Lý thuyết điều khiển nâng cao

Môn học
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO
Giảng viên:
Giả iê PGS.
PGS TS.
TS Huỳnh
H ỳ h Thái Hoàng
H à
Bộ môn Điều Khiển Tự Động
Khoa Điện
ệ – Điện
ệ Tử
Đại học Bách Khoa TP.HCM
Email: [email protected]
Homepage: http://www4
http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/
hcmut edu vn/~hthoang/
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 1
Nội dung môn học
 Chương 1: Giới thiệu
 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
Tài liệu tham khảo
 Giáo trình: Lý thuyết điều khiển hiện đại – Nguyễn Thị
Phương Hà, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM
 Bài giảng:
iả Lý thuyết
th ết điều
điề khiển
khiể nâng
â cao – Huỳnh
H ỳ h Thái
Hoàng, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/ltdknc/
 Bài tập: BKel
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 3
Tài liệu tham khảo
 Tham khảo:
[1] Applied nonliear control, Jean-Jacques E. Slotine
& Weiping Li
Li, Prentice
Prentice-Hall
Hall International Editions
Editions, Inc
Inc.
1991.
[2] Optimal Control,
Control Frank L L. Lewis
Lewis, Vassilis L
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
River , 1996.
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 4
Đánh giá môn học
 Kiểm tra (50%)
(50%), trong đó:
 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
thi.
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 5
Chương 1
GIỚI THIỆU
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 6
Điều khiển sơ khai
 Từ giữa thế kỷ 19 trở về trước: HTĐK được thiết kế
dựa vào trực giác, không có cơ sở toán học.
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 7
Điều khiển kinh điển (trước 1960)
 Từ giữa thế kỷ 19 đến những năm 1930: nền móng
toán học lý thuyết điều khiển ra đời
 Lyapunov (1892)
 Routh-Hurwitz (1895)
 Từ thập
thậ niên
iê 1930 đến
đế 1940:
1940 lý thuyết
th ết điều
điề khiển
khiể
kinh điển phát triển mạnh:
 Đặc tính
í tầnầ số,ố biểu
ể đồồ Bode
 Biểu đồ Nyquist, Nichols,
 Quỹ đạo nghiệm số ố
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 8
Đặc điểm của điều khiển kinh điển
 Hệ thống SISO
 Đối tượng tuyến tính (hoặc đối tượng phi tuyến làm
việc quanh điểm tĩnh)
 Thiết kế trong miền tần số
 Sử dụng
d biể đồ
biểu
 Thiết kế nhằm đạt được sự cân bằng:
 Chất
C ấ lượng và à độ
ộ bền
ề vững
 Ảnh hưởng của các yếu tố không chắc chắn
 Bộ điều
ề khiển
ể PID
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 9
Hạn chế của lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển
 Chất lượng điều khiển có một số hạn chế:
 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.
 Lý thuyết
ế điềuề khiển
ể kinh điểnể rất
ấ 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
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
 Cần trục,
trục tay máy
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 11
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
 Lái tàu
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 12
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
 Điều khiển máy bay
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 13
Một số đối tượng phức tạp khó áp dụng LTĐK kinh điển
 Điều khiển quá trình
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 14
Điều khiển hiện đại (1960 – nay)
 Điều khiển phi tuyến
 Điều khiển tối ưu
 Điều khiển thích nghi
 Điều khiển bền vững
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 15
Điều khiển phi tuyến
 Cơ sở toán học của LTĐK phi tuyến đã ra đời từ thế kỷ
19, từ sau 1960 điều khiển phi tuyến phát triển mạnh.
 Các phương pháp phân tích hệ thống điều khiển phi
tuyến
ế
 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
 Phương pháp cuốn chiếu,…
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 16
Điều khiển tối ưu
 Là phương pháp điều khiển trong đó bộ điều khiển được
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
(1940’s)
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
Điều khiển thích nghi
 Là phương pháp điều khiển trong đó các thông số của
bộ điều khiển được điều chỉnh tự động khi điều kiện làm
việc thay đổi nhằm đạt được chất lượng tối ưu.
 Những năm 1950: HTĐK theo mô hình tham chiếu ế
 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,…)
 Thập niên 1970 và những năm đầu ầ 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
Sơ đồ khối tổng quát hệ thống ĐK thích nghi
Nhận dạng/
Ước lượng
Điều kiện
làm việc
Chỉnh định
y(t)
r(t) Bộ điều khiển Đối tượng
u(t)
15 January 2014 © H. T. Hoàng - HCMUT 19
Điều khiển bền vững
 Là phương pháp điều khiển trong đó bộ điều khiển
được thiết kế sao cho tính ổn định và chất lượng của
hệệ thống
g vẫn đảm bảo khi các yyếu tố không g chắc
chắn và/hoặc nhiễu loạn nằm trong giới hạn định
trước.
 1950’s: Điều
ề khiển
ể tối
ố ưu H2 (hay
( LQG)
QG)
 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