I. Tổng quan về điều khiển trượt và hệ thống động phi tuyến
Tự động hóa điều khiển và hệ thống động phi tuyến là hai khái niệm trọng tâm trong nghiên cứu này. Điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản nhưng hiệu quả, đặc biệt trong việc xử lý các hệ thống có độ bất định cao. Phương pháp này dựa trên việc đưa các trạng thái của hệ thống về một mặt trượt (sliding surface) và duy trì chúng trên đó. Tuy nhiên, hiện tượng chattering (dao động tần số cao) là một thách thức lớn khi áp dụng SMC. Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp mạng nơ-ron với điều khiển trượt để tạo ra một bộ điều khiển thích nghi, có khả năng tự điều chỉnh và giảm thiểu hiện tượng chattering.
1.1. Ưu điểm và hạn chế của điều khiển trượt
Điều khiển trượt có nhiều ưu điểm như khả năng chống nhiễu tốt, đáp ứng nhanh và ít nhạy cảm với sự biến thiên của thông số hệ thống. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu phải biết trước giá trị chặn trên của các thành phần bất định. Nếu giá trị này không chính xác, hệ thống có thể mất ổn định. Ngoài ra, hiện tượng chattering là một vấn đề lớn, gây ra dao động không mong muốn và làm giảm hiệu suất điều khiển.
1.2. Ứng dụng mạng nơ ron trong điều khiển trượt
Mạng nơ-ron được sử dụng để thay thế hoặc bổ sung cho các thành phần của điều khiển trượt cổ điển. Đặc biệt, mạng nơ-ron có khả năng học và thích nghi với các thay đổi của hệ thống mà không cần biết trước mô hình toán học chính xác. Điều này giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các thông số mô hình và cải thiện hiệu suất điều khiển trong các hệ thống phi tuyến phức tạp.
II. Phương pháp điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron
Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp điều khiển trượt thích nghi kết hợp với mạng nơ-ron để điều khiển các hệ thống động phi tuyến bất định. Bộ điều khiển mới có ba đặc điểm chính: (i) sử dụng mạng nơ-ron làm bộ điều khiển trực tiếp, (ii) không cần nhận dạng trước các thông số mô hình, và (iii) có khả năng thích nghi với sự thay đổi của các thành phần bất định. Phương pháp này cũng được phát triển thành điều khiển trượt thích nghi phân ly (DANSMC) cho các hệ thống đa biến.
2.1. Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi
Bộ điều khiển được thiết kế gồm hai thành phần: điều khiển tương đương và điều khiển bền vững. Thành phần điều khiển tương đương được thay thế bằng mạng nơ-ron, giúp giảm thiểu hiện tượng chattering. Luật cập nhật cho mạng nơ-ron được xây dựng dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
2.2. Phát triển điều khiển trượt thích nghi phân ly
Phương pháp điều khiển trượt thích nghi phân ly (DANSMC) được phát triển để áp dụng cho các hệ thống đa biến. Bộ điều khiển này khai thác khả năng nhớ theo trạng thái của mạng nơ-ron, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển qua từng phiên huấn luyện. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tự thích nghi của bộ điều khiển trước sự thay đổi của các thông số hệ thống.
III. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng và thực nghiệm trên hai hệ thống: con lắc ngược xoay và con lắc ngược hai chiều. Kết quả cho thấy bộ điều khiển DANSMC có khả năng tự thích nghi và cải thiện hiệu suất điều khiển qua từng phiên huấn luyện. Đặc biệt, bộ điều khiển này có thể xử lý hiệu quả các thay đổi về khối lượng và chiều dài của con lắc, chứng tỏ tính linh hoạt và ổn định trong các điều kiện thực tế.
3.1. Mô phỏng trên hệ con lắc ngược xoay
Kết quả mô phỏng trên hệ con lắc ngược xoay cho thấy bộ điều khiển DANSMC có khả năng giảm thiểu hiện tượng chattering và duy trì ổn định hệ thống. Quá trình huấn luyện mạng nơ-ron được thực hiện trực tuyến, giúp bộ điều khiển tự điều chỉnh để thích nghi với các thay đổi của hệ thống.
3.2. Thực nghiệm trên hệ con lắc ngược hai chiều
Thực nghiệm trên hệ con lắc ngược hai chiều cũng cho kết quả khả quan. Bộ điều khiển DANSMC có thể xử lý hiệu quả các nhiễu loạn và thay đổi thông số hệ thống, chứng tỏ tính ứng dụng cao trong thực tế.
IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu này đã đề xuất một phương pháp điều khiển trượt thích nghi hiệu quả, kết hợp mạng nơ-ron để xử lý các hệ thống động phi tuyến bất định. Bộ điều khiển DANSMC không chỉ giảm thiểu hiện tượng chattering mà còn có khả năng tự thích nghi với các thay đổi của hệ thống. Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như robot, điều khiển công nghiệp và hệ thống tự động hóa.
4.1. Giá trị khoa học của nghiên cứu
Nghiên cứu đã đóng góp một phương pháp mới trong lĩnh vực tự động hóa điều khiển, đặc biệt là việc kết hợp mạng nơ-ron với điều khiển trượt. Phương pháp này không chỉ cải thiện hiệu suất điều khiển mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến phức tạp.
4.2. Ứng dụng thực tiễn
Bộ điều khiển DANSMC có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế như điều khiển robot, hệ thống tự động hóa công nghiệp và các hệ thống điều khiển phi tuyến khác. Khả năng tự thích nghi và giảm thiểu hiện tượng chattering làm cho phương pháp này trở nên linh hoạt và hiệu quả trong các ứng dụng thực tế.
