Luận án Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển thích nghi định hướng dữ liệu cho lớp đối tượng không sử dụng mô hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỊNH HƯỚNG DỮ LIỆU CHO LỚP ĐỐI TƯỢNG KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỊNH HƯỚNG DỮ LIỆU CHO LỚP ĐỐI TƯỢNG KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Vũ Quốc Huy 2. PGS. TS Nguyễn Quang Hùng HÀ NỘI - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa được công bố trong bất kì công trình nào trước đây. Các tài liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ, theo đúng qui định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Đức ii LỜI CẢM ƠN Quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận án, nghiên cứu sinh đã luôn nhận được sự quan tâm, tạo điều kiện về mọi mặt của thủ trưởng đơn vị, cơ quan quản lý đào tạo và gia đình; sự nhiệt tình tâm huyết của tập thể giáo viên hướng dẫn; các ý kiến đóng góp quí báu của các nhà khoa học, các đồng nghiệp trong và ngoài đơn vị. Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể giáo viên hướng dẫn, TS Vũ Quốc Huy và PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy giúp tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự, thủ trưởng Viện tự động hóa kỹ thuật quân sự, thủ trưởng và cán bộ, nhân viên phòng Đào tạo đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại học BKHN, Đại học GTVT, Học viện KTQS; các nhà khoa học và đồng nghiệp tại Viện khoa học và công nghệ quân sự đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn, là nguồn cổ vũ lớn lao, là động lực và hậu phương vững chắc để tôi quyết tâm hoàn thành luận án này./. Hà Nội, ngày . tháng 8 năm 2024 Tác giả luận án iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH ĐỊNH HƯỚNG DỮ LIỆU ....................................................................................... 8 1.1. Điều khiển tựa mô hình..................................................................................... 8 1.1.1. Sự phát triển của điều khiển tựa mô hình ........................................................ 8 1.1.2. Một số vấn đề mô hình hóa và nhận dạng trong điều khiển tựa mô hình ......... 9 1.1.3. Vấn đề tồn tại trong thiết kế bộ điều khiển tựa mô hình ................................ 11 1.2. Điều khiển định hướng dữ liệu và các vấn đề liên quan .................................. 13 1.2.1. Sự ra đời phương pháp điều khiển định hướng dữ liệu ................................. 13 1.2.2. Định nghĩa về DDC ...................................................................................... 14 1.2.3. Đối tượng điều khiển của phương pháp DDC ............................................... 16 1.2.4. Vị trí của DDC trong lý thuyết điều khiển .................................................... 18 1.3. Phân biệt giữa các phương pháp tiếp cận MBC và DDC ................................. 19 1.3.1. Ưu điểm của DDC........................................................................................ 19 1.3.2. Một số vấn đề cần giải quyết đối với phương pháp DDC.............................. 20 1.4. Điều khiển thích nghi không sử dụng mô hình ................................................ 21 1.4.1. Sự ra đời của điều khiển thích nghi không sử dụng mô hình ......................... 21 1.4.2. Phân loại điều khiển không sử dụng mô hình ............................................... 25 1.4.3. Các bước thiết kế thuật toán MFAC ............................................................. 26 1.5. Điều khiển chế độ trượt không sử dụng mô hình (MFSMC) ........................... 28 1.6. Đặt bài toán .................................................................................................... 29 1.7. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 31 Chương 2. ĐIỀU KHIỂN KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH DỰA TRÊN THUẬT TOÁN PID VỚI CHẾ ĐỘ TRƯỢT VÀ LUẬT THÍCH NGHI THAM SỐ CHO HỆ LIÊN TỤC ...................................................................................................... 33 2.1. Hệ thống điều khiển thích nghi tham số .......................................................... 33 iv 2.1.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển thích nghi ................................................ 33 2.1.2. Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi ...................................................... 34 2.1.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi tham số ................................. 36 2.2. Điều khiển không sử dụng mô hình dựa trên thuật toán PID ........................... 37 2.2.1. Thuật toán PID tổng quát ............................................................................. 37 2.2.2. Thuật toán PID cải tiến hạng tử vi phân với đạo hàm đầu ra ......................... 39 2.2.3. Thuật toán PID cải tiến với lượng điều khiển dự trữ ..................................... 40 2.3. Điều khiển phi mô hình PID thích nghi cho hệ động học bậc nhất .................. 41 2.3.1. Mô tả toán học của mô hình cục bộ .............................................................. 41 2.3.2. Luật điều khiển phi mô hình dạng PID thích nghi tham số MFC-iPID .......... 42 2.3.3. Tính ổn định tiệm cận của hệ thống với luật điều khiển MFC-iPID .............. 45 2.3.4. Sơ đồ cấu trúc thuật toán điều khiển MFC-iPID ........................................... 47 2.4. Điều khiển chế độ trượt thích nghi tham số MFC-iPID-SMC.......................... 47 2.4.1. Hiệu chỉnh toán học luật điều khiển MFC-iPID ............................................ 47 2.4.2. Tổng hợp thành phần điều khiển tương đương ............................................. 49 2.4.3. Bổ đề về tính bị chặn của một dạng hàm Lyapunov và mặt trượt .................. 49 2.4.4. Tổng hợp thành phần điều khiển bền vững ................................................... 51 2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 54 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH CHO HỆ RỜI RẠC SISO DỰA TRÊN TUYẾN TÍNH HÓA ĐỘNG RÚT GỌN .......... 56 3.1. Tuyến tính hóa động cho hệ phi tuyến thời gian rời rạc ................................... 56 3.1.1. Phương pháp tuyến tính hóa động không sử dụng mô hình cho hệ phi tuyến SISO rời rạc ................................................................................................. 58 3.1.2. Thiết kế mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn .......................... 60 3.2. Điều khiển thích nghi phi mô hình MFAC ...................................................... 63 3.2.1. Cấu trúc tổng quát của điều khiển thích nghi phi mô hình MFAC ................ 63 3.2.2. Điều khiển thích nghi dựa trên mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn ................................................................................................................... 64 3.2.3. Tính ổn định của bộ điều khiển thích nghi dựa trên mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn.................................................................................... 69 3.2.4. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi dựa trên mô hình dữ liệu tuyến tính hóa động dạng rút gọn..................................................................................... 71 v 3.3. Điều khiển MFAC-CFDL hiệu chỉnh bằng vi phân mở rộng ........................... 74 3.4. Thiết kế điều khiển trượt thích nghi phi mô hình MFAC-CFDL-SMC ............ 76 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 78 Chương 4. MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT .......... 80 4.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển servo động cơ đồng bộ ................................ 80 4.1.1. Mô hình rõ của hệ servo động cơ đồng bộ .................................................... 80 4.1.2. Đặc điểm phù hợp cho việc áp dụng kỹ thuật điều khiển phi mô hình .......... 85 4.2. Tham số đối tượng mô phỏng và chỉ tiêu chất lượng ....................................... 86 4.2.1. Đối tượng mô phỏng .................................................................................... 86 4.2.2. Một số tiêu chuẩn chất lượng ....................................................................... 87 4.2.3. Các luật điều khiển thực hiện mô phỏng ....................................................... 88 4.3. Mô phỏng với bộ điều khiển PID .................................................................... 88 4.4. Mô phỏng với bộ điều khiển MFC-iPID ......................................................... 89 4.4.1. Tham số mô phỏng ....................................................................................... 89 4.4.2. Kết quả mô phỏng với đầu vào 1(t) .............................................................. 90 4.4.3. Kết quả mô phỏng với đầu vào sin(t) ............................................................ 91 4.5. Mô phỏng với luật điều khiển MFC-iPI-SMC ................................................. 93 4.5.1. Tham số đối tượng và luật điều khiển ........................................................... 93 4.5.2. Kết quả mô phỏng với đầu vào dạng 1(t) ...................................................... 93 4.5.3. Kết quả mô phỏng với đầu vào dạng sin(t) ................................................... 95 4.6. Mô phỏng với luật điều khiển MFAC-CFDL .................................................. 96 4.6.1. Tham số đối tượng và bộ điều khiển ............................................................. 96 4.6.2. Mô phỏng với tín hiệu 1(t) ........................................................................... 97 4.6.3. Mô phỏng với tín hiệu sin(t) ......................................................................... 98 4.7. Mô phỏng với luật điều khiển MFAC-CFDL-SMC ......................................... 99 4.7.1. Tham số đối tượng và bộ điều khiển ............................................................. 99 4.7.2. Mô phỏng với tín hiệu 1(t) ......................................................................... 100 4.7.3. Mô phỏng với tín hiệu sin(t) ....................................................................... 101 4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 102 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 105 vi TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 106 PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFC-iPI .................................. I PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFC-iPI-SMC ........................ V PHỤ LỤC C: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFAC-CFDL ........................ IX PHỤ LỤC D: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MFAC-CFDL-SMC ............ XIII vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 𝑦(𝜗) Véc tơ đầu ra của quá trình, 𝜗 là bậc vi phân của 𝑦. 𝑦∗ Véc tơ đầu ra mong muốn. 𝑢 Véc tơ tín hiệu điều khiển. 𝐹 Véc tơ không thứ nguyên, đóng vai trò nhiễu được cập nhật vào quá trình. �̂�, �̃� Ước lượng và sai số ước lượng của 𝐹. 𝐴, �̂� Ma trận hằng số. 𝑒 Sai số bám. 𝑣 Đại lượng tương đương với điều khiển PID. 𝑢∗ Tín hiệu điều khiển tổng hợp được. 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑 Các tham số của bộ điều khiển PID. 𝑉(𝑡) Hàm Lyapunov. sgn(∗), sat(∗) Hàm dấu, hàm bão hòa. 𝑢𝑘 , 𝑦𝑘 Đầu vào, đầu ra của hệ thống tại thời điểm thứ 𝑘. 𝑘 Bước rời rạc hóa, đại diện cho khoảng thời gian từ bước thứ 𝑘 đến 𝑘 + 1, tương đương với 1 chu kỳ lấy mẫu. 𝑛𝑢 , 𝑛𝑦 Các số nguyên dương đại diện cho các bậc chưa biết của đầu vào, đầu ra. 𝑓(∗) Hàm phi tuyến chưa biết. Δ𝑢𝑘 Sự thay đổi tín hiệu điều khiển ở bước 𝑘. 𝛥𝑦𝑘+1 Sự thay đổi đầu ra ở thời bước 𝑘 + 1. 𝛿𝑓 𝛿𝑢𝑘 Đạo hàm riêng của 𝑓(∗) theo 𝑢𝑘. 𝜙𝑘, �̂�𝑘, �̃�𝑘 Giả đạo hàm riêng, ước lượng và sai lệch ước lượng của giả đạo hàm riêng. viii 𝑏 Chặn trên của giả đạo hàm riêng 𝜙𝑘. 𝜖 Biến điều kiện trung gian. 𝐽(𝑢𝑘), 𝐽(Δ𝑢𝑘) Các hàm mục tiêu. 𝜌, 𝜇, 𝛾, 𝜂 Các siêu tham số phục vụ thiết kế bộ điều khiển. 𝐴0, 𝐵0 Các biến trung gian. AB Truy hồi thích nghi (Adaptive Backstepping) BLDC Điều chỉnh dựa trên tương quan (Correlation-based tuning) BLDC Động cơ một chiều không cổ góp (Brush-Less Direct Current motor) ADP Qui hoạch động gần đúng ADP (Approximate dynamic programming) CFDL Tuyến tính hóa động dạng rút gọn (Compact Form Dynamic Linearization) DC Động cơ một chiều (Direct Current motor) DDC Điều khiển định hướng dữ liệu (Data Driven Control) ESC Phương pháp điều khiển theo cực trị hàm mục tiêu (Extremum Seeking Control) FFDL Tuyến tính hóa động dạng đủ (Full Form Dynamic Linearization) iPID Bộ điều khiển PID thông minh (intelligent PID) IFT Điều chỉnh phản hồi lặp (Iterative Feedback Tuning) IE Tiêu chuẩn tích phân sai lệch (Integrated Error) ISE Tiêu chuẩn tích phân của bình phương sai lệch (Integral of the Square of the Error) ITAE Tiêu chuẩn tích phân thời gian nhân với trị tuyệt đối của sai lệch (Integral of Time multiplied by the Absolute Value of the Error) ix ITSE Tiêu chuẩn tích phân thời gian nhân với bình phương sai lệch (Integral of Time multiplied by the Square of the Error - tích phân của bình phương sai số) ILC Điều khiển học lặp (Iterative Learning Control) LLC Điều khiển học lười (Lazy Learning Control) MFC Điều khiển phi mô hình (Model-Free Control) MBC Điều khiển dựa mô hình (Model-based Control) MC Điều kiện thích ứng (Matching Condition) MFAPC MFSMC Điều khiển dự đoán thích nghi phi mô hình (Model-free Adaptive Predictive Control) Điều khiển mode trượt phi mô hình (Model-free Sliding Mode Control) MFAC Điều khiển thích nghi phi mô hình (Model-free Adaptive Control) PPD Giả đạo hàm riêng (Pseudo Partial Derivative) PI Bộ điều khiển PI (Proportional Integral) PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) PFDL Tuyến tính hóa động dạng từng phần (Partial Form Dynamic Linearization) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) PMSM Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor) RBF Mạng nơ ron xuyên tâm RBF (Radial Basis Function) SISO Hệ một vào, một ra (Single Input, Single Output) SMC Điều khiển trượt (Sliding Mode Control) SPSA Xấp xỉ ngẫu nhiên nhiễu loạn đồng thời (Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation) UC Điều khiển kiểm chứng (Unfalsified Control) VSC Điều khiển cấu trúc biến đổi (Variable Structural Control) x VRFT Điều chỉnh phản hồi tham chiếu ảo (Virtual Reference Feedback Tuning) xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Phân chia các đối tượng điều khiển và phương pháp điều khiển ....... 16 Bảng 1.2. Các bước thiết kế thuật toán MFAC ................................................. 27 Bảng 4.1. Các luật điều khiển (ĐK) được mô phỏng ........................................ 88 Bảng 4.2. Tham số mô hình cục bộ và luật MFC-iPID ..................................... 89 Bảng 4.3. Chất lượng của hệ MFC-iPID theo tiêu chuẩn tích phân. .................. 92 Bảng 4.4. Tham số mô hình cục bộ và luật MFC-iPI-SMC. .............................. 93 Bảng 4.5. Chất lượng của hệ MFC-iPI-SMC theo tiêu chuẩn tích phân. ........... 96 Bảng 4.6. Tham số luật điều khiển MFAC-CFDL ............................................ 96 Bảng 4.7. Chất lượng của hệ MFAC-CFDL theo tiêu chuẩn tích phân.............. 99 Bảng 4.8. Tham số luật điều khiển MFAC-CFDL-SMC ................................. 100 Bảng 4.9. Chất lượng hệ MFAC-CFDL-SMC theo tiêu chuẩn tích phân. ....... 101 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Biểu diễn quy trình thiết kế bộ điều khiển tựa mô hình (MBC) ......... 12 Hình 1.2. Kiến trúc thiết kế bộ điều khiển định hướng dữ liệu (DDC) .............. 15 Hình 1.3. Hai thái cực của lý thuyết điều khiển. ............................................... 18 Hình 1.4. Phân loại MFC theo thuật toán điều khiển. ....................................... 25 Hình 1.5. Mô tả hướng nghiên cứu phát triển MFC. ......................................... 30 Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển thích nghi. ........................................ 36 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi. ................................... 37 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID hiệu chỉnh đạo hàm đầu ra. ................ 40 Hình 2.4. Sơ đồ thuật toán điều khiển MFC-iPID. ............................................ 47 Hình 3.1. Minh họa khái niệm PPD. ................................................................. 63 Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển thích nghi phi mô hình MFAC ............................... 64 Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển vòng kín hệ phi tuyến SISO. .................................. 71 Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển CFDL-MFAC. ....................................................... 72 Hình 3.5. Sơ đồ luồng dữ liệu bộ điều khiển CFDL-MFAC.............................. 73 Hình 3.6. Sơ đồ hệ điều khiển MFAC-CFDL theo cấu trúc vòng kín. ............... 73 Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển CFDL-MFAC cải tiến............................................ 76 Hình 4.1. Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển động cơ PMSM ............................. 81 Hình 4.2. Hệ điều khiển truyền động điện PMSM Delta ................................... 82 Hình 4.3. Đường đặc tính điều khiển trực tiếp mô men. ................................... 84 Hình 4.4. Biên dạng của nhiễu phụ thuộc thời gian. ......................................... 87 Hình 4.5. Sai lệch bám của hệ thống với tín hiệu đặt 1(t). ................................. 89 Hình 4.6. Sai lệch bám của hệ thống với tín hiệu đặt sin(t). .............................. 89 Hình 4.7. Đáp ứng của hệ MFC-iPID với đầu vào step. .................................... 90 Hình 4.8. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPID với đầu vào step. ....................... 90 Hình 4.9. Tham số F trong hệ MFC-iPID với đầu vào step. .............................. 91 Hình 4.10. Đáp ứng của hệ MFC-iPID với đầu vào sin. .................................... 91 Hình 4.11. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPID với đầu vào sin. ...................... 92 xiii Hình 4.12. Tham số F trong hệ MFC-iPID với đầu vào sin. .............................. 92 Hình 4.13. Đáp ứng của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào step. ........................... 94 Hình 4.14. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào step. .............. 94 Hình 4.15. Tham số F trong hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào step. ..................... 94 Hình 4.16. Đáp ứng của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào sin. ............................. 95 Hình 4.17. Sai lệch góc bám của hệ MFC-iPI-SMC với đầu vào sin. ................ 95 Hình 4.18. Tham số F