Nghiên cứu phát triển giải thuật điều khiển thông minh dựa trên mạng nơ ron mờ hồi quy ứng dụng điều khiển

• Tác giả: Lê Minh Thành
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Chí Ngôn
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Thông Minh Hệ Phi Tuyến: Giải Thuật Mạng Nơ-Ron Mờ Hồi Quy & Ứng Dụng Robot Delta
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của luận án
• 1.2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
• 1.3. Luận điểm khoa học cần giải quyết trong luận án
• 1.4. Mục tiêu của luận án
• 1.4.1. Mục tiêu tổng quát
• 1.4.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.7.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.7.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.8. Những đóng góp của luận án về mặt khoa học
• 1.8.1. Về mặt lý thuyết
• 1.8.2. Về mặt thực tiễn
• 1.9. Bố cục của luận án
• 2. ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ-RON MỜ HỒI QUY ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN
• 2.1. Sơ lược tình hình nghiên cứu
• 2.1.1. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 2.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2.2. Mô hình hóa đối tượng phi tuyến MIMO-robot Delta 3-DOF
• 2.2.1. Mô hình động học của robot Delta 3-DOF
• 2.2.2. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động robot Delta 3-DOF không gian 3RUS
• 2.3. Điều khiển bám quỹ đạo robot sử dụng bộ điều khiển FUZZY-PID
• 2.3.1. Thiết kế bộ điều khiển FUZZY-PID cho robot Delta 3-DOF
• 2.3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• 2.4. Điều khiển bám quỹ đạo robot Delta sử dụng giải thuật di truyền
• 2.4.1. Thiết kế giải thuật GA-PID cho robot Delta 3-DOF
• 2.4.2. Lưu đồ giải thuật di truyền
• 2.4.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• 2.5. Điều khiển bám quỹ đạo robot Delta sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên cơ sở bộ nhận dạng mạng nơ-ron mờ hồi quy
• 2.5.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển PID thích nghi
• 2.5.2. Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên cơ sở mạng nơ-ron mờ hồi quy
• 2.5.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• 2.6. So sánh kết quả của 3 bộ điều khiển: PID thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron mờ hồi quy với GA-PID và FUZZY-PID ứng dụng điều khiển bám quỹ đạo robot Delta 3-DOF
• 3. ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KẾT HỢP RFFN-PID DỰA TRÊN BỘ NHẬN DẠNG MẠNG NƠ-RON MỜ HỒI QUY
• 3.1. Sơ lược tình hình nghiên cứu
• 3.1.1. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 3.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển giám sát kết hợp RFNN-PID
• 3.3. Điều khiển bám quỹ đạo robot Delta sử dụng bộ điều khiển giám sát kết hợp RFNN-PID
• 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TRÊN HỆ PHI TUYẾN MIMO - SISO
• 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm trên hệ phi tuyến
• 4.2. Thiết kế và gia công khung cơ khí hệ MIMO là robot Delta 3-DOF
• 4.3. Thiết kế và gia công tủ điện điều khiển robot Delta 3-DOF
• 4.4. Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của mạch điều khiển
• 4.5. Vi điều khiển DSP C2000 TMS320F28379D
• 4.6. Thiết kế bản vẽ mạch điều khiển, gia công lắp mạch và lắp tủ điều khiển
• 4.7. Thiết kế bản vẽ mạch điện điều khiển
• 4.8. Gia công lắp ráp các linh kiện mạch điều khiển
• 4.9. Lắp tủ điều khiển robot Delta
• 4.10. Thiết kế và xây dựng các thuật toán điều khiển trên MATLAB/Simulink
• 4.10.1. Các khối chức năng trên MATLAB/Simulink
• 4.11. Kết quả thực nghiệm robot Delta 3-DOF phiên bản 3
• 4.11.1. Thực nghiệm và kết quả trên quỹ đạo đường tròn
• 4.11.2. Thực nghiệm và kết quả trên quỹ đạo đường số 8
• 4.12. Kết quả thực nghiệm trên hệ phi tuyến SISO
• 4.13. Mô hình thực nghiệm trên hệ ổn định lưu lượng chất lỏng RT020
• 4.13.1. Nguyên lý điều khiển giám sát
• 4.13.2. Sơ đồ bố trí thực nghiệm
• 4.13.3. Thực nghiệm và so sánh đánh giá kết quả
• 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Đánh giá nhược điểm
• 5.3. Đề nghị hướng nghiên cứu trong tương lai
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• CÁC VIDEO THỰC NGHIỆM TRONG LUẬN ÁN
• MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CƠ KHÍ, THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ
• Các minh chứng Tạp chí, Hội nghị, Viết sách và Các công trình Nghiên cứu khoa học tác giả đã công bố
• Phần 1 : Các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển
• Phần 2 : Chương trình điều khiển được thực hiện trên MATLAB/Simulink

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải thuật điều khiển thông minh Nghiên cứu mới

Bài viết này tập trung phân tích và đánh giá nghiên cứu về giải thuật điều khiển thông minh dựa trên mạng nơ-ron mờ hồi quy (Recurrent Fuzzy Neural Networks - RFNN) trong ứng dụng điều khiển hệ thống phi tuyến. Nghiên cứu này, như được trình bày trong luận án của Lê Minh Thành, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM, đặt mục tiêu phát triển một phương pháp điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn so với các kỹ thuật truyền thống. Luận án đi sâu vào việc xây dựng mô hình, mô phỏng và thực nghiệm hệ thống, đặc biệt là ứng dụng trong điều khiển robot Delta 3 bậc tự do. Theo tác giả Lê Minh Thành, "Luận án này nhằm mục tiêu nghiên cứu phát triển giải thuật điều khiển thông minh dựa trên mạng nơ-ron mờ hồi quy... để áp dụng trong điều khiển hệ phi tuyến". Phương pháp tiếp cận bao gồm cả việc mô hình hóa động học và động lực học của robot, cũng như so sánh hiệu suất của các bộ điều khiển khác nhau.

1.1. Tầm quan trọng của điều khiển thích nghi trong tự động hóa

Điều khiển thích nghi đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống tự động hóa hiện đại. Trong bối cảnh môi trường hoạt động và thông số hệ thống có thể thay đổi, điều khiển thích nghi cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để duy trì hiệu suất mong muốn. Việc áp dụng mạng nơ-ron mờ hồi quy mở ra khả năng học hỏi và thích ứng liên tục từ dữ liệu, giúp hệ thống phản ứng linh hoạt với các biến động và nhiễu loạn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng vận hành ổn định trong các điều kiện khác nhau.

1.2. Ứng dụng tiềm năng của mạng nơ ron mờ trong điều khiển tự động

Mạng nơ-ron mờ kết hợp ưu điểm của logic mờ và mạng nơ-ron, tạo ra một công cụ mạnh mẽ cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển tự động thông minh. Logic mờ cho phép xử lý thông tin không chắc chắn và mơ hồ, trong khi mạng nơ-ron cung cấp khả năng học hỏi và khái quát hóa từ dữ liệu. Sự kết hợp này cho phép mạng nơ-ron mờ xử lý các hệ thống phức tạp và phi tuyến một cách hiệu quả. Đặc biệt, khả năng xấp xỉ hàm phi tuyến của mạng nơ-ron mờ rất hữu ích trong việc mô hình hóa hệ thống điều khiển và xây dựng các bộ điều khiển tự động có khả năng thích ứng cao.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển hệ phi tuyến hiện nay

Việc điều khiển hệ phi tuyến đặt ra nhiều thách thức lớn so với điều khiển các hệ tuyến tính. Các hệ phi tuyến thường có hành vi phức tạp, khó dự đoán và có thể thay đổi theo thời gian. Các phương pháp điều khiển truyền thống như PID thường gặp khó khăn trong việc đạt được hiệu suất mong muốn trên các hệ phi tuyến, đặc biệt là khi có sự xuất hiện của nhiễu hoặc các yếu tố bất định. Theo Lê Minh Thành, "việc tìm kiếm các bộ tham số cho bộ điều khiển PID cũng như bộ điều khiển mờ bằng phương pháp thử sai tỏ ra kém hiệu quả đối với mô hình MIMO phi tuyến của robot". Do đó, cần có các phương pháp điều khiển thông minh có khả năng thích ứng và học hỏi để giải quyết những thách thức này.

2.1. Hạn chế của điều khiển PID truyền thống trên hệ thống phi tuyến

Điều khiển PID là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp, nhờ vào tính đơn giản và dễ triển khai. Tuy nhiên, hiệu suất của bộ điều khiển PID có thể giảm đáng kể khi áp dụng cho các hệ thống phi tuyến. Các hệ phi tuyến thường có đặc tính thay đổi theo biên độ tín hiệu và điểm làm việc, khiến cho việc điều chỉnh các tham số PID trở nên khó khăn. Hơn nữa, bộ điều khiển PID không có khả năng học hỏi và thích ứng với các thay đổi trong môi trường hoặc thông số hệ thống, dẫn đến hiệu suất kém trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Yêu cầu về tính thích nghi và tối ưu trong điều khiển tự động

Để giải quyết các hạn chế của phương pháp điều khiển truyền thống, các hệ thống điều khiển tự động hiện đại cần đáp ứng được yêu cầu về tính thích nghi và tối ưu. Tính thích nghi cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để duy trì hiệu suất mong muốn trong các điều kiện khác nhau. Tính tối ưu đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ở trạng thái tốt nhất có thể, đạt được các mục tiêu điều khiển như giảm thiểu sai số, tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Các giải thuật điều khiển thông minh, như mạng nơ-ron mờ hồi quy, cung cấp các công cụ mạnh mẽ để đạt được cả hai mục tiêu này.

2.3. Vai trò của mô hình hóa hệ thống điều khiển trong điều khiển thông minh

Mô hình hóa hệ thống điều khiển chính xác là nền tảng quan trọng cho việc thiết kế và triển khai các hệ thống điều khiển thông minh. Mô hình hệ thống cho phép các nhà thiết kế hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống và dự đoán phản ứng của nó đối với các tín hiệu điều khiển khác nhau. Dựa trên mô hình này, các giải thuật điều khiển thông minh có thể được phát triển để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Các phương pháp mô hình hóa tiên tiến, như sử dụng mạng nơ-ron mờ, có thể giúp xây dựng các mô hình chính xác ngay cả đối với các hệ thống phức tạp và phi tuyến.

III. Phương pháp điều khiển thích nghi dùng mạng nơ ron mờ Giải pháp

Nghiên cứu đề xuất sử dụng mạng nơ-ron mờ hồi quy cho điều khiển thích nghi hệ phi tuyến. Phương pháp này cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên thông tin phản hồi từ hệ thống, từ đó cải thiện hiệu suất và độ ổn định. Một điểm đáng chú ý là việc kết hợp mạng nơ-ron mờ hồi quy với bộ điều khiển PID truyền thống để tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp. Theo tác giả, "luận án đã kết hợp giải thuật điều khiển giám sát dùng bộ điều khiển PID để mang năng lượng chủ đạo và dùng mạng nơ-ron mờ hồi quy để hiệu chỉnh bù một cách trực tuyến cho đối tượng". Điều này giúp khắc phục hạn chế về việc lựa chọn tham số ban đầu của mạng và cải thiện tốc độ hội tụ của giải thuật.

3.1. Ưu điểm của mạng nơ ron mờ hồi quy trong điều khiển thích nghi

Mạng nơ-ron mờ hồi quy (RFNN) có nhiều ưu điểm vượt trội trong lĩnh vực điều khiển thích nghi. Khả năng học hỏi và thích ứng của RFNN cho phép nó tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên thông tin phản hồi từ hệ thống, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. RFNN cũng có khả năng xấp xỉ hàm phi tuyến tốt, cho phép nó xử lý các hệ thống phức tạp và phi tuyến một cách hiệu quả. Ngoài ra, tính chất hồi quy của RFNN cho phép nó ghi nhớ các trạng thái trước đó của hệ thống, giúp cải thiện khả năng dự đoán và điều khiển hệ thống.

3.2. Kết hợp điều khiển PID và mạng nơ ron mờ Cách tiếp cận hiệu quả

Việc kết hợp điều khiển PID và mạng nơ-ron mờ là một cách tiếp cận hiệu quả để xây dựng các hệ thống điều khiển thông minh. Bộ điều khiển PID cung cấp khả năng điều khiển cơ bản và ổn định, trong khi mạng nơ-ron mờ cung cấp khả năng thích nghi và tối ưu hóa hiệu suất. Trong cách tiếp cận này, bộ điều khiển PID thường được sử dụng để cung cấp tín hiệu điều khiển chính, trong khi mạng nơ-ron mờ được sử dụng để điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID hoặc cung cấp tín hiệu điều khiển bù để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.3. Thuật toán điều khiển giám sát và vai trò của điều khiển bù

Thuật toán điều khiển giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của các hệ thống điều khiển phức tạp. Trong cách tiếp cận này, một bộ điều khiển giám sát sẽ theo dõi hoạt động của các bộ điều khiển khác và thực hiện các hành động cần thiết để duy trì hiệu suất mong muốn. Điều khiển bù là một kỹ thuật quan trọng trong điều khiển giám sát, trong đó một tín hiệu điều khiển bù được thêm vào tín hiệu điều khiển chính để loại bỏ các sai số hoặc nhiễu loạn. Việc sử dụng mạng nơ-ron mờ để tạo ra tín hiệu điều khiển bù cho phép hệ thống thích nghi với các thay đổi và duy trì hiệu suất cao.

IV. Ứng dụng thực tế Điều khiển Robot Delta bằng giải pháp mới

Luận án tập trung vào ứng dụng giải thuật điều khiển thông minh vào điều khiển robot Delta 3 bậc tự do, một hệ thống phi tuyến phức tạp. Robot Delta được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như gắp và đặt, lắp ráp và gia công. Khả năng điều khiển chính xác và tốc độ cao là rất quan trọng trong các ứng dụng này. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy giải thuật điều khiển thích nghi dựa trên mạng nơ-ron mờ hồi quy có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển của robot Delta. Theo nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy giải thuật đáp ứng đúng như thiết kế và mô phỏng.

4.1. Tại sao Robot Delta là một bài toán điều khiển thách thức

Robot Delta là một hệ thống cơ điện phức tạp với nhiều khớp nối và liên kết, khiến cho việc mô hình hóa và điều khiển nó trở thành một bài toán đầy thách thức. Động học ngược của Robot Delta là một bài toán phi tuyến, đòi hỏi các phương pháp giải phức tạp. Ngoài ra, Robot Delta còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như ma sát, quán tính và nhiễu, gây khó khăn cho việc đạt được độ chính xác và tốc độ cao trong điều khiển. Do đó, việc phát triển các giải thuật điều khiển thông minh cho Robot Delta là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

4.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên Robot Delta Đánh giá hiệu quả

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên Robot Delta cho thấy rằng giải thuật điều khiển thích nghi dựa trên mạng nơ-ron mờ hồi quy có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển của robot. Trong các thử nghiệm mô phỏng, giải thuật cho thấy khả năng giảm thiểu sai số và cải thiện tốc độ phản hồi của robot. Các kết quả thực nghiệm trên Robot Delta thật cũng cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ chính xác và khả năng bám quỹ đạo của robot. Tuy nhiên, các tác giả cũng thừa nhận rằng còn có một số hạn chế về cơ khí chính xác và độ cứng vững của mô hình robot, cần được cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

V. Kết luận và hướng phát triển Điều khiển thông minh tương lai

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của mạng nơ-ron mờ hồi quy trong việc phát triển các giải thuật điều khiển thông minh cho hệ phi tuyến, đặc biệt là trong ứng dụng điều khiển robot Delta. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng cho nghiên cứu này. Một trong số đó là cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của mô hình hóa hệ thống điều khiển. Một hướng khác là phát triển các giải thuật điều khiển mạnh mẽ hơn có khả năng xử lý các nhiễu và yếu tố bất định. Cuối cùng, việc tích hợp các kỹ thuật học máy tiên tiến có thể giúp hệ thống tự động học hỏi và thích ứng với các môi trường hoạt động khác nhau.

5.1. Tiềm năng của học máy trong điều khiển tự động nâng cao

Học máy đang ngày càng trở thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động. Các giải thuật học máy, như học sâu và học tăng cường, có khả năng học hỏi từ dữ liệu và tự động cải thiện hiệu suất điều khiển theo thời gian. Việc tích hợp học máy vào các hệ thống điều khiển có thể giúp hệ thống thích nghi với các môi trường hoạt động khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự can thiệp của con người. Trong tương lai, học máy hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống điều khiển tự động thông minh và linh hoạt hơn.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo Phát triển thuật toán điều khiển tối ưu

Trong tương lai, cần tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu có khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu suất, độ tin cậy và tính thích nghi. Các thuật toán điều khiển này cần có khả năng xử lý các hệ thống phức tạp và phi tuyến, đồng thời đảm bảo tính ổn định và an toàn trong quá trình vận hành. Việc kết hợp các kỹ thuật tối ưu hóa tiên tiến, như tối ưu hóa bầy đàn và giải thuật di truyền, có thể giúp tìm ra các tham số điều khiển tối ưu cho các hệ thống cụ thể. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp đánh giá và so sánh hiệu suất của các thuật toán điều khiển khác nhau để lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho từng ứng dụng.

5.3. Ứng dụng điều khiển thông minh vào các lĩnh vực thực tiễn khác

Các giải thuật điều khiển thông minh, như được phát triển trong nghiên cứu này, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn khác nhau. Ngoài điều khiển robot, các giải thuật này có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như điều khiển quá trình công nghiệp, điều khiển hệ thống năng lượng, điều khiển giao thông và điều khiển hệ thống y tế. Việc điều khiển các hệ thống này một cách thông minh và hiệu quả có thể giúp cải thiện hiệu suất, tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu chi phí và nâng cao chất lượng cuộc sống. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải thuật điều khiển thông minh để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của xã hội.