Luận án Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng Nơ ron nhân tạo

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v

DANH MỤC CÁC BẢNG . viii

DANH MỤC HÌNH VẼ . ix

MỞ ĐẦU . 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ USV VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN . 6

1.1. Các khái niệm . 6

1.1.1. Các hệ trục tọa độ được sử dụng trong phân tích các phương tiện hàng hải 6

1.1.2. Vị trí và hướng trong chuyển động của tàu . 8

1.2. Tổng quan về xây dựng phương trình chuyển động của phương tiện hàng hải . 9

1.2.1. Phương trình chuyển động của vật rắn . 10

1.2.2. Một số mô hình phương tiện hàng hải . 15

1.3. Phương tiện nổi tự hành thiếu cơ cấu chấp hành . 18

1.3.1. Mô hình động lực học của USV thiếu cơ cấu chấp hành . 18

1.3.2. Biến đổi mô hình . 22

1.3.3. Phân tích mô hình. 29

1.4. Mô hình các nhiễu môi trường . 29

1.4.1. Dòng chảy . 30

1.4.2. Gió . 30

1.4.3. Sóng . 32

1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . 34

1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước . 34

1.5.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước . 35

1.6. Đặt bài toán . 39

1.7. Kết luận Chương 1 . 40

Chương 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI

BÁM QUỸ ĐẠO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO . 41

2.1. Cơ sở lý thuyết . 41

2.1.1. Phương pháp điều khiển trượt tầng . 41

2.1.2. Mạng nơ ron RBF . 46

2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi nơ ron cho USV . 49

2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo cho USV . 49

2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi có xét đến sai lệch mô hình

và nhiễu . 55

2.2.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo trượt tầng thích nghi . 62

2.3. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. . 62

2.3.1. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển với quỹ đạo đường thẳng . 63

2.3.2. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển với quỹ đạo là đường cong . 76

2.4. Kết luận Chương 2 . 87

Chương 3 TỔNG HỢP BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI CHO USV

TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO . 89

3.1. Cơ sở lý thuyết . 89

3.1.1. Bộ quan sát trạng thái Luenberger . 90

3.1.2. Bộ quan sát tựa Luenberger . 93

3.2. Thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo . 94

3.3. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển USV kết hợp bộ quan sát vận tốc . 106

3.3.1. Mô phỏng đánh giá chất lượng bộ quan sát vận tốc thích nghi . 106

3.3.2. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi

kết hợp bộ quan sát thích nghi . 111

3.4. Kết luận Chương 3. . 114

KẾT LUẬN . 115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 118

PHỤ LỤC . 125

 

pdf160 trang | Chia sẻ: vietdoc2 | Ngày: 27/11/2023 | Lượt xem: 271 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng Nơ ron nhân tạo, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ển bám quỹ đạo cho USV Trong phần này, bộ điều khiển trượt tầng được thiết kế cho mô hình bỏ qua sai lệch mô hình và ảnh hưởng của nhiễu. Mô hình trong (1.68) có dạng có thể sử dụng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho lớp đối tượng thiếu cơ cấu chấp hành để thiết kế bộ điều khiển. Mục tiêu của bài toán là điều khiển chuyển động của USV bám quỹ đạo đặt trước trong môi trường nhiễu tác động như dòng chảy và sóng, gió thông qua các véc tơ vị trí và vận tốc  và  . 50 Mô hình USV theo (1.68) có dạng.                     1 1 1 2 2 2 3 1 4 2 1 1 1 1 1 2 2 4 3 . , , , , r r r r J J J J f M f M M M a b c d                                       (2.41) Từ (2.41).a ta có    1 1 1 2 2 ;J J      (2.42)        1 2 1 1 1 2 2 1 2 . dJ dJ J J dt dt                      (2.43) Thế 1 và 2 trong (2.41) vào (2.43) ta có được:                  1 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 4 3 1 , , , , , r r r r dJ J f J f dt dJ J J M M M dt                                     (2.44) trong đó   1 11 2 4 3 1 4 2 2 1 1 2 2 1( , )r rf M M M C C N C C N              1 12 4 3 1 4 2 2 4 3,r rf M C C N M M         Từ (2.41)(b) ta có    2 3 1 4 2J J      (2.45)        3 4 2 3 1 4 2 1 2 dJ dJ J J dt dt              (2.46) Thế 1 và 2 vào (2.46) ta có được: 51                  3 1 4 2 2 3 4 1 1 1 2 3 4 4 3 , , , , . r r r rJ f J f dJ dJ J J M M M dt dt                                 (2.47) Định nghĩa các véc tơ sai lệch bám: 1 1 1 2 2 2 d d e e          , trong đó  1 T d d dx  và 2d dy  . xét phương trình 1 1 1de    , lấy đạo hàm 2 vế theo thời gian ta có được: 1 11 ;de    (2.48)  1 1 1 .de     (2.49) Thay (2.49) vào (2.49) ta có được:                  1 1 1 2 2 1 1 1 2 1 1 2 1 2 4 3 , , , , , r r r r d dJ J f J f dt e dJ J J M M M dt                                     (2.50) kí hiệu               1 1 2 2 1 1 1 2 1 2 , , , , , , , , r r r r d J f J f F t dJ dJ dt dt                                    1 11 1 2 4 3G J J M M M     (2.51) ta có được  1 1 1, , .e F G     (2.52) Đặt 1 1 d d x x z e           . Khi đó hệ thống (2.52) trên trở thành.   1 2 2 1 1 . , , , z z z F t G        (2.53) 52  Đăt tín hiệu sai lệch bám 2 2 2de    2 2 2de     (2.54) 2 2 2de     (2.55) Thay (2.47) vào (2.55) ta có:                  3 1 4 2 2 2 3 4 1 1 1 2 3 4 4 3 , , , , . r r r r dJ f J f e dJ dJ J J M M M dt dt                                 (2.56) Đặt               3 1 4 2 2 2 3 4 1 2 , , , , , , , . r r r r dJ f J f F t dJ dJ dt dt                                   1 12 3 4 4 3G J J M M M     (2.57) Như vậy sẽ có được  2 2 2, , ,e F t G     (2.58) đặt biến phụ 3 2 dz e y y   , thay vào (2.58) ta có được:   3 4 4 2 2 . , , , z z z F t G        (2.59) Từ (2.53) và (2.59) ta có phương trình trạng thái sai lệch tương ứng như sau:     1 2 2 1 1 3 4 4 2 2 , , , , , , z z z F t G z z z F t G                  (2.60)  Xét hệ con thứ nhất:   1 2 2 1 1, , , z z z F t G        (2.61) 53 Định nghĩa mặt trượt 1S cho hệ con thứ nhất là 1 1 1 2;S z z  (2.62) Trong đó 11 1 12 0 0           là xác định dương. Chọn hàm Lyapunov có dạng như sau: 1 1 1 1 2 TV S S (do 1S là vector) (2.63) Đạo hàm 1V theo thời gian: 1 1 1 TV S S (do 1S là vector) (2.64) Sửa lại: Để 1V là hàm Lyapunov thì có thể tìm tín hiệu điều khiển để 1 1 1 1 1( )S k S sgn S   , 1k và 1 là các hằng số dương, lúc đó ta có: 1 1 1 1 1 1 1 1 1sgn T TV S S k S S S S    (2.65) Thay (2.62) vào (2.65) ta được: 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1sgnS z z z F G k S S           (2.66) Từ đó ta xác định được tín hiệu điều khiển 1u để 1V là hàm Lyapunov w1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1( ) ( sgn ) eq s G z F G k S S           (2.67)  Xét hệ con thứ hai:   3 4 4 2 2, , , z z z F t G        (2.68) Đặt mặt trượt cho hệ con thứ hai là: 2 1 2S S s   (2.69) trong đó: 11 1 22 2 0 ; ; 0                    11 , 12 , 1 và 2 đều là những số thực 54 2 2 3 4;s z z  (2.70) Với 2  và 2 > 0 Chọn hàm Lyapunov cho hệ con thứ hai là 2 2 2 1 2 TV S S (vì 2S là vecto) (2.71) Đạo hàm theo thời gian 2 2 2 TV S S (2.72) Tương tự như trên ta chọn tín hiệu điều khiển để 2 1 2 2 2sgnS k S S   , 2 2, 0k   ta có 2 2 2 2 2 2 2sgn T TV k S S S S   (vì 2S là vecto) (2.73) Đạo hàm hai vế phương trình (2.69) 2 1 2S S s   (2.74) Thay (2.62) và (2.70) vào (2.74) ta có    2 1 2 1 1 2 4 2 2 2 2 2 2sgnS z F G z F G k S S               (2.75) Phân tích tín hiệu điều khiển thành các thành phần như sau: 1 w1 2 w2eq s eq s        (2.76) Thay (2.76) vào (2.75) ta được       2 1 2 1 1 1 w1 2 w 2 2 4 2 2 1 w1 2 w 2 2 2 2 2sgn eq s eq s eq s eq s S z F G z F G k S S                             (2.77)         1 2 1 1 1 2 4 2 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 2 2 2sgn eq eq sw sw eq eq z F G z F G G G G G G G k S S                                         (2.78) Để thỏa mãn phương trình (2.78) ta có: 55  12 2 2 4 2eq G z F     (2.79)         1 w 2 w1 1 2 1 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2sgn s s eq eqG G G G G G k S S                       (2.80) Trong đó 1eq và w1s được tính trong (2.67) Từ đó ta có được tín hiệu  để hàm 2V là hàm Lyapunov là:        1 11 2 1 1 2 2 1 2 2 2 2 2sgneq eqG G G G G G k S S                   (2.81) Cuối cùng, để giảm thiểu hiện tượng “Chattering” trên mặt trượt, đề xuất sử dụng hàm tanh-hypebolic thay cho hàm dấu sgn(.) và rút gọn biểu thức (2.81). Bộ điều khiển phản hồi trạng thái được tổng hợp cuối cùng theo phương pháp trượt tầng sẽ là:           1 2 1 2 2 1 1 2 4 2 2 2 2 , , , , , , tanh F t F t k S S z G G z                                   (2.82) 2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi có xét đến sai lệch mô hình và nhiễu Trong phần trên bộ điều khiển trượt tầng cho USV được xây dựng, tuy nhiên chưa xét đến thành phần nhiễu  ,  và sai lệch mô hình . Sai lệch mô hình do một số thành phần của hệ thống: ma trận Coriolis và hướng tâm của tàu và thủy động lực học  A rC  , ma trận giảm chấn  rD  thay đổi, khó khăn trong việc xác định chính xác do, ảnh hưởng nhiễu tác động từ môi trường như sóng, sức gió, ảnh hưởng của dòng chảy, Do vậy, luận án gộp các thành phần bất định của nhiễu và sai lệch mô hình này lại thành một véc tơ và sử dụng mạng nơ ron RBF tìm cách xấp xỉ hàm này đưa vào bộ điều khiển. Trong công thức tính tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển trượt tầng trong (2.82) có chứa  1 , , ,  F t và  2 , , ,  F t đây là các hàm có các hệ số là các thành phần của mô hình hệ thống và các nhiễu dòng chảy sóng gió tác động vào USV. Với 56 giả thiết, các tham số mô hình có thể bị thay đổi hoặc là chưa biết và các nhiễu sóng, gió là không thể đo được. Lúc này, các hàm  1 , , ,  F t và  2 , , ,  F t là các hàm phi tuyến bất định và chúng ta không thể có được giá trị tín hiệu điều khiển một cách chính xác. Luận án đề xuất bộ điều khiển trượt tầng thích nghi trong đó sử dụng mạng nơ ron RBF để xấp xỉ các hàm bất định  1 , , ,  F t và  2 , , ,  F t . Hệ thống kín cần phải đảm bảo ổn định đồng thời luật cập nhật làm cho mạng nơ ron hội tụ. Để tiện trình bày, sau đây sẽ sử dụng kí hiệu  *1 , , ,  F t thay cho  1 , , ,  F t và  *2 , , ,  F t thay cho  2 , , ,  F t . Theo lý thuyết về mạng nơ ron, luôn tồn tại 2 giá trị trọng số tối ưu *1W và * 2W không đồng thời bằng 0 để có :             * * 1 1 1 1 * * 2 2 2 2 , , , W , , , , , , W , , ,                       T T F t Q t F t Q t (2.83) Sai lệch trọng số được hiểu là * 1 1 1 ˆW W W  và *2 2 2 ˆW W W  . Kích thước của ma trận và véc tơ trọng số lần lượt là   1 21 1Wˆ W  N và   2 12 2Wˆ W  N với 1 2,N N lần lượt là số đơn vị nơ ron tính toán cho lớp ẩn. 2 1  và 2  lần lượt là sai số xấp xỉ của mạng nơ ron. Giá trị ước lượng của mạng nơ ron là    1 1 1ˆ ˆ, , , W , , ,      TF t Q t (2.84)    2 2 2ˆ ˆ, , , W , , ,      TF t Q t (2.85) Định lý 2.1: Xét hệ thống điều khiển USV trong (2.33), và mạng nơ ron RBF được sử dụng để xấp xỉ hàm phi tuyến bất định, luật cập nhập cho mạng nơ ron là:       11 1111Λ ˆ ˆ, , , W W     TQ t S t S t (2.86)      2 2 2 212Λ ˆ ˆ, , , W W     TQ t S t S t (2.87) Với ,  là các thông số tổ hợp mặt trượt tương tự đã được sử dụng ở bộ điều khiển trượt tầng. 1 11Λ  N N , 2 22Λ  N N là 2 ma trận vuông xác định dương tùy ý, 57 1 và 2 là hệ số học của mạng được chọn là những số dương tùy ý. Với luật thích nghi (2.86) , (2.87) nếu thỏa mãn thêm điều kiện: 1 2 2 * * 1 1 2 2 * * 1 2 in n 2 m mi W 4 4 4 W 4 , N NF F C C S max                 (2.88) Trong đó:  * *1 1 * 1 1 0, sup       N O và  * *2 2 * 2 2 0, sup       N O , 1 2 K C C đối xứng, xác định dương được chọn đủ lớn, 1 min và 2 min lần lượt là giá trị riêng nhỏ nhất của 1C và 2C , sẽ đảm bảo được tính ổn định Lyapunov của hệ thống, tức là sẽ có đồng thời     0 lim 0 ; ,       t S t S t t (2.89) Trong đó kí hiệu   O là một lân cận đủ nhỏ bao quanh gốc tọa độ. Chứng minh: Trước hết, với công thức cập nhật mạng nơ ron  1ˆ , , ,  F t và  2ˆ , , ,  F t thì tín hiệu điều khiển của hệ thống bây giờ sẽ là:      1 2ˆ ˆ ˆ ˆ      eq eq swt t t (2.90) Với         1 1 1 1 2 4 3 1 1 1 ˆˆ , , ,           eq M J J M M z F t (2.91)     2 2 2 3ˆˆ , , , , , ,         eq R t F t z (2.92)            1 1 1 1 2 2 1 w 1 2 ˆ ˆ, , ˆ , , tanh                            eq eq s M t M M t M M M t M t KS S (2.93) Sử dụng hàm ứng cử Lyapunov xác định dương có dạng:          1 11,2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 W W W 2 W, W 2      T T TV S S t S t trace trace (2.94) Trong đó (.)trace là toán tử lấy tổng của các phần tử trên đường chéo chính của ma trận được định nghĩa bởi:   ij 0 , 1 ,          m mm m m ii i j m i trace X x X x . Lấy đạo hàm 58 hai vế của (2.94) ta được:          1 11,2 1 1 1 2 2 2W W W W W,      T T TV S S t S t trace trace (2.95)          1 11,2 1 1 2 2 21 ˆ ˆW W W, W W      TT TV S S t S t trace trace (2.96) Vì 1 1 ˆW W  và 2 2 ˆW W  . Mặt khác với việc sử dụng tín hiệu điều khiển xấp xỉ (2.90) suy ra:                 1 1 1 1 1 1 2 4 3 1 2 1 1 2 3 2 3 4 4 3 ˆ, , , ˆ, , ,                                         z F t J J M M M S s s z F t J J M M M (2.97)                     1 1 1 1 1 1 2 4 3 1 1 2 21 23 2 3 4 4 13 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ , , ˆ , , , ,                                           eq sw eq eq sw eq z F t J J M M M S z F t J J M M M (2.98) Thay 1ˆ eq , 2ˆ eq và wˆ s vào (2.98) và chú ý đến       1 13 4 4 3 , , , 1      J J M M M R t ,       1 1 1 2 4 3 ,    M t J J M M và       12 3 4 4 3,     M t J J M M thì ta có được:             1 1 2 2 ˆ ˆ, , , , , , , , , , , , tanh                      S F t F t F t F t KS S (2.99)      1 1 2 2 1 2W , , , W , , , tanh                 T T S Q t Q t KS S (2.100) Thay (2.100) vào phương trình đạo hàm Lyapunov ta được:            1,2 1 11 1 1 2 2 1 2 2 22 1 1 tanh W , , , W , , , W ˆ ˆW W W W ,                                T T T T T T T T T T S S S S V S tr S ace trace K S S t S Q t Q (2.101) Ngoài ra chúng ta có công thức liên hệ:     1 1 1 1W , , , W , , ,       T TT TQ t tra e Q t ScS (2.102)     2 2 2 2W , , , W , , ,       T TT TQ t tra e Q t ScS (2.103) Thì công thức (2.100) sẽ trở thành: 59            2 1 1 1 1 1 1 1,2 22 1 22 ˆtanh W , , , W W ˆW , , , W ,                                  T T TT TT T T KS S trace Q t trace Q t S S S V S S S S (2.104) Sử dụng công thức (2.86) và (2.87), đạo hàm của hàm ứng viên Lyapunov trở thành:           * 1 1 1 1 * 2 1 1, 2 2 2 2 2 ˆtanh W W W W ˆW W , W                       T T TT T T S S SKS S S trace trac V S S Se (2.105) Áp dụng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz có dạng như sau:      2 1 1 1 2 * * 1 1 1 * * 2 2 22 2 2 W W W W W W W W W W W W         F T F F F F T F trace trace (2.106) Ta có được đánh giá:         1 2 * 1 1 2 * 2 2 2 1 1 1,2 2 2 tanh W W W W W W , W                      T T FF F T T FF F KS S SS S SS S V S (2.107)     2 2 2 * * 1 1* 1 1 1 * 2 2 2 2 1 1 1 , 2 2 2 22 2 2 12 W W tanh W W W W W W W W W 4 4 , 4 4 T T F F F FF T TF F F FF KS S SS S V S S S S SS                                              (2.108) Đặt 1 2 K C C , do các ma trận 1C và 2C xác định dương nên áp dụng bất đẳng thức về dạng toàn phương có dạng: 2 2 min max0 , 0      T q qx x Qx x x (2.109) Trong đó ma trận Q vuông biểu diễn ánh xạ tuyến tính f giữa 2 không gian véc tơ V, W xác định trên trường số thực , f : WV . minq và axqm là trị riêng nhỏ nhất và lớn nhất của Q . Và có thể thấy rằng: 60  * *1 1 * 1 1 1 0, sup         N O và  * *2 2 * 2 2 2 0, sup         N O Với   O là một lân cận đủ nhỏ bao quanh gốc. Thì ta còn suy ra được:     1 2 2 2 * * 1 2 1 2 * 2 21 1 i2 1 2 1,2 2 2 * * 2 1 min 2 m n W W tanh W W W W W 2 2 , 4 4 T F F F F C CF F N N S S S S S S S S S S V S                                              (2.110) Như vậy nếu mặt trượt S thỏa mãn: 1 2 1 * * 1 1 2 2 2 * * 2 min min 22 W W , , 4 4 4 4 N NF F C C S S S max                       (2.111) Ta sẽ được tính xác định âm của hàm Lyapunov:   2 2 * * 1 2 min 1 2 1,2 1 2 1 W W W W W 0 , 2 2 n i i F F F F s S V S S c S                             (2.112) Với 0, c c . Do đó, sẽ luôn có được * , 0    S s t . Ngoài ra ta còn thấy đạo hàm cấp 2 của hàm Lyapunov:           2 1 2 1 1 2 2 1,2 2 1 t W 2 , anh sech W W W W                        T T T T T T T KS S S d S trace dtra t S ce S S dt S S S V S d (2.113) Từ (2.100) ta còn thấy được: 61                        1 1 2 2 1 2 1 1 2 22 1 2 1 1 2 2 1, 1 2 2 1 2 W , , , W , , , tanh W W W W sech W W , , , W , , , tanh ta h 2 n ,                                                                    T T T T T T T T T Q t Q t KS S K dtrace dtrace S S S dt dt S S Q t Q t K S S V S S                  (2.114)                          1 2 2 2 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 1 2 1 1,2 tanh tanh tanh , , , sech W w w 2 , , , , , , tanh ta 2 2 2 2 2 ,                                                      T T T T N N T T T T T i T T T T T Tii i i i T K S K S S S K K Kh t S S d d S S K dt dt h t h S S S S S S V S K S t S  nh                S (2.115) Trong đó      1 1 1 2 2, , , W , , , W , , ,           T Th t Q t Q t có  1 , , ,    Mh t h . Do đã có * , 0    S s t , sai số thỏa mãn:  * *1 1 * 1 1 1 0, sup         N O và  * *2 2 * 2 2 2 0, sup         N O , trọng số là bị chặn nên từ đây suy ra:           2 2 2 2 1 1 2 2 * * 2 * max max 1 max 2 max tanh tanh tanh 2 2 2 2                              T T T T T T K K N N T TK S K S SS S S s (2.116)       2 1 2 1 * * * * min 1 min 2 , , , sech 2 2 2 2 2 2 K K M T T T TS S S SK K Kh t S s cs h                           1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 * 1 1 2 2 1 w w 2 w w                            N N T Tii ii T i i M M d d S K d s S t dt (2.117)            1 1 2 1 * * 1 max 2 max , , , , , , tanh tanh                       T T M N N Th t h t SSS K h 62 Với 1 0  và min(max) X là trị riêng nhỏ nhất (lớn nhất) của ma trận X. Từ đó ta còn có được tính bị chặn của đạo hàm cấp hai của hàm Lyapunov:  1,2W, , M MV S V V (2.118) Vì vậy theo bổ đề Barbalat, sẽ có được tính giới hạn của  1,2 0l m ,i W   t V S . Do đó   0lim t S t   . Như vậy định lý hoàn toàn được chứng minh. Từ thuật toán dễ thấy tốc độ hội tụ về giá trị đặt càng nhanh nếu 2 ma trận 1 1 1Λ  N N , 2 22Λ  N N có các giá trị riêng càng nhỏ. Hay các ma trận nghịch đảo của chúng 11Λ  , 1 2Λ  có các giá trị riêng càng lớn. Ngoài ra để đảm bảo điều kiện (2.88), ma trận K nên chọn sao cho có trị riêng đủ lớn. 2.2.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo trượt tầng thích nghi Từ các phân tích và thiết kế trên. Cấu trúc bộ điều khiển bám quỹ đạo trượt tầng thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo được trình bày ở trên được thể hiện trong hình dưới đây. Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển bám trượt tầng thích nghi 2.3. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. Để kiếm chứng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển đã thiết kế. Luận án sẽ tiến hành mô phỏng với kịch bản mô phỏng điều khiển USV Thông số mô hình được trích dẫn từ [13] được trình bày trong phụ lục A1 trong các điều kiện có không có nhiễu tác động lên đối tượng và có nhiễu môi trường tác động lên đối tượng. Cả hai trường 63 hợp trên được mô phỏng sử dụng bộ điều khiển HSMC và bộ điều khiển AHSMC để làm rõ ưu điểm của bộ điều khiển AHSMC đã được thiết kế. Như vậy. Hệ thống sẽ được mô phỏng trong các trường hợp sau: a. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển HSMC và bộ điều khiển AHSMC điều khiển USV chuyển động bám theo quỹ đạo là một đường thẳng - Trường hợp 1. Khi không có nhiễu môi trường tác động vào USV - Trường hợp 2. Khi có các nhiễu môi trường là dòng chảy và sóng tác động vào USV, có xét đến mô hình bị thay đổi trong quá trình chuyển động. b. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển HSMC và bộ điều khiển AHSMC điều khiển USV chuyển động bám theo quỹ đạo là một đường cong. - Trường hợp 1. Khi không có nhiễu môi trường tác động vào USV - Trường hợp 2. Khi có các nhiễu môi trường là dòng chảy và sóng tác động vào USV, có xét đến mô hình bị thay đổi trong quá trình chuyển động. 2.3.1. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển với quỹ đạo đường thẳng Kết quả mô phỏng bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) điều khiển USV chuyển động theo quỹ đạo là một đường thẳng xuất phát từ gốc tọa độ, khi không có nhiễu tác động vào USV. Vị trí xuất phát của USV nằm ngoài quỹ đạo đặt là 0( ), 10( ), / 3( )x m y m pi rad   . Với thông số của bộ điều khiển được chọn thông qua kinh nghiệm trong quá trình mô phỏng là: 1 0,3 0 0 2         ;   2 1.6 ; 9 0 0 3         ; 5 0 0 5 K        ; 5 0 0 5         0,1 1 T      . 64 Hình 2.4 Quỹ đạo của USV, đường thẳng, không có nhiễu Sai lệch theo phương x và y Hình 2.5 Sai lệch bám theo phương x , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.6 Sai lệch bám phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Vận tốc theo các phương ,x y của USV 65 Hình 2.7 Vận tốc theo phương x , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.8 Vận tốc theo phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Góc hướng của USV Hình 2.9 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.10 Vận tốc góc của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Tín hiệu điều khiển 66 Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Từ các Hình 2.4, Hình 2.5, Hình 2.6 chúng ta thấy rằng các sai lệch về vị trí của USV so với quỹ đạo đặt là 0 x e  ,  0 y e . Các Hình 2.7, Hình 2.8, Hình 2.10 cho thấy vận tốc của USV rất ít bị thay đổi. Điều này là phù hợp bởi vì trong trường hợp này USV chuyển động trong môi trường không có nhiễu tác động. Trường hợp mô phỏng bộ điêu khiển trượt tầng thích nghi (AHSMC) với quỹ đạo là đường thẳng như đã mô phỏng ở trên và không có nhiễu tác động. Các điều kiện ban đầu của USV và thông số bộ điều khiển tương tự trường hợp mô phỏng trên: Số nơ ron = 10, các hệ số học 1 0,03  , 2 0,05  Quỹ đạo chuyển động của USV 67 Hình 2.12 Vị trí của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.13 Sai lệch theo phương x , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.14 Sai lệch theo phương y , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Vận tốc theo các phương ,x y 68 Hình 2.15 Vận tốc theo phương x , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.16 Vận tốc theo phương y , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Góc hướng của USV Hình 2.17 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.18 Vận tốc góc của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu 69 Tín hiệu điều khiển Hình 2.19 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu So sánh sai lệch bám của hai bộ điều khiển Sai lệch theo phương x Hình 2.20 Sai lệch theo phương x của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.21 Sai lệch theo phương y của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu 70 Nhận xét: Trong cả hai trường hợp mô phỏng trên, kết quả mô phỏng đều cho thấy USV chuyển động bám theo quỹ đạo đặt trước với các sai lệch rất nhỏ. Từ Hình 2.20 cho thấy rằng sai sai lệch bám theo phương x của cả hai bộ điều khiển là 0 x e  . Tương tự như vậy sai lệch bám theo phương y được biểu diễn trong Hình 2.21 cho thấy trong trường hợp bộ điều khiển HSMC và AHSMC có giá trị rất nhỏ  0 y e . Như vậy, chúng ta thấy rằng trong trường hợp USV chuyển động với quỹ đạo là đường thẳng và không có nhiễu tác động thì cả hai bộ điều khiển đều cho chất lượng tốt và không có sự khác biệt rõ ràng về các sai lệch bám. Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển trong bộ điều khiển AHSMC tại các thởi điểm ban đầu dao động mạnh hơn so với tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển HSMC. Trường hợp mô phỏng bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) USV chuyển động theo quỹ đạo là một đường thẳng xuất phát từ gốc tọa độ, khi có dòng nước tác động vào USV có giá trị :    0,3sin 0,7 0,1sin 0,5 0 T c t t     Sai lệch mô hình được tham khảo ở [6] là:    2 3, 1,5 2 0,05 sin 0 T u r v         . và nhiễu sóng tác động theo công thức (1.83) có dạng như tr

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_tong_hop_bo_dieu_khien_truot_thich_nghi_cho_phuong_t.pdf
  • pdfQĐ cấp Viện Nguyễn Khắc Tuấn.pdf
  • docThongTin KetLuanMoi LuanAn NCS NguyenKhacTuan.doc
  • pdfTomTat LuanAn NCS NguyenKhacTuan_TiengAnh.pdf
  • pdfTomTat LuanAn NCS NguyenKhacTuan_TiengViet.pdf
  • docTrichYeu LuanAn NCS NguyenKhacTuan.doc
Tài liệu liên quan