MỞ ĐẦU

Vấn đề điều khiển ổn định các hệ động học phi tuyến có phương trình động

học chuyển được về dạng tuyến tính hóa phản hồi trạng thái (state feedback

linearizable) hoặc tuyến tính hóa phản hồi vào-ra (input-output feedback

linearizable) có chứa các thành phần không rõ nhằm bám theo tín hiệu mẫu cho

trước với sai số bị chặn là mục tiêu giải quyết của luận án. Đây là vấn đề phức

tạp do đặc tính phi tuyến của động học cũng như của các thành phần chưa biết

trong phương trình động học của đối tượng. Các công trình nghiên cứu hiện nay

chủ yếu tìm cách giải quyết các vấn đề về điều khiển ổn định và bền vững hệ

phi tuyến có các thành phần bất định dựa trên điều khiển thích nghi, tuy nhiên

các phương pháp còn khá phức tạp và chưa chỉ rõ khả năng và mô hình áp dụng

trên các hệ thống điều khiển công nghiệp.

Nhằm đóng góp, đưa ra một phương pháp tổng hợp có khả năng áp dụng trên

các hệ thống điều khiển tự động tiên tiến hoạt động trong các phân cấp mạng

công nghiệp, tác giả trình bày một phương pháp tổng hợp mới dựa trên ý tưởng

thay thế ước lượng (không cần gần đúng như các phương pháp hiện nay) các

hàm trạng thái chưa biết bằng các hàm số đã biết, từ đó tìm cách xấp xỉ sai lệch

chung do phép thay thế ước lượng gây nên và thiết kế thành phần bù liên tục

nhằm triệt tiêu tác động này. Đặc điểm của phương pháp là sử dụng bộ xấp xỉ

vạn năng mờ nơron (xấp xỉ sai lệch nêu trên) làm thành phần bù trong luật điều

khiển phản hồi. Để xây dựng được một cơ sở toán học chứng minh cho phương

pháp đề xuất, luận án lần lượt phát triển phương pháp cho các trường hợp bù

tĩnh (luật điều khiển phản hồi tĩnh) và trường hợp bù động (luật điều khiển thích

nghi). Ngoài ra luận án còn phân tích và giải quyết một số vấn đề khác liên quan

đến các điều kiện giới hạn của quỹ đạo trạng thái và đầu vào của hệ phi tuyến

cũng như mở rộng phương pháp trong trường hợp hệ khả tuyến tính hóa phản

hồi chặt (strict-feedback linearizable system).

Ngoài cơ sở lý thuyết được chứng minh, luận án cũng phân tích và chỉ ra khả

năng áp dụng phương pháp trên các hệ thống điều khiển công nghiệp (PLC,

IPC) thông qua thử nghiệm trên một mô hình phần mềm ứng dụng được xây

dựng cho hệ thống SIMATIC S7 của hãng Siemens.

- ii -

Bố cục của luận án

Luận án chia thành 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề

trong điều khiển các hệ phi tuyến và ứng dụng, từ đó đưa ra mục tiêu và nội

dung nghiên cứu của luận án giới hạn vào các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi có

chứa các thành phần không rõ trong bài toán bám theo tín hiệu mẫu bị chặn cho

trước.

Chương 2 trình bày chi tiết vấn đề cần giải quyết cũng như tổng quan các

nghiên cứu và các kết quả đã đạt được đến nay. Dựa trên phương pháp thiết kế

định nghĩa hệ sai số thỏa mãn giả thiết ban đầu, luận án xây dựng một số cơ sở

toán học (các định lý và bổ đề) để hình thành phương pháp mới theo hướng đơn

giản và có khả năng ứng dụng – được gọi là phương pháp thay thế ước lượng

hàm trạng thái – làm tiền đề phát triển các bộ điều khiển ổn định tĩnh và động

trong các chương tiếp theo.

Trong Chương 3, tác giả giới thiệu một số cơ sở toán học nhằm đưa ra luật

điều khiển tĩnh dùng bộ xấp xỉ vạn năng mờ nơron làm thành phần bù liên tục

để nghiệm của hệ sai số vòng kín bị chặn tới hạn đều (uniformly ultimately

bounded) cũng như trình bày phương pháp tính toán, xác định tham số điều

khiển và các điều kiện cần trong phương pháp để quỹ đạo trạng thái và tín hiệu

điều khiển bị chặn theo thiết kế. Ngoài ra Chương 3 còn tiếp tục mở rộng

phương pháp cho thiết kế bộ điều khiển ổn định tĩnh các hệ chuyển động hỗn

loạn (chaotic systems) có phương trình động học ở dạng tuyến tính hóa phản hồi

chặt.

Chương 4 tập trung vào giải quyết vấn đề bù động dựa trên luật điều khiển

tĩnh và sử dụng bộ xấp xỉ mờ nơron để xây dựng được bộ điều khiển thích nghi

ổn định cũng như trình bày mô hình phần mềm ứng dụng. Nhằm chứng minh

tính khả thi của phương pháp trong phát triển bộ điều khiển với thành phần bù

động, luận án sử dụng điều khiển thích nghi trực tiếp áp dụng phương pháp

chỉnh định để chỉnh định tham số của bộ xấp xỉ mờ nơron trong các trường

hợp bộ xấp xỉ tuyến tính và phi tuyến đối với tham số. Tác giả cũng đưa ra mô

hình phần mềm ứng dụng cho phép áp dụng các kiểu điều khiển tĩnh và động

trên các hệ thống điều khiển công nghiệp và phân tích khả năng ứng dụng trên

hệ thống tự động hóa SIMATIC S7 của hãng Siemens.

Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án, tiếp theo sau là Phụ lục bao

gồm một số chứng minh và thiết kế.

- iii -

MỤC LỤC

CHưƠNG 1: TỔNG QUAN . 1

1.1. Đặt vấn đề . 1

1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 9

CHưƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÁC HỆ THỐNG KHẢ TUYẾN

TÍNH HÓA PHẢN HỒI BẰNG PHưƠNG PHÁP THAY

THẾ ưỚC LưỢNG HÀM TRẠNG THÁI . . 11

2.1. Giới thiệu chung . 11

2.1.1. Đặt vấn đề . 11

2.1.2. Biểu diễn các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi 12

2.1.3. Vấn đề trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa

phản hồi trạng thái . 15

2.2. Điều khiển ổn định các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi

trạng thái bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái . 21

2.2.1. Cơ sở toán học của phương pháp . 21

2.2.2. Tính bền vững của hệ vòng kín trong phương pháp . 31

2.3. Điều khiển ổn định các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi vào-

ra bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái 44

2.3.1. Bài toán điều khiển và cơ sở toán học 44

2.3.2. Điều khiển ổn định bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm

trạng thái . 47

2.3.3. Tính bền vững của hệ vòng kín đối với thành phần không rõ

trong phương trình động học 51

2.4. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển tĩnh ổn định . 55

2.5. Kết luận . 56

CHưƠNG 3: PHưƠNG PHÁP THAY THẾ ưỚC LưỢNG HÀM

TRẠNG THÁI DÙNG BỘ XẤP XỈ MỜ NƠRON 58

3.1. Đặt vấn đề và cơ sở lý thuyết xây dựng phương pháp . 58

3.1.1. Giới thiệu chung 58

3.1.2. Bộ xấp xỉ vạn năng 59

3.1.3. Cơ sở toán học xây dựng các bộ xấp xỉ dùng hệ mờ và mạng

nơron . 60

3.2. Thay thế ước lượng hàm trạng thái . 69

3.2.1. Cơ sở toán học của phương pháp . 69

3.2.2. Xác định tham số bộ điều khiển 74

3.2.3. Mô phỏng điều khiển tay rôbốt . 79

3.3. Thay thế ước lượng hàm trạng thái mở rộng trong điều khiển ổn

định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi chặt . 84

- iv -

3.3.1. Phương pháp cuốn chiếu 84

3.3.2. Phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái khi hệ chứa

các thành phần không rõ 85

3.4. Tổng hợp và kết luận . 93

CHưƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRỰC TIẾP DÙNG HỆ MỜ

NƠRON TRONG PHưƠNG PHÁP THAY THẾ ưỚC

LưỢNG HÀM TRẠNG THÁI . 96

4.1. Giới thiệu chung . 96

4.1.1. Sự cần thiết phát triển bộ điều khiển thích nghi . 96

4.1.2. Vấn đề và cơ sở toán học xây dựng bộ điều khiển thích nghi

trực tiếp . 98

4.2. Điều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp các hệ thống khả tuyến

tính hóa phản hồi . 101

4.2.1. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái . 101

4.2.2. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi vào-ra 108

4.3. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ổn định . 110

4.4. Mô hình điều khiển thích nghi trên hệ thống điều khiển công

nghiệp 111

4.4.1. Giới thiệu chung 111

4.4.2. Mô hình phần mềm ứng dụng và khả năng áp dụng trên hệ

thống điều khiển công nghiệp . 113

4.5. Kết luận . 121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 122

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ . 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 125

PHỤ LỤC

134

5.1. Một số thuật ngữ tiếng Anh 134

5.2. Bổ đề 1 trang 23 136

5.3. Bổ đề 3 trang 40 và kết quả (2-64) . 139

5.4. Tuyến tính hóa phương trình động lực học (3-23) . 143

5.5. Chương trình mô phỏng ví dụ điều khiển tay rôbốt trang 79 . 145

5.6. Bổ đề 6 trang 100 152

5.7. Một số môđun phần mềm trong mô hình phần mềm ứng dụng 15