Thiết kế bộ điều khiển bám tối ưu bền vững cho hệ thống phi tuyến

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1. Mô hình động lực học tổng quát của tàu thủy

1.1.1. Các chuyển động của tàu thủy trong hệ quy chiếu

1.1.2. Mô hình động lực học của tàu thủy sáu bậc tự do

1.1.3. Mô hình động lực học của tàu thủy ba bậc tự do trên mặt phẳng nằm ngang

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về điều khiển chuyển động của tàu thủy

1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.3. Hướng nghiên cứu của đề tài

1.4. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Mạng nơ-ron xấp xỉ hàm

2.2. Giải thuật quy hoạch động thích nghi cho hệ phi tuyến

2.2.1. Phương trình HJB

2.2.2. Quy hoạch động xấp xỉ/thích nghi dựa trên thuật toán OIRL

2.2.3. Thuật toán off-policy RL để giải phương trình HJI

2.3. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU TÀU THỦY KHI KHÔNG CÓ MÔ HÌNH

3.1. Xây dựng mô hình động học tàu mặt nước cho bài toán điều khiển bám tối ưu

3.2. Thuật toán lặp PI để giải phương trình HJB

3.3. Ứng dụng mạng nơ-ron cho thuật toán OIRL

3.4. Mô phỏng và đánh giá

3.4.1. Tham số mô phỏng

3.4.2. Kết quả mô phỏng

3.5. Phương trình HJI bám quỹ đạo và sự ổn định của phương pháp

3.5.1. Biến đổi mô hình của tàu thủy

3.5.2. Phương trình Hamilton-Jacobi-Isaacs cho bài toán điều khiển bám tối ưu quỹ đạo

3.5.3. Sự suy giảm nhiễu và độ ổn định của giải pháp cho phương trình HJI

3.6. Thuật toán off-policy IRL để giải phương trình HJI bám quỹ đạo

3.6.1. Thuật toán off-policy RL cho điều khiển tối ưu bền vững

3.6.2. Phân tích sự hội tụ của thuật toán

3.6.3. Thuật toán off-policy IRL cho điều khiển tối ưu bền vững

3.6.4. Phân tích sự hội tụ của thuật toán

3.6.5. Thuật toán off-policy IRL cho điều khiển tối ưu bền vững sử dụng mạng nơ-ron

3.6.6. Mô phỏng, so sánh và đánh giá

3.7. Kết luận chương 3

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển là trọng tâm của đề tài, tập trung vào việc phát triển các giải thuật điều khiển bám tối ưu cho hệ thống phi tuyến. Đề tài đề xuất hai cấu trúc điều khiển mới dựa trên giải thuật quy hoạch động thích nghi (ADP) và thuật toán OIRL. Các bộ điều khiển này không yêu cầu thông tin động học đầy đủ của hệ thống, giúp tàu thủy bám quỹ đạo đặt trước và duy trì ổn định trong điều kiện có nhiễu. Đề tài đã chứng minh tính hội tụ của các tham số hệ kín thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab.

1.1. Giải thuật quy hoạch động thích nghi ADP

Giải thuật ADP được sử dụng để xấp xỉ nghiệm của phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB), một bài toán phức tạp trong điều khiển tối ưu. Giải thuật này kết hợp mạng nơ-ron (NN) để xấp xỉ hàm giá trị và luật điều khiển tối ưu. Đề tài đã phát triển cấu trúc điều khiển sử dụng thuật toán OIRL, giúp tối ưu hóa quỹ đạo bám của tàu thủy mà không cần thông tin động học đầy đủ.

1.2. Thuật toán off policy IRL

Thuật toán off-policy IRL được đề xuất để giải quyết bài toán điều khiển tối ưu bền vững trong điều kiện có nhiễu. Giải thuật này không yêu cầu thông tin động học của hệ thống và đảm bảo tính ổn định của tàu thủy. Đề tài đã chứng minh tính hội tụ của các thông số giá trị cận tối ưu và kiểm chứng thông qua mô phỏng.

II. Bám tối ưu và bền vững

Bám tối ưu và bền vững là hai mục tiêu chính của đề tài. Các bộ điều khiển được thiết kế nhằm đảm bảo tàu thủy bám quỹ đạo đặt trước với độ chính xác cao và duy trì ổn định trong điều kiện có nhiễu. Đề tài đã đề xuất các giải thuật mới dựa trên lý thuyết điều khiển phi tuyến và lý thuyết điều khiển tối ưu, giúp cải thiện hiệu suất bám quỹ đạo và tiết kiệm năng lượng.

2.1. Bám tối ưu quỹ đạo

Đề tài tập trung vào việc bám tối ưu quỹ đạo cho tàu thủy bằng cách sử dụng thuật toán OIRL. Giải thuật này giúp tối ưu hóa quỹ đạo bám mà không cần thông tin động học đầy đủ của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo tròn và các quỹ đạo phức tạp khác.

2.2. Điều khiển bền vững

Điều khiển bền vững được đề xuất để đảm bảo tàu thủy hoạt động ổn định trong điều kiện có nhiễu. Đề tài đã sử dụng thuật toán off-policy IRL để giải quyết bài toán này. Giải thuật này giúp tối ưu hóa quỹ đạo bám và đảm bảo tính ổn định của hệ thống ngay cả khi có nhiễu tác động.

III. Hệ thống phi tuyến

Hệ thống phi tuyến là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài. Đề tài tập trung vào việc xây dựng mô hình động lực học của tàu thủy và phát triển các giải thuật điều khiển phù hợp. Các mô hình động lực học của tàu thủy được mô tả bằng hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao, đòi hỏi các phương pháp điều khiển hiện đại để đạt được hiệu suất cao.

3.1. Mô hình động lực học tàu thủy

Đề tài phân tích mô hình động lực học tàu thủy với các chuyển động sáu bậc tự do và ba bậc tự do trên mặt phẳng nằm ngang. Các mô hình này được sử dụng làm cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển bám tối ưu và bền vững.

3.2. Phương trình HJB và HJI

Đề tài chuyển bài toán điều khiển tối ưu về việc tìm nghiệm của phương trình HJB và phương trình HJI. Các phương trình này được giải quyết thông qua giải thuật ADP và thuật toán off-policy IRL, giúp tối ưu hóa quỹ đạo bám và đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

IV. Nghiên cứu khoa học cấp trường

Đề tài là một nghiên cứu khoa học cấp trường được thực hiện tại Trường Đại học Hải Phòng. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học và có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tiễn. Đề tài góp phần bổ sung các phương pháp điều khiển mới cho hệ lái tàu thủy, đồng thời nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu tại trường.

4.1. Kết quả nghiên cứu

Đề tài đã đề xuất hai cấu trúc điều khiển mới dựa trên thuật toán OIRL và thuật toán off-policy IRL. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng và công bố trên các tạp chí khoa học.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu của đề tài có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tiễn, đặc biệt là trong việc cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ lái tàu thủy. Đề tài cũng góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu tại Trường Đại học Hải Phòng.

Nghiên cứu khoa học: Thiết kế bộ điều khiển bám tối ưu bền vững cho hệ thống phi tuyến