Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định...

Tài liệu Nghiên cứu điều khiển tối ưu bền vững cho hệ có thông số bất định

.PDF
87
34
97

Mô tả:

NGUYỄN MẠNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CÓ THÔNG SỐ BẤT ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ NGUYỄN MẠNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CÓ THÔNG SỐ BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN . Thái nguyên, tháng 5 năm 2014 n văn Nguyễn Mạnh Đạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii . . , Khoa Sau Đại học . Thái nguyên, tháng 5 năm 2014 Nguyễn Mạnh Đạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC .......................................................................................................... i ............................................................................................................. ii Mục lục ................................................................................................................. iii .............................................................................................. vi , đồ thị ............................................................................... vi MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................1 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG VẬT LÝ BẤT ĐỊNH ............3 1.1 Giới thiệu ..........................................................................................................3 1.2 Chuẩn của tín hiệu và hệ thống ........................................................................4 1.2.1 Chuẩn tín hiệu ...............................................................................................4 1.2.2 Chuẩn hệ thống..............................................................................................5 1.3 Mô hình không chắc chắn có cấu trúc ..............................................................5 1.4 Mô hình không chắc chắn không cấu trúc .......................................................6 1.4.1 Mô hình nhiễu nhân ......................................................................................6 1.4.2 Mô hình nhiễu cộng ......................................................................................7 1.4.3 Mô hình nhiễu cộng ngược ...........................................................................8 1.4.4 Mô hình nhiễu nhân ngược ...........................................................................8 1.4.5 Xây dựng mô hình không chắc chắn .............................................................9 1.4.5.1 Phương pháp thứ nhất ................................................................................9 1.4.5.2 Phương pháp thứ hai ................................................................................10 1.4.5.3 Các ví dụ xây dựng mô hình không chắc chắn ........................................11 1.5 Kết luận chương 1 ..........................................................................................17 CHƢƠNG 2. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ CÓ THÔNG SỐ BẤT ĐỊNH ....................................................................................................18 2.1 Tổng quan về điều khiển tối ưu bền vững......................................................18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.1.1 Nghiên cứu về điều khiển H ......................................................................18 2.1.2. Nghiên cứu về điều khiển tối ưu bền vững H2/H .....................................22 2.2. Các khái niệm cơ bản ....................................................................................27 2.2.1 Điều khiển bền vững ...................................................................................27 2.2.2 Khái niệm về ổn định nội ............................................................................28 2.2.3 Định lý độ lợi nhỏ (Small Gain Theorem) ..................................................28 2.2.4. Ổn định bền vững .......................................................................................29 2.2.4.1 Định lý ổn định bền vững.........................................................................29 2.2.4.2 Điều kiện ổn định bền vững đối với sai số cộng ......................................30 2.2.4.3 Điều kiện ổn định bền vững với sai số nhân ở đầu ra ..............................30 2.3. Điều khiển bền vững H ...............................................................................31 2.3.1 Biểu Đồ Bode Đa Biến (Multivariable Bode Plot) ....................................31 2.3.2 Hàm nhạy và hàm bù nhạy ..........................................................................31 2.4. Thiết kế bền vững H∞ ....................................................................................37 2.4.1 Mô tả không gian H và RH ......................................................................37 2.4.2 Sai số mô hình phân tích coprime ...............................................................38 2.4.3 Bài toán ổn định bền vững H∞.....................................................................40 2.4.4 Nắn dạng vòng H∞ .......................................................................................45 2.4.4.1 Thủ tục thiết kế nắn dạng vòng H (LSDP – Loop Shaping Design Procedure) ............................................................................................................45 2.4.4.2 Sơ đồ điều khiển .......................................................................................48 2.4.4.3 Lựa chọn các hàm nắn dạng W1,W2 .........................................................50 2.5 Điều khiển tối ưu bền vững H2/H .................................................................50 2.6 Kết luận chương 2 ..........................................................................................52 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG .....................................................................................53 3.1 Giới thiệu mô hình xe hai bánh tự cân bằng ..................................................53 3.1.1 Mô hình cơ khí ............................................................................................53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 3.1.2 Mô hình toán học.........................................................................................54 3.2 Thiết kế bộ điều khiển định dạng vòng H∞ đủ bậc ........................................58 3.2.1 Lựa chọn hàm định dạng .............................................................................58 3.2.2 Tính min ......................................................................................................59 3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển định dạng vòng H∞ bậc đầy đủ...............................61 3.3 Thiết kế điều khiển tối ưu bền vững cho xe hai bánh tự cân bằng ................62 3.4 Kết quả thực nghiệm điều khiển trên mô hình robot hai bánh tự cân bằng ...........67 3.5 Kết luận chương 3 ..........................................................................................68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Các thông số của robot.............................................................................................. 57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Mô hình nhiễu nhân................................................................................. 7 Hình 1.2 Mô hình nhiễu cộng................................................................................. 7 Hình 1.3 Mô hình nhiễu cộng ngược ..................................................................... 8 Hình 1.4 Mô hình nhiễu nhân ngược ..................................................................... 8 Hình 1.5 Biểu đồ bode của Wm ( j ) .................................................................... 12 Hình 1.6 Biểu đồ bode của đối tượng thực có hằng số không chắc chắn ............ 13 Hình 1.7 Biểu đồ bode của mô hình nhiễu nhân của đối tượng thực ................... 13 Hình 1.8 Biểu đồ bode của Wm ( j ) ................................................................... 14 Hình 1.9 Biểu đồ bode của hệ có cực không chắc chắn ....................................... 15 Hình 1.10 Biểu đồ bode của mô hình nhiễu cộng ngược ..................................... 15 Hình 1.11 Cấu trúc M - của đối tượng bất định ................................................ 16 Hình 1.12 Cấu trúc của đối tượng ........................................................................ 16 Hình 1.13 Biến đổi cấu trúc đối tượng ................................................................. 17 Hình 2.1: Mô hình điều khiển bền vững .............................................................. 27 Hình 2.2 : Sơ đồ hệ thống dùng để phân tích ổn định nội .................................... 28 Hình 2.3 : Hệ thống hồi tiếp vòng kín .................................................................. 29 Hình 2.4 : Sơ đồ cấu trúc phân tích ổn định bền vững ......................................... 29 Hình 2.5 : Sai số cộng .......................................................................................... 30 Hình 2.6 : Sai số nhân ở đầu ra ............................................................................ 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống hồi tiếp âm .................................................................. 32 Hình 2.8: Độ lợi vòng và các ràng buộc tần số thấp và tần số cao. ..................... 36 Hình 2.9: Biểu diễn sai số mô hình phân tích coprime bên trái ........................... 40 Hình 2.10: Sơ đồ phân tích ổn định bền vững với mô hình có sai số LCF .......... 40 Hình 2.11: Thủ tục thiết kế nắn dạng vòng H ................................................. 47 Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển hồi tiếp đơn vị ........................................................ 48 Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển hồi tiếp đơn vị với bộ điều khiển đạt được từ LDSP..... 49 Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển cải tiến với bộ điều khiển đạt được từ LDSP ......... 49 Hình 2.15. Hệ thống với nhiễu loạn mô hình đối tượng và nhiễu ngoài ............. 50 Hình 3.1 Kích thước robot hai bánh tự cân bằng ................................................. 53 Hình 3.2 Sơ đồ đơn giản của robot ...................................................................... 54 Hình 3.3 Đáp ứng xung của mô hình hệ thống cân bằng robot ........................... 58 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân bằng xe hai bánh.............................. 58 Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển bền vững H .................................................... 59 Hình 3.6. Đồ thị hàm bode của G(s) và Gs(s) ...................................................... 60 Hình 3.7. Đồ thị hàm bode của G1(s), G2(s), W1(s) ........................................ 63 Hình 3.8. Đáp ứng của hệ thống điều khiển cân bằng xe hai bánh dùng bộ điều khiển bền vững H2/H bậc một ........................................................... 65 Hình 3.9 Đáp ứng của hệ thống cân bằng robot sử dụng bộ điều khiển bền vững và bộ điều khiển tối ưu bền vững ............................................... 66 Hình 3.10 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều khiển tối ưu bền vững bậc 2 ................................................................ 67 Hình 3.11 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều khiển tối ưu bền vững bậc 2 khi có nhiễu ............................................ 67 Hình 3.12 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều khiển tối ưu bền vững bậc 2 khi thay đổi tải lệch tâm ....................... 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thực tế có thể khẳng định rằng gần như tất cả các đối tượng vật lý đều là các đối tượng bất định, với hai nguyên nhân gây ra sự bất định là sự nhiễu loạn bên trong của đối tượng vật lý (dẫn tới mô hình không chắc chắn) và tín hiệu nhiễu từ môi trường bên ngoài đối tượng vật lý. Mô hình hóa đối tượng bất định là mô hình hóa đối tượng thuộc về một tập mô hình M, trong đó hai dạng mô hình không chắc chắn cơ bản là: Mô hình không chắc chắn có cấu trúc và mô hình không chắc chắn không có cấu trúc. Để điều khiển cho đối tượng bất định thì trong lý thuyết hệ thống chia ra làm điều khiển truyền thống và điều khiển hiện đại. - Điều khiển truyền thống sử dụng thông tin về tín hiệu đầu ra của đối tượng cấu thành tín hiệu đầu vào để đưa ra tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiển truyền thống được xây dựng dựa trên hàm hoặc ma trận truyền đạt của đối tượng để xác định các khâu phản hồi chuẩn (tỷ lệ, tích phân, vi phân). Do vậy nếu mô hình đối tượng không ổn định thì khả năng bền vững của thuật toán điều khiển là không đảm bảo. - Điều khiển hiện đại hay còn gọi là điều khiển động học lại sử dụng thông tin về biến trạng thái của đối tượng để đưa ra tín hiệu điều khiển đối tượng theo chiến lược điều khiển tuyến tính. Bộ điều khiển hiện đại được xây dựng trên cơ sở của hệ các phương trình Riccati là kết quả thu được từ quá trình tối ưu hóa hàm tiêu chỉ sai số tín hiệu điều khiển và biến trạng thái có kể đến cả sự không chắc chắn của mô hình đối tượng. Từ đặc điểm của các đối tượng vật lý thực thì hệ thống điều khiển đối tượng cần phải đảm bảo yêu cầu ổn định với tất cả các sự không chắc chắn của đối tượng, do đó phương pháp điều khiển bền vững H hoặc tối ưu bền vững H2/H là phù hợp nhất để điều khiển cho các đối tượng vật lý thực, đặc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ ! VUI LÒNG TẢI VỀ ĐỂ XEM BẢN FULL ĐẦY ĐỦ !
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan