HUYNH THAI HOANG 3 THONG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH c(t) — THỦ VIEN DAI HOC NHA TRANG [ÍIlll 3000013422 aaa Chas ming ban dé din udi \Š ` “NHÀ XUẤT BẢN 2áx sau AB Ho cá, TC HỌC QUỐC CH) Xin vui long: se Không xé sách e Không gạch, viết, vẽ lên sách DAI HOC QUOC GIA TP HO CHi MINH TRUGNG DAI HOC BACH KHOA Huynh Thai Hoang EBOOKBKMT.COM HO TRO TAI LIEU HOC TAP HE- THO THONG Ê Pw THONG MINH | TRHEMU ĐẠI ? { _———~ —_— NHà lIANG -^ (t rX©. ET ee OM PRES | ` tt | mm. - NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2006 EBOOKBKMT.COM HO TRO TAI LIEU HOC TAP MUC LUC LOI NOI DAU 7 Chuong 1 TONG QUAN VE DIEU KHIEN THONG MINH 9 1.2 Khái niệm về điều khiển thông minh 10 1.3 Đặc điểm của hệ thống thông minh 14 1.4 Cấu trúc của hệ thống điều khiển thông minh 16 1.5 Các lĩnh vực liên quan đến điều khiển thông minh 18 1.6 Hướng nghiên cứu điều khién thong minh 22 Chương 3 HỆ MỜ 25 25 2. Tập hợp mờ Quan hệ mờ 41 2.3 44 24 Biến ngôn ngữ và giá trị ngôn ngữ 45 2.6 Quy tắc mờ 54 2.7 Suy luận mờ 60 2.9 Tóm tắt 86 Chương 3 MẠNG THÂN KINH 86 3.1 Giới thiệu nhân tạo 88 29 Té bao than kinh va mạng thần kinh tạo 92 3.3 Các phương pháp huấn luyện mạng thần kinh nhân 95 3.4 Mang truyền thẳng một lớp 107 3.5 Mang txuyển thang nhiều lớp 118 3.6 Mang ham cơ sở xuyên tâm nghĩ 122 3.7 Mang thần kinh suy diễn mờ thích 125 3.
GIAI THUAT DI TRUYEN 126 4.2 Giải thuật di truyền cơ bản 129 4.3 Giải thuật di truyền mã số thực 147 4.4 Giải thuật di truyền song song 153 4.5 Một số ví dụ 156 4.6 Tóm tắt 167 Chương 5 ĐIỀU KHIỂN TRỤỰC TIẾP 168 5.3 Điều khiển mờ trực tiếp 173 5.3 Điều khiển PID mờ 190 207 5.4 Điều khiển trực tiếp dùng mạng thần kinh 212 5.5 Tự chỉnh bộ điều khiển trực tiếp dùng giải thuật di truyền 233 5.6 Tóm tắt Chương 6 NHẬN DẠNG HỆ PHI TUYẾN 234 6.2 Nhận dạng hệ phi tuyến 247 6.3 Nhận dạng hệ phi tuyến dùng mô hình mờ 270 6.4 Nhận dạng hệ phi tuyến dùng mô hình mạng thần kinh 277 6.5 Ước lượng thông số mô hình phi tuyến dùng GA 280 6.6 Tóm tắt Chương 7 ĐIỀU KHIỂN DỰA VÀO MÔ HÌNH 281 281 7.2 Điều khiển dùng mô hình ngược 7.3 Điều khiển mô hình nội ; 288 7. Điều khiển theo mô hình chuẩn 292 7.5 Điều khiển dự báo dựa vào mô hình 296 7.6 Tóm tắt 306 Chuong 8 DIEU KHIEN THICH NGHI 307 8.2 Hồi tiếp tuyến tính hóa hệ phi tuyến 312 8.3 Điều khiển thích nghỉ gián tiếp 316 8.4 Điều khiển thích nghỉ trực tiếp 327 8.5 Tóm tắt 336 Chương 9 ĐIỀU KHIỂN HỌC 337 9.2 Hệ thống điều khiển học 339 9.3 Một số ví dụ 343 9.4 Tóm tắt 356 Chương 10 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH 357 10.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển thông minh 357 10.2 Phát sinh hành vi 367 10.3 Mô hình thế giới 370 10.4 Xử lý cảm biến 374 .5 Đánh giá giá trị 10.6 Ứng dụng hệ thống điều khiển thông minh 378 10.7 Tóm tắt 386 Phụ lục A: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB 387 TÀI LIỆU THAM KHẢO 412 LOI NOI DAU Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ làm xuất hiện các đối tượng điều khiển có độ phúc tạp ngày càng tăng. Yêu câu thực tiễn đặt ra là phải điều khiển các hệ thống động ngày càng phức tạp, trong điều biện các yếu tố bất định ngày cùng gia tăng uới yêu câu chất lượng điều khiển ngày càng cao. Các yêu cầu trên không thể đáp ứng được trọn uen, đông thời nếu dùng lý thuyết điêu khiển thông thường sẵn có.
Đây chính là động lực cho ra đời một lĩnh uực nghiên cứu mới đây tiềm năng va nhiều thách thức, đó là điêu khiển thông mình. Tổng quát, điều khiển thông mình là phương pháp điều bhiển phỏng theo các đặc điểm cơ bản của trí thông mình của con người, bao gồm khả năng học, khả năng xv ly thông tin không chắc chắn vd kha ndng tim kiém lời giải tối ưu. Ngày nay điều khiến thông mình có xu hướng bao gôm tất cả các vdn đề không thuộc phạm u¡ điều khiển thông tuường. Các kỹ thuật điều khiển thông minh được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm mạng thân kinh (nhân tạo), logic mờ uà giải thuật di truyền.
Khác biệt co ban giữa điều khiển thông mình uè điều khiển thông thường là khi thiết kế hệ thống diều khiển thông mình oề nguyên tắc không cần biết mô hình toán học của đối tượng điều khiển. Chính uì lý do đó nuà các kỹ thuật điều khiển thông mình có thể áp dụng để giải được nhiều bài toán điều khiển phức tạp, có yếu tố bất định. Những năm gân đây, diều khiển thông mình phát triển rất mạnh vé ly thuyết vd được ứng dụng rất rộng rõi trong cúc lĩnh uực công nghiệp, dân dụng cũng như an ninh quéc pl-ong. Quyển sách HỆ THỐNG DIEU KHIEN THONG MINH gém 10 chuong, tring bay mét cach c6 hé thống co sé ly thuyét va ung dung các kỹ thuật thông mình (logic mờ, mạng thần kinh, giải thuật di truyền) trong uiệc thiết kế các hệ thống điều khiển.
Đa số các vi dụ minh họa trong quyến sách đều được trình bày chỉ tiết từ cách thiết kế hệ thống điều khiển đến cách thực thi chương trình mô phỏng để độc giả có thể tự lập trình kiểm chứng lý thuyết dùng phần mềm Matlab. Quyển sách được biên soạn nhằm mục đích làm tài liệu tham khảo cho học uiên Cao học các ngành Tự động hóa, Cơ điện tử, Công nghệ chế tạo máy. khi học môn Hệ thống điều khién théng minh. Tuy uậy, tác giả hy uọng rằng sinh uiên đại học uà cán bộ khoa học kỹ thuật liên quan đến lĩnh uực điều khiển cũng có thể tìm thấy trong quyển sách này những thông tin bổ ích cần thiết cho uiệc học tập hoặc công tác chuyên môn.
Tác giả chân thành gởi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp ở Bộ môn Điều khiển tự động đã tạo điều kiện uà giúp đỡ nhiệt tình để quyển sách được xuất bản; 0à những người thân trong gia đình đã dành nhiều tình cảm uà động uiên để quyển sách được hoàn thành. Đây là lần đầu tiên quyển sách ra mắt độc giả nên mặc dù tác giả đã rất cố gắng biên soạn dựa trên cơ sở tham khảo nhiêu tài liệu mới công bố trong các sách chuyên khảo uà tạp chí chuyên ngành trong những năm gần đây, nhưng quyển sách chắc chắn chưa bao quát hết tất cả các uấn đề liên quan đến hệ thống điều khiển thông mình uà còn nhiều thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của độc giả uà đông nghiệp để lần xuất ban sau quyển sách được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gởi uề: TS Huỳnh Thái Hoàng, Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.
HCM: 268 lý Thường Kiệt - Quận 10. Điện thoại: (08) 8654357 Email: hthoang@hemut.edtzun Tac gia TS Huỳnh Thái Hoàng ome ¬ Chươïntg 1 TONG QUAN VE DIEU KHIỂN THÔNG MINH 1.1 GIGI THIEU Hé théng diéu khién thong thường hiện nay được thiết kế dựa vào mô hình toán học của hệ thống vật lý. Bằng kỹ thuật mô hình hóa và/hoặc nhận dạng hệ thống, một mô hình toán học mô tả đặc tính động học của đối tượng điều khiển được đưa ra. Mô hình toán học của hệ thống phải “đủ đơn giản” để có thể phân tích bằng lý thuyết điều khiển thông thường hiện có, và “đủ chính xác” để có thể mô tả được các đặc điểm động học quan trọng của đối tượng, đặc biệt là trong miền lân cận điểm làm việc.
Sau khi đã chọn được mô hình toán học mô tả đối tượng, các kỹ thuật thiết kế dựa vào mô hình được áp dụng để đưa ra mô hình toán học của bộ điều khiển thích hợp. Lý thuyết toán học cơ sở và các phương pháp điều khiến đã phát triển không ngừng trong thời gian qua để đáp ứng nhu cầu điều khiển đối tượng ngày càng phức tạp với yêu cầu chất lượng ngày càng cao. Trong quá trình phát triển, lý thuyết điều khiển đã có những bước tiến quan trọng từ lý thuyết kinh điển (phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển trong miễn tần số sử dụng phép biến đổi Laplace và hàm truyền trong những năm 1930-1940) đến lý thuyết hiện đại sử (phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển trong miễn thời gian dụng mô hình không gian trạng thái trong những năm 1950-1960). Điều khiển tối ưu trong những năm 1950-1960, theo sau đó là các phương pháp điều khiển ngẫu nhiên, thích nghị, phi tuyến từ sau 1980 năm 1960 đến phương pháp điều khiển bền vững từ những năm xác đến nay, đã cung cấp cơ sở toán học để có thể điều khiển chính kế sẽ hơn các hệ thống động phức tạp.
Bộ điều khiển sau khi thiết dùng để được thực thi bằng phần cứng và/hoặc phần mềm và nó được lại điểu khiển hệ thống vật lý. Quá trình thiết kế có thể phải lặp đáp ứng nhiều lần cho đến khi chất lượng của hệ thống điều khiến yêu cầu. 10 CHUONG 1 Một yếu tố gây ra khó khăn trong uiệc thiết bế các bộ điều khiển cho các hệ thống động là sự bất định. Nếu hệ thống làm việc trong phạm vi hẹp, hệ thống có thể được xem là tuyến tính và các yếu tố bất định không đáng kể thì các bộ điều khiển kinh điển, chẳng hạn như PID, có thể thiết kế và thực thi dé dàng và đáp ứng được yêu cầu chất lượng.
Khi miền làm việc của hệ thống càng rộng thì các đặc tính phi tuyến xuất hiện và các yếu tố bất định càng gia tăng, trong trường hợp này phải sử dụng các phương pháp hiện đại mới có thể thiết kế được bộ điều khiển đạt yêu cầu. Để đối phó với đặc tính phi tuyến của đối tượng phải sử dụng bộ điêu khiển phi tuyến và để đối phó với các yếu tố bất định có thể dùng bộ điều khiến thích nghỉ hoặc bền vững. Bộ điều khiển thích nghỉ có thông số và/hoặc cấu trúc thay đổi thích ứng với sự thay đổi của các yếu tố bất định nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống không đổi (hoặc thay đổi khung đáng kể), trong khi bộ điều khiển bên vững được thiết kẻ. sao cho: chất lượng của hệ thống không 1ui (hoặc thay đổi không đáng kể) khi các yếu tố bất định nằm trong giới hạn cho phép.