Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh: Chương 1 - TS. Huỳnh Thái Hoàng

Moân hoïc Moân hoïc

HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH

Giaûng vieân: Huyønh Thaùi Hoaøng Boä moân Ñieàu Khieån Töï Ñoäng Khoa Ñieän – Ñieän Töû Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM Email: hthoang@dee.hcmut.edu.vn

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1

Noäi dung moân hoïc Noäi dung moân hoïc

(cid:145) Phaàn 1: Môû ñaàu

(cid:142) Chöông 1: Toång quan veà ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Phaàn 2: Lyù thuyeát cô sôû

(cid:142) Chöông 2: Heä môø (Fuzzy System) (cid:142) Chöông 3: Maïng thaàn kinh (Neural network) (cid:142) Chöông 4: Giaûi thuaät di truyeàn (Genetic algorithm)

(cid:145) Phaàn 3: Ñieàu khieån thoâng minh

(cid:142) Chöông 5: Ñieàu khieån tröïc tieáp (Direct Control) (cid:142) Chöông 6: Nhaän daïng heä phi tuyeán (System Identification) (cid:142) Chöông 7: ÑK döïa vaøo moâ hình (Model-Based Control) (cid:142) Chöông 8: Ñieàu khieån thích nghi (Adaptive Control) (cid:142) Chöông 9: Ñieàu khieån hoïc (Learning Control)

(cid:145) Phaàn 4: ÖÙng duïng

(cid:142) Chöông 10: Moät soá ví duï veà caùc heä thoáng thoâng minh

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 2

Taøi lieäu tham khaûo Taøi lieäu tham khaûo

(cid:145) Baøi giaûng “Ñieàu khieån thoâng minh”, Huyønh Thaùi Hoaøng

(cid:145) Caùc taøi lieäu (saùch, baøi baùo, baøi giaûng,…) coù töø khoùa:

(cid:142) “intelligent control”

(cid:142) “fuzzy”+”control”

(cid:142) “neural network”+”control”

(cid:142) ”genetic algorithm”+”control”

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 3

Ñaùnh giaù moân hoïc Ñaùnh giaù moân hoïc

(cid:145) Baøi taäp: 50%

(cid:145) Tieåu luaän: 50%

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4

Chöông 1 Chöông 1

TOÅNG QUAN VEÀ TOÅNG QUAN VEÀ

ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5

Noäi dung chöông 1 Noäi dung chöông 1

(cid:145) Ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Khaùi nieäm veà ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Caùc öùng duïng cuûa phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6

Ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø ñieàu khieån thoâng minh Ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Ñieàu khieån thoâng thöôøng (Conventinal Control): Lyù thuyeát ñieàu khieån caùc heä thoáng ñoäng coù quan heä vaøo ra coù theå moâ taû bôûi moâ hình toaùn hoïc laø phöông trình vi phaân hay sai phaân. (cid:142) Ñieàu khieån kinh ñieån (Classical Control) (cid:142) Ñieàu khieån hieän ñaïi (Modern Control) (cid:131) Ñieàu khieån toái öu (Optimal Control) (cid:131) Ñieàu khieån thích nghi (Adaptive Control) (cid:131) Ñieàu khieån beàn vöõng (Robust Control) (cid:131) Ñieàu khieån phi tuyeán (Nonlinear Control)

(cid:145) Ñieàu khieån thoâng minh (Intelligent Control): Lyù thuyeát ñieàu khieån phaùt trieån trong thôøi gian gaàn ñaây, bao goàm caùc phöông phaùp khoâng ñeà caäp ñeán trong lyù thuyeát ñieàu khieån thoâng thöôøng

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 7

Öu vaø khuyeát ñieåm cuûa ñieàu khieån thoâng thöôøng Öu vaø khuyeát ñieåm cuûa ñieàu khieån thoâng thöôøng

(cid:145) Öu ñieåm:

(cid:142) coù tính heä thoáng, cô sôû toaùn hoïc roõ raøng, chaët cheõ.

(cid:142) ñaûm baûo heä thoáng oån ñònh vaø beàn vöõng (veà lyù thuyeát)

(cid:145) Khuyeát ñieåm:

(cid:142) caàn moâ hình toaùn cuûa ñoái töôïng ñeå thieát keá boä ñieàu khieån

(cid:142) caàn hieåu bieát saâu veà kyõ thuaät ñieàu khieån môùi thieát keá ñöôïc boä

ñieàu khieån

(cid:142) thöôøng khoâng hieäu quaû khi ñieàu khieån heä phi tuyeán

(cid:142) khoâng söû duïng ñöôïc kinh nghieäm cuûa con ngöôøi (trong nhieàu tröôøng hôïp kinh nghieäm cuûa con ngöôøi ñoùng vai troø quan troïng)

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 8

Taïi sao phaûi ñieàu khieån thoâng minh? thoâng minh? Taïi sao phaûi ñieàu khieån

(cid:145) Yeâu caàu ñaït ñöôïc chaát löôïng ñieàu khieån ngaøy caøng taêng cao.

(cid:145) Yeâu caàu ñieàu khieån caùc heä thoáng ñoäng phöùc taïp ngaøy caøng taêng.

(cid:145) Yeâu caàu ñieàu khieån trong ñieàu kieän gia taêng caùc yeáu toá baát ñònh.

⇒ Caùc yeâu caàu treân khoâng theå ñaùp öùng ñöôïc troïn veïn neáu duøng lyù thuyeát ñieàu khieån thoâng thöôøng saún coù. Ñaây chính laø ñoäng löïc cho ra ñôøi lyù thuyeát ñieàu khieån môùi: lyù thuyeát ñieàu khieån thoâng minh.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 9

Thoâng minh laø gì? Thoâng minh laø gì?

(cid:145) Thoâng minh laø khaû naêng thu thaäp vaø söû duïng tri thöùc (cid:145) Coù nhieàu caáp ñoä thoâng minh vaø nhieàu loaïi thoâng minh (cid:145) Thoâng minh laø khaùi nieäm mang tính töông ñoái

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 10

Heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh Heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Heä thoáng thoâng minh laø heä thoáng coù khaû naêng hoaït ñoäng thích hôïp trong moâi tröôøng baát ñònh, trong ñoù moät hoaït ñoäng thích hôïp laø hoaït ñoäng laøm taêng xaùc suaát thaønh coâng vaø thaønh coâng laø ñaït ñöôïc muïc tieâu con nhaèm ñaït ñöôïc muïc tieâu chung cuûa heä thoáng.

(cid:145) Ñeå heä thoáng thoâng minh (nhaân taïo) hoaït ñoäng thích hôïp noù coù theå phoûng theo chöùc naêng cuûa sinh vaät vaø khaû naêng thoâng minh con ngöôøi moät caùch cô baûn.

⇒ Ñieàu khieån thoâng minh laø phöông phaùp ñieàu khieån phoûng theo caùc ñaëc ñieåm cô baûn cuûa trí thoâng minh con ngöôøi. Caùc ñaëc ñieåm cô baûn bao goàm tính thích nghi vaø khaû naêng hoïc, hoaïch ñònh trong ñieàu kieän coù nhieàu yeáu toá khoâng chaéc chaén vaø xöû lyù khoái löôïng lôùn thoâng tin.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 11

Caáp ñoä thoâng minh Caáp ñoä thoâng minh

Coù nhieàu caáp ñoä thoâng minh tuøy theo thöôùc ño khaùc nhau:

Albus:

(cid:145) Toái thieåu: Thoâng minh caàn khaû naêng caûm nhaän moâi tröôøng, ra

quyeát ñònh vaø kieåm soaùt hoaït ñoäng

(cid:145) Möùc cao: Thoâng minh bao goàm khaû naêng nhaän daïng ñoái töôïng vaø söï kieän, bieåu dieãn tri thöùc baèng moâ hình ngoân ngöõ, suy luaän vaø hoaïch ñònh hoaït ñoäng töông lai.

(cid:145) Cao caáp: Thoâng minh cung caáp khaû naêng nhaän thöùc vaø hieåu bieát, choïn löïa khoân ngoan, vaø hoaït ñoäng thaønh coâng trong nhieàu hoaøn caûnh khaùc nhau nhaèm muïc ñích toàn taïi vaø phaùt trieån trong moâi tröôøng ñoái laäp, phöùc taïp.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 12

Caáp ñoä thoâng minh (tt) Caáp ñoä thoâng minh (tt)

Meystel: (cid:145) Möùc thaáp (möùc 1): hieäu chænh loãi (cid:145) Möùc trung bình (möùc 2): hoaïch ñònh + hieäu chænh loãi theo caùch

cuûa ngöôøi thieát keá.

(cid:145) Möùc cao (möùc 3): hoaïch ñònh + hieäu chænh loãi theo caùch môùi

khoâng ñöa ra tröôùc bôûi ngöôøi thieát keá.

(cid:145) Möùc cao raát cao (möùc 4): phaùt bieåu laïi nhieäm vuï khi tình huoáng

thay ñoåi.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 13

Caáp ñoä thoâng minh (tt) Caáp ñoä thoâng minh (tt)

Krishna & Kumar: phaân loaïi ñieàu khieån thoâng minh döïa treân khaû

naêng töï caûi thieän caáu truùc ñieàu khieån

(cid:145) Möùc 0 = Ñieàu khieån beàn vöõng (Robust Controller). (cid:145) Möùc 1 = Möùc 0 + Ñieàu khieån thích nghi (Adaptive Controller). (cid:145) Möùc 2 = Möùc 1 + Ñieàu khieån toái öu (Optimal Controller) (cid:145) Möùc 3 = Möùc 2 + Ñieàu khieån hoaïch ñònh (Planning Controller).

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 14

Caùc yeáu toá quyeát ñònh caáp ñoä thoâng minh Caùc yeáu toá quyeát ñònh caáp ñoä thoâng minh

(cid:145) Naêng löïc tính toaùn cuûa boä naõo (maùy tính) cuûa heä thoáng (cid:145) Söï phöùc taïp, tinh vi cuûa caùc thuaät toaùn maø heä thoáng söû duïng ñeå xöû lyù thoâng tin töø caûm bieán, moâ hình hoùa theá giôùi, phaùt sinh hoaït ñoäng, ñaùnh giaù giaù trò, truyeàn tin,…

(cid:145) Thoâng tin maø heä thoáng löu tröõ trong boä nhôù.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 15

Caùc ñaëc ñieåm cuûa heä thoáng thoâng minh Caùc ñaëc ñieåm cuûa heä thoáng thoâng minh

(cid:145) Tính thích nghi – khaû naêng hoïc (cid:145) Khaû naêng suy luaän (cid:145) Khaû naêng hoaïch ñònh vaø ra quyeát ñònh (cid:145) Khaû naêng xöû lyù thoâng tin phöùc taïp, khoâng chaéc chaén (cid:145) Khaû naêng söûa sai, dung thöù loãi (cid:145) Tính toái öu (cid:145) Khaû naêng taùi caáu hình, môû roäng. (cid:145) …

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 16

Tính thích nghi vaø khaû naêng hoïc Tính thích nghi vaø khaû naêng hoïc

(cid:145) Khaû naêng thích nghi vôùi söï thay ñoåi (thoâng soá cuûa ñoái töôïng, moâi tröôøng,…) laø ñaëc ñieåm baét buoäc phaûi coù ôû caùc heä thoáng thoâng minh.

(cid:145) Ñeå coù ñöôïc tính thích nghi khoâng nhaát thieát ñoøi hoûi heä thoáng

phaûi coù khaû naêng hoïc.

(cid:145) Ñoái vôùi caùc heä thoáng coù khaû naêng thích nghi vôùi söï thay ñoåi lôùn cuûa caùc yeáu toá baát ñònh, khaû naêng hoïc laø caàn thieát. Vì vaäy khaû naêng hoïc laø moät ñaëc ñieåm quan troïng cuûa heä thoáng thoâng minh.

(cid:145) Phaân loaïi caùc thuaät toaùn hoïc (trong ñieàu khieån)

(cid:142) Hoïc veà ñoái töôïng: (cid:142) Hoïc veà moâi tröôøng laøm vieäc (cid:142) Hoïc veà boä ñieàu khieån

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 17

Khaû naêng suy luaän Khaû naêng suy luaän

(cid:145) Xöû lyù thoâng tin khoâng chaéc chaén. Heä thoáng khoâng theå ñöôïc goïi laø thoâng minh neáu noù chæ coù theå laøm ñöôïc nhöõng ñieàu ñaõ ñöôïc chæ daãn.

(cid:145) Khaû naêng töï ñaët ra muïc tieâu vaø töï ñaït muïc tieâu ñieàu khieån laø moät

ñaëc ñieåm quan troïng cuûa heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 18

Tính toái öu Tính toái öu

(cid:145) Heä thoáng khoâng theå ñöôïc goïi laø thoâng minh neáu coù heä thoáng khaùc

coù theå hoaït ñoäng toát hôn.

(cid:145) Khaû naêng taùi caáu hình, môû roäng … ñeå ñaït ñöôïc chaát löôïng ñieàu

khieån toái öu.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 19

Caáu truùc cuûa heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh Caáu truùc cuûa heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh

Ñeå coù theå ñieàu khieån caùc heä thoáng phöùc taïp, heä thoáng thoâng minh phaûi coù caáu truùc thích hôïp ñeå phaân tích vaø ñaùnh giaù caùc chieán löôïc ñieàu khieån moät caùch hieäu quaû. Thoâng thöôøng heä thoáng thoâng minh coù caáu truùc 3 caáp: caáp thöïc thi, caáp phoái hôïp, caáp toå chöùc vaø quaûn lyù.

(cid:145) Caáp thöïc thi: giao tieáp vôùi ñoái töôïng vaø moâi tröôøng thoâng qua caùc caûm bieán (sensor) vaø caùc cô caáu taùc ñoäng (actuator), goàm caùc thuaät toaùn ñieàu khieån thoâng thöôøng.

(cid:145) Caáp phoái hôïp: lieân keát caáp thöïc thi vaø caáp toå chöùc – quaûn lyù, keát hôïp caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø thoâng minh (cid:145) Caáp toå chöùc vaø quaûn lyù: giao tieáp vôùi ngöôøi vaän haønh, goàm caùc

thuaät toaùn ñieàu khieån thoâng minh. Thuaät ngöõ phaân caáp khoâng chæ ñeà caäp ñeán caáu truùc phaân caáp veà phaàn cöùng maø coøn bao haøm caû söï phaân caáp trong phaàn meàm ñieàu khieån.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 20

Caáu truùc heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh Caáu truùc heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 21

So saùnh ñieàu khieån thoâng minh vaø ñieàu khieån thoâng thöôøngg So saùnh ñieàu khieån thoâng minh vaø ñieàu khieån thoâng thöôøn

(cid:145) Veà maët toaùn hoïc, ñieàu khieån thoâng minh khoâng chaët cheõ baèng ñieàu khieån thoâng thöôøng vì ñaây laø lónh vöïc töông ñoái môùi vaø chöa ñöôïc nghieân cöùu heát.

(cid:145) Veà nguyeân taéc khi thieát keá caùc boä ñieàu khieån thoâng minh khoâng caàn moâ hình toaùn hoïc cuûa ñoái töôïng ñieàu khieån, ñaây laø moät öu ñieåm cuûa phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh vì: (cid:142) Trong moät soá tröôøng hôïp vieäc ñöa ra moâ hình toaùn cuûa ñoái

töôïng raát khoù khaên, thaäm chí khoâng theå ñöôïc.

(cid:142) Trong moät soá tröôøng hôïp khaùc coù theå tìm ñöôïc moâ hình toaùn cuûa ñoái töôïng nhöng phaûi ñöa ra quaù nhieàu giaû thieát ⇒ moâ hình toaùn khoâng thoûa maõn trong thöïc teá ⇒ khoâng söû duïng ñöôïc.

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 22

Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

(cid:145) Ñieàu khieån môø (Fuzzy Control) (cid:145) Maïng thaàn kinh (nhaân taïo) (Artificial Neural Network) (cid:145) Thuaät toaùn di truyeàn (Genetic Algorithm)

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 23

Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 24

ÖÙng duïng cuûa phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh ÖÙng duïng cuûa phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

Kyõ thuaät ñieàu khieån thoâng minh ñaõ ñöôïc öùng duïng raát thaønh coâng trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau nhö:

(cid:145) Heä thoáng robot (cid:145) Heä thoáng saûn xuaát (cid:145) Maùy bay, taøu vuõ truï, taøu ngaàm, xe hôi,… (cid:145) Ñieàu khieån quaù trình (cid:145) Caùc saûn phaåm daân duïng,…

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 25

Taøi lieäu tham khaûo Taøi lieäu tham khaûo

[1] Antsaklis P.J. (1993), “Defining Intelligent Control”, Report of the Task Force on Intelligent Control, IEEE Control Systems Society.

[2] Antsaklis P.J. (1997), “Intelligent Control”, Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, John Wiley @ Sons, Inc.

[3] Passino K.M. (2001) “Intelligent Control: An Overview of in Control: New

in Perspectives Techniques”, Chapter Concepts and Applications, IEEE Press, NJ.

[4] Passino K.M. (1993), “Bridging the gap between conventional

and intelligent control”, IEEE Trans. Control Systems.

[5] Abus J.S. (1991), “Outline for a theory of intelligence”, IEEE

Trans. Sys. Man. Cyber., 21(3).

9 February 2006 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 26