Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn đã đƣợc kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 09 năm 2012 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Thanh Tú ii Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc và lòng kính trọng đối với thầy hƣớng dẫn: GVC-TS Nguyễn Chí Ngôn đã có những chỉ dẫn quý báu về phƣơng pháp luận và định hƣớng nghiên cứu để luận văn hoàn thành. Tôi cũng bày tỏ lời cám ơn đối với Khoa Điện-Điện tử của trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Công nghệ của trƣờng Đại học Cần Thơ và đơn vị tôi đang công tác đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tôi hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin trân trọng cám ơn các Thầy Phản biện đóng góp các ý kiến và trao đổi các vấn đề lý thuyết cũng nhƣ thực tiễn để luận văn đƣợc hoàn thiện.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn chia sẻ và cổ vũ động viên tinh thần đối với tôi trong suốt quá tình học tập và thực hiện luận văn này. iii Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF TÓM TẮT Tóm tắt: Luận văn này nhằm nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển PID một nơ- ron thích nghi để điều khiển đối tƣợng phi tuyến chƣa biết trƣớc tham số và cấu trúc. Bộ điều khiển PID đƣợc tổ chức dƣới dạng một nơ-ron tuyến tính mà ở đó ba trọng số kết nối của ba ngõ vào nơ-ron tƣơng ứng với ba thông số Kp, Ki, và Kd của bộ điều khiển. Áp dụng giải thuật huấn luyện trực truyến (online) nơ-ron cho phép tự điều chỉnh thông số bộ điều khiển thích nghi theo sự biến đổi đặc tính động của đối tƣợng.
Bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF làm nhiệm vụ nhận dạng không tham số mô hình đối tƣợng, từ đó đƣa ra thông tin Jacobian còn gọi là độ nhạy của đối tƣợng. Bộ nhận dạng này đƣợc huấn luyện trực tuyến bằng phƣơng pháp gradient descent. Giải thuật huấn luyện bộ điều khiển PID một nơ-ron cần thông tin Jacobian từ bộ nhận dạng, để tính toán các giá trị gradient dùng để cập nhật các trọng số kết nối của nơ-ron PID. Kiểm nghiệm qua mô phỏng trên MATLABvà tiến tới thực nghiệm trên hệ ổn định áp suất RT030 của hãng Gunt-Hamburg, Đức.
Kết quả cho thấy đáp ứng của đối tƣợng thỏa mãn các yêu cầu điều khiển khắc khe, triệt tiêu đƣợc sai số xác lập và độ vọt lố nằm trong phạm vi cho phép. Abstract: This thesis aims to develop a single neuron adaptive PID controller forunknownsystems. APID controller is constructed as a linear neuron that three input weights of neuron work as three parameters Kp, Ki and Kdof the PID controller. Applyingan online learning algorithm for this neuron allows self-tuning the PID controller adapting to behaviors of system dynamics.A RBF neural network - based non-parametric model identifier providesJacobian iv Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF information, also known as the sensitivity of the subject.
This neural network identifier is online trainedby using gradient descent method. ThePID training algorithm needs Jacobian information from the identifier to calculate gradient values used to update weights of PID neuron. The controller was tested by simulation on MATLAB and experiment on RT030 Air Pressure Control Unit of Gunt-Hamburg, Germany. The results show that the system responses satisfy the requirements of control performance, eliminating steady-state error, and achieving safe overshoot.
v Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC….vi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.2 Mục tiêu của đề tài.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài.4 Phƣơng pháp nghiên cứu. 8 CHƢƠNG2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 2.1 Bộ điều khiển PID thích nghi.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 9 2.2 Bộ điều khiển PID thích nghi 12 2.2 Bộ điều khiển PID một nơ-ron.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID một nơ-ron.2 Huấn luyện trực tuyến bộ điều khiển một nơ-ron.3 Mạng nơ-ron RBF.1 Cấu trúc mạng nơ-ron RBF.2 Hàm cơ sở xuyên tâm.3 Tổng quát hàm cơ sở xuyên tâm Gaussian và huấn luyện mạng RBF.4 Hệ ổn định áp suất RT030 20 vi Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỘT NƠ-RON THÍCH NGHI DỰA TRÊN BỘ NHẬN DẠNG MẠNG NƠ-RON RBF 25 3.2 Bộ nhận dạng đối tƣợng điều khiển.1 Bộ nhận dạng dựa trên mạng nơ-ron RBF.2 Giải thuật huấn trực tuyến bộ nhận dạng.3 Giải thuật huấn luyện bộ điều khiển PID một nơ-ron.4 Mô phỏng giả định giải thuật huấn luyện bộ điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF. 1 Mô phỏng 1: Tín hiệu tham khảo cố định 30 3. 2 Mô phỏng 2: Tín hiệu vào tham khảo là xung vuông.
3 Mô phỏng 3: Tín hiệu vào tham khảo Xref là tín hiệu bậc thang tăng dần. 37 CHƢƠNG 4:KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 40 4.1 Phƣơng thức giao tiếp máy tính với thiết bị RT030.2 Sơ đồ thực nghiệm điều khiển 42 4.3 Kết quả thực nghiệm 43 4.1 Kết quả thực nghiệm 1:43 4.2 Kết quả thực nghiệm 2: 47 4.3 Kết quả thực nghiệm 3: 50 4.4 Kết quả thực nghiệm 4: 52 CHƢƠNG 5:KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 vii Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Trong sự phát triển của KH&CN, lý thuyết điều khiển hiện đại có vai trò hết sức quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề nhƣ nâng cao chất lƣợng điều khiển, độ ổn định của hệ thống, tiết kiệm năng lƣợng hay nhƣ sử dụng máy móc thay thế con ngƣời trong các ứng dụng điều khiển phức tạp hoặc nguy hại. Các bộ điều khiển PIDđƣợcsử dụng rộng rãitrong việc kiểm soátquá trình công nghiệpbởi vìđơngiảnvàmạnh mẽ.
Tuy nhiên,thông thƣờngbộ điều khiểnPIDvới các thông sốcốđịnhkhócó thểthích ứng vớithờigiankhác nhaucủa các đối tƣợng có đặc tính động trong phạm vi rộng[1]. Đểcải thiện hiệu suấtđiều khiển, bộ điều khiểnPIDtự điều chỉnhđƣợc quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học[1-3]. Để giải quyết các vấn đề phức tạp trên, lý thuyết điều khiển bền vững và thích nghi đƣợc xem là các công cụ hữu hiệu. Thực tế hiện nay điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực nhƣ điều khiển robot, máy công cụ, CNC, điều khiển quá trình (hóa học, sinh học, .), điều khiển truyền động hay nhƣ điều khiển lái tàu, máy bay tự động.
Tuy nhiên việc thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến nói chung và điều khiển thích nghi nói riêng là không đơn giản và đặt ra hàng loạt vấn đề cần giải quyết nhƣ vấn đề về ổn định hệ vòng kín, vấn đề điều khiển bám theo tín hiệu mẫu, vấn đề chống nhiễu hoặc làm suy giảm nhiễu cũng nhƣ khi kết hợp các vấn đề trên 1 Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF với nhau. Giống nhƣ trong điều khiển tuyến tính, phản hồi vẫn là chìa khóa để thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến nói chung. Về mặt lý thuyết, nếu toàn bộ các trạng thái của hệ đo đƣợc khi đó ta nói đến điều khiển phản hồi trạng thái, còn trong trƣờng hợp chỉ có véctơ đầu ra đo đƣợc, điều khiển phản hồi đầu ra đƣợc áp dụng. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến nhƣ tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization), điều khiển tích phân (integral control) và điều khiển PID thích nghi là các phƣơng pháp chủ đạo hiện nay [20-24].
Các bộ điều khiểnPIDsử dụng nhiều trongcác vòngkiểmsoátcủa các quá trìnhcông nghiệp. Các thôngsốcủa nólàcầnphải đƣợc điều chỉnhchức năng củaquy trình kiểm soátvàkhông thay đổitrongquátrìnhhoạt động thƣờng xuyêncủanó. Sự bắt đầu của bộ điều khiểnPIDđòi hỏi phải cómộtcông việckhông phải lúc nào cũngđơn giảntrongviệc điều chỉnhcác thông số, bên cạnh sự tồn tại củamột sốphƣơng pháp [29]. Mặc dùhữu íchcủacácphƣơng phápnàytrongviệc tính toántiếp cậncác thông sốgiá trị, tuy nhiênlàcần thiếttrong một thời gianquan sát đểđiều tramột cách chắc chắnhơnviệc thực hiệnđiều khiển,yêu cầu,trong một sốtrƣờnghợp, một số lƣợng đáng kểthời gian.
Điềunàyđƣợc hiểu nhƣ làmột bất lợihoặckhókhăntrongdịch vụbắt đầuđiều khiển. Các trƣờng hợp khác phức tạp hơntồn tạidođặc thùcủa nó, nơi có quy trìnhthay đổi nhỏthỏa hiệpthựchiệnbộ điều khiểnPID. Những tình huống này đƣợc quan sátbởi các bản đồxu hƣớngphân tíchbởingƣời điều khiểnquá trìnhxảy rasự cần thiết phảiđiều chỉnhcác thông sốđiều khiển.Lý do là khó khănđể định nghĩa haygiải thích, làhầu hết thời gianlàm thủ tụcđa dạngcác khía cạnh. 2 Điều khiển PID một nơ-ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn đƣợc gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D.
Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển nhƣ vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt.
Đáp ứng của bộ điều khiển có thể đƣợc mô tả dƣới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vƣợt điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Bộ điều khiển PID vẫn làthuậttoánthốngtrịtrongthực hành kỹ thuậtkiểmsoátdođơn giảnvà khả năngcơbản. Một vấn đề lâu dàivới sự quan tâmđángkểtừngành công nghiệpđể cải thiệnmạnh mẽcủabộ điều khiểnPIDvà giảmđộ nhạy cảmcủa chúngđể đạt đƣợcđiều chỉnhbất ổnhệthốngvà thờigian biến đổi.