Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa "Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo" được nghiên cứu với mục tiêu: Phân tích mô hình toán học của USV, nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến, mạng nơ ron nhân tạo làm cơ sở để thực hiện mục tiêu đã nêu ở trên; Xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV, có khả năng khắc phục được nhiễu tác động với biên độ nhỏ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN KHẮC TUẤN TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO PHƯƠNG TIỆN NỔI TỰ HÀNH TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. TS Lê Trần Thắng 2. PGS. TS Nguyễn Đức Khoát Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Vũ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Phản biện 2: PGS. TS Phạm Trung Dũng Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: GS. TSKH Đỗ Đức Lưu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Phương tiện nổi tự hành (USV) đã và đang được quan tâm nghiên cứu, phát triển một cách rộng rãi, một số kết quả nghiên cứu đã đưa vào ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực kinh tế cũng như quốc phòng. Tuy nhiên, đây là một đối tượng có tính phi tuyến mạnh và hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động không biết trước. Bên cạnh đó các USV thường được chế tạo có dạng thiếu cơ cấu chấp hành. Các vấn đề trên gây khó khăn trong việc thiết kế các bộ điều khiển cho USV. Do đó, nghiên cứu và đề xuất các bộ điều khiển chuyển động cho phương tiện nổi tự hành là một đề tài có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại làm cơ sở để xuất các bộ điều khiển chuyển động cho USV, chịu ảnh hưởng của nhiễu môi trường. Phân tích mô hình toán học của USV, nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến, mạng nơ ron nhân tạo làm cơ sở để thực hiện mục tiêu đã nêu ở trên. Xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV, có khả năng khắc phục được nhiễu tác động với biên độ nhỏ. Xây dựng bộ điều khiển thích nghi phi tuyến sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển bám quỹ đạo cho USV hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là đối tượng là USV thiếu cơ cấu chấp hành. Với mục tiêu điều khiển cho USV chuyển động bám theo một quỹ đạo đặt trước. Phạm vi nghiên cứu là đảm bảo USV có thể chuyển động bám quỹ đạo ở môi trường mặt nước, có các nhiễu như dòng chảy, gió, sóng, ... tác động trong quá trình làm việc.
2 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mô hình động học, động lực học cho USV. Nghiên cứu phân tích các tác động của nhiễu môi trường lên USV. - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến hiện đại, mạng nơ ron nhân tạo và khả năng áp dụng cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Trên những nền tảng đó, xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV và bộ điều khiển phi tuyến thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để đảm bảo USV chuyển động bám quỹ đạo đặt trong điều kiện có nhiễu môi trường tác động trong quá trình hoạt động. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là kết hợp giữa phương pháp lý thuyết với mô phỏng số. Lý thuyết điều khiển phi tuyến, đặc biệt là điều khiển trượt tầng, điều khiển phi tuyến thích nghi, mạng nơron nhân tạo làm cơ sở để xây dựng các bộ điều khiển cho USV. Các đề xuất mới của luận án được phân tích tính ổn định bằng tiêu chuẩn Lyapunov và được phân tích, đánh giá qua mô phỏng số bằng phần mềm Matlab – Simulink với các kịch bản khác nhau. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Tổng hợp bộ điều khiển chuyển động phi tuyến cho đối tượng USV thiếu cơ cấu chấp hành. - Đề xuất luật điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo và các phương pháp điều khiển hiện đại để đáp ứng được yêu cầu điều khiển USV trong môi trường làm việc có nhiễu tác động. - Đề xuất bộ quan sát thích nghi tựa Luenberger cho đối tượng phi tuyến sử dụng để quan sát vận tốc USV mà không cần sử dụng cảm biến đo vận tốc. Ý nghĩa thực tiễn: - Các bộ điều khiển được đề xuất trong luận án có thể được sử dụng để điều khiển cho USV thực hiện các nhiệm vụ trên sông, biển trong các ứng dụng
3 nghiên cứu, khai thác, cứu hộ, … phục vụ phát triển kinh tế cũng như quốc phòng. 7. Bố cục của luận án Với các nội dung nghiên cứu được đặt ra ở trên, ngoài phần mở đầu, kết luận luận án được bố cục thành ba chương với nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về USV và các phương pháp điều khiển, Chương 2: Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi bám quỹ đạo trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo cho USV, Chương 3: Tổng hợp bộ quan sát tốc độ thích nghi cho USV trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo Chương 1 TỔNG QUAN VỀ USV VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1. Mô hình động học của phương tiện hàng hải Mô hình hóa của phương tiện hàng hải liên quan đến nghiên cứu các trạng thái tĩnh và động. Cơ bản về khoa học động lực học được dựa trên các định luật của Newton đưa ra năm 1687. Cơ bản nó chia các nghiên cứu về động lực học thành hai phần: chuyển động học, nghiên cứu các vấn đề liên quan đến các khía cạnh chuyển động, và động lực học. Với các phương tiện hàng hải, 6 thành phần chuyển động thường được định nghĩa là: chuyển động tịnh tiến (surge), chuyển động dạt (sway), chuyển động lên, xuống (heave), chuyển động quay lắc (roll), chuyển động quay lật (pitch) và chuyển động quay hướng (yaw). 1.1.1. Các hệ trục tọa độ được sử dụng trong phân tích các phương tiện hàng hải Để xét chuyển động của phương tiện hàng hải thông thường chúng ta sử dụng các hệ tọa độ như sau: Hệ tọa độ gắn với thân phương tiện BODY (b-frame) xb yb zb là hệ tọa độ được gắn với phương tiện và di chuyển cùng với phương tiện. ECI (i-frame) Là hệ tọa độ quán tính gốc tọa độ xi yi zi được đặt ở tâm trái đất. ECEF (e-frame) có gốc tọa độ xe ye ze gắn với trái đất nhưng quay tương đối so với hệ tọa độ quán tính ECI với tốc độ quay là e  7.2921.105 rad / s .
4 Hệ tọa độ quy chiếu địa lý (Geographic Reference Frame) gồm: Hệ tọa độ North-East-Down (NED) (n-frame) xn yn zn là hệ tọa độ thường được sử dụng trong hàng hải. Nó được gắn với mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt trái đất và chuyển động cùng với phương tiện, trục x chỉ theo hướng Bắc, trục y chỉ theo hướng Đông, trục z chỉ theo hướng vào tâm trái đất. 1.1.2. Phân tích về vị trí và hướng trong chuyển động của tàu Đạo hàm bậc nhất theo thời gian của véc tơ vị trí  có mối liên hệ với véc tơ  thông qua phép chuyển đổi hệ trục tọa độ. Phương trình mô tả vị trí và hướng của phương tiện hàng hải là: 1   J1 2  O33  1            J   . (1.5)  2  O33  J 2 2   2   1.1.3. Phương trình chuyển động của phương tiện hàng hải Phần này trình bày các vấn đề cơ sở trong việc xây dựng mô hình động học và động lực học cho các phương tiện hàng hải, đồng thời trình bày một số mô hình mô hình toán thường được sử dụng trong thiết kế các bộ điều khiển cho các phương tiện hàng hải như mô hình điều vận, mô hình của Nomoto, Mô hình của Norrbin, mô hình của Bech và Wagner Smith. 1.2. Phương tiện nổi tự hành (USV) thiếu cơ cấu chấp hành 1.2.1. Mô hình động lực học của USV thiếu cơ cấu chấp hành Hình 1.5. Cấu trúc USV sử dụng hai động cơ đẩy
5 Khi phương tiện hàng hải chuyển động trên đại dương ta coi như nó chuyển động trên một mặt phẳng nằm ngang tiếp tuyến với bề mặt trái đất. Do đó từ mô hình sáu bậc tự do của các phương tiện hàng hải nói chung, phương trình chuyển động của tàu nổi chỉ còn ba bậc tự do gồm:   u, v, r  và    x, y,  , các thành phần   p  q  0 . T T Mô hình động lực học của USV với sự tác động của dòng hải lưu là:     J    , (1.43)  M RB  CRB     RB  trong đó    x y   là véc tơ vị trí và tư thế của USV; x, y là thành phần vị trí của T trọng tâm tàu trong hệ tọa độ mặt đất,  là góc hướng tàu;   u v r  tương T ứng là véc tơ vận tốc của tàu USV theo các phương x, y và phương góc. Ma trận chuyển trục từ hệ tọa độ gắn thân tới hệ tọa độ gắn với mặt đất: cos    sin   0    J   sin   cos   0  . (1.44)  0  0 1  Ma trận quán tính của USV:  m 0 myG  M RB    0 mxG  . m  (1.45)  myG mxG  Iz   Ma trận Coriolis và lực hướng tâm của USV:  0 0 m  xG r  v     CRB     0 0 m( yG r  u )  , (1.46)  m  xG r  v  m( yG r  u )  0   trong đó xG , yG là tọa độ tâm của USV trong hệ tọa độ gắn với thân, m là khối lượng của USV, I z là mô men quán tính theo trục Oz của USV.  RB   hyd   hs   wind   wave   all là tổng véc tơ lực và mô men tác dụng lên USV.  hyd  M A r CA  r  r  D  r  r là thành phần lực và mô men do dòng
6 chảy gây ra với  r là vận tốc tương đối của tàu so với dòng chảy. Nếu giả thiết vận tốc dòng nước là  c . Với giả thiết dòng chảy không xoáy (thành phần vận tốc phương góc bỏ qua)  c  uc 0 thì  r     c  ur r  thành T T vc vr phần vận tốc dòng chảy theo phương góc bỏ qua. Véc tơ lực đẩy của động cơ bên trái và bên phải của USV  all   x ; 0;  z    port   star ; 0;( port   star ) B 2    (1.50) Hệ phương trình động lực học của USV được viết lại là     J    , (1.51)  M RB  CRB    N  r     ,    all  trong đó N  r   M A r C A  r  r  D  r  r Mô hình USV đã được mô tả bởi (1.51). Trong quá trình thiết kế bộ điều khiển trượt tầng, các nhiễu bất định   ,  chưa biết nên không xét trong quá trình thiết kế. Mô hình viết thành:     J   a  (1.52)  M RB  CRB    N  r     all b 1.2.2. Biến đổi mô hình Trong mục này tiến hành biến đổi mô hình về dạng phù hợp để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo đặt trong các phần sau của luận án. Mục đích là tách hệ thống thành hai hệ con: trong đó cả hai hệ con cùng sử dụng chung một tín hiệu điều khiển. Ta có phương trình (1.52a) được viết lại thành  x  cos  sin 0 u   y    sin cos 0  v       (1.53)    0    0 1  r    Chuyển sang dạng phương trình đại số  x  u cos  v sin   y  u sin  v cos (1.54)   r 
7 Thực hiện đổi thứ tự của phương trình thứ 2 và phương trình thứ 3 trong (1.54). Đặt lại các véc tơ biến trạng thái  ,  về dạng sau:   x  y  ;   u r v  Viết lại (1.54) dưới dạng ma trận ta có T T  x  cos 0  sin  u      0 1 0  r .      (1.56)  y   sin    0 cos   v    Như vậy, sau khi thực hiện đổi hai hàng cuối của hệ phương trình (1.53) để có được hệ phương trình tương đương viết dưới dạng ma trận thì phải thực hiện đổi các phần tử trong cột thứ hai và cột thứ ba cho nhau như trong (1.56). (1.56) tương đương với   x    cos 0   sin    u        0 1  0                 r  (1.57)  y  sin    0 cos   v    Đặt lại các biến và ma trận J như sau:   1T  2  , với  1   x   ,  2  y ; T T    2  , với  1  u r  ,  2  v ; T   1T T    J1   J 2    cos 0   sin  J   J 3   J 4       , với J1    1 , J 2     ,  0   0    J 3    sin 0 , J 4    cos Hệ (1.58) được viết lại: 1  J1   1  J 2   2   (1.59) 2  J 3   1  J 4   2  Thực hiện các bước biến đổi tương tự như trên cho phương trình (1.52b) Ta có được có được phương trình động lực học tương đương của USV có dạng hai hệ thống con có chung một tín hiệu điều khiển là:
8 1  J1  1  J 2  2   2  J 3  1  J 4  2   (1.66) 1  f1  r , r ,   M  1  2  f 2  r , r ,   M 4 M 3 M  1 1  Đây chính là mô hình được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo cho USV trong các phần sau. 1.2.3. Phân tích mô hình Biến cần điều khiển    x y   tương ứng với vị trí theo phương x , vị T trí theo phương y và góc hướng  của USV (3 biến) tuy nhiên số tín hiệu điều khiển chỉ có hai thành phần lực đẩy  x để điều khiển chuyển động tịnh tiến theo phương x và mô men  z để điều khiển chuyển động quay theo phương z được tạo ra bởi việc phối hợp lực đẩy của hai động cơ đẩy bên mạn trái  port và bên mạn phải  stbd Như vậy, trong trường hợp này số biến cần điều khiển (03) lớn hơn số lượng tín hiệu điều khiển (02) nên hệ thuộc nhóm thiếu cơ cấu chấp hành. 1.3. Mô hình các nhiễu môi trường Việc nghiên cứu điều khiển các đối tượng hàng hải trong đó có USV không thể thiếu tác động của các yếu tố bên ngoài trong đó có môi trường làm việc. Vì vậy, trong phần này sẽ đánh giá tác động của môi trường như dòng chảy, sóng và gió vào mô hình động lực học của USV. 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong lĩnh vực điều khiển các phương tiện hàng hải nổi nói chung các công trình nghiên cứu thường nghiên cứu với mô hình đối tượng đủ cơ cấu chấp hành. Các phương pháp điều khiển cho đối tượng thiếu cơ cấu chấp hành thường phải kết hợp các phương pháp điều khiển khác nhau dẫn đến việc thiết kế và phân tích tính ổn định gặp nhiều khó khăn. Một số công trình phải giả thiết chuyển động theo phương không có cơ cấu chấp hành là một tín hiệu nhiễu hoặc sử dụng phương pháp tuyến tính hóa từng và áp dụng các phương pháp điều khiển hệ tuyến tính sau đó nhận dạng các bù các nhiễu tác động vào mô hình.
9 1.5. Đặt bài toán Từ các đặc điểm, yêu cầu nêu trên để thiết kế được bộ điều khiển bám quỹ đạo cho USV. Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại làm cơ sở để xuất các bộ điều khiển mới cho USV thiếu cơ cấu chấp hành, chịu ảnh hưởng của nhiễu môi trường. Với mục tiêu như vậy luận án đặt ra nội dung chính cần giải quyết sau đây: - Phân tích mô hình toán học cho USV, nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến, mạng nơ ron nhân tạo làm cơ sở đề thực hiện mục tiêu đã nêu ở trên. - Xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV, có khả năng khắc phục được nhiễu tác động với biên độ nhỏ. - Xây dựng Bộ điều khiển thích nghi phi tuyến sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển bám quỹ đạo cho USV hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động. 1.6. Kết luận Chương 1 Chương 1 đã nghiên cứu tổng quan về mô hình động lực học tàu nổi nói chung và đặc biệt của USV thiếu cơ cấu chấp hành nói riêng. Nghiên cứu và phân tích các nhiễu môi trường tác động trong quá trình làm việc cũng như các phương pháp điều khiển cho tàu choán nước. Nghiên cứu và phân tích các công trình đã được công bố trong và ngoài nước ở những thời điểm gần đây nhất cho các đối tượng thiếu cơ cấu chấp hành có mô hình phi tuyến bất định, chịu ảnh hưởng của nhiễu. Chương 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO 2.1. Cơ sở lý thuyết 2.1.1. Phương pháp điều khiển trượt tầng Về bản chất, điều khiển trượt tầng là sự kết hợp điều khiển trượt và kỹ thuật backstepping để xác định được hàm điều khiển Lyapunov cho hệ thống
10 điều khiển kín. Hàm điều khiển Lyapunov cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành bậc n được thiết kế theo nguyên tắc cuốn chiếu, mặt trượt sau chứa mặt trượt trước đó và mặt trượt thứ n (mặt trượt cuối) chứa toàn bộ các hệ con và từ đó tín hiệu điều khiển được xác định từ điều kiện tồn tại hàm Lyapunov cho hệ thống điều khiển kín. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi nơ ron cho USV 2.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng 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 (1.66) 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. Từ mô hình USV theo (1.68) Định nghĩa các véc tơ sai lệch bám:  e1  1  1d  , trong đó 1d   xd  d  và 2d  yd . T  e2  2  2 d  xét phương trình e1  1  1d , lấy đạo hàm 2 vế theo thời gian ta có  J   f   ,  ,    J   f   ,  ,       , 1 1 r r 2 2 r r 1d F  , , , t   1  dJ    dJ          1 2 (2.51)  dt 1 dt 2  G1   J1    J 2   M 41 M 3  M 1 trong đó f1  M 1 ( M 2 M 4 1  C31  C42  N 2  r , r    C11  C22  N1 )  f 2   M 4 1  C31  C42  N 2  r , r    M 4 1M 3    x  xd  Đặt z1  e1    . Khi đó hệ thống (2.52) trên trở thành.   d   z1  z2    z2  F1  , , , t   G1 . (2.53) 
11  Đăt tín hiệu sai lệch bám e2  2  2d  e2  2  2d (2.54)  e2  2  2d (2.55) Đặt  J   f   3 1 r   f  ,  r ,    J4  2 r ,  r ,    2d   F   ,  ,  , t    dJ      dJ 4  . 2   3   2   (2.57)  dt 1 dt       G2  J 3   J 4  M 4 M 3 M 1  1 Như vậy sẽ có được e2  F2  , , , t   G2 (2.58) đặt biến phụ z3  e2  y  yd , thay vào (2.58) ta có được:  z3  z4    z4  F2  , , , t   G2 . (2.59)   Xét hệ con thứ nhất:  z1  z2    z2  F1  , , , t   G1 (2.61)  Định nghĩa mặt trượt S1 cho hệ con thứ nhất là S1  1 z1  z2 ; (2.62) Trong đó 1 là xác định dương. Chọn hàm Lyapunov có dạng như sau: 1 2 V1  S1 (2.63) 2 Từ đó ta xác định được tín hiệu điều khiển u1 để V1 là hàm Lyapunov   G11 (1 z2  F1 )  G11 (k1S1  1 sgn S1 ) (2.67)  eq1  sw1  Xét hệ con thứ hai:
12  z3  z4    z4  F2  , , , t   G2 (2.68)  Đặt mặt trượt cho hệ con thứ hai là: S 2   S1   s2 (2.69) s2  2 z3  z4 ; (2.70) Chọn hàm Lyapunov cho hệ con thứ hai là 1 2 V2  S 2 (2.71) 2 Từ đó ta có được tín hiệu  để hàm V2 là hàm Lyapunov là:      G1   G2  1  G 1 eq 1   G2 eq 2     G1   G2  1 k S 2 2   2 sgn S 2  (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     1 z2  F1   ,  ,  , t          G1   G2         z  F   ,  ,  , t    KS   sgn  S    (2.82)  2 4 2  2.1.3. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi có xét đến sai lệch mô hình và nhiễu Trong công thức tính tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển trượt tầng trong (2.82) có chứa F1  , , , t  và F2  , , , t  đây là các hàm có chứa các hệ số là các thành phần của mô hình hệ thống và các nhiễu dòng chảy sóng gió tác động vào USV. Với 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 F1  , , , t  và F2  , , , 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 F1  , , , t  và F2  , , , t  . Giá trị ước lượng của mạng nơ ron là: F1  , , , t   W1T Q1  , , , t  ˆ ˆ ˆ  ˆ  F2  , , , t  W2T Q2  , , , t  
13 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: 1  Q  , , , t S T  t    Λ1W   S  t  W ˆ ˆ (2.86) 1 1 1 1 Q  , , , t  S  t    Λ 2 T 1 2 W2   2 S  t  W2 ˆ ˆ (2.87) Với  ,  là các thông số tổ hợp mặt trượt tương tự đã được sử dụng ở bộ điều khiển trượt tầng. Λ1  N1  N1 , Λ 2  N2  N2 là 2 ma trận vuông xác định dương tùy ý,  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:   W  4   W  4  * 2 * * 2 * S  max   1 1 F 1N 2 2 F 2N , (2.88)  4 4  C1 C2   min min Trong đó: 1*N  sup 1 và  2 N  * sup  2 , K  C1  C2 đối xứng, 1  0,1   O  * *  2  0, 2   O  * * xác định dương được chọn đủ lớn,  1min và  2min lần lượt là giá trị riêng nhỏ nhất của C1 và C2 , sẽ đảm bảo được tính ổn định Lyapunov của hệ thống, tức là sẽ có đồng thời lim S  t   0 ; S  t   , t  0 (2.89) t  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 F1  , , , t  và ˆ F2  , , , t  thì tín hiệu điều khiển của hệ thống bây giờ sẽ là: ˆ ˆ  ˆ1eq  t   ˆ2eq  t   ˆsw  t  (2.90) Sử dụng hàm Lyapunov xác định dương có dạng:     1 1 1 V  S , W1, 2   t  S t   1 1 trace W1  1 W1  trace W2  2 W2 T T T S (2.94) 2 2 2 Ta sẽ được tính xác định âm của đạo hàm hàm Lyapunov: V  S , W1, 2    W   W  * 2 * 2 n   s   S     S   c S 0 1 2 F  W1 F  W2 min  2 i 1 F   2 2 F   i 1   
14 Với c  0, c  . Do đó sẽ luôn có được S  s*  , t  0 . Ngoài ra ta còn thấy đạo hàm bậc 2 của hàm Lyapunov:   V S , W1,2  VM ,VM  Từ đó ta có được tính bị chặn của đạo hàm cấp hai của hàm Lyapunov: Vì vậy theo bổ đề Barbalat, sẽ có được tính giới hạn của lim V  S , W1,2   0 . Do t  đó lim S  t   0 . Như vậy định lý hoàn toàn được chứng minh. t  2.1.4. 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 2.2. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. 2.2.1. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển với quỹ đạo đường thẳng Thông số mô hình USV được trích dẫn từ [13]. Các thông số được trình bày trong phụ lục A1. 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 x  0(m), y  10(m),  pi / 3(rad ) .
15 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 , QĐ đường thẳng, không có nhiễu Hình 2.6 Sai lệch bám phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu 2.3. Kết luận Chương 2 Trong chương này, đã trình bày phương pháp tổng hợp được các bộ điều khiển trượt tầng và bộ điều khiển trượt tầng thích nghi điều khiển bám quỹ đạo cho USV dựa trên cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt tầng và mạng nơ ron nhân tạo. Đã thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu cấu chấp hành với mô hình biến đổi. Bộ điều khiển được chứng minh tính ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov kết quả kiểm chứng bằng phần mềm Matlab Simulink kết quả cho thấy hệ thống điều khiển đáp ứng tốt và bền vững khi có các tác động của nhiễu ngoài tác động lên USV như sóng, và dòng chảy. Đã đề xuất bộ điều khiển trượt tầng thích nghi sử dụng mạng nơ ron để
16 điều khiển bám quỹ đạo cho USV với giả các nhiễu tác động vào USV là không đo được. Bộ điều khiển đề xuất đảm bảo tính ổn định cho hệ thống khi USV chịu sự tác động của môi trường cũng như sự biến đổi tham số nội tại bên trong đối tượng. Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt tầng thích nghi đã đề xuất cho kết quả điều khiển tốt hơn so với bộ điều khiển trượt tầng thông thường. Một phần kết quả đạt được nêu trên đã được công bố trong các công trình khoa học [CT 2] và [CT 3]. Chương 3 TỔNG HỢP BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI CHO USV TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO 3.1. Cơ sở lý thuyết Việc đo lường trực tiếp tín hiệu vận tốc của USV là một điều khó thực hiện trong thực tế bởi vì tín hiệu vận tốc là một tín hiệu không có thật mà thông thường được tính thông qua phép đạo hàm của vị trí. Trong thực tế vị trí của USV luôn có chứa các nhiễu do các chuyển động rung lắc do bản thân chuyển động của phương tiện hàng hải và các tác động bởi môi trường làm việc, do đó việc đo vận tốc thông qua phép tính đạo hàm này thường cho giá trị vận tốc không chính xác gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống điều khiển. Trong chương này, luận án đề xuất bộ quan sát vận tốc thích nghi sử dụng mạng nơ ron để xấp xỉ hàm phi tuyến trong bộ quan sát mà vẫn đảm bảo tín hiệu quan sát hội tụ về tín hiệu thực của hệ thống để áp dụng cho mô hình phi tuyến có chứa các thành phần bất định trong mô hình USV. 3.2. Thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo Xét USV thiếu chấp hành đã được trình bày trong (1.66).  J1  1  J 2   2   1    22         J    J    2  12 Đặt: x   ,G  x    , f  x   3 1 4 2   1   M 1   f1  r , r ,      1     2  1  M 4 M 3M   f 2  r , r ,    
17 Định lý 3.3: Xét hệ phi tuyến (3.19) bậc n có cặp ma trận  A, C  quan sát được, cùng với véc tơ hàm toán học bất định của hệ thống   x , y , u  , nếu sử dụng bộ quan sát:  x  Ax  WT tanh Y T x  K y  Cx  ˆ ˆ ˆo ˆ o  ˆ  (a)     y  Cx ˆ ˆ (b) , (3.23)   x   xT u T  T (c ) ˆ  đồng thời ma trận K được tính toán phù hợp sao cho đảm bảo ma trận ˆ ˆ Ao  A  KC là ma trận Hurwitz. Cập nhật 2 trọng số Wo và Yo theo công thức dưới đây: ˆ ˆ   ˆ Wo  1 tanh YoT x y T CAo1  1 y Wo ; (3.24) ˆ ˆ  ˆ  ˆT ˆ Yo  2 tanh YoT x y T CAo1WoT I N   Yop x   2 y Yo ,    2 2CAo1 trog đó 1,2 ;1,2 là các hệ số dương thỏa mãn 1  1, 2  , I N là ma 4 ˆT trận đơn vị cấp N với N là số lượng nơ ron lớp ẩn,  Yop x là một ma trận   chéo với các phần tử trên đường chéo chính là tanh Y x  , Yop là véc tơ cột thứ p ˆ ˆ 2 T op ˆ của Yo . Thì bộ quan sát (3.23) sẽ làm cho sai lệch quan sát hội tụ chừng nào x còn nằm bên ngoài trong một miền Compact  x định nghĩa bởi:    2d  x   x  x   , d  0,   0 , (3.25) n C  T  C  * * min C   nghĩa là: lim x  t   0, x   x . (3.26) t  Các điểm cực của ma trận A càng xa trục ảo, tốc độ tiệm cận x  x càng o ˆ nhanh. Chứng minh tính hội tụ: Trước hết, ta thấy được khi sử dụng quan sát đề xuất trong định lý 3.3 thì sai lệch quan sát được tính bởi:
18     x  x  x  A  x  x    x, y, u   x, y, u ˆ ˆ (3.27) ˆ  WoT tanh Y x   K  y  Cx  o ˆ T ˆ Sử dụng hàm Lyapunov xác định dương phụ thuộc sai lệch có dạng: Vo  x   x T Px  tr  WoT Wo   tr YoT Yo  , 1 1 1 2 2 2 trong đó P  P  0 là ma trận đối xứng xác định dương tùy chọn. T Ta chứng minh được tính xác định âm của hàm Lyapunov thì sai lệch quan sát cần thỏa mãn:  2CAo1  2 2  C* T C*  min y   M P C   1  *     1 2  0 2  4  1 2 2      CA1 2   C  T  M P C *   1  2 o  12   2  1  22  * * min C  y 2 (3.52)   4        2 CAo1  2 2 Đặt d   M P C   1  *  1   2  1  22 thì ta có điều kiện đủ  4    để bộ quan sát xấp xỉ được trạng thái là: 2d x  (đ.p.c.m). C*  C* T min C Như vậy từ (3.53) thấy được đối với bộ quan sát đã đề xuất, để x  x với ˆ sai số bé nhất có thể, cần chọn giá trị  lớn. Từ phương trình Lyapunov (3.37) thấy ngay rằng để có  lớn cần chọn ma trận P và A có các trị riêng đủ lớn. 3.3. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển USV kết hợp bộ quan sát vận tốc 3.3.1. Mô phỏng đánh giá chất lượng bộ quan sát vận tốc thích nghi Cấu trúc bộ quan sát tốc độ thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo đã được thiết kế ở trên có cấu trúc như trong Hình 3.1. Với tín hiệu vào của bộ quan sát là véc tơ vị trí của USV và véc tơ tín hiệu điều khiển USV, tín hiệu ra của bộ quan sát là véc tơ vận tốc của USV