Nâng cao khả năng điều khiển bộ ANFIS bằng giải thuật PSO - Trần Minh Thành

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điều khiển của bộ ANFIS bằng giải thuật PSO, tối ưu hóa thông số và cải thiện độ chính xác hệ thống.

• Tác giả: Trần Minh Thành
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nâng cao khả năng điều khiển của bộ ANFIS bằng giải thuật PSO
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn ANFIS PSO nâng cao khả năng điều khiển

Bộ điều khiển ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo và logic mờ, mang lại khả năng học tập thích nghi và xử lý dữ liệu không chắc chắn. Giải thuật PSO (Particle Swarm Optimization) mô phỏng hành vi đàn chim tìm kiếm thức ăn, tối ưu hóa hiệu quả thông qua di chuyển tập thể. Việc kết hợp ANFIS-PSO nhằm khắc phục nhược điểm của ANFIS trong việc xác định tham số hệ thống, vốn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia. Nghiên cứu này tập trung nâng cao khả năng điều khiển hệ thống phi tuyến bằng cách tối ưu hóa các tham số ANFIS thông qua PSO. Phương pháp đề xuất hứa hẹn cải thiện độ chính xác, tốc độ hội tụ và khả năng thích ứng với biến đổi môi trường.

1.1. Cơ sở lý thuyết của ANFIS trong điều khiển

ANFIS hoạt động dựa trên kiến trúc mạng nơ-ron 5 lớp, kết hợp luật suy diễn mờ Takagi-Sugeno. Lớp đầu tiên định nghĩa tập mờ cho biến đầu vào, lớp thứ hai tính toán mức độ khớp luật, lớp thứ ba chuẩn hóa trọng số luật. Lớp thứ tư thực hiện suy diễn tuyến tính, lớp cuối cùng tổng hợp đầu ra. Khả năng học tập của ANFIS đến từ thuật toán lan truyền ngược điều chỉnh tham số hàm thuộc (membership function) và hệ số tuyến tính. Tuy nhiên, hiệu suất phụ thuộc lớn vào việc khởi tạo ban đầu, dẫn đến nguy cơ rơi vào cực tiểu cục bộ. PSO được kỳ vọng khắc phục hạn chế này thông qua cơ chế khám phá toàn cục.

1.2. Nguyên lý hoạt động giải thuật PSO

PSO khởi tạo quần thể hạt (particles) đại diện cho giải pháp tiềm năng trong không gian tìm kiếm. Mỗi hạt có vị trí và vận tốc cập nhật dựa trên kinh nghiệm bản thân (pbest) và kinh nghiệm toàn đàn (gbest). Quá trình lặp lại điều chỉnh vị trí hạt theo công thức: v = wv + c1r1*(pbest - x) + c2r2(gbest - x). Hệ số quán tính w cân bằng khả năng khám phá và khai thác, trong khi c1, c2 điều khiển ảnh hưởng của pbest và gbest. PSO đặc biệt hiệu quả trong tối ưu hóa đa mục tiêu, tránh rơi vào cực tiểu cục bộ nhờ cơ chế đa hướng di chuyển.

II. Phân tích hạn chế của bộ điều khiển ANFIS truyền thống

Bộ điều khiển ANFIS truyền thống gặp khó khăn trong việc xác định tham số hệ thống do phụ thuộc vào chuyên gia. Quá trình huấn luyện ANFIS thường tốn thời gian, đặc biệt với hệ thống phi tuyến phức tạp. Độ chính xác bị ảnh hưởng bởi chất lượng dữ liệu huấn luyện và cấu trúc luật mờ. Hơn nữa, ANFIS dễ rơi vào cực tiểu cục bộ khi tối ưu hóa tham số, dẫn đến hiệu suất điều khiển không ổn định. Nhược điểm nổi bật khác là khả năng thích ứng kém trước biến đổi môi trường hoặc nhiễu đầu vào. Để khắc phục, giải pháp kết hợp PSO được đề xuất nhằm tối ưu hóa toàn diện các tham số ANFIS, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển.

2.1. Sự phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia

Việc xác định tham số ANFIS như số lượng luật mờ, dạng hàm thuộc, hệ số tuyến tính thường dựa vào đánh giá chủ quan của chuyên gia. Điều này dẫn đến sai lệch đáng kể khi triển khai trong môi trường thực tế khác biệt. Quá trình thử nghiệm và hiệu chỉnh thủ công tốn nhiều thời gian, không phù hợp với hệ thống yêu cầu thời gian thực. Hơn nữa, kinh nghiệm chuyên gia không luôn sẵn có, đặc biệt trong lĩnh vực mới hoặc hệ thống phức tạp. PSO cung cấp giải pháp khách quan thông qua tối ưu hóa tự động, loại bỏ phụ thuộc vào yếu tố con người.

2.2. Nguy cơ rơi vào cực tiểu cục bộ

Thuật toán huấn luyện ANFIS truyền thống (thường là lan truyền ngược) dễ rơi vào cực tiểu cục bộ do không gian tìm kiếm lớn. Điểm khởi tạo tham số ảnh hưởng mạnh đến kết quả tối ưu, dẫn đến hiệu suất điều khiển không ổn định. Nguy cơ này càng cao khi hệ thống có nhiều biến đầu vào hoặc phi tuyến mạnh. PSO vượt trội nhờ cơ chế khám phá toàn cục, cho phép thoát khỏi cực tiểu cục bộ thông qua di chuyển đa hướng. Sự kết hợp ANFIS-PSO tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp: học tập thích nghi từ ANFIS và tối ưu toàn cục từ PSO.

III. Phương pháp nâng cao ANFIS bằng giải thuật PSO

Phương pháp đề xuất sử dụng PSO để tối ưu hóa toàn diện các tham số ANFIS, bao gồm tham số hàm thuộc, hệ số luật suy diễn và trọng số kết nối. Quá trình bắt đầu bằng khởi tạo ngẫu nhiên quần thể hạt, mỗi hạt đại diện cho một cấu hình ANFIS tiềm năng. Hàm thích nghi đánh giá hiệu suất hệ thống điều khiển thông qua sai số bình phương trung bình (MSE) hoặc sai số tích lũy. PSO cập nhật vị trí hạt dựa trên kinh nghiệm bản thân và toàn đàn, dần dần hội tụ về giải pháp tối ưu. Kết quả là bộ điều khiển ANFIS-PSO có khả năng thích ứng cao, độ chính xác vượt trội và tốc độ hội tụ nhanh hơn so với ANFIS truyền thống. Phương pháp này đã được kiểm chứng trên nhiều hệ thống điều khiển phi tuyến.

3.1. Quá trình tối ưu hóa tham số ANFIS

Quá trình tối ưu hóa diễn ra qua nhiều thế hệ (iterations), mỗi thế hệ cập nhật vị trí hạt theo công thức PSO. Hàm thích nghi đánh giá hiệu suất hệ thống điều khiển thông qua sai số điều khiển (ví dụ MSE giữa đầu ra mong muốn và thực tế). PSO điều chỉnh không chỉ tham số hàm thuộc (ví dụ trung tâm, độ rộng của hàm Gaussian) mà còn hệ số tuyến tính trong luật Takagi-Sugeno. Quá trình lặp lại dừng khi đạt ngưỡng hội tụ (sai số nhỏ hơn ngưỡng) hoặc hết thế hệ tối đa. Kết quả tối ưu được sử dụng để xây dựng bộ điều khiển ANFIS cuối cùng, sẵn sàng triển khai trong hệ thống điều khiển thời gian thực.

3.2. Kiểm chứng hiệu quả trên hệ thống điều khiển

Hiệu quả phương pháp được kiểm chứng thông qua thí nghiệm trên hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung phi tuyến. Kết quả cho thấy ANFIS-PSO giảm 35% sai số điều khiển so với ANFIS truyền thống, đồng thời tăng 40% tốc độ hội tụ. Độ bền vững trước nhiễu đầu vào cũng được cải thiện đáng kể. Phương pháp thể hiện ưu việt trong điều khiển hệ thống phức tạp như robot, hệ thống điện hoặc quy trình công nghiệp. Kết quả nghiên cứu chứng minh tiềm năng ứng dụng rộng rãi của ANFIS-PSO trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng ANFIS PSO

Nghiên cứu đã thành công trong việc nâng cao khả năng điều khiển của bộ ANFIS thông qua giải thuật PSO. Phương pháp đề xuất khắc phục nhược điểm của ANFIS truyền thống bằng cách tối ưu hóa toàn diện các tham số hệ thống. Kết quả thực nghiệm chứng minh ANFIS-PSO vượt trội về độ chính xác, tốc độ hội tụ và khả năng thích ứng. Bộ điều khiển đề xuất hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển phi tuyến phức tạp, từ công nghiệp đến robotics. Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tối ưu hóa đa mục tiêu, kết hợp PSO với các giải thuật khác như GA hoặc DE. Ngoài ra, triển khai thử nghiệm trên hệ thống quy mô lớn sẽ xác nhận tính khả thi và hiệu quả kinh tế của phương pháp.

4.1. Đánh giá ưu việt của phương pháp đề xuất

Phương pháp ANFIS-PSO thể hiện ưu việt vượt trội so với ANFIS truyền thống thông qua các chỉ số khách quan. Độ chính xác điều khiển được cải thiện đáng kể, thể hiện qua sai số nhỏ hơn và ổn định hơn. Tốc độ hội tụ nhanh hơn giúp rút ngắn thời gian huấn luyện, phù hợp với yêu cầu thời gian thực. Khả năng thích ứng trước biến đổi môi trường hoặc nhiễu đầu vào cũng được nâng cao đáng kể. Hơn nữa, phương pháp loại bỏ phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia, tăng tính tự động hóa và khả năng mở rộng.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tối ưu hóa đa mục tiêu, kết hợp PSO với các giải thuật tiến hóa khác như Genetic Algorithm (GA) hoặc Differential Evolution (DE). Nghiên cứu cũng sẽ mở rộng ứng dụng trên các hệ thống điều khiển quy mô lớn, từ quy trình công nghiệp đến mạng lưới điện thông minh. Ngoài ra, việc tích hợp ANFIS-PSO với trí tuệ nhân tạo (AI) và học sâu (Deep Learning) hứa hẹn tạo ra những đột phá mới trong lĩnh vực điều khiển thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Giới thiệu thuật toán bầy đàn PSO. Chương 4: Bộ điều khiển ANFIS.

Chương 5: Thiết kế bộ điều khiển PSO kết hợp ANFIS cho STATCOM để nâng cao ổn định hệ thống điện. Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển. 5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về STATCOM STATCOM (Static Synchronous Compensator) là thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSC- Voltage Source Converter), được định nghĩa là một bộ tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra một bộ điều chỉnh điện áp nhiều pha.Thiết bị này được dùng trong lưới điện xoay chiều 3 pha để thực hiện điều chỉnh, điều khiển độc một cách độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng.

Để điều khiển bù công suất phản kháng trong hệ thống điện thường sử dụng cấu hình STATCOM biến đổi. STATCOM đã được định nghĩa với ba chức năng hoạt động. Chức năng đầu tiên là bộ chuyển đổi tĩnh: nguyên lý dựa trên các thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay, chứa năng thứ hai là thiết bị đồng bộ : tương tự như một máy đồng bộ lý tưởng với điện áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản, chức năng thứ ba là khả năng bù : cung cấp bù công suất phản kháng. Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất ở dạng một bộ biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một chiều.

Điện áp xoay chiều Vc của bộ biến đổi điện được đấu nối với hệ thống điện (được thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ thống Xs), thông qua điện kháng đệm Xc.1 thể hiện mạch điện tương đương một pha của STATCOM. Bằng cách khống chế điện áp Vc của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống Vs, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên. Ngược lại, nếu điều khiển điện áp Vc thấp hơn điện áp hệ thống Vs, thì dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện 6 Điện áp xoay chiều được tạo ra từ nguồn điện áp một chiều nhờ các bộ biến đổi công suất sử dụng điện tử tác động nhanh. Đặc điểm khác biệt của STATCOM là nó sử dụng các công tắc hai chế độ, ví dụ như các thyristor cắt (GTO) hoặc transistor lưỡng cực cửa cách điện (IGBT) có khả năng điều khiển dẫn dòng cũng như cắt mạch.

Dạng sóng đầu ra đơn giản nhất từ bộ biến đổi điện nguồn điện áp là điện áp có dạng sóng vuông. Tuy nhiên, dạng sóng mong muốn và tối ưu nhất là dạng hình sin, STATCOM thực hiện được dạng sóng với chất lượng yêu cầu bằng cách tổng hợp dạng sóng hình sin theo một chuỗi các bậc, với việc sử dụng kỹ thuật nhân xung được áp dụng từ nhiều năm nay để giảm sóng hài trong điện áp xoay chiều của các bộ chỉnh lưu và biến đổi điện. Bằng cách tăng số bậc, có thể giảm thành phần sóng hài và nhờ đó điện áp tạo ra gần đúng hơn với sóng hình sin tần số cơ bản. Chức năng của STATCOM thì tương tự như của một tụ bù đồng bộ nhưng thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả.Tóm lại, STATCOM cung cấp bù công suất phản kháng để giải quyết một loạt những yêu cầu chất lượng cho hệ thống điện như điện áp, tần số của hệ lưới điện thống công nghiệp khi bản thân nó có biến động và nguy cơ mất ổn định.

Một hệ thống STATCOM hoàn thiện cơ bản bao gồm một nguồn điện áp DC, bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC), và một máy biến áp ghép nối với lưới điện. Xc vs Vdc POWER SYSTEM Uc STACOM Hình 2.1 : Mạch điện tương đương 1 pha của STATCOM 7 ea r s I v s a Ua C Voltage e b r Is v s b rp sourced Ua inverter e c r Is v s c Ua Hình 2.2 : Mạch điện tương đương 3 pha của STATCOM 2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM Hình 2.3 : Giản đồ bộ STATCOM Bộ STATCOM được mắc song song với đường dây và hoạt động không cần nguồn năng lượng dự trữ có tác dụng như là một máy bù công suất phản kháng. Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra V cùng pha với điện áp hệ thống VT (hình 2.

8  Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống.  Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống. mô tả cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) Hình 2.4 : Cấu trúc cơ bản của bộ VSC Hình 2.2 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một bộ biến đổi toàn sóng 3 pha có 6 bộ chuyển mạch, mổi bộ gồm có một GTO (gate-turn-off) thyristor nối đối song với một diode. Với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra gần như dạng sóng hình sin có thể, bộ chuyển mạch của thyristor GTO riêng lẽ trong bộ VSC thì được điều khiển bằng khối chương trình điều khiển chuyển mạch, được thiết kế để giảm đến mức tối thiểu phát sinh sóng hài lúc bộ VSC làm việc và nhu cầu cho việc lọc sóng hài.

Hầu hết các phương pháp thường được sử dụng cho việc điều khiển điện áp xoay chiều bằng các phương pháp biến đổi như là: Thay đổi điện áp một chiều với một bộ biến đổi sóng đầy đủ, đôi khi còn được gọi là bộ điều biến biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM). 9 Điện áp một chiều không đổi với bộ điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulated - PWM) Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) dựa trên kỹ thuật các phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay tranzitor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt dòng điện khi có xung ngắt gửi đến cổng điều khiển. Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một nguồn điện áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độ điều chỉnh được, sơ đồ khối của một bộ STATCOM được thể hiện ở Hình 2. Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện thì đạt được bởi điều khiển biên độ điện áp V và sự chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịch chuyển pha ψ Sự thay đổi công suất tác dụng thì chỉ thường điều khiển điện áp một chiều.5: Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM 10 Ứng dụng của bộ bù đồng bộ tĩnh – STATCOM: Hình 2.6 : Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện.

STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp. Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống thấp.3 Các chỉ tiêu cơ bản liên quan chất lương điện năng trong lưới phân phối 2.1 Độ lệch tần số: Là hiệu số giữa giá trị tần số thực tế và tần số định mức: (f - f n) gọi là độ lệch tần số. Độ lệch tần số có thể biểu thị dưới dạng độ lệch tương đối: Δf (%) = f-f (2.1) f Chất lượng điện đảm bảo khi độ lệch tần số nằm trong giới hạn cho phép: ∆fmin ≤ ∆f ≤ ∆fmax có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn: fmin ≤ f ≤ fmax.2 Độ dao động tần số: Trong trường hợp tần số thay đổi nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%/s, sự biến đổi đó gọi là dao động tần số. Một trong những nguyên nhân gây ra dao động tần số là sự thay đổi đột ngột các tham số của hệ thống điện như khi xảy ra ngắn mạch, quá trình đóng cắt tải… 2.3 Ảnh hưởng của sự thay đổi tần số: Khi có sự thay đổi tần số có thể gây ra một số hậu quả xấu ảnh hưởng đến sự làm việc của các thiết bị điện và hệ thống điện.

Với thiết bị điện. Các thiết bị được thiết kế và tối ưu ở tần số định mức, biến đổi tần số dẫn đến giảm năng suất làm việc của thiết bị. Làm giảm hiệu suất của thiết bị điện ví dụ như đối với động cơ vì khi tần số thay đổi sẽ làm tốc độ quay thay đổi, ảnh hưởng đến năng suất làm việc của các động cơ. Khi tần số tăng lên, công suất tác dụng tăng và ngược lại.

Đối với hệ thống điện Biến đổi tần số ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị tự dùng trong các nhà máy điện, có nghĩa là ảnh hưởng đến chính độ tin cậy cung cấp điện. Tần số giảm có thể dẫn đến ngừng một số bơm tuần hoàn trong nhà máy điện, tần số giảm nhiều có thể dẫn đến ngừng tổ máy. Thiết bị được tối ưu hoá ở tần số 50 Hz, đặc biệt là các thiết bị cuộn dây từ hoá như máy biến áp. Làm thay đổi trào lưu công suất của hệ thống, tần số giảm thường dẫn đến tăng tiêu thụ công suất phản kháng, đồng nghĩa với thay đổi trào lưu công suất tác dụng và tăng tổn thất trên các đường dây truyền tải.

Tần số nằm trong giới hạn nguy hiểm là từ (45  46) Hz, ở tần số này năng suất của các thiết bị dung điện giảm, hệ thống mất ổn định, xuất hiện sự cộng hưởng làm cho 12 các máy phát, động cơ bị rung mạnh và có thể bị phá hỏng. Ngoài ra sự biến đổi của tần số còn phá hoại sự phân bố công suất, kinh tế trong hệ thống điện. Các ảnh hưởng của tần số trong hệ thống điện đến chất lượng điện ta thấy rất rõ trong phân tích trên. Tần số thay đổi là do có sự sai lệch về momen điện và momen cơ trên trục máy phát.

Do vậy những vấn đề về điều chỉnh sự cân bằng momen này được thực hiện tại các nhà máy điện.