Tài liệu Thiết kế bộ quan sát trượt

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI VIỆN ðÀO TẠO SAU ðẠI HỌC ------

 ------ NGUYỄN VĂN LINH ¬ THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN XUÂN MINH Hà Nội – 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Nguyễn Văn Linh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... ii LỜI CẢM ƠN Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Phan Xuân Minh, giảng viên trường ðại học Bách Khoa Hà Nội, người ñã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện công trình khoa học này. Tôi muốn gửi lời cảm ơn trân trọng tới các thầy, cô giáo trong Bộ môn ðiện Kỹ thuật, Khoa Cơ ðiện, ðại học Nông nghiệp Hà Nội, ñã tạo ñiều kiện, giúp ñỡ, ñộng viên tôi, và có những góp ý hết sức bổ ích và cần thiết cho công trình nghiên cứu này. Tôi muốn gửi lời biết ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong Bộ môn ðiều khiển tự ñộng, Khoa ðiện, ðại học Bách Khoa Hà Nội về những ñóng góp quý báu cho luận văn này. Một lời cảm ơn nồng nhiệt tôi muốn gửi tới các ñồng nghiệp, bạn bè của tôi ñã thường xuyên thăm hỏi, chia sẻ suy nghĩ trong quá trình tôi thực hiện luận văn này. ðặc biệt, tôi muốn gửi tình yêu vô hạn tới gia ñình tôi ñã luôn bên cạnh, ñộng viên, tạo ñiều kiện tốt nhất ñể tôi thực hiện công trình khoa học này. Tác giả Nguyễn Văn Linh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... iii MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................................ VII BẢNG QUY ƯỚC KÝ HIỆU................................................................................. VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..............................................................................IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... X CHƯƠNG 1............................................................................................................ - 1 MỞ ðẦU................................................................................................................ - 1 1.1 BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI .....................................................................- 1 1.2 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT.................................................................- 4 1.3 PHÂN BIỆT GIỮA BỘ QUAN SÁT TRƯỢT VÀ CÁC BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI KHÁC .........................................................................................- 5 CHƯƠNG 2............................................................................................................ - 8 ðIỀU KHIỂN CHẾ ðỘ TRƯỢT............................................................................ - 8 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN.................................................................................- 9 2.2 CHIẾN LƯỢC ðIỀU KHIỂN.......................................................................- 11 2.3 CƠ SỞ CHẾ ðỘ TRƯỢT.............................................................................- 14 2.3.1 Sự tồn tại của chế ñộ trượt ................................................................... - 14 2.3.2 Tính ñạt ñược ñường ống trượt trong thời gian xác ñịnh ...................... - 14 2.3.3 Kết quả của ñiều khiển chế ñộ trượt ..................................................... - 15 2.3.4 Vùng hấp dẫn ....................................................................................... - 16 2.3.5 Chuyển ñộng trượt ............................................................................... - 16 2.4 CÁC ðẶC TÍNH ðỘNG HỌC TRONG CHẾ ðỘ TRƯỢT ..........................- 18 2.4.1 Các hệ thống tuyến tính........................................................................ - 18 2.4.2 Các hệ thống phi tuyến......................................................................... - 22 2.4.3 Hiện tượng tiếng kêu lạch cạch (chattering)......................................... - 24 2.5 THIẾT KẾ ðIỀU KHIỂN CHẾ ðỘ TRƯỢT ................................................- 26 2.5.1 ðiều kiện ñạt ñược ............................................................................... - 26 - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... iv 2.5.2 Các thuộc tính bền vững....................................................................... - 28 CHƯƠNG 3.......................................................................................................... - 32 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT ...................................................................... - 32 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG ...............................................................................- 32 3.2 ðẦU RA VÀ PHÉP NỘI XẠ VI PHÂN ðẦU VÀO...................................- 39 3.2.1 Bộ quan sát phi tuyến ........................................................................... - 39 3.2.2 Bộ quan sát trượt cho ñầu ra và dạng nội xạ phi tuyến vi phân ñầu ra . - 41 3.3 QUAN SÁT ðẦU VÀO MÔ HÌNH DẠNG TAM GIÁC ............................- 45 3.3.1 Thiết kế bộ quan sát chế ñộ trượt ñối với ñầu vào mô hình dạng tam giác ... 46 3.3.2 ðiều kiện xem xét bộ quan sát .............................................................. - 50 3.4 MÔ PHỎNG BỘ QUAN SÁT TRƯỢT ......................................................- 52 CHƯƠNG 4.......................................................................................................... - 54 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT CHO ðỘNG CƠ MỘT CHIỀU .................... - 54 4.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ðỘNG CƠ ðIỆN MỘT CHIỀU .............................- 54 4.2 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT...............................................................- 55 4.2.1 Bộ quan sát tốc ñộ................................................................................ - 55 4.2.2 Bộ quan sát dòng.................................................................................. - 56 4.2.3 Bộ quan sát mô men tải ........................................................................ - 57 4.3. MÔ PHỎNG BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT ........................................- 58 CHƯƠNG 5.......................................................................................................... - 64 THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT CHO ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA ............................................................................................................................. - 64 5.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................- 64 5.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA..............- 65 5.3 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT...............................................................- 69 5.3.1 Mô hình bộ quan sát............................................................................. - 69 5.3.2 Phân tích bộ quan sát........................................................................... - 70 5.4 MÔ PHỎNG BỘ QUAN SÁT TRƯỢT ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA...................................................................................................................- 74 - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... v 5.5 ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT VỚI BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI LUENBERGER.....................................................- 78 5.5.1 Bộ quan sát Luenberger cho ñộng cơ không ñồng bộ ba pha................ - 78 5.5.2 Kết quả mô phỏng giữa hai phương pháp............................................. - 80 5.5.3 Kết luận................................................................................................ - 84 5.6 THIẾT KẾ BỘ ðIỀU KHIỂN CHẾ ðỘ TRƯỢT ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA DỰA TRÊN BỘ QUAN SÁT TRƯỢT ...............- 84 5.6.1 Thiết kế bộ ñiều khiển........................................................................... - 84 5.6.2 ðáp ứng vòng kín ................................................................................. - 86 5.6.3 Kết quả mô phỏng ................................................................................ - 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... - 90 1. KẾT LUẬN....................................................................................................- 90 2. KIẾN NGHỊ ...................................................................................................- 91 PHỤ LỤC............................................................................................................. - 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. - 101 - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... vi CÁC TỪ VIẾT TẮT SMC Sliding Mode Control – ðiều khiển chế ñộ trượt VSC Variable Structure Control – ðiều khiển có cấu trúc thay ñổi PWM Pulse Width Modulation – ðiều biến ñộ rộng xung SISO Single Input Single Output – Hệ thống một ñầu vào, một ñầu ra FOC Field Oriented Control – ðiều khiển hướng từ trường LTI Linear Time Invariant – Hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... vii BẢNG QUY ƯỚC KÝ HIỆU X, X1, X2 Vector trạng thái U Vector tín hiệu ñầu vào Xe Vector trạng thái tương ñương u Tín hiệu vào x, xi Biến trạng thái Y Vector tín hiệu ra s Bề mặt trượt f, h, g Các trường vector ue Tín hiệu ñiều khiển tương ñương Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang Bảng 4.1 Các thông số ñộng cơ một chiều 55 Bảng 5.1 Các thông số của ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 68 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Vai trò của bộ quan sát Hình 2.1 Pha mô tả và miền chế ñộ trượt 19 Hình 2.2 Chuyển ñộng chế ñộ trượt với hai hàm 22 Hình 2.3 Hiện tượng chattering 24 Hình 2.4 Hàm bão hoà sat(s) 25 2 a) Chuyển ñộng chuẩn ε = 0; Hình 2.5 26 b) Chuyển ñộng thực Hình 2.6 Biểu diễn các biến trạng thái theo thời gian 29 Hình 3.1 Giá trị thực (nét liền) và giá trị quan sát (nét ñứt) của biến x1 53 Hình 3.2 Giá trị thực (nét liền) và giá trị quan sát (nét ñứt) của biến x2 56 Hình 4.1 Dạng sóng dòng iˆa (nét ñứt) và ia (nét liền) 59 Hình 4.2 Hình 4.2. Dạng sóng dòng iˆa (nét ñứt) và ia (nét liền) 60 Hình 4.3 Dạng sóng ω (nét ñứt) và ω̂ (nét liền) 61 Hình 4.4 Dạng sóng ω (nét ñứt) và ω̂ (nét liền) 61 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... x Hình 4.5 Dạng sóng dòng ia (nét liền) và iˆa (nét ñứt) 62 Hình 4.6 Dạng sóng tốc ñộ ω (nét liền) và ω̂ (nét ñứt) 62 Hình 5.1 Các cuộn dây trong ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 66 Hình 5.2 Bố trí các cuộn dây trong ñộng cơ không ñồng bộ 67 Hình 5.3 Dạng sóng λα (nét ñứt) và λ̂α (nét liền) 75 Hình 5.4 Dạng sóng λβ (nét ñứt) và λ̂β (nét liền) 75 Hình 5.5 Dạng sóng iα (nét ñứt) và iˆα (nét liền) 76 Hình 5.6 Dạng sóng iα (nét ñứt) và iˆα (nét liền) 76 Hình 5.7 Dạng sóng iβ (nét ñứt) và iˆβ (nét liền) 77 Hình 5.8 Dạng sóng iβ (nét ñứt) và iˆβ (nét liền) 77 Hình 5.9 Dạng sóng λα (nét ñứt) và λ̂α (nét liền) – Luenberger 80 Hình 5.10 Dạng sóng λα (nét ñứt) và λ̂α (nét liền) – quan sát trượt 81 Hình 5.11 Dạng sóng λβ (nét ñứt) và λ̂β (nét liền) – Luenberger 81 Hình 5.12 Dạng sóng λβ (nét ñứt) và λ̂β (nét liền) – quan sát trượt 82 Hình 5.13 Dạng sóng iα (nét ñứt) và iˆα (nét liền) – Luenberger 82 Hình 5.14 Dạng sóng iα (nét ñứt) và iˆα (nét liền) – quan sát trượt 83 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... xi Hình 5.15 Dạng sóng iβ (nét ñứt) và iˆβ (nét liền) – Luenberger 83 Hình 5.16 Dạng sóng iβ (nét ñứt) và iˆβ (nét liền) – quan sát trượt 84 Hình 5.17 Hình 5.18 Sự sai lệch dòng ñiện theo trục q giữa giá trị thực và giá trị quan sát ñược bởi bộ quan sát trượt Sự sai lệch từ thông rotor theo trục d giữa giá trị thực và giá trị quan sát ñược bởi bộ quan sát trượt 88 89 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật................. ....... xii CHƯƠNG 1: MỞ ðẦU Trong các hệ thống ñiều khiển, ñặc biệt các hệ thống ñiều khiển kín, ñể ñiều khiển ñối tượng chính xác, ổn ñịnh và tối ưu theo yêu cầu công nghệ ñòi hỏi hệ thống phải ño ñược các tín hiệu ñầu ra của ñối tượng. Trên thực tế, các tín hiệu ñầu ra của ñối tượng ñều ñược ño bởi các cảm biến, nhưng các cảm biến thực có những nhược ñiểm có thể gây ảnh hưởng xấu ñến hệ thống ñiều khiển [2]. Có ít nhất bốn vấn ñề thường thấy xuất hiện liên quan ñến các cảm biến. Thứ nhất, các cảm biến thường ñắt. Giá cảm biến có thể nâng giá thành của cả hệ thống ñiều khiển lên tương ñối lớn. Trong nhiều trường hợp, các cảm biến và phụ kiện ñi theo ñược coi là những thành phần ñắt nhất của hệ thống. Thứ hai, các cảm biến và dây tín hiệu có thể làm giảm sự ổn ñịnh của các hệ thống. Thứ ba, một số tín hiệu trên thực tế rất khó ñể ño. Các tín hiệu không thể tiếp cận ñược do một vài lý do như môi trường khắc nghiệt và chuyển ñộng tương ñối giữa bộ ñiều khiển và cảm biến, ví dụ, ño nhiệt ñộ trong rotor ñộng cơ ñiện. Thứ tư, các cảm biến gây ra các sai số như nhiễu ngẫu nhiên, sai số chu kỳ và một số hạn chế. 1.1 BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI Các bộ quan sát có thể ñược sử dụng ñể thay thế các cảm biến trong hệ thống ñiều khiển. Các bộ quan sát là các thuật toán kết hợp giữa các tín hiệu ño ñược và các kiến thức khác của hệ thống ñiều khiển ñể tạo ra các tín hiệu ñược quan sát. Các tín hiệu ñược quan sát này có thể chính xác hơn, ít tốn kém hơn và chắc chắn hơn các tín hiệu ñược ño. Do ñó, các bộ quan sát cho phép các kỹ sư thiết kế thay thế các cảm biến thực [2]. Các bộ quan sát làm việc dựa trên sự kết hợp kiến thức về ñối tượng, ñầu ra biến ñổi công suất, và các thiết bị phản hồi ñể lấy các tín hiệu phản hồi. Một ví dụ trong cuộc sống hàng ngày khi người lái xe có kinh nghiệm mang xe ô tô ñến bãi ñỗ. Người Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 1 - lái xe kết hợp giữa kiến thức về phanh xe với kiến thức về ñáp ứng ñộng học của xe trong quá trình phanh mà anh ta ñã có từ trước. Người lái xe có kinh nghiệm sẽ biết ñược phản ứng của xe như thế nào ñối với lực phanh và sử dụng kiến thức ñó ñể mang xe ô tô tới bãi ñỗ nhanh nhất và có thể ñiều khiển dễ dàng nhất [2,21]. Nguyên tắc của bộ quan sát là sự kết hợp của các tín hiệu phản hồi ño ñược với kiến thức về các thành phần của hệ thống ñiều khiển (chủ yếu ñối tượng và hệ thống phản hồi), ñáp ứng của ñối tượng có thể ñược biết với ñộ chính xác lớn hơn việc sử dụng tín hiệu phản hồi. Như ñược chỉ ra trong Hình 1.1, bộ quan sát củng cố thêm ñầu ra cảm biến và cung cấp tín hiệu phản hồi tới các luật ñiều khiển. Nhiễu Tín hiệu ñặt + - ðáp ứng + Luật ñiều khiển Biến ñổi năng lượng + ðối tượng Phản hồi ño Ngắt tín hiệu phản hồi theo phương pháp truyền thống Phản hồi quan sát Cảm biến Bộ quan sát trạng thái Sự hiểu biết về ñối tượng/cảm biến Phản hồi ño Hình 1.1. Vai trò của bộ quan sát Trong một số trường hợp, bộ quan sát có thể ñược sử dụng ñể nâng cao chế ñộ thực thi của hệ thống. Nó có thể chính xác hơn các cảm biến và có thể giảm ñộ trễ pha trong các cảm biến [2]. Các bộ quan sát cũng có thể cung cấp các tín hiệu nhiễu, các tín hiệu này có thể ñược sử dụng ñể cải tiến ñáp ứng nhiễu. Trong các trường hợp khác, các bộ quan sát có thể giảm giá thành hệ thống bằng cách củng cố chế ñộ thực thi của các cảm biến giá trị thấp. Do ñó, sự kết hợp này có thể cung cấp chế ñộ thực thi tương ñương ñối với cảm biến có giá trị cao. Trong trường hợp có thể, các bộ quan sát Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 2 - có thể loại bỏ hoàn toàn các cảm biến, giảm giá cảm biến và các phụ kiện ñi kèm. Ví dụ, một trong các phương pháp là phản hồi gia tốc, việc gia tốc ñược quan sát sử dụng cảm biến vị trí và do ñó loại bỏ sự cần thiết ñối với cảm biến gia tốc riêng biệt. Các bộ quan sát có thể bền vững hơn các cảm biến thực tế, ñặc biệt khi các tham số hệ thống thay ñổi nhanh trong suốt quá trình vận hành. Bộ quan sát có thể mang lại các lợi ích khi hệ thống vận hành và vì vậy, trong nhiều trường hợp, nó làm giảm giá thành và tăng ñộ ổn ñịnh [2]. Các kỹ thuật ñược sử dụng ñối với việc quan sát các hệ thống có các ñầu vào chưa biết có thể ứng dụng trong nhiều vấn ñề như phát hiện lỗi và loại bỏ nhiễu. Chúng ta phân biệt hai phương pháp: Một phương pháp bao gồm việc quan sát các ñầu vào chưa biết hay ít nhất xác ñịnh các ngưỡng. Phương pháp còn lại bao gồm việc quan sát các trạng thái của hệ thống ngay cả khi không có các ñầu vào bất chấp các nhiễu bên ngoài như thế nào [7]. Vấn ñề thiết kế các bộ quan sát cho các hệ thống ña biến ñược ñiều khiển bởi các ñầu vào chưa biết ñã ñược nghiên cứu rộng rãi. Các bộ quan sát như vậy rất quan trọng ñối với các hệ thống có nhiễu ngoài hay các ñầu vào không thể truy cập, và trong nhiều ứng dụng như phát hiện lỗi và nhận dạng tham số các bộ quan sát bền vững phải ñược thiết kế. ðối với các hệ thống tuyến tính, ñiều này có thể ñược thực hiện bằng cách sử dụng các bộ quan sát kiểu Luenberger [8]. Theo [9], thiết kế ngẫu nhiên các bộ quan sát dựa trên mô hình ñối tượng ñược mô tả bởi một số lượng lớn các loại kỹ thuật lọc Kalman khác nhau. Trên thực tế thiết kế số của lọc Kalman là tuyệt ñối toàn diện, các thuật toán lọc Kalman có thể dễ dàng thích hợp với các nguồn tín hiệu ñầu vào tại các tốc ñộ khác nhau, có thể sử dụng thoả mãn thêm không chỉ từ quan hệ thời gian với một nguồn tín hiệu, mà còn từ sự sai lệch của nhiều phép ño của cùng tín hiệu. Thông thường các bộ ñiều khiển phản hồi trạng thái và bộ quan sát trạng thái ñược xây dựng dựa trên mô hình toán học của hệ thống với một số các chế ñộ dao ñộng nhất ñịnh, nhưng ñiều này có thể gây ra tràn ñiều khiển và quan sát, do ñó các chế ñộ hệ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 3 - thống không thể ñiều khiển ñược. ðể loại bỏ tràn quan sát sử dụng bộ quan sát chế ñộ trượt. Việc thực thi bộ quan sát chế ñộ trượt ñược so sánh với sự thực thi của bộ lọc Kalman truyền thống ñể minh chứng tính bền vững và loại bỏ các tính chất nhiễu [10]. 1.2 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT Khái niệm chế ñộ trượt xuất hiện ở Liên Xô cuối thập kỷ 60 của thế kỷ 20, khi mà các ảnh hưởng của việc giới thiệu hành ñộng ñiều khiển không liên tục vào các hệ thống ñộng học ñược nghiên cứu [11]. Từ năm 1977, sự quan tâm ñặc biệt lên các hệ thống có cấu trúc thay ñổi và ñiều khiển chế ñộ trượt ñã xuất hiện trong cộng ñồng nghiên cứu ñiều khiển trên toàn thế giới. Một trong những phạm trù hấp dẫn nhất của chế ñộ trượt là ñặc tính không liên tục của hành ñộng ñiều khiển của mỗi kênh phản hồi, ñóng mở giữa hai cấu trúc hệ thống riêng biệt ñể một chuyển ñộng hệ thống mới, ñược gọi là chế ñộ trượt, tồn tại trên một ñường ống trượt [13]. Mục ñích của luật ñiều khiển ñóng mở lái quỹ ñạo trạng thái của ñối tượng phi tuyến vào bề mặt ñược chỉ ra trước (do người sử dụng chọn) trong không gian trang thái và duy trì nó trên bề mặt này trong toàn bộ thời gian tiếp theo. Chuyển ñộng trượt ñược cho là nhạy cảm ñối với bất kỳ tín hiệu nhiễu ngoài hay sự bất ổn ñịnh tiềm ẩn trong các kênh ñầu vào. Do ñó, dựa trên lý thuyết ñiều khiển, tính quan sát ñược và tính ñiều khiển ñược, bộ quan sát không liên tục sử dụng thuộc tính bền vững cố hữu này ñể quan sát trạng thái của hệ thống. Walcott và Zak sử dụng phương pháp dựa trên Lyapunov ñể xây dựng bộ quan sát, dưới các giả thiết phù hợp, bộ quan sát ñã cho thấy sai số trạng thái tiệm cận giảm khi mà các phi tuyến và sự mất ổn ñịnh xuất hiện trong các kênh ñầu vào [11]. Dưới các ñiều kiện hình học phù hợp và bằng cách chuyển hệ thống phi tuyến vào hai hệ thống con không ổn ñịnh khác nhau, Jiang ñã thiết kế bộ quan sát chế ñộ trượt cho phép ñánh giá các lỗi. Bộ quan sát ñược thiết kế duy trì chuyển ñộng trượt thậm chí trong sự xuất hiện của các lỗi ñược phát hiện bằng cách phân tích nội xạ ñầu ra tương ñương [11]. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 4 - Theo [12] bộ quan sát chế ñộ trượt bao gồm bộ ñánh giá tuyến tính (bộ quan sát Luenberger) bổ sung với một vài thuật ngữ phi tuyến ñể bù cho phi tuyến hệ thống, do ñó nó phù hợp ñối với quan sát các hệ thống với các phi tuyến ñược bổ sung. Các kết quả mô phỏng ñã chỉ ra rằng sự cải tiến của tái cấu trúc trạng thái và do ñó ñiều khiển ñã giảm ñược bởi bộ quan sát trượt. Tuy nhiên, khó khăn chủ yếu ñối với cải tiến chủ yếu là phép ño của ñộ dịch chuyển của hai mức ñộ tự do: Bộ quan sát trượt cần ñộ dịch chuyển của tất cả các mức ñộ tự do ñể tạo ra sự ñánh giá của nó. Kết quả tốt nhất ñạt ñược khi áp dụng bộ quan sát trượt với bộ lọc Kalman như là phần tuyến tính của nó. Nền tảng của ñánh giá trạng thái bởi bộ quan sát trượt ñược thực hiện bởi bộ quan sát Luenberger truyền thống. Sự mở rộng phi tuyến ñược thiết kế ñể phản ứng nhanh với các sai lệch của ñánh giá tuyến tính từ hệ thống phi tuyến hay bù ñối với nhiễu và các nhiễu ngoài [12]. 1.3 PHÂN BIỆT GIỮA BỘ QUAN SÁT TRƯỢT VÀ CÁC BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI KHÁC Các bộ quan sát bền vững ñối với các hệ thống phi tuyến có các ñầu vào chưa xác ñịnh và hệ số khuếch ñại cao hay các bộ quan sát chế ñộ trượt thường ñược xem xét dưới các giả thiết rằng hệ thống có thể ñược coi là dạng chuẩn có thể quan sát ñược. Trong trường hợp các bộ quan sát chế ñộ trượt, việc ñánh giá các trạng thái hệ thống và các ñầu vào chưa biết có thể ñạt ñược trong thời gian xác ñịnh. Thuộc tính hội tụ trong thời gian xác ñịnh của các bộ quan sát chế ñộ trượt có thể là các ưu ñiểm trong các vấn ñề như thiết kế bộ ñiều khiển dựa trên bộ quan sát ñối với các hệ thống phi tuyến hay trong các ứng dụng ñòi hỏi các ñánh giá nhanh của các ñầu vào chưa biết giống như phát hiện lỗi và nhận dạng tham số trực tuyến. Các bộ quan sát cấu trúc thay ñổi trong thời gian xác ñịnh cũng có thể ñược quan tâm ñể giải quyết các vấn ñề quan sát của một số lớp các hệ thống lai [8]. Theo [6] sự ñơn giản trong tính toán và các thuộc tính bền vững của các bộ ñiều khiển chế ñộ trượt thúc ñẩy việc nghiên cứu các bộ quan sát chế ñộ. Misawa lần ñầu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 5 - tiên nghiên cứu thiết kế bộ quan sát sử dụng lý thuyết chế ñộ trượt ñối với các hệ thống phi tuyến. Trong một thời gian, bộ lọc Kalman mở rộng ñược coi là giải pháp duy nhất cho vấn ñề quan sát trạng thái. Tuy nhiên, bộ quan sát này có một vài nhược ñiểm cố hữu, như sự ảnh hưởng của nhiễu, hạn chế trong tính toán và chưa có các chuẩn thiết kế và hiệu chỉnh. Vì lý do này, các nhà khoa học ñã quan tâm tới các phương pháp lý thuyết truyền thống, sử dụng cấu trúc của bộ quan sát Luenberger chuẩn ñối với hệ tuyến tính ñể cải thiện các bộ quan sát. Theo [4], trong các bộ quan sát thích nghi, các tham số chưa biết khác ñược nhận dạng bởi các phương trình dựa trên lý thuyết ñiều khiển thích nghi. ðiều này cho phép ñiều tìm ra các ñiều kiện ñối với sự ổn ñịnh. Giữa các ñề xuất này, bộ quan sát chế ñộ trượt mô tả một sự lựa chọn hấp dẫn ñối với tính bền vững trước các nhiễu ngoài, sự sai lệch tham số và nhiễu hệ thống. Các bộ quan sát ñược phát triển bởi Utkin và Drakunov sử dụng kỹ thuật chế ñộ trượt có xem xét tới các vấn ñề ño nhiễu. Slotine ñã sử dụng thành công phương pháp chế ñộ trượt ñể thiết kế cấu trúc các bộ quan sát, khá bền vững ñối với các nhiễu ở ñầu vào của hệ thống [5]. Các bộ quan sát chế ñộ trượt ñược sử dụng rộng rãi do sự hội tụ thời gian xác ñịnh, tính bền vững ñối với tính không ổn ñịnh và có thể quan sát ñược tính không ổn ñịnh ñó. Một thế hệ mới của các bộ quan sát dựa trên các thuật toán chế ñộ trượt bậc hai ñã ñược phát triển gần ñây. Ví dụ, các bộ quan sát tiệm cậm ñược thiết kế dựa trên chế ñộ trượt bậc hai. Những bộ quan sát này ñòi hỏi việc chứng minh ñịnh lý nguyên tắc phân chia do sự hội tụ tiệm cận của các giá trị ñược ñánh giá ñối với giá trị thực [14]. Trong hầu hết các phương pháp, các bộ quan sát chế ñộ trượt có thể ñược thiết kế dưới giả thiết rằng hệ thống có thể ñược biến ñổi vào dạng có thể quan sát chuẩn. Sau ñó, trạng thái và ñầu vào không xác ñịnh của hệ thống có thể ñược khôi phục trong thời gian xác ñịnh [8]. Trong khi tốc ñộ xử lý trong lọc Kalman ñiều chỉnh có thể phù hợp với ñiều khiển phản hồi cung cấp khả năng bám theo hướng ñược tính toán từ dữ liệu ñiều chỉnh, bộ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 6 - quan sát chế ñộ trượt có tốc ñộ xử lý cao hơn nhiều tốc ñộ phản ứng ñiều khiển. Do ñó, vấn ñề trích mẫu là cần thiết trong việc xây dựng các bộ quan sát chế ñộ trượt. Khi mà phương pháp số của các bộ quan sát chế ñộ trượt trong cấu trúc quan sát – ñiều khiển chưa ñược nghiên cứu nhiều, vai trò ứng dụng của bộ quan sát này ñã bị hạ thấp trong một số trường hợp, ñặc biệt trong quá trình thực hiện vòng kín [9]. Theo [12], ñể ñánh giá các cải tiến trong quan sát trạng thái ñược thực hiện bởi bộ quan sát chế ñộ trượt, việc xây dựng bộ quan sát trượt ñược so sánh không chỉ với cấu trúc ñại số ñược xây dựng lại mà còn với bộ lọc Kalman. Ma trận khuếch ñại bộ lọc Kalman tối ưu ñược tính toán sử dụng các ma trận trọng lượng, biểu diễn các phép ño khác nhau và các phương trình hệ thống. Bằng cách hiệu chỉnh các giá trị của các ma trận trọng lượng bộ lọc Kalman tuyến tính có thể ñược áp dụng ñể ñánh giá các hệ thống phi tuyến. Bộ quan sát chế ñộ trượt ñược thiết kế ñể phản ứng lại các sai số ñánh giá theo mô hình ñược theo sau. Các sai số ban ñầu khá lớn ñược giảm dần tỷ lệ bởi phần Luenberger của bộ quan sát ñược bổ sung bởi các phần phi tuyến. Mục tiêu làm cho biến bậc không của mỗi bậc tự do dịch chuyển tới không, tương ñương ñạt tới ñường trượt, bằng cách sử dụng ñóng mở. Nếu ñạt tới ñường trượt, các biến trạng thái bậc cao hơn cũng sẽ bằng không. Chất lượng của bộ quan sát chế ñộ trượt vẫn ñảm bảo nếu sự mất ổn ñịnh ñộng học ñược bù [12]. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 7 - CHƯƠNG 2: ðIỀU KHIỂN CHẾ ðỘ TRƯỢT ðiều khiển chế ñộ trượt (Sliding Mode Control – SMC), là một dạng của ñiều khiển cấu trúc thay ñổi (Variable Structure Control – VSC). Nó cũng là phương pháp ñiều khiển phi tuyến làm thay ñổi ñộng học của hệ thống phi tuyến bằng cách áp dụng ñiều khiển ñóng mở tần số cao [21]. Luật ñiều khiển phản hồi trạng thái không phải là một hàm liên tục theo thời gian. Thay vào ñó, nó chuyển từ cấu trúc liên tục này tới cấu trúc liên tục khác dựa trên vị trí hiện tại trong không gian trạng thái. Do ñó, ñiều khiển chế ñộ trượt là phương pháp ñiều khiển cấu trúc thay ñổi. Nhiều cấu trúc ñiều khiển ñược thiết kế ñể các quỹ ñạo luôn hướng tới ñiều kiện ñóng mở, và vì vậy quỹ ñạo cuối cùng sẽ không tồn tại mãi mãi với một cấu trúc ñiều khiển. Thay vào ñó, quỹ ñạo cuối cùng sẽ trượt dọc theo các ñường biên của các cấu trúc ñiều khiển. Sự chuyển ñộng của hệ thống khi nó trượt dọc các ñường biên ñược gọi là chế ñộ trượt. Dễ dàng thấy rằng, ñiều khiển chế ñộ trượt sử dụng hệ số khuếch ñại lớn ñể ép các quỹ ñạo của hệ thống ñộng học trượt dọc theo không gian chế ñộ trượt giới hạn. Các quỹ ñạo từ chế ñộ trượt giảm bậc này có các thuộc tính mong muốn (tức là, hệ thống trượt dọc tự nhiên trên quỹ ñạo cho tới khi nó ñạt tới vị trí cân bằng mong muốn) [21]. ðiểm mạnh của ñiều khiển chế ñộ trượt là tính bền vững của nó. Bởi vì ñiều khiển ñơn giản như ñóng mở giữa hai trạng thái (on/off hay forward/reverse), nên nó không cần chính xác và cũng sẽ không nhạy cảm với sự thay ñổi của tham số theo vào kênh ñiều khiển. Ngoài ra, bởi vì luật ñiều khiển không phải là hàm liên tục, chế ñộ trượt có thể ñạt ñược trong thời gian xác ñịnh (tốt hơn ñáp ứng tiệm cận). Dưới những ñiều kiện chung nhất ñịnh, tối ưu hoá ñòi hỏi việc sử dụng ñiều khiển bang-bang; do ñó, ñiều khiển chế ñộ trượt mô tả bộ ñiều khiển tối ưu ñối với một tập lớn các hệ thống ñộng [21]. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.............. ....... - 8 -