Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh: Chương 3

Moân hoïc Moân hoïc

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

â Ñi à Khi å Tö Ñ ä

Giaûng vieân: TS. Huyønh Thaùi Hoaøng Boä moân Ñieàu Khieån Töï Ñoäng B ä Khoa Ñieän – Ñieän Töû Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn Email: hthoang@hcmut edu vn Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang

7 May 2010

Chöông 3 Chöông 3

ÑIEÀU KHIEÅN TRÖÏC TIEÁP ÑIEÀU KHIEÅN TRÖÏC TIEÁP

7 May 2010

(cid:145) Giôùi thieäu Gi ùi hi

(cid:145) Ñieàu khieån môø

(cid:145) Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh

Noäi dung chöông 2 Noäi dung chöông 2

(cid:145) Chænh ñònh boä ñieàu khieån duøng giaûi thuaät di truyeàn

7 May 2010

å à à

Giôùi thieäu Giôùi thieäu

7 May 2010

(cid:145) Thöïc teá coù nhöõng ñoái töôïng ñieàu khieån raát phöùc taïp, coù tính phi tuyen cao kho ñieu khien bang phöông phap thong thöông do tuyeán cao khoù ñieàu khieån baèng phöông phaùp thoâng thöôøng do khoâng theå xaùc ñònh ñöôïc moâ hình toaùn cuûa ñoái töôïng

Heä thoáng ñieàu khieån bôûi ngöôøi vaän haønh Heä thoáng ñieàu khieån bôûi ngöôøi vaän haønh

(cid:145) Con ngöôøi vôùi khaû naêng xöû lyù tinh xaûo cuûa boä naõo sau khi traûi y qua quaù trình ñaøo taïo vaø tích luõy kinh nghieäm laïi coù theå ñieàu khieån ñöôïc caùc ñoái töôïng phöùc taïp maø khoâng caàn bieát gì veà moâ ta toan hoïc cua ñoi töôïng taû toaùn hoc cuûa ñoái töông

7 May 2010

g g

(cid:145) Ñieu khien mô cung cap phöông phap ñe bieu dien, xö ly va (cid:145) Ñieàu khieån môø cung caáp phöông phaùp ñeå bieåu dieãn xöû lyù vaø

Ñieàu khieån mờờ Ñieàu khieån m

thöïc thi tri thöùc tröïc giaùc cuûa con ngöôøi.

ï (cid:145) Kinh nghieäm chuyeân gia ñöôc tích hôp vaøo boä ñieàu khieån môø ïp v g y g ä ä

7 May 2010

trong quaù trình thieát keá heä thoáng

(cid:145) Boä ñieàu khieån maïng thaàn kinh ñöôïc thieát keá nhôø vaøo khaû naêng

Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh

(cid:145) Qua quaù trình huaán luyeän maïng troïng soá cuûa maïng thaàn kinh ñöôïc caäp nhaät va maïng hoïc ñöôïc kinh nghieäm cua chuyen gia ñöôc caäp nhaät vaø mang hoc ñöôc kinh nghieäm cuûa chuyeân gia trong vieäc ñieàu khieån ñoái töôïng

7 May 2010

hoïc cua maïng than kinh. hoc cuûa mang thaàn kinh

7 May 2010

Ñieàu khieån tröïc tieáp Ñieàu khieån tröïc tieáp

7 May 2010

Ñieàu khieån buø nhieãu Ñieàu khieån buø nhieãu

7 May 2010

Ñieàu khieån thích nghi duøng boä giaùm saùt môø/maïng thaàn kinh Ñieàu khieån thích nghi duøng boä giaùm saùt môø/maïng thaàn kinh

(cid:145) Giai thuaät di truyen toi öu hoa thong so (va cau truc) cua boä (cid:145) Giaûi thuaät di truyeàn toái öu hoùa thoâng soá (vaø caáu truùc) cuûa boä

Chænh ñònh toái öu boä ñieàu khieån duøng giaûi thuaät di truyeàn Chænh ñònh toái öu boä ñieàu khieån duøng giaûi thuaät di truyeàn

7 May 2010

ñieàu khieån ñeå toái thieåu moät chæ tieâu chaát löôïng cho tröôùc

Ñieàu khieån môø Ñieàu khieån môø

7 May 2010

Caáu truùc boä ñieàu khieån môø Caáu truùc boä ñieàu khieån môø

(cid:145) Bộ điều khiển mờ cơ bản: (cid:145) Bộ điều khiển mờ cơ bản:

(cid:190) hệ qui tắc điều khiển rút ra từ kinh nghiệm chuyên gia trong việc

Caáu truùc boä ñieàu khieån môø Caáu truùc boä ñieàu khieån môø

(cid:190) khâu mờ hóa chuyển giá trị rõ phản hồi từ ngõ ra của đối tượng

điều khiển đối tượng.

(cid:190) khâu giải mờ chuyển giá trị mờ suy luận được ở ngõ ra của hệ (cid:190) khâu giải mờ chuyển giá trị mờ suy luận được ở ngõ ra của hệ

thành giá trị mờ để hệ qui tắc có thể suy luận được

7 May 2010

qui tắc thành giá trị rõ để điều khiển đối tượng

(cid:145) Tiền xử lý:ý

(cid:190) vi phân, tích phân tín hiệu (cid:190) chuẩn hóa, lượng tử hóa (cid:190) lọc nhiễu

Caáu truùc boä ñieàu khieån môø Caáu truùc boä ñieàu khieån môø

(cid:190) bộ khuếch đại chuyển tín hiệu giải mờ chuẩn hóa thành giá trị (cid:190) bộ khuếch đại chuyển tín hiệu giải mờ chuẩn hóa thành giá trị

ễ (cid:145) Hậu xử lý:

7 May 2010

vật lý

Thieát keá boä ñieàu khieån môø Thieát keá boä ñieàu khieån môø

(cid:145) Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia i ê à ki h (cid:145) Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov (cid:145) Thiết kế bộ điều khiển PID mờ (cid:145) Thiết kế bộ điều khiển PID mờ (cid:145) Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền

7 May 2010

hiệ Thiế kế d h

Thieát keá boä ñieàu khieån môø Thieát keá boä ñieàu khieån môø

döïa vaøo kinh nghieäm chuyeân gia döïa vaøo kinh nghieäm chuyeân gia

7 May 2010

(cid:145) Xác định biến vào, biến ra (và biến trạng thái, nếu cần) của đối (cid:145) Xác định biến vào biến ra (và biến trạng thái nếu cần) của đối

Thieát keá döïa vaøo kinh nghieäm chuyeân gia Thieát keá döïa vaøo kinh nghieäm chuyeân gia

tượng.

ị [ , ] y [ g ,

, ] (cid:145) Chuẩn hóa biến vào, biến ra về miền giá trị [0,1] hay [−1,1] (cid:145) Định nghĩa các tập mờ trên tập cơ sở đã chuẩn hóa của các biến,

(cid:145) Gán quan hệ giữa các tập mờ ở ngõ vào và ngõ ra, bước này xây

và gán cho mỗi tập mờ một giá trị ngôn ngữ.

(cid:190) suy diễn cục bộ (cid:190) áp dụng công thức hợp thành MAX–MIN hay MAX–PROD.

dựng được hệ qui tắc mờ. (cid:145) Chọn phương pháp suy diễn. (cid:145) Chọn phương pháp suy diễn

(cid:145) Chọn phương pháp giải mờ. (cid:190) phương pháp trọng tâm, (cid:190) phương pháp trung bình có trọng số,…

7 May 2010

p ụ g ợp g y

Thí duï: Ñieàu khieån môø giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc Thí duï: Ñieàu khieån môø giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc

(cid:145) M : troïng löôïng xe [Kg] (cid:145) m : troïng löôïng con lac [Kg] löô [Kg] (cid:145) (cid:145) l : chieàu daøi con laéc [m] (cid:145) u : löc taùc ñoäng vaøo xe [N] (cid:145) u : löïc tac ñoäng vao xe [N] (cid:145) g : gia toác troïng tröôøng

l é : t

(cid:145) x : vò trí xe [m] (cid:145) θ: goùc giöõa con laéc vaø

[m/s2]

(cos

θθ && )

+ θ

2 θθ & ) mg sin

xmM ml + − ( ) (sin && xm ml θ + = θ && cos &&

7 May 2010

phöông thang ñöng [rad] phöông thaúng ñöùng [rad]

(cid:145) Choïn cac bien vao/ra: (cid:145) Chon caùc bieán vaøo/ra:

(cid:142) 4 bieán vaøo: goùc leäch cuûa con laéc, vaän toác goùc cuûa con laéc, vò trí xe vaø toác

ñoä xe

(cid:142) bien ra la löïc tac duïng vao xe. (cid:142) bieán ra laø löc taùc dung vaøo xe

(cid:145) Taäp cô sôû cuûa caùc bieán phuï thuoäc chuû yeáu vaøo ñoái töôïng, ta choïn nhö sau:

(cid:142) Goùc leäch: [−0.3,0.3] (rad) (cid:142) Vaän toác goùc: [−1 1] (rad/sec) (cid:142) Vaän toc goc: [−1, 1] (rad/sec) (cid:142) Vò trí xe: [−3, 3] (m) (cid:142) Vaän toác xe: [−3, 3] (m/sec) (cid:142) Löïc tac duïng: [−40, 40] (N) (cid:142) Löc taùc dung: [ 40 40] (N)

(cid:145) Chuaån hoùa taäp cô sôû cuûa caùc bieán vaøo/ra veà mieàn [−1, 1], do ñoù caùc ma traän

heä soá khueách ñaïi cuûa caùc khoái tieàn xöû lyù vaø haäu xöû lyù nhö sau:

(cid:142) Caùc heä soá tieàn xöû lyù:

K 1

1 3.0

1 3

(cid:142) Heä so haäu xö ly: (cid:142) Heä soá haäu xöû lyù:

40 40

5 =K K

7 May 2010

Caùc bieán vaøo vaø bieán ra cuûa boä ñieàu khieån Caùc bieán vaøo vaø bieán ra cuûa boä ñieàu khieån

(cid:145) Ñònh nghóa caùc taäp môø moâ taû caùc giaù trò ngoân ngöõ cuûa caùc bieán (cid:145) Ñò h

Ñònh nghóa caùc giaù trò ngoân ngöõ Ñònh nghóa caùc giaù trò ngoân ngöõ

ù bi á i ù t ò â t û t ä hó öõ ôø û â ù ù

ï äp g ) ò g ,

ø h bi á 7 d h ø b è h ä õ û

7 May 2010

vaøo vaø bieán ra cuûa boä ñieàu khieån môø. äp (cid:142) Chon 3 taäp môø (giaù trò ngoân ngöõ) cho moãi bieán vaøo, caùc taäp (g môø naøy ñöôïc phaân hoaïch môø treân taäp cô sôû chuaån hoùa vaø haøm lieân thuoäc coù daïng tam giaùc (cid:142) Soá taäp môø cho bieán ôû ngoõ ra ñöôïc choïn baèng 7, daïng haøm ñ S á lieân thuoäc cuûa taäp môø ôû ngoõ ra ñöôïc choïn laø daïng vaïch ñeå g thuaän lôïi trong vieäc giaûi môø g

7 May 2010

Giaù trò ngoân ngöõ cuûa caùc bieán vaøo Giaù trò ngoân ngöõ cuûa caùc bieán vaøo

7 May 2010

Giaù trò ngoân ngöõ cuûa caùc bieán ra Giaù trò ngoân ngöõ cuûa caùc bieán ra

7 May 2010

Qui taéc ñieàu khieån môø ñöôïc ñöa ra döïa vaøo kinh nghieäm Qui taéc ñieàu khieån môø ñöôïc ñöa ra döïa vaøo kinh nghieäm

7 May 2010

Qui taéc ñieàu khieån môø ñöôïc ñöa ra döïa vaøo kinh nghieäm Qui taéc ñieàu khieån môø ñöôïc ñöa ra döïa vaøo kinh nghieäm

7 May 2010

Moâ phoûng ñieàu khieån môø giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc Moâ phoûng ñieàu khieån môø giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc

7 May 2010

Keát quaû ñieàu khieån Keát quaû ñieàu khieån

Thieát keá boä ñieàu khieån môø Thieát keá boä ñieàu khieån môø

döïa vaøo lyù thuyeát oån ñònh Lyapunov döïa vaøo lyù thuyeát oån ñònh Lyapunov

åå

7 May 2010

(cid:145) Xet heä phi tuyen mo ta bôi phöông trình traïng thai sau: (cid:145) X ùt h ä hi t â t û bôûi höô

Ñieåm caân baèng cuûa heä phi tuyeán Ñieåm caân baèng cuûa heä phi tuyeán

),( uxf

t ì h t th ùi á

x =&

(cid:145) Moät ñieåm traïng thaùi xe ñöôïc goïi laø ñieåm caân baèng neáu nhö heä ñang ôû traïng thaùi xe vaø khoâng coù taùc ñoäng naøo töø beân ngoaøi thì heä se nam nguyen taïi ño. t i ñ ù

â õ è

(cid:145) Deã thaáy ñieåm caân baèng phaûi laø nghieäm cuûa phöông trình: xf

u ),(

0=

u ,

x&

exx =

(cid:145) Heä phi tuyeán coù theå coù nhieàu ñieåm caân baèng hoaëc khoâng coù ñieåm (cid:145) H ä hi t caân baèng naøo. Ñieàu naøy hoaøn toaøn khaùc so vôùi heä tuyeán tính , heä tuyeán tính luoân luoân coù 1 ñieåm caân baèng laø xe = 0.

7 May 2010

á ù hi à ñi å h ë kh â â b è ù th å ù ñi å

(cid:145) Cho heä phi tuyen khong kích thích mo ta bôi PTTT: (cid:145) Ch h ä hi t â t û bôûi PTTT

OÅn ñònh Lyapunov OÅn ñònh Lyapunov

kí h thí h á kh â

uuxf ),(

(1)

x& â b è

0 = Giaû söû heä thoáng coù ñieåm caân baèng xe = 0. 0 ù ñi å Gi û öû h ä th á

ä ò g

(cid:145) Heä thoáng ñöôc goi laø oån ñònh ï g ï Lyapunov taïi ñieåm caân baèng xe = 0 neáu vôùi ε > 0 baát kyø bao giô cung ton taïi δ phuï bao giôø cuõng toàn tai δ phu thuoäc ε sao cho nghieäm x(t) cuûa phöông trình (1) vôùi ñieàu kieän ñaàu x(0) thoûa maõn:

x

)0(

x

⇒<

t ε )( , ≥∀<

7 May 2010

(cid:145) Cho heä phi tuyen khong kích thích mo ta bôi PTTT: (cid:145) Ch h ä hi t â t û bôûi PTTT

OÅn ñònh tieäm caän Lyapunov OÅn ñònh tieäm caän Lyapunov

kí h thí h á kh â

uuxf ),(

(1)

x& â b è

0 = Giaû söû heä thoáng coù ñieåm caân baèng xe = 0. 0 ù ñi å Gi û öû h ä th á

ä ò g

(cid:145) Heä thoáng ñöôïc goïi laø oån ñònh ï g ï tieäm caän Lyapunov taïi ñieåm caân baèng xe = 0 neáu vôùi ε> 0 bat ky bao giô cung ton taïi δ baát kyø bao giôø cuõng toàn tai δ phuï thuoäc ε sao cho nghieäm x(t) cuûa phöông trình (1) vôùi ñieàu kieän ñaàu x(0) thoûa maõn: ñi à ki ä ñ à

(0) h û

x

)0(

⇒<

0)( =

lim t ∞→

7 May 2010

So saùnh oån ñònh Lyapunov vaø oån ñònh tieäm caän Lyapunov So saùnh oån ñònh Lyapunov vaø oån ñònh tieäm caän Lyapunov

7 May 2010

OÅn ñònh Lyapunov OÅn ñònh tieäm caän Lyapunov

(cid:145) Ñònh ly on ñònh Lyapunov: Cho heä phi tuyen khong kích thích mo (cid:145) Ñònh lyù oån ñònh Lyapunov: Cho heä phi tuyeán khoâng kích thích moâ

Ñònh lyù oån ñònh Lyapunov Ñònh lyù oån ñònh Lyapunov

uuxf ),(

taû bôûi phöông trình traïng thaùi: = (1)

x&

Giaû söû heä thoáng coù ñieåm caân baèng xe = 0.

t à h

x

V V

0 0

)0( = )0( =

Neáu toàn taïi haøm V(x) sao cho: t i h ø V( ) N á ≥ ,0)(V x ∀

,0)( <

i) ii) ii) iii)

x ≠∀

xV&

0 Thì heä thong (1) on ñònh Lyapunov taïi ñiem 0. Thì heä thoáng (1) oån ñònh Lyapunov tai ñieåm 0

7 May 2010

Chuù yù: Haøm V(x) thöôøng ñöôïc choïn laø haøm toaøn phöông theo bieán traïng thaùi. t th ùi

(cid:145) Böôùc 1: Xaùc ñònh phöông trình traïng thaùi moâ taû ñaëc tính ñoäng h

Thieát keá boä ñieàu khieån môø duøng phöông phaùp Lyapunov Thieát keá boä ñieàu khieån môø duøng phöông phaùp Lyapunov

ù ñò h h h ùi h ñ ù 1 û ñ

(cid:145) Böôc 2: Choïn ham Lyapunov ban xac ñònh döông, ham (cid:145) Böôùc 2: Chon haøm Lyapunov baùn xaùc ñònh döông, haøm

hoïc cuûa ñoái töôïng.

(cid:145) Böôùc 3: Tìm ñieàu kieän raøng buoäc cuûa sao cho ñaïo haøm theo

Lyapunov laø haøm cuûa caùc bieán traïng thaùi vaø coù lieân quan ñeán tín hieäu ñieàu khieån .

û à

(cid:145) Böôc 4: Neu khong tìm ñöôïc bieu thöc töông minh thoa man (cid:145) Böôùc 4: Neáu khoâng tìm ñöôc bieåu thöùc töôøng minh thoûa maõn ñieàu kieän raøng buoäc ôû böôùc 2 thì ta choïn moät soá ñieåm ñaëc tính vaø tín giaù trò tín hieäu ñieàu khieån thoûa maõn ñieàu kieän raøng buoäc taïi caùc ñieåm ñaëc tính. t i tí h

thôøi gian cuûa haøm Lyapunov baùn xaùc ñònh aâm.

(cid:145) Böôùc 5: Thieát keá boä ñieàu khieån môø coù maët ñieàu khieån chöùa

ù ñi å ñ ë

7 May 2010

ë ï caùc ñieåm ñaëc tính tính toaùn ñöôc ôû böôùc 4.

7 May 2010

Thí duï: TK boä ñieàu khieån môø duøng PP Lyapunov Thí duï: TK boä ñieàu khieån môø duøng PP Lyapunov

7 May 2010

Choïn haøm Lyapunov Choïn haøm Lyapunov

7 May 2010

Ñaïo haøm cuûa haøm Lyapunov theo thôøi gian Ñaïo haøm cuûa haøm Lyapunov theo thôøi gian

7 May 2010

Tín hieäu ñieàu khieån thoûa maõn ñieàu kieän oån ñònh Tín hieäu ñieàu khieån thoûa maõn ñieàu kieän oån ñònh

7 May 2010

Choïn caùc ñieåm ñaëc tính thoûa maõn ñieàu kieän oån ñònh Choïn caùc ñieåm ñaëc tính thoûa maõn ñieàu kieän oån ñònh

(cid:145) Caùc taäp môø ñònh nghóa cho caùc tín hieäu vaøo

Ñònh nghóa heä môø döïa treân caùc ñieåm ñaëc tính Ñònh nghóa heä môø döïa treân caùc ñieåm ñaëc tính

x2 ZE

(cid:145) Heä qui taéc

−12.00

−8.13

−6.00

ZE ZE

0.00 0 00

2.00 2 00

−2.00 2 00

x1 x

6.00

8.13

12.00

7 May 2010

äp g ò ä

7 May 2010

Maët ñaëc tính cuûa heä môø sau khi thieát keá Maët ñaëc tính cuûa heä môø sau khi thieát keá

(cid:145) Boä ñieu khien mô ña thiet ke co kha nang ñieu khien heä con (cid:145) B ä ñi à khi å

Keát quaû ñieàu khieån giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc Keát quaû ñieàu khieån giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc

ñi à khi å h ä ôø ñ õ thi át k á ù kh û ê

7 May 2010

laéc ngöôïc veà traïng thaùi caân baèng töø traïng thaùi ñaàu khaùc 0.

Thieát keá boä ñieàu khieån PID môø Thieát keá boä ñieàu khieån PID môø

7 May 2010

(cid:145) Bộ điều khiển PD mờ thường được sử dụng trong các trường hợp

ĐĐieàu khieån PD môø duøng heä qui taéc Mamdani ieàu khieån PD môø duøng heä qui taéc Mamdani

(cid:190) Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc

(cid:190) Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung quanh điểm cân (cid:190) Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung quanh điểm cân bằng

sau đây: đâ

0=u

xu ,(

)

7 May 2010

, trong đó .

(cid:145) Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiển điều khiển đối

tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0.

(cid:145) Tuy nhiên cũng cần để ý rằng bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ (cid:145) Tuy nhiên cũng cần để ý rằng bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ thống và trong nhiều trường hợp làm cho quá trình quá độ có dao động.

7 May 2010

ĐĐieàu khieån PI môø duøng heä qui taéc Mamdani ieàu khieån PI môø duøng heä qui taéc Mamdani

7 May 2010

ĐĐieàu khieån PID môø duøng heä qui taéc Mamdani ieàu khieån PID môø duøng heä qui taéc Mamdani

7 May 2010

ĐĐieàu khieån PID môø duøng heä qui taéc Mamdani ieàu khieån PID môø duøng heä qui taéc Mamdani

7 May 2010

ĐĐieàu khieån PID môø duøng heä qui taéc Mamdani ieàu khieån PID môø duøng heä qui taéc Mamdani

(cid:145) Phöông trình vi phaân moâ taû ñoái töôïng:

t )(

Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu

)

))( t δ

( δτ & 3

ψ &&&

( )( t ψψ & &

1 1 + ττ 2

1 ττ 21

k ττ 21

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎝

⎞ ⎟⎟ ψ && ⎠ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎠

Trong ñoù:

7 May 2010

Tín hieäu vaøo δ(t) (radian) laø goùc cuûa baùnh laùi. Tín hieäu ra ψ(t) (radian) laø goùc (höôùng) chuyeån ñoäng cuûa taøu

Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt) Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt)

t )( )(

)(te& )(&

t )( )( r ψψ −

2 =K

(cid:145) Bộ điều khiển: PD mờ (cid:145) Tín hieäu vaøo boä ñieàu khieån môø cô baûn: (cid:145) Tí hi ä ø b ä ñi à khi å te )( )( (cid:145) Tín hieäu ra boä ñieàu khieån môø cô baûn: δ(t) y (cid:145) Ñoä lôïi tieàn xöû lyù: 00 100 (cid:145) Ñoä lôïi haäu xöû lyù:

180

π/11 =K 80π=UK

7 May 2010

ôø ô b û vaø ø

(cid:145) Các tập mờ tương ứng với các giá trị ngôn ngữ của các biến vào/ra: (cid:145) Các tập mờ tương ứng với các giá trị ngôn ngữ của các biến vào/ra:

7 May 2010

Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt) Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt)

(cid:145) Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh nghiệm: (cid:145) Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh nghiệm:

Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt) Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt)

U U

NE ZE PO

NE PB PS ZE

ZE PS ZE NS DE

(cid:145) Phương pháp suy diễn MAX-MIN (cid:145) Phương pháp suy diễn MAX MIN

(cid:145) Phương pháp giải mờ trung bình trọng số

7 May 2010

PO PO ZE ZE NS NS NB NB

(cid:145) Kết quả điều khiển: (cid:145) Kết quả điều khiển:

7 May 2010

Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt) Thí duï ñieàu khieån höôùng chuyeån ñoäng cuûa taøu (tt)

lê

( )

á h

á độ

u(t): moment tác động lên trục quay của cánh tay máy ủ φ(t): góc quay (vị trí) của cánh tay máy, J: moment quán tính của cánh tay máy (J = 0.05 kg.m2) M: khối lượng của cánh tay máy (M = 1.0kg) M: khối lượng của cánh tay máy (M = 1 0kg) m: khối lượng vật nặng (m = 0.1 kg) l: chiều dài cánh tay máy (l = 0.4 m) lC : khoảng cách từ trọng tâm cánh tay máy đến trục lC : khoảng cách từ trọng tâm cánh tay máy đến trục

quay (lC = 0.15 m)

B: hệ số ma sát nhớt (B = 0.2 kg.m2/s) g: gia tốc trọng trường (g = 9.81 m/s2) g: gia tốc trọng trường (g = 9 81 m/s2)

(cid:145) Phương trình vi phân mô tả cánh tay máy 1 bậc tự do:

( (

J J

ml ml

( (

ml ml

) )

sin sin

t )( )( t

tu )( )( tu

+ +

φ φ

)() t )() t φ φ &&

tB tB )( )( φ φ &

gMl gMl C C

7 May 2010

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt) Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

t )( )( t

φ φ

DE DE

)( t )( t φ − φ r

2 =K

(cid:145) Bộ điều khiển: PI mờ (cid:145) Tín hieäu vao boä ñieu khien mô cô ban: (cid:145) Tín hieäu vaøo boä ñieàu khieån môø cô baûn: E E (cid:145) Tín hieäu ra boä ñieàu khieån môø cô baûn: DU (cid:145) Ñoä lôïi tieàn xöû lyù: π/5 (cid:145) Ñoä lôïi haäu xöû lyù:

π/11 =K 8=UK

7 May 2010

va vaø

7 May 2010

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt) Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

(cid:145) Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh nghiệm: (cid:145) Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh nghiệm:

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt) Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

DU DU

NB NE ZE PO PB

NB NB NB NM NS ZE

NE NB NM NS ZE PS

ZE DE NM NS ZE PS PM

PO NS ZE PS PM PB

(cid:145) Phương pháp suy diễn MAX-MIN

(cid:145) Phương pháp giải mờ trung bình trọng số ố

7 May 2010

PB ZE PS PM PB PB

(cid:145) Kết quả điều khiển: (cid:145) Kết quả điều khiển:

7 May 2010

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt) Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

Điều khiển PID mờ dùng qui tắc Sugeno Điều khiển PID mờ dùng qui tắc Sugeno

r(t) c(t) u PID

Đối tượng điều khiển

(cid:145) Thông số bộ điều khiển PID kinh điển thay đổi tùy theo điều kiện làm việc.

tu )(

~ teKdt )(

~ teK )( P

~ teK )( ∫

~ K

R ∑ β k 1 k ==

~ K

∑ β k k 1 ==

P P

R R

∑

R ∑ β k 1 =k

β k 1 =

R ∑ β k k 1 == R R ∑ β k 1 k =

7 May 2010

−

(cid:145) Phương trình vi phân mô tả đặc tính động học hệ bồn chứa:

h& th )( )(

)( )(

2 2

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa

))( ))( tgh h

( ( C aCtku k D−

1 hA )(

−

min min

hA )( )( hA

Ah Ah + +

min

max max h max

7 May 2010

(cid:145) Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa vào (cid:145) Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa vào

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt) Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

mô hình tuyến tính xung quanh điểm làm việc h=20cm.

⇒ Chất lượng điều khiển không tốt tại các điểm làm việc ở xa điểm

) t ( h

100

200

300

400

500

600

) t ( u

100

200

400

500

600

300 Time (sec)

7 May 2010

h=20cm

(cid:145) Bộ điều khiển: PI mờ Sugeno (cid:145) Bộ điề khiể PI ờ S

7 May 2010

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt) Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

(cid:145) Các tập mờ tương ứng (cid:145) Các tập mờ tương ứng với điểm làm việc:

(cid:145) Hệ qui tắc

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt) Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

Thong so boä ñieu khien PI Thoâng soá boä ñieàu khieån PI

Raát thaáp p Thaáp

KP 0.900 0.800 0.700 KI 0.080 0.055 0.035

Ñieåm laøm vieäc Trung bình

7 May 2010

Cao 0.600 0.020

(cid:145) Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID mờ Sugeno (cid:145) Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID mờ Sugeno ⇒ Chất lượng điều khiển gần như tương đương nhau tại mọi điểm làm

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt) Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

7 May 2010

việc

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP

DÙNG MẠNG THẦN KINH DÙNG MẠNG THẦN KINH

Ù Ù

Ầ Ầ

7 May 2010

(cid:145) Maïng thaàn kinh coù theå ñöôïc söû duïng ñeå hoïc kinh nghieäm chuyen gia trong vieäc ñieu khien cac ñoi töôïng phöc taïp, kho chuyeân gia trong vieäc ñieàu khieån caùc ñoái töông phöùc tap khoù xaùc ñònh moâ hình toaùn hoaëc sao cheùp moät boä ñieàu khieån vaät lyù coù saún.

t )]( )]( t

min i

J w J ( ( ) )

−

2 → 2

N = ∑ ∑ tu [ [ )( )( t c =k 1

(cid:145) Tiêu chuẩn huấn luyện mạng:

7 May 2010

Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh

(cid:145) Có thể huấn luyện mạng thần kinh sao cho đáp ứng của hệ thống (cid:145) Có thể h ấ l

Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh Ñieàu khieån duøng maïng thaàn kinh

thầ ki h ủ hệ thố h đá ứ ệ

[ [

ty ( (

min i

J w ) ( ( ) J

−

2 → 2 )] )]

ty )( )( m

bám theo đáp ứng của mô hình chuẩn.

(cid:145) Tiêu chuẩn huấn luyện mạng:

= ∑ ∑

=k 1

7 May 2010

ấ ẩ

(cid:145) Phöông trình vi phaân moâ taû ñoái töôïng:

t )(

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ

)

))( t δ

( δτ & 3

ψ &&&

( )( t ψψ & &

1 1 + ττ 2

1 ττ 21

k ττ 21

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎝

⎞ ⎟⎟ ψ && ⎠ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎠

Trong ñoù:

7 May 2010

Tín hieäu vaøo δ(t) (radian) laø goùc cuûa baùnh laùi. Tín hieäu ra ψ(t) (radian) laø goùc (höôùng) chuyeån ñoäng cuûa taøu

(cid:145) Sơ đồ thu thập dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh (cid:145) Sơ đồ thu thập dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt)

(cid:145) Dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh (cid:145) Dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt)

e(t) e(t)

u(t)

(cid:145) Cấu trúc mạng thần kinh sao chép bộ điều khiển PD

h à ki h û l ù

ù h å hi à h

á b ø

ù l ø

(cid:190)Mạng có 2 ngõ vào, 1 ngõ ra. (cid:190)Mạng có 2 ngõ vào, 1 ngõ ra. (cid:190)Lôùp aån goàm 5 teá baøo thaàn kinh coù haøm kích hoaït daïng sigmoid (cid:190)Lôùp ra goàm 1 teá baøo thaàn kinh coù haøm kích hoaït tuyeán tính Ch ù Chuù yù laø soá teá baøo thaàn kinh ôû lôùp aån coù theå nhieàu hôn 5, tuøy theo tính phi í h hi 5 å tuyeán cuûa boä ñieàu khieån PD môø maø maïng thaàn kinh caàn hoïc.

7 May 2010

de(t) d ( )

(cid:145) Bộ điều khiển mạng thần kinh sau khi huấn luyện (cid:145) Bộ điều khiển mạng thần kinh sau khi huấn luyện

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt)

(cid:145) Kết quả điều khiển lái tàu dùng mạng thần kinh đã huấn luyện (cid:145) Kết quả điều khiển lái tàu dùng mạng thần kinh đã huấn luyện

) t ( i h p

-45

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

) t ( a t l e e d

-50

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt)

(cid:145) So sánh với kết quả (cid:145) So sánh với kết quả

) t ( i

h p

-45

0 0

500 500

1000 1000

1500 1500

2000 2000

2500 2500

3000 3000

3500 3500

4000 4000

) t ( a

t l

e d

-50

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt)

7 May 2010

Điều khiển mờ Điều khiển dùng mạng thần kinh

(cid:145) Phương trình vi phân mô tả đặc tính động học hệ bồn chứa:

h& th )( )(

)( )(

2 2

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ

))( ))( tgh h

( ( C aCtku k D−

1 )( hA

−

min min

hA )( )( hA

Ah Ah + +

min

max max h max

7 May 2010

(cid:145) Sơ đồ thu thập dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh (cid:145) Sơ đồ thu thập dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt)

(cid:145) Dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh (cid:145) Dữ liệu để huấn luyện mạng thần kinh

) t ( e

30 15 15 0 -15 -30

120

160

200

240

280

320

) t ( e d d

50 25 0 -25 -50

100

150

200

250

300

) t ( u

100

150

200

250

300

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt)

h à ki h û l ù

ù h å hi à h

á b ø

ù l ø

(cid:145) Cấu trúc mạng thần kinh sao chép bộ điều khiển PI mờ (cid:190)Mạng có 3 ngõ vào e(t), de(t), u(t−1), 1 ngõ ra u(t). (cid:190)Mạng có 3 ngõ vào e(t), de(t), u(t 1), 1 ngõ ra u(t). (cid:190)Lôùp aån goàm 5 teá baøo thaàn kinh coù haøm kích hoaït daïng sigmoid (cid:190)Lôùp ra goàm 1 teá baøo thaàn kinh coù haøm kích hoaït tuyeán tính Ch ù Chuù yù laø soá teá baøo thaàn kinh ôû lôùp aån coù theå nhieàu hôn 5, tuøy theo tính phi í h hi 5 å tuyeán cuûa boä ñieàu khieån PI môø maø maïng thaàn kinh caàn hoïc.

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt)

(cid:145) Bộ điều khiển mạng thần kinh sau khi huấn luyện (cid:145) Bộ điều khiển mạng thần kinh sau khi huấn luyện

7 May 2010

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PD mờ (tt)

(cid:145) Kết quả điều khiển mực chất lỏng dùng mạng thần kinh đã huấn (cid:145) Kết quả điều khiển mực chất lỏng dùng mạng thần kinh đã huấn

Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt) Thí dụ huấn luyện mạng NN sao chép bộ điều khiển PI mờ (tt)

40 40

) t ( h h

120

160

200

240

280

320

10 10

) t ( u

-10

120

160

200

240

280

320

7 May 2010

luyện

CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN

DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

7 May 2010

(cid:145)Một trong những khó khăn khi chỉnh địng các bộ điều khiển là cần (cid:145)Một trong những khó khăn khi chỉnh địng các bộ điều khiển là cần

Giới thiệu Giới thiệu

(cid:145) Chỉnh định bộ điều khiển dùng giải thuật di truyền:

(cid:190) mã hóa cấu trúc và thông số của bộ điều khiển thành chuỗi

dung hòa giữa các chỉ tiêu chất lượng mâu thuẫn nhau.

nhiễm sắc thể

(cid:190) định nghĩa một hàm thích nghi làm hàm của các yêu cầu chất (cid:190) đị h hất hi là lượng ⇒ chuyển bài toán thiết kế thành bài toán cực tiểu một hàm mục tiêu theo thông số bộ điều khiển.

(cid:190) dùng giải thuật di truyền tìm lời giải làm cực trị của hàm thích

hĩ ột hà thí h hà ủ á ê ầ

7 May 2010

nghi ⇒ bộ điều khiển tối ưu

(cid:145) Về nguyên tắc, tất cả các bộ điều khiển điều có thể chỉnh định tối (cid:145) Về nguyên tắc tất cả các bộ điều khiển điều có thể chỉnh định tối

GA có thể chỉnh định được bộ điều khiển nào? GA có thể chỉnh định được bộ điều khiển nào?

ề ầ ể

7 May 2010

ưu dùng GA: (cid:190) PID kinh điển, LQR (cid:190) điều khiển mờ (cid:190) điều khiển PID mờ (cid:190) bộ điều khiển dùng mạng thần kinh, (cid:190)…

(cid:145) Mã hóa: 3 thông số KP, KI, KD được mã hóa thành chuỗi nhiễm sắc (cid:145) Mã hóa: 3 thông số K K K được mã hóa thành chuỗi nhiễm sắc

Chỉnh định bộ điều khiển PID dùng GA Chỉnh định bộ điều khiển PID dùng GA

thể dùng cách mã hóa thập phân hoặc mã hóa số thực.

Mã hóa thập phân Mã hóa thập phân

13.25 13 25

0.158 0 158

2.6711 2 6711

chuỗi NST ỗ

(cid:145) Khởi động thế hệ đầu tiên:

(cid:190) ngẫu nhiên (cid:190) hoặc dựa vào suy đoán ban đầu của người thiết kế để thuật toán (cid:190) hoặc dựa vào suy đoán ban đầu của người thiết kế để thuật toán

Mã hóa số thực

7 May 2010

hội tụ nhanh hơn

(cid:145) Tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai số (IAE): (cid:145) Tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai số (IAE):

+∞

fitness

)( ke

te )( dt

Hàm thích nghi Hàm thích nghi

J IAE

∫

⎛ = ∑ T ⎜ s ⎝ =k 1 ⎝ 1 k =

⎞ ⎟ ⎠ ⎠

0 0

(cid:145) Tiêu chuẩn tích phân bình phương của sai số (ISE):

+∞

fitness fitness

2 )( ke ke )(

⇒

2 te te

)( dt )( dt

J ISE J

∫= ∫

1 =k

⎛ = ∑ = ∑ T T ⎜ ⎜ s ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(cid:145) Tiêu chuẩn tích phân thời gian nhân với trị tuyệt đối sai số (ITAE):

+∞

fitness

)( ke

⇒ ⇒

tet

)( dt

J ITAE

∫

1 =

⎛ = ∑ 2 T ⎜ s ⎝

⎞ ⎟ ⎠

(cid:145) Tiêu chuẩn bình phương:

∞

2 )( )( te

2 )( )( tu

f fitness

2 ke

2 )( ku )(

⇒

T s s

∑ ∑

∫ ∫

)( ρ )( ρ + k

1 =

∞ ∫ ∫ ρ ρ 0

⎛ ⎜ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

7 May 2010

⇒

(cid:145) Mô hình toán học của động cơ DC: (cid:145) Mô hình toán học của động cơ DC:

ti )(

t )(

tu )(

−=

−

1 L

K ωb L K

)( t

Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ

f

ti )(

t )(

−

)( tdi dt d ω dt

R L K m J

(cid:145)Yêu cầu: Thiết kế bộ điều khiển PID dùng GA

7 May 2010

(cid:145) Sơ đồ điều khiển PID (cid:145) Sơ đồ điều khiển PID

7 May 2010

Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt) Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt)

(cid:145) Mã hóa: dấu chấm thập phân ở vị trí 2, lấy 5 chữ số có nghĩa. (cid:145) Mã hóa: dấu chấm thập phân ở vị trí 2 lấy 5 chữ số có nghĩa

(cid:145) Hàm thích nghi:

fitness fit

2 2 )( k ku )(

T T s

∑ ∑

∑ + ∑ 2 2 )( ρ k ke )( + k

1 =

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt) Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt)

⎛ ⎜ ⎜ ⎝ k 02.0=ρ

20=N

(cid:145) Kích thước quần thể:

5.0=η

(cid:145) Chọn lọc xếp hạng tuyến tính: hệ số chọn lọc

(cid:145) Lai ghép hai điểm: xác suất lai ghép:

9.0=Cp

(cid:145) Đột biến đều: xác suất đột biến: (cid:145) Đột biến đều: xác suất đột biến:

Mp 1.0=Mp

(cid:145) Khởi động quần thể đầu tiên: ngẫu nhiên

7 May 2010

với giá trị trọng số:

Bắt đầu

Lai ghép Lai ghép

Khởi động

Đột biến

Đánh giá

Giaûi maõ

Maõ hoùa

Đánh giá

Chọn lọc

N N

Hội tụ

Kết thúc Kết thúc

7 May 2010

Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt) Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt)

85 85

0.8

75 75

0.6

0.4

0.2 0 2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt) Thí dụ chỉnh thông số bộ PID điều khiển động cơ (tt)

Đáp ứng tốc độ động cơ khi Đá ứ ơ khi tố độ độ Đồ thị hàm thích nghi theo thế hệ Đồ thị hà thế hệ thí h hi th

(cid:145)Bộ điều khiển PID sau khi chỉnh định dùng GA

)( sG sG )(

25.7 257

12.0 120

s s

= =

+ +

01.31 s

7 May 2010

tín hiệu vào là hàm nấc

(cid:145) Chỉnh thông số bộ điều khiển mờ: (cid:145) Chỉ h thô ờ

Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA

(cid:190) Đã biết trước hệ qui tắc (nhờ kinh nghiệm hoặc hệ qui tắc quen

ố bộ điề khiể

(cid:190) Chỉnh thông số hàm liên thuộc và các hệ số chuẩn hóa

thuộc)

Chænh ñònh Chæ h ñò h duøng GA

Ñanh gia Ñaùnh giaù thoâng soá

7 May 2010

Heä qui taéc bieát tröôùc á Thoâng soá á

(cid:145) Chỉnh hệ qui tắc và thông số bộ điều khiển mờ: chỉnh định 2 bước: (cid:145) Chỉnh hệ qui tắc và thông số bộ điều khiển mờ: chỉnh định 2 bước:

(cid:190) bước1 gán trước thông số hàm liên thuộc và các hệ số chuẩn

(cid:190) bước 2 dùng GA chỉnh thông số của bộ điều khiển để cải thiện ố ủ bộ điề khiể để ải hiệ

Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA

Chænh ñònh dung GA duøng GA (böôùc 1)

Chænh ñònh duøng GA d ø GA (böôùc 2)

Ñaùnh giaù heä qui taéc

Ñaùnh giaù thoâng soá

Thoâng soá gan tröôc gaùn tröôùc

Heä qui taéc ña chænh ñaõ chænh

Heä qui tac qui taéc

Thoâng so soá

7 May 2010

hóa, sử dụng GA để chỉnh hệ qui tắc. b ớ 2 dù GA hỉ h hô chất lượng.

(cid:145) Chỉnh hệ qui tắc và thông số bộ điều khiển mờ: chỉnh định 1 bước: (cid:145) Chỉ h hệ

Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA

(cid:190) GA chỉnh định đồng thời hệ qui tắc và thông số

ờ hỉ h đị h 1 b ớ ố bộ điề khiể à thô i tắ

Chỉnh định dùng GA

Đánh giá bộ điều khiển mờ

7 May 2010

Bộ điều Khiển mờ Khiển mờ

(cid:145) Chỉnh thông số bộ điều khiển mờ: có hai cách chỉnh định: (cid:145) Chỉnh thông số bộ điều khiển mờ: có hai cách chỉnh định:

(cid:190) Chỉnh định 2 bước:

(cid:153) bước1 gán trước thông số hàm liên thuộc và các hệ số chuẩn

Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA Chỉnh định bộ điều khiển mờ dùng GA

(cid:153) bước 2 dùng GA chỉnh thông số của bộ điều khiển để cải

hóa, sử dụng GA để chỉnh hệ qui tắc. hó GA để hỉ h hệ ử d i ắ

(cid:190) Chỉnh định 1 bước: sử dụng GA chỉnh đồng thời cả hệ qui tắc

ợ g thiện chất lượng. ệ

7 May 2010

và thông số.

(cid:145) Mô hình toán học hệ bồn chứa: (cid:145) Mô hình toán học hệ bồn chứa:

sgn( sgn(

( (

|2 |2

−

= =

)|)( )|)(

( ( tku tku )( )(

th )( th )( 1

aCth aCth )) )) 2 1

thg thg )( )( 1

th th 2

& th )( th )( 1

)

|)(

−

))( t

( sgn(

th )( 1

aCth ))( 1 2

thg )( 1

th 2

aC D 2

gh 2

& th )( 2

) )

1 hA ( 1 1 1 2 hA ( 2 ( hA 2 2 A

−

min

)

hA ( i i

h i

min

max h max

Thông số vật lý của hệ thống: hmax = 50cm, Amax =200cm2, Amin =100cm2, a1 = 1cm2, a2 = 0.4cm2, k = 300 cm3/sec, CD=0.6

(cid:145)Yêu cầu: Thiết kế bộ điều khiển PI mờ điều khiển mức chất lỏng (cid:145)Yêu cầu: Thiết kế bộ điều khiển PI mờ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa 2.

7 May 2010

Thí dụ chỉnh thông số bộ PI mờ điều khiển mực chất lỏng Thí dụ chỉnh thông số bộ PI mờ điều khiển mực chất lỏng

7 May 2010

Sơ đồ điều khiển PI mờ hệ bồn chứa Sơ đồ điều khiển PI mờ hệ bồn chứa

(cid:145) Các giá trị ngôn ngữ

Định nghĩa các tập mờ cho biến vào/ra của bộ điều khiển PI mờ Định nghĩa các tập mờ cho biến vào/ra của bộ điều khiển PI mờ

(tập mờ) định nghĩa

cho các biến vào và ra

của bộ điều khiển mờ ủ bộ điề khiể ờ

được định nghĩa trong

iề miền chuẩn hóa [−1,1], h ẩ hó [ 1 1]

hàm liên thuộc của các

tập mờ có các thông số tập mờ có các thông số

7 May 2010

có thể chỉnh định được

Hệ qui tắc điều khiển PI mờ Hệ qui tắc điều khiển PI mờ

DU DU

NB NE ZE PO PB

NB NB NB NB NB NB NM NM NS NS ZE ZE

NE NM NS NB ZE PS

ZE ZE NM NM NS NS ZE ZE PS PS PM PM DE DE

PO NS ZE PS PM PB

7 May 2010

PB ZE PS PM PB PB

(cid:145) Mã hóa: Mỗi thông số cần chỉnh định (các thông số tập mờ P1,…,P8 (cid:145) Mã hóa: Mỗi thông số cần chỉnh định (các thông số tập mờ P P và các hệ số chuẩn hóa K1, K2, K3) được mã hóa thành một gien trên chuỗi NST mã số thực.

fitness

2 )( te

qd 2 )( te

(cid:145) Hàm thích nghi:

2 T ρ ∫ T

T ∫ 0

qd qd

10000

=ρ

Xây dựng GA chỉnh định thông số bộ điều khiển PI mờ Xây dựng GA chỉnh định thông số bộ điều khiển PI mờ

sec

75=qdT

Trong đó: ,

g ộ

7 May 2010

Lý do của việc tăng trọng số của hàm thich nghi trong khoảng thời g gian từ Tqd đến 2Tqd là để GA tìm kiếm bộ thông số tối ưu làm cho đáp ứng của hệ thống không còn dao động từ thời điểm Tqd trở đi.

30=N 30=N

(cid:145) Kích thước quần thể: (cid:145) Kích thước quần thể:

3.0=η

(cid:145) Chọn lọc xếp hạng tuyến tính: hệ số chọn lọc:

(cid:145) Lai ghép BLX-α, xác suất lai ghép:

Các tùy chọn của GA Các tùy chọn của GA

9.0=Cp

1.0=Mp

(cid:145) Đột biến ngẫu nhiên: xác suất đột biến:

(cid:145) Khởi động quần thể đầu tiên: ngẫu nhiên

7 May 2010

100

ấ

Bắt đầu

Lai ghép Lai ghép

Khởi động

Đột biến

Đánh giá

Giaûi maõ

Maõ hoùa

Đánh giá

Chọn lọc

N N

Hội tụ

Kết thúc Kết thúc

7 May 2010

101

Lưu đồ GA chỉnh định bộ điều khiển mờ PI Lưu đồ GA chỉnh định bộ điều khiển mờ PI

5 x 10

3.5 3.5

35 35

2.5

2 2

) t ( y

1.5

0.5

100

200

400

500

600

100

150

200

300 Time (sec)

Kết quả chỉnh định bộ điều khiển mờ PI Kết quả chỉnh định bộ điều khiển mờ PI

ấ Đồ thị hàm thích nghi theo thế hệ ồ ế

2844

2796

5695

6242

4999

1791

4 =P 8 =P 8

9504

.14

4201

−=P 1 .0 4778 −=P 5 5 1 =K .0 0879

−=P 3 7 =P 7 3 =K

Đáp ứng mực chất lỏng trong bồn theo tín hiệu đặt

7 May 2010

102

Thông số bộ điều khiển PI mờ sau khi chỉnh định Thông số bộ điều khiển PI mờ sau khi chỉnh định 2 =P 6486 −=P 6 6 2 =K

(cid:145) Mô hình toán học hệ con lắc ngược quay (Rotary Inverted Pendulum) (cid:145) Mô hình toán học hệ con lắc ngược quay (Rotary Inverted Pendulum)

sin

−

0 −

lLm cos 101 2 lmJ + 1 1 11 11

2sin

sin ββ &

lLm 101

2 lm β & 11

2 lm α & 11

⎤ α ⎤ ⎡ β && +⎥ ⎥ ⎢ β && ⎦⎣⎦ ⎦ ⎣ ⎦ 1 2

2 2 lmLm + + 11 01 cos lLm β β 101 101 1 2

2sin 2i

β β

−

C C 1

2 2 lm l α & 11

1 2

⎤ α ⎥ ⎡ ⎤ & +⎥ ⎥ ⎢ β β & ⎦⎣⎥ ⎣ ⎦ ⎥ ⎦

0 sin1 sin

glm glm 1

τ ⎡ ⎤ ⎥ ⎢ 0 0 ⎦⎣ ⎣ ⎦

⎡ ⎢ ⎣ ⎣ ⎡ C ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣− ⎣

⎤ =⎥ β β ⎦ ⎦

Trong đó: ó

ủ

ụ q y

ộ g

Thiết kế bộ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay Thiết kế bộ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay

α: góc quay của cánh tay á h t β: góc quay của con lắc τ: moment tác động vào trục quay của cánh tay y Yêu cầu: TK bộ điều khiển mờ giữ cân bằng con lắc

7 May 2010

103

7 May 2010

104

Sơ đồ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay Sơ đồ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay

7 May 2010

105

Định nghĩa các tập mờ cho các biến vào/ra của bộ ĐK mờ Định nghĩa các tập mờ cho các biến vào/ra của bộ ĐK mờ

(cid:145) Ý tưởng: GA chỉnh định bộ điều khiển mờ qua 2 bước: (cid:145) Ý tưởng: GA chỉnh định bộ điều khiển mờ qua 2 bước:

(cid:190) Bước 1: chỉnh hệ qui tắc với thông số hàm liên thuộc và các hệ

Xây dựng GA thiết kế bộ điều khiển mờ Xây dựng GA thiết kế bộ điều khiển mờ

(cid:190) Bước 2: tiếp tục chỉnh thông số sau khi đã có hệ qui tắc để được

số chuẩn hóa chọn trước

Chænh ñònh duøng GA d ø GA (böôùc 1)

Chænh ñònh duøng GA (böôùc 2)

Ñaùnh giaù Ñanh gia heä qui taéc

Ñaùnh giaù Ñanh gia thoâng soá

Thoâng soá gaùn tröôùc t öôù

Heä qui taéc ñaõ chænh ñ õ hæ h

Heä qui taéc é i

Thoâng soá á

7 May 2010

106

bộ điều khiển tối ưu

(cid:145) Hệ qui tắc mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay gồm các qui tắc i ắ

Mã hóa hệ qui tắc mờ Mã hóa hệ qui tắc mờ

ờ iữ â bằ hệ lắ ồ á

(cid:145) Giả thiết hệ qui tắc đầy đủ, nghĩa là gồm tất cả 81 qui tắc (cid:145) Chú ý rằng:

i ắ Hệ có dạng:

(cid:190) ở trạng thái cân bằng moment điều khiển bằng 0

ằ

(cid:190) hệ qui tắc đối xứng

⇒⇒

7 May 2010

107

⇒ chỉ cần mã hóa 40 qui tắc ⇒ chỉ cần mã hóa 40 qui tắc

(cid:145) Bộ gien dùng mã hóa hệ qui tắc mờ ờ

Mã hóa hệ qui tắc mờ (tt) Mã hóa hệ qui tắc mờ (tt)

ã hó hệ Bộ i i ắ dù

Giá trị ngôn ngữ N4 N3 N2 N1 ZE P1 P2 P3 P4

(cid:145) Chuỗi NST mã hóa hệ qui tắc mờ: ờ

Giá trị của gene 1 2 3 4 5 6 7 8 9

7 May 2010

108

Ch ỗi NST ã hó hệ i tắ

fitness

2 )( te

qd 2 )( te

(cid:145) Hàm thích nghi:

2 T ρ ∫ T

T ∫ 0

qd qd

10000

=ρ

Xây dựng GA chỉnh định thông số bộ điều khiển PI mờ Xây dựng GA chỉnh định thông số bộ điều khiển PI mờ

sec

75=qdT

Trong đó: ,

g ộ

7 May 2010

109

30=N 30=N

(cid:145) Kích thước quần thể: (cid:145) Kích thước quần thể:

3.0=η

(cid:145) Chọn lọc xếp hạng tuyến tính: hệ số chọn lọc:

(cid:145) Lai ghép BLX-α, xác suất lai ghép:

Các tùy chọn của GA Các tùy chọn của GA

9.0=Cp

1.0=Mp

(cid:145) Đột biến ngẫu nhiên: xác suất đột biến:

(cid:145) Khởi động quần thể đầu tiên: ngẫu nhiên

7 May 2010

110

ấ

Bắt đầu

Lai ghép Lai ghép

Khởi động

Đột biến

Đánh giá

Giaûi maõ

Maõ hoùa

Đánh giá

Chọn lọc

N N

Hội tụ

Kết thúc Kết thúc

7 May 2010

111

Lưu đồ GA chỉnh định bộ điều khiển mờ PI Lưu đồ GA chỉnh định bộ điều khiển mờ PI

5 x 10

3.5

35 35

2.5

) t ( y

1.5

0.5

100

200

400

500

600

100

150

200

300 Time (sec)

Kết quả chỉnh định bộ điều khiển mờ PI Kết quả chỉnh định bộ điều khiển mờ PI

Đáp ứng mực chất lỏng trong Đá ứ hất lỏ ự t Đồ thị hàm thích nghi theo thế hệ Đồ thị hà thế hệ thí h hi th

(cid:145)Thông số bộ điều khiển PI mờ sau khi chỉnh định dùng GA

2796

2844

−=P 1

2 =P

7 May 2010

112

bồn theo tín hiệu đặt

5 x 10

3.5 3.5

35 35

2.5

2 2

) t ( y

1.5

0.5

100

200

400

500

600

100

150

200

300 Time (sec)

Kết quả chỉnh định bộ điều khiển mờ PI Kết quả chỉnh định bộ điều khiển mờ PI

ấ Đồ thị hàm thích nghi theo thế hệ ồ ế

2844

2796

5695

6242

4999

1791

4 =P 8 =P 8

9504

.14

4201

−=P 1 .0 4778 −=P 5 5 1 =K .0 0879

−=P 3 7 =P 7 3 =K

Đáp ứng mực chất lỏng trong bồn theo tín hiệu đặt

7 May 2010

113

Thông số bộ điều khiển PI mờ sau khi chỉnh định Thông số bộ điều khiển PI mờ sau khi chỉnh định 2 =P 6486 −=P 6 6 2 =K

Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh: Chương 3 - TS. Huỳnh Thái Hoàng

Chủ đề:

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

â Ñi à Khi å Tö Ñ ä

Giaûng vieân: TS. Huyønh Thaùi Hoaøng Boä moân Ñieàu Khieån Töï Ñoäng B ä Khoa Ñieän – Ñieän Töû Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn Email: hthoang@hcmut edu vn Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang

ÑIEÀU KHIEÅN TRÖÏC TIEÁP ÑIEÀU KHIEÅN TRÖÏC TIEÁP

Giôùi thieäu Giôùi thieäu

Ñieàu khieån môø Ñieàu khieån môø

Thieát keá boä ñieàu khieån môø Thieát keá boä ñieàu khieån môø

döïa vaøo kinh nghieäm chuyeân gia döïa vaøo kinh nghieäm chuyeân gia

Thieát keá boä ñieàu khieån môø Thieát keá boä ñieàu khieån môø

döïa vaøo lyù thuyeát oån ñònh Lyapunov döïa vaøo lyù thuyeát oån ñònh Lyapunov

åå

x =&

(cid:145) Deã thaáy ñieåm caân baèng phaûi laø nghieäm cuûa phöông trình: xf

0=

x&

exx =

x& â b è

0 = Giaû söû heä thoáng coù ñieåm caân baèng xe = 0. 0 ù ñi å Gi û öû h ä th á

x

x

x& â b è

0 = Giaû söû heä thoáng coù ñieåm caân baèng xe = 0. 0 ù ñi å Gi û öû h ä th á

x

x&

x

x ≠∀

xV&

Thieát keá boä ñieàu khieån PID môø Thieát keá boä ñieàu khieån PID môø

)

))( t δ

( δτ & 3

( )( t ψψ & &

))( ))( tgh h

( ( C aCtku k D−

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP

DÙNG MẠNG THẦN KINH DÙNG MẠNG THẦN KINH

Ù Ù

Ầ Ầ

)

))( t δ

( δτ & 3

( )( t ψψ & &

))( ))( tgh h

( ( C aCtku k D−

CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN

DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

f

R L K m J

α: góc quay của cánh tay á h t β: góc quay của con lắc τ: moment tác động vào trục quay của cánh tay y Yêu cầu: TK bộ điều khiển mờ giữ cân bằng con lắc

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi