình nghiên cứu liên quan đến bộ điều khiển thông minh Tìm hiểu các công trình nghiên cứu liên quan đến bộ điều khiển CMAC Thiết kế bộ điều khiển RCMAC Mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển trên matlab Kiểm nghiệm hiệu quả của bộ điều khiển trên trên mô hình thực 1.6 Nội dung thực hiện. Tổng quan về các bộ điều khiển thông minh Động học của hệ phi tuyến MIMO và bộ điều khiển được đề xuất Bộ điều khiển RCMAC Bộ điều khiển bù ước lượng biên độ sai số Mô hình bàn trượt được điều khiển bở động cơ áp điện Mô phỏng bộ điều khiển RCMAC trên Matlab Kiểm nghiệm bộ điều khiển RCMAC trên mô hình thực 1.7 Kết quả đạt được. Kết quả kiểm nghiệm trên mô phỏng và mô hình thực tế Bài báo đăng trên tạp chí SCOPUS và ISI 1.8 Đơn vị ứng dụng. Sản phẩm ứng dụng trong phòng thí nghiệm của bộ môn điều khiển tự động khoa điện điện tử, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.
3 Luan van CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG PHI TUYẾN MIMO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT 2.1 Mô tả hệ thống phi tuyến MIMO. Động học của hệ thống phi tuyến MIMO dưới ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài được mô tả như sau [11]-[12]., xm ]T Rm là vector ngõ ra của hệ thống, x [ xT , xT ,., x ( n 1)T ]T Rn là vector trạng thái của hệ thống, u [u1 , u2 ,., um ]T Rm là vector điều khiển của hệ thống, F ( x) Rm n là các hàm phi tuyến không chắc chắn giã sử bị chặn, G ( x) Rm m là hàm độ lợi điều khiển không biết, giã sử bị chặn, d(x) = [d1 , d2 ,., dm ]T Rm là các nhiểu tác động bên ngoài. Để thuận tiện trong quá trình thiết kế chi tiết bộ điều khiển, các biến sử dụng trong quá trình thiết kế được định nghĩa như sau e xd x là sai số của hệ thống e e, e, , en 1 T là vector sai số của hệ thống s en 1 + Ke là mặt trượt sai số của hệ thống và K là ma trận hệ số. 4 Luan van Giã sử rằng các hàm phi tuyến F (x) và G(x) hoàn toàn xác định được và hệ thống không chịu tác động của nhiễu bên ngoài, phương trình động học của hệ thống được trình bày lại như sau x(n) = Fo (x) + G o (x)u (2) y=x Trong đó Fo (x) và G o (x) lần lượt là các giá trị danh định của các hàm phi tuyến F (x) và G ( x).
Trong trường hợp này, bộ điều khiển lý tưởng được thiết kế dựa vào đề xuất của M. Lin [14] có dạng: u IC G 0 1 (x) xdn - Fo (x) K(e) (3) Thay thế bộ điều khiển lý tưởng (3) vào phương trình động học (2), phương trình động học sai số của hệ thống đạt được như sau: en + Ke = s = 0 (4) Nếu ma trận hệ số K được chọn để phương trình động học sai số (4) ổn định theo tiêu chuẩn Hurwizt thì hệ thống đảm bảo ổn định. Tuy nhiên, các hệ thống phi tuyến MIMO thường không thể xác định được các thông số một cách chính xác do một vài nguyên nhân như: sai số mô hình, ảnh hưởng của hiện tượng từ trễ hoặc do sự thay đổi của tham số theo thời gian trong quá trình hoạt động. Bên cạnh đó, hệ thống luôn chịu tác động của các thành phần nhiễu bên ngoài như: Sự thay đổi của tải; sự nhiễu của tín hiệu đo từ cảm biến; ảnh hưởng của thời gian trễ.
Vì vậy động học của các hệ thống phi tuyến MIMO được viết lại như sau x (n) = Fo ( x) + ΔF( x) + (G o ( x) + ΔG ( x))u + d( x) (5) Fo x) + G o (x)u UD(x) Trong đó UD(x) F(x) + G (x)u + d(x) L o (x) là tập hợp các thành phần không chắc chắn và nhiễu tác động từ bên ngoài, giả sử bị chặn bởi một hàm danh định Lo (x). 5 Luan van Trong các ứng dụng thực tế, các thành phần không chắc chắn và ảnh hưởng của nhiễu, UD(x) luôn tồn tại nên bộ điều khiển lý tưởng , u IC không thể đảm bảo sự ổn định và áp dụng cho hệ thống được. Vì vậy các hệ thống điều khiển được đề xuất phải có khả năng thích nghi với những thay đổi của tham số và những ảnh hưởng của nhiễu để đảm bảo sự ổn định cho các hệ thống phi tuyến MIMO trong quá trình hoạt động.2 Đề xuất hệ thống điều khiển. Để thích nghi với những thành phần không chắc chắn và nhiễu tác động bên ngoài, UD(x) , một hệ thống điều khiển kết hợp được đề xuất như Hình 1.
Trong hệ thống này, bộ điều khiển có cấu trúc mô hình tiểu nảo hồi tiếp (Recurrent Cerebellar Model Articulation Controller: u RCMAC ) được kết hợp với bộ điều khiển bù ước lượng biên sai số (Estimated Bounded Error Compensator Controller: uCC ) để điều khiển cho hệ thống phi tuyến. Trong đó, bộ điều khiển u RCMAC được đề xuất để xấp xỉ các thành phần không chắc chắn và sự thay đổi của tham số mô hình còn bộ điều khiển uCC được sử dụng để giảm thiểu những ảnh hưởng do tác động nhiễu bên ngoài nhằm đạt được sự ổn định cho toàn hệ thống. Bộ điều khiển tổng thể được đề xuất có dạng như sau.