Tiến Sĩ Điều khiển dự báo phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách cho hệ phi tuyến

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỞ ĐẦU 1
Tính cấp thiết của đề tài luận án . 1
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án . 1
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận án 2
Cấu trúc và những đóng góp của luận án . 2
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 4
1.1 Động cơ thúc đẩy đề tài 4
1.1.1 Hệ điều khiển dự báo 4
1.1.2 Các hướng nghiên cứu của luận án . 6
1.2 Những kết quả lý thuyết cơ bản 14
1.2.1 Tính ổn định Lyapunov 14
1.2.2 Tính ổn định ISS 15
1.2.3 Quy hoạch động của Bellman 16
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHẢN HỒI ĐẦU RA DỰA
TRÊN QUAN SÁT TRẠNG THÁI 18
2.1 Điều khiển dự báo phản hồi đầu ra dựa trên quan sát trạng thái cho hệ tuyến
tính . 18
2.1.1 Điều khiển dự báo bền vững hệ tuyến tính sử dụng bộ quan sát tựa
Luenberger 18
2.1.2 Điều khiển dự báo bền vững hệ tuyến tính sử dụng bộ quan sát Moving
Horizon 22
2.2 Điều khiển dự báo phản hồi đầu ra dựa trên quan sát trạng thái cho hệ phi
tuyến . 25
2.2.1 Điều khiển dự báo hệ phi tuyến sử dụng bộ quan sát High Gain . 25
2.2.2 Điều khiển dự báo hệ phi tuyến sử dụng bộ quan sát mở rộng 29
2.3 Đánh giá chung . 34
2.3.1 Đánh giá các phương pháp điều khiển hiện có 34 2.3.2 Định hướng của luận án 35
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHẢN HỒI ĐẦU RA VỚI BỘ QUAN SÁT
TRẠNG THÁI TỐI ƯU CHO HỆ PHI TUYẾN 36
3.1 Phản hồi trạng thái 36
3.1.1 Phản hồi trạng thái với hàm mục tiêu có cấu trúc biến đổi . 36
3.1.2 Phân tích tính ổn định 41
3.2 Quan sát trạng thái . 45
3.2.1 Các vấn đề chung của quan sát trạng thái . 45
3.2.2 Xây dựng bộ quan sát trạng thái tối ưu 47
3.2.3 Cài đặt thuật toán quan sát tối ưu 51
3.3 Tính ổn định của hệ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách
với hàm mục tiêu có cấu trúc biến đổi . 55
3.4 Tóm tắt chương 60
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHẢN HỒI ĐẦU RA VỚI BỘ QUAN SÁT
TRẠNG THÁI TỐI ƯU CHO HỆ SONG TUYẾN 61
4.1 Phản hồi trạng thái 61
4.1.1 Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái cho hệ song tuyến với
hàm mục tiêu có tham số biến đổi . 61
4.1.2 Tính ổn định của hệ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái 68
4.2 Quan sát trạng thái . 73
4.2.1 Kiểm tra tính quan sát đều của hệ song tuyến . 73
4.2.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái tối ưu cho hệ song tuyến . 74
4.3 Tính ổn định của hệ song tuyến phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách . 82
4.4 Tóm tắt chương và các mở rộng . 87
4.4.1 Tóm tắt chương . 87
4.4.2 Các mở rộng 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91
Những vấn đề đã được giải quyết . 91
Những vấn đề còn tồn tại và kiến nghị 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 96
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài luận án
Ba thập kỉ qua đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực điều khiển dự báo
trên cả khía cạnh nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế. Hơn 30 năm qua, điều khiển dự
báo cho các hệ tuyến t ính đã được áp dụng rộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển quá



trình. Tuy nhiên, các ứng dụng hiện nay thường yêu cầu các quá trình vận hành trong một dải
làm việc lớn và gần với các điều kiện biên, đồng thời phải thỏa mãn các ràng buộc cũng như
phải đạt được chất lượng gần tối ưu. Kết quả là các phương pháp điều khiển tuyến t ính không
phải lúc nào cũng đem lại chất lượng như mong muốn và do đó dẫn đến việc phải áp dụng các
phương pháp điều khiển phi tuyến. Đây là một trong những lí do mà điều khiển dự báo phi
tuyến được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây với rất nhiều bước tiến ở cả lĩnh vực
lý thuyết và ứng dụng. Ngoài ra, năng lực ngày càng tăng của các máy t ính hiện có cũng như
sự phát triển không ngừng của các phương pháp giải số dành riêng cho điều khiển dự báo phi
tuyến đã mang đến khả năng ứng dụng của nó cả cho các hệ động học biến đổi nhanh. Điều
này dẫn đến một loạt các sự phát triển mới đầy hấp dẫn, bên cạnh các thách thức mới trong
lĩnh vực điều khiển dự báo hệ phi tuyến, trong đó phải t ính tới cả việc đưa ra được lời chứng
minh tính thỏa mãn nguyên lý tách của hệ kín phản hồi đầu ra khi ghép chung bộ điều khiển
dự báo phản hồi trạng thái phi tuyến với bộ quan sát trạng thái, cũng như phải xây dựng được
thuật toán để giải bài toán tối ưu khi có ràng buộc về t ín hiệu điều khiển, . Các thách thức
này cũng chính là động cơ thúc đẩy đề tài nghiên cứu của luận án.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án
Mục t iêu của luận án là giải quyết bài toán "Điều khiển dự báo phản hồi đầu ra theo
nguyên lý tách cho hệ phi tuyến". Để thực hiện được mục t iêu này, luận án đặt ra hai nhiệm vụ
chính, bao gồm:
 Sử dụng hàm mục tiêu có cấu trúc biến đổi trong việc xây dựng bộ điều khiển dự báo
phản hồi trạng thái nhằm mở rộng t ính linh hoạt của bộ điều khiển và hơn nữa là có thể
chuyển được bài toán điều khiển có điều kiện ràng buộc cho tín hiệu điều khiển cũng
như trạng thái về thành bài toán không ràng buộc.
 Xây dựng bộ quan sát trạng thái và từ đó là bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra cho
hệ phi tuyến trên cơ sở sử dụng bộ quan sát trạng thái, cũng như khảo sát tính ổn định
của hệ kín thu được.