Lý thuyết điều khiển nâng cao - Chương 1: Giới thiệu

Môn học
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO
Giả iê PGS TS H ỳ h Thái H àng v n: . . u n o ng
Bộ môn Điều Khiển Tự Động
Khoa Điện – Điện Tử
Đại học Bách Khoa TP.HCM
Email: hthoang@hcmut.edu.vn
Homepage:  hcmut edu vn/~hthoang/
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 1
 . . .
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Chương 1: Giới thiệu
Nội dung môn học
 Chương 2: Điều khiển phi tuyến
 Chương 3: Điều khiển tối ưu
 Chương 4: Điều khiển thích nghi
 Chương 5: Điều khiển bền vững
 Chương 6: Một số ví dụ thiết kế hệ thống ĐK
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 2
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Giáo trình: Lý thuyết điều khiển hiện đại – Nguyễn Thị
Tài liệu tham khảo
Phương Hà, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM
 Bài iả Lý th ết điề khiể â H ỳ h Tháig ng: uy u n n ng cao – u n
Hoàng, 
 Bài tập: BKel
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 3
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Tham khảo:
Tài liệu tham khảo
[1] Applied nonliear control, Jean-Jacques E. Slotine 
& Weiping Li Prentice Hall International Editions Inc , - , . 
1991. 
[2] Optimal Control Frank L Lewis Vassilis L , . , . 
Symos, A Wiley-Interscience Publication , 1995
[3] Adaptive control Karl Johan Astrom & Bjom , 
Wittnmark , Addison-Wesley Publishing Company, 
second edition 2000.
[4] Robust and optimal cotrol, Kemin Zhou with John 
C. Doyle and Keith Glover , Prentic Hall, Upper Saddle 
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 4
River , 1996.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Kiểm tra (50%) trong đó:
Đánh giá môn học
 , 
Bài tập: 30% (bài tập trên lớp + bài tập về nhà)
Kiểm tra giữa kỳ: 20% (thi viết) 
 Thi cuối kỳ: 50% (thi viết)
Chú ý: Sinh viên không được sử dụng tài liệu in và 
photocopy trong phòng thi .
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 5
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1
GIỚI THIỆU
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 6
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Từ giữa thế kỷ 19 trở về trước: HTĐK được thiết kế
Điều khiển sơ khai
dựa vào trực giác, không có cơ sở toán học.
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 7
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Từ giữa thế kỷ 19 đến những năm 1930: nền móng
Điều khiển kinh điển (trước 1960)
toán học lý thuyết điều khiển ra đời
Lyapunov (1892)
Routh-Hurwitz (1895)
Từ thậ iê 1930 đế 1940 lý th ết điề khiể p n n n : uy u n
kinh điển phát triển mạnh:
í ầ ố ể ồĐặc t nh t n s , bi u đ Bode
Biểu đồ Nyquist, Nichols,
ốQuỹ đạo nghiệm s
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 8
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Hệ thống SISO
Đặc điểm của điều khiển kinh điển
 Đối tượng tuyến tính (hoặc đối tượng phi tuyến làm
việc quanh điểm tĩnh)
 Thiết kế trong miền tần số
Sử d biể đồ ụng u
 Thiết kế nhằm đạt được sự cân bằng:
C ấ à ộ ề h t lượng v đ b n vững
 Ảnh hưởng của các yếu tố không chắc chắn
ề ể Bộ đi u khi n PID
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 9
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Chất lượng điều khiển có một số hạn chế:
Hạn chế của lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển
Không tối ưu
Chất lượng điều khiển giảm nếu đối tượng phi tuyến
làm việc trong phạm vi rộng
Chất lượng điều khiển không đảm bảo khi tham số
của đối tượng thay đổi
Không đảm bảo đạt được chất lượng thiết kế nếu mô
hình của đối tượng có yếu tố không chắc chắn.
ế ề ể ể ấ Lý thuy t đi u khi n kinh đi n r t khó áp dụng trong
trường hợp:
Hệ MIMO
Hệ phi tuyến
Chất lượng trong miền thời gian
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 10
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Cần trục tay máy
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
,
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 11
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Lái tàu
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 12
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Điều khiển máy bay
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 13
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Điều khiển quá trình
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 14
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Điều khiển phi tuyến
Điều khiển hiện đại (1960 – nay)
 Điều khiển tối ưu
 Điều khiển thích nghi
 Điều khiển bền vững
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 15
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Cơ sở toán học của LTĐK phi tuyến đã ra đời từ thế kỷ
Điều khiển phi tuyến
19, từ sau 1960 điều khiển phi tuyến phát triển mạnh.
 Các phương pháp phân tích hệ thống điều khiển phi
ếtuy n
Phương pháp hàm mô tả
Phương pháp mặt phẳng pha
Phân tích ổn định Lyapunov
Tiêu chuẩn Popov
Định lý độ lợi bé
Phân tích thụ động
 Các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến
Hồi tiếp tuyến tính hóa
Điều khiển trượt
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 16
Phương pháp cuốn chiếu,
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Là phương pháp điều khiển trong đó bộ điều khiển được
Điều khiển tối ưu
thiết kế sao cho tối thiểu một hàm chỉ tiêu chất lượng
 Những năm đầu tiên:
Wiener (1930’s – 1950’s): lọc, dự báo
Kolmogorov (1940’s): quá trình ngẫu nhiên
Qui hoạch tuyến tính và phi tuyến (1940’s)
 Điều khiển tối ưu:
Qui hoạch động Bellman (1950’s)
Nguyên lý cực đại Pontryagin (1950’s)
Điều khiển tối ưu tuyến tính (cuối 1950’s – 1960’s)
 Lọc Kalman
 Bài toán điều chỉnh toàn phương tuyến tính (LQR)
 Điều khiển tối ưu ngẫu nhiên (LQG)
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 17
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Là phương pháp điều khiển trong đó các thông số của
Điều khiển thích nghi
bộ điều khiển được điều chỉnh tự động khi điều kiện làm
việc thay đổi nhằm đạt được chất lượng tối ưu.
ế Những năm 1950: HTĐK theo mô hình tham chi u
 Cuối thập niên 1960: tiến bộ của lý thuyết điều khiển
đóng góp vào sự phát triển của lý thuyết điều khiển thích
nghi (mô tả không gian trạng thái, lý thuyết ổn định
Lyapunov, qui hoạch động,)
ầ Thập niên 1970 và những năm đ u 1980: chứng minh
tính ổn định của hệ thống thích nghi.
 Cuối thập niên 1980 đến đầu những năm 1990: tính bền
vững của bộ điều khiển thích nghi
 Gần đây: phát triển các giải thuật điều khiển học
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 18
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sơ đồ khối tổng quát hệ thống ĐK thích nghi
Nhận dạng/ 
Ước lượng 
Điều kiện 
làm việc
Chỉnh định
u(t)
y(t)
Bộ điều khiểnr(t) Đối tượng
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 19
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Là phương pháp điều khiển trong đó bộ điều khiển
Điều khiển bền vững
được thiết kế sao cho tính ổn định và chất lượng của
hệ thống vẫn đảm bảo khi các yếu tố không chắc
chắn và/hoặc nhiễu loạn nằm trong giới hạn định
trước.
ề ể ố ( QG) 1950’s: Đi u khi n t i ưu H2 hay L
 1981(Zames): bài toán điều khiển H , phương pháp
chỉnh độ lợi vòng
 1984 (Doyle), 1987 (Francis): điều khiển tối ưu H 
trong không gian trạng thái
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 20
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sơ đồ khối thiết kế hệ thống điều khiển bền vững
y(t)+
 Wm
r(t)
G + K
Điều khiển bền vững mô hình sai số nhân
y(t)+
 Wm
r(t)
K G + 
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 21
Điều khiển bền vững mô hình sai số cộng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sử dụng phương pháp điều khiển nào?
)(tdv )()( tftBv
dt
M 
 Nên chọn phương pháp điều khiển nào?
Khi mô hình chính xác, thông số của xe không đổi?
Khi muốn tối thiểu năng lượng tiêu tốn?
Khi thông số của xe thay đổi?
Khi có sai số mô hình (mô hình không chắc chắn)?
15 January 2014 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 22
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sử dụng phương pháp điều khiển nào?
i á di ä ûa: t et en van xa
A: tieát dieän ngang cuûa boàn
g: gia toác trong tröôøng(t)
u(t)
qin
ï
k: heä soá coâng suaát bôm
CD: heä soá xaû
y qout
 )(2)(1)( tgyaCtku
A
ty D 
 Nên chọn phương pháp điều khiển nào?
Khi điều khiển ổn định hóa?
Khi ĐK bám theo tín hiệu đặt trong miền làm việc rộng?
Khi muốn tối thiểu năng lượng tiêu tốn?
Khi thông số của bồn thay đổi?
Khi có sai số mô hình (mô hình không chắc chắn)?
15 January 2014 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 23
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sử dụng phương pháp điều khiển nào?
J: moment quaùn tính cuûa caùnh tay maùy
M: khoái löôïng cuûa caùnh tay maùy
m: khoái löôïng vaät naëng
l: chieàu daøi caùnh tay maùyl
lC : khoaûng caùch töø troïng taâm tay maùy ñeán truïc quay 
B: heä soá ma saùt nhôùt 
g: gia toác troïng tröôøng
m
u 
u(t): moment taùc ñoäng leân truïc quay cuûa caùnh tay maùy 
(t): goùc quay (vò trí) cuûa caùnh tay maùy
1)( MlmlB )(
)(
cos
)(
)(
)(
)( 222 tumlJ
g
mlJ
t
mlJ
t C  
 Nên chọn phương pháp điều khiển nào?
 Khi điều khiển tay máy trong phạm vi rộng?
 Khi khối lượng vật nặng thay đổi?
 Khi mô hình không chắc chắn?
15 January 2014 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 24
 Khi muốn tối ưu năng lượng tiêu tốn và đáp ứng nhanh?
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Đa số các hãng sản xuất thiết bị điều khiển
Ứng dụng thực tiễn điều khiển hiện đại
(Siemens, Omron, Autonics, Schneider, Precision 
Digital ) đều có dòng sản phẩm bộ điều khiển tự,... 
chỉnh (Auto-tuning controller), ứng dụng điều khiển 
hiệt độ tố độ độ điề khiể á t ì hn , c ng cơ, u n qu r n ,
 Các phần mềm DCS (Distributed Control System)
ấ ó ứ ề ể ícao c p c ch c năng đi u khi n th ch nghi.
PCS7 (Siemens)
Delta V (Emerson)
 Điều khiển tối ưu: tàu vũ trụ, quá trình chưng cất
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 25
 Điều khiển bền vững: điều khiển quá trình
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ứng dụng thực tiễn điều khiển hiện đại
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 26
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ứng dụng thực tiễn điều khiển hiện đại
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 27
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Nội dung của môn học đề cập các phương pháp thiết kế bộ
Giới thiệu nội dung môn học
điều khiển cho hệ thống động nhằm đảm bảo độ dự trữ ổn 
định và chất lượng tối ưu trong điều kiện ràng buộc của chế 
Ứ ế ề ể ốđộ làm việc. ng dụng LTĐK phi tuy n, đi u khi n t i ưu, 
điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững trong thiết kế và 
thực hiện các bộ điều khiển cho hệ thống động .
 Môn học chỉ trình bày những nội dung cơ bản nhất về:
 Điều khiển phi tuyến
 Điều khiển tối ưu
 Điều khiển thích nghi
 Điều khiển bền vững
 Lý thuyết chuyên sâu hơn: chương trình Cao học
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 28
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Các môn học trước:
Các môn học liên quan
Toán cao cấp (Đại số tuyến tính, Phương trình vi
phân Phương pháp tính ), ,
Cơ sở điều khiển tự động
Cá ô h h ê â tiế th ( h ) c m n ọc c uy n s u p eo cao ọc :
Điều khiển phi tuyến
ề ể ếĐi u khi n đa bi n
Điều khiển tối ưu và bền vững
ề ểĐi u khi n thích nghi
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 29
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sau khi hoàn tất môn học sinh viên có thể:
Chuẩn đầu ra
 , 
 Phân tích và thiết kế HTĐK phi tuyến dùng phương pháp hàm 
mô tả, lý thuyết ổn định Lyapunov.
 Thiết kế bộ ĐK hồi tiếp tuyến tính hóa và bộ điều khiển trượt.
 Hiểu biết về các phương pháp điều khiển tối ưu;
Thiết kế hiệ bộ điề khiể t à h t ế tí h n u n o n p ương uy n n
 Hiểu biết khái niệm điều khiển thích nghi và các sơ đồ điều 
khiển thích nghi 
 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu, bộ 
điều khiển tự chỉnh định, bộ điều khiển hoạch định độ lợi.
 Hiểu biết khái niệm điều khiển bền vững
 Thiết kế bộ điều khiển bền vững LQG, H2, H . 
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 30
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt