Đề tài Điều khiển trượt hệ bồn nước đôi (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Điều khiển trượt hệ bồn nước đôi (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ BỒN NƯỚC ĐƠI MÃ SỐ: T2009 - 79 ChỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS. NGUYỄN THỊ NGỌC THẢO NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI: Th.S PHÙ THỊ NGỌC HIẾU S K C 0 0 3 0 4 2 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 07/2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp. HCM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỂU KHIỂN TRƯỢT HỆ BỒN NƯỚC ĐƠI MÃ SỐ: T2009 – 79 Thuộc nhĩm ngành: KHOA HỌC KỸ THUẬT Chủ nhiệm đề tài: KS. NGUYỄN THỊ NGỌC THẢO Ngƣời tham gia đề tài: THS. PHÙ THỊ NGỌC HIẾU Đơn vị: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 07/ 2010
3. A PHẦN GIỚI THIỆU
4. MỤC LỤC A. Phần giới thiệu - Mục lục. - Tóm tắt kết quả nghiên cứu - Tính cấp thiết của đề tài - Mục tiêu nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu - Nội dung nghiên cứu B. Phần nội dung Chương 1 : Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt 1.1. Giới thiệu về điều khiển trượt 2 1.2. Phương pháp điều khiển trượt 3 Chương 2 : Mạng nơron nhân tạo 2.1 Khái niệm cơ bản 11 2.2 Mạng Perception một lớp (single-layer perceptron networks) 15 2.3 Mạng truyền thẳng nhiều lớp 20 2.4 Mạng hồi quy (recurrent neural networks, feedback networks) 25 Chương 3 : Kkhảo sát đối tượng bồn nước 3.1 Những cấu hình khác nhau của hệ bồn nước 38 3.2 Xây dựng phương trình toán cho đối tượng 40 Chương 4 : Xây dựng bộ điều khiển trượt cho hệ bồn nước 4.1 Cấu hình bồn đơn 44 4.2 Cấu hình bồn đôi 59
5. Chương 5 : Ứng dụng mạng nơron để xấp xỉ thành phần Uˆ trong luật điều khiển trượt cho hệ bồn nước 5.1 Cấu hình bồn đơn 71 5.2 Cấu hình bồn đôi 74 C. Phần kết luận 77 Tài liệu tham khảo 79 TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƢỜNG Tên đề tài: Điều khiển trượt hệ bồn nước đơi Mã số: T2009 - 79 Chủ nhiệm đề tài: Ks. Nguyễn Thị Ngọc Thảo Tel.: 0909387648
6. E-mail: nguyen_thao1980@yahoo.com. Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: Ths. Phù Thị Ngọc Hiếu Thời gian thực hiện: 08 tháng 1. Mục tiêu: - Nghiên cứu điều khiển trượt. - Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ bồn nước đơi trên Matlab. - Áp dụng phương pháp điều khiển trượt điều khiển mực nước của hệ bồn nước đơi. 2. Nội dung chính: - Phương pháp điều khiển trượt. - Mạng Nơron. - Hệ bồn nước đơi và xây dựng mơ hình mơ phỏng cho hệ bồn nước đơi. - Thực hiện mơ phỏng điều khiển mực nước hệ bồn nước đơi bằng phương pháp điều khiển trượt. - Ứng dụng mạng Nơron để xấp xỉ luật điều khiển u trong phương pháp điều khiển trượt và mơ phỏng kết quả bằng Matlab. 3. Kết quả chính đạt đƣợc (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế – xã hội, v.v Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho lĩnh vực điều khiển tự động, mơn học Điều Khiển Đa Biến hay Điều Khiển Phi Tuyến. 4. Điểm mới - Xây dựng mơ hình mơ phỏng bằng Matlab cho hệ bồn nước đơi. - Ứng dụng phương pháp điều khiển trượt để điều khiển bồn nước đơi và mơ phỏng kết quả điều khiển bằng Matlab - Ứng dụng mạng Nơron để xấp xỉ một hàm. 5. Địa chỉ ứng dụng Tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và những nhà nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực điều khiển tự động. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
7. Ngay khi xuất hiện vào cuối những năm 1960, điều khiển trượt đã tạo được sự chú ý của nhiều nhà khoa học vì ưu điểm của nó là mang lại sự ổn định bền vững cho hệ thống phi tuyến cho dù hệ thống đó có nhiễu hoặc có một vài thông số thay đổi theo thời gian. Và từ đó cho đến nay, lý thuyết về điều khiển trượt đã được được phát triển một cách đáng kể bởi các nhà nghiên cứu. Thêm vào đó, điều khiển trượt cho ta các luật điều khiển hiệu quả đối với các đối tượng tuyến tính và không tuyến tính. Một đặc trưng phân biệt khác là khả năng giảm bậc của nó có thể làm đơn giản thiết kế và có thể phân tách hệ thống. Với những ưu điểm này, điều khiển trượt là một lãnh vực đầy hứa hẹn về nghiên cứu lý thuyết cũng như các vấn đề ứng dụng vào các đối tượng cụ thể. Vì thế đề tài “Điều khiển trƣợt hệ bồn nƣớc đơi” mang tính cấp thiết và thực tiễn cao trong thời gian hiện nay. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu điều khiển trượt. - Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ bồn nước đơi trên Matlab. - Áp dụng phương pháp điều khiển trượt điều khiển mực nước của hệ bồn nước đơi. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp tham khảo tài liệu. - Xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực hiện mơ phỏng kết quả nghiên cứu trên phần mềm Matlab. PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu điều khiển trượt và cách xây dựng một bộ điều khiển trượt. - Nghiên cứu về đối tượng bồn nước đôi.
8. - Xây dựng mô hình mô phỏng bồn nước đôi. - Áp dụng thuật toán điều khiển trượt để điều khiển giữ vững mực nước của bồn nước đôi - Nghiên cứu về mạng Nơron và cách xấp xỉ bộ điều khiển trượt bằng mạng Nơron. - Aùp dụng mạng Nơron đã xấp xỉ để điều khiển mô hình bồn nước đôi (thực hiện mô phỏng). NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Phương pháp điều khiển trượt. - Mạng Nơron. - Hệ bồn nước đơi và xây dựng mơ hình mơ phỏng cho hệ bồn nước đơi. - Thực hiện mơ phỏng điều khiển mực nước hệ bồn nước đơi bằng phương pháp điều khiển trượt. - Ứng dụng mạng Nơron để xấp xỉ luật điều khiển u trong phương pháp điều khiển trượt và mơ phỏng kết quả bằng Matlab. . Phần Phụ Lục : TÀI LIỆU THAM KHẢO
9. [1] Sách “Điều khiển hệ thống Đa Biến” – PGS.TS. Dương Hồi Nghĩa, Đại Học Bách Khoa TP.HCM, nhà xuất bản : Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. [2] Sliding Mode Control in Engineering (Control Engineering Series, 11) (Hardcover) by Wilfrid Perruquetti (Author). [3]. TS. Dương Hoài Nghĩa, “Bài giảng mạng Nơron nhân tạo”, năm 2009. [4] Sliding Mode Control of Nonlinear Systems Using Gaussian Radial Basis function Neural Networks - M. Ưnder Efe, Okyay Kaynak, Xinghuo Yu. [5] Process Modelling, Identification, and Control. 2007 , Ján Mikleš ·Miroslav Fikar [6] Jinzhu Peng, Yaonan Wang, Wei Sun and Yan Liu: A Neural network Sliding Mode Controller with Application to Robotic Manipulator [7] Shuanghe Yu*, Xinghuo Yu , Mehmet Ưnder Efe với đề tài Modeling-Error Based Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control for Trajectory-Tracking of Nonlinear Systems [8] Q. P. Ha, Member, IEEE, H. Trinh, H. T. Nguyen, Senior Member, IEEE, and H. D. Tuan, Member : Dynamic Output Feedback Sliding-Mode Control Using Pole Placement and Linear Functional Observers. [9] F. Qiao. Q. M. Zhu, A. Winfield and C. Melhuish : Design of Takagi-Sugeno fuzzy model based sliding mode controllers for nonlinear systems. [10] J´an Vittek, Stephen J. Dodds, Peter Briˇs, Marek ˇStulrajter, Pavol Makyˇs : Experimental Verification Of Chattering Free Sliding Mode Control Of The Drive Position Employing PMSM. [11] Don Krupp – Guidance and Control Division – Marshall Space Flight Center : Chattering-free Sliding Mode Control with Unmodeled Dynamics. [12] Jingchuan Li, M.S.E.E : Adaptive Sliding Mode Observer And Loss Minimization For Sensorless Field Orientation Control Of Induction Machine. [13] Abdul Rashid Husain, Mohamad Noh Ahmad, and Abdul Halim Mohd Yatim : Chattering-free Sliding Mode Control for an Active Magnetic Bearing System.
10. [14] Y.Harbouche, L.Khettache and R. Abdessemed : Sliding Mode Control of the Double Fed Asynchronous Machine Applayed by Current Sources. [15] Rafael Ramos, Domingo Biel, Francesc Guinjoan, Enric Fossas : Master-Slave Sliding-Mode Control Design in Parallel-Connected Inverters [16] M. R. Rafimanzelat and M. J. Yazdanpanah : A Novel Low Chattering Sliding Mode Controller [17] Kevin J. Walchko, David Novick, and Michael C. Nechyba - University of Florida, Gainesville, FL, 32611-6200 : Development of a Sliding Mode Control System with Extended Kalman Filter Estimation for Subjugator. [18] Jiunshian Phuah Student Member, Jianming Lu Member, Takashi Yahagi Non- member: Chattering Free Sliding Mode Control in Magnetic Levitation System. [19] Cem Ünsal and Pushkin Kachroo : Sliding Mode Measurement Feedback Control for Antilock Braking Systems [20] Halim Alwi B.Eng., Leicester : Fault Tolerant Sliding Mode Control Schemes With Aerospace Applications. [21] Dr K B Mohanty, Member, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela, India : A Fuzzy Sliding Mode Controller for a Field-Oriented Induction Motor Drive. [22] Mustafa Resa Becan : Sliding Mode Control with Fuzzy Boundary Layer to Air-Air Interception Problem. [23] Muhammad Yasser, Hiroo Sekiya, Takashi Yahagi, Ayman Haggag, Mohamed Ghoneim, and Jianming Lu Graduate School of Science and Technology Chiba University : Adaptive Sliding Mode Control with Simple Adaptive Control for Buck Converters. [24] Asif ˇSabanoviˇc, TUBITAK - Marmara Research Center : Chattering Free Sliding Modes in Robotic Manipulators Control. [25] M S Srai1, H Sindano2, N E Gough3 and A C Cole4,1 : Sliding Mode Idle Speed Ignition Control Strategies for Automotive Engines.
11. [26 ]l. boutat-baddas, j. p. barbot, d. boutat, and r. tauleigne : sliding mode observers and observability singularity in chaotic synchronization [27] Mohammad S. Islam, Iqbal Husain, Robert J. Veillette, and Celal Batur : Design and Performance Analysis of Sliding-Mode Observers for Sensorless Operation of Switched Reluctance Motors [28] N. F. AL-MUTHAIRI AND M. ZRIBI : Sliding Mode Control Of A Magnetic Levitation System. [29] Wen Yu : Sliding Mode Technique and Sliding Mode Observer. [30] A.S. LEWIS a’*, A. SINHAb and K.W. WANGb : Sliding Mode Output Feedback Control of a Flexible Rotor Supported by Magnetic Bearings. [31] Roy A. McCann, Mohammad S. Islam, Student Member, IEEE, and Iqbal Husain, Senior Member, IEEE : Application of a Sliding-Mode Observer for Position and Speed Estimation in Switched Reluctance Motor Drives. [32] A.B. Potapov¤and M.K. Aliy : Nonlinear dynamics and chaos in information processing neural networks [33] Michael C. Nechyba and Yangsheng Xu : Neural Network Approach to Control System Identification with Variable Activation Functions. [34] “Sliding mode control using radial basis function neural networks (Điều khiển trƣợt dùng mạng Nơron hàm cơ sở xuyên tâm)” - Tran Quang Thuan, Lecturer, PTIT-HCM, Duong Hoai Nghia, Lecturer, HCM City University of Technology, and Dong Si Thien Chau, Lecturer, Ton Duc Thang University.
12. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2009 -79 B PHẦN NỘI DUNG Ks. Nguyễn Thị Ngọc Thảo Trang 1 Ths. Phù Thị Ngọc Hiếu
13. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2009 -79 Chương 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 1.1. Giới thiệu về điều khiển trượt : Điều khiển trượt của hệ thống động đã có một lịch sử lâu dài về mặt lý thuyết và có nhiều sự phát triển trên thực tế. Trong lý thuyết điều khiển, điều khiển trượt là một dạng của điều khiển cấu trúc biến đổi. Đây là một phương pháp điều khiển phi tuyến làm thay đổi động học của hệ thống phi tuyến bằng cách áp dụng vào đó một phương pháp điều khiển chuyển đổi với một tần số cao. Luật điều khiển hồi tiếp trạng thái không là một hàm liên tục theo thời gian. Thay vào đó, nó chuyển đổi từ một cấu trúc liên tục sang một dạng khác dựa trên vị trí hiện tại của không gian trạng thái. Do đó, điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển cấu trúc biến đổi. Các cấu trúc điều khiển đa dạng được thiết kế sao cho các quỹ đạo luôn tiến về trạng thái chuyển đổi, và vì thế quỹ đạo sau cùng sẽ không hoàn toàn tồn tại trong một cấu trúc điều khiển. Thay vào đó, quỹ đạo sau cùng sẽ trượt dọc trên các biên giới của các cấu trúc điều khiển. Chuyển động của hệ thống dọc theo các biên giới như vậy được gọi là chế độ trượt. Và quỹ tích hình học chứa các giới hạn được gọi là mặt trượt. Hình 2.1 dưới đây sẽ cho ta thấy một quỹ đạo của hệ thống trong điều khiển trượt. Hình 1.1. Ks. Nguyễn Thị Ngọc Thảo Trang 2 Ths. Phù Thị Ngọc Hiếu