Thạc Sĩ Tiếp cận mờ và tiếp cận đại số gia tử trong điều khiển hệ Quạt gió - Cánh nhôm

LỜI NÓI ĐẦU


Lĩnh vực điều khiển mà một lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Chính vì vậy đây là một ngành kỹ thuật được nhiều sự quan tâm.

Đặc biệt từ những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20 đã xuất hiện một xu hướng nghiên cứu mới đó là các phương pháp điều khiển thông minh để điều khiển các hệ thống mà ở đó ta không thể có được đầy đủ các thông tin hoặc các thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng với nhau hoặc chỉ có thể mô tả được bằng ngôn ngữ. Đây là điều khác hoàn toàn với kỹ thuật đ iều khiển kinh đ iển phải dựa vào sự chính xác tuyệt đối của mô hình động học. Đó là các phương pháp điều khiển thông minh dựa trên Logic tập mờ. Phương pháp điều khiển này đã mô phỏng được phương thức xử lý thông tin của con người, đã giải quyết thành công các bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây không giải quyết được.

Tuy nhiên phương pháp điều khiển mờ cũng bộc lộ một số nhược điểm nhất đ ịnh. Vào những 1990 PGS. TSKH Nguyễn Cát Hồ đã đưa một lý thuyết mới cho phép thao tác trực tiếp trên ngôn ngữ tự nhiên, xử lý tốt những suy luận đ ịnh tính dưới dạng đại số gia tử (ĐSGT). Trong một số nghiên cứu mới đây cho thấy khả năng sử dụng công c ụ đại số gia tử trong nhiều lĩnh vực khác nhau và trong số đó có công nghệ điều khiển trên cơ sở tri thức chuyên gia. Đã có các nghiên cứu trong nước và thế giới ở một số trường hợp cụ thể phương pháp điều khiển sử dụng công cụ đại số gia tử cho kết quả tốt hơn phương pháp điều khiển mờ truyền thống.

Chính vì vậy cần có sự nghiên cứu nhiều hơn ở cả hai phương pháp điều khiển. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là so sánh giữa cách tiếp cận điều khiển mờ sử dụng sơ đồ tham chiếu bảng (Tab le Look- Up Scheme)

do Li Xin Wang đề xuất [6] và tiếp cận đại số gia tử cho hệ khí động học mà cụ thể là Hệ quạt gió cánh nhôm.

Do vậy tên đề tài được chọn là :

“ Tiếp cận mờ và tiếp cận đại số gia tử trong điều khiển hệ Quạt gió - Cánh nhôm”

Nội dung luận văn được bố cục như sau:

C hươn g 1 : Vài nét chung về lý thuyết tập mờ và lý thuyết đại số gia tử.

C hươn g 2 : Điều khiển m ờ và điều khiển dựa trên đại số gia tử.

C hươn g 3 : Xây dựng hệ luật sử dụng sơ đồ tham chiếu bảng .

C hươn g 4 : Điều khiển hệ quạt gió – cánh nhôm sử dụng sơ đồ tham chiếu bảng.
C hươn g 5 : Điều khiển hệ quạt gió – cánh nhôm sử dụng đại số gia tử.

Lĩnh vực điều khiển mờ và điều khiển dựa trên Đại số gia tử là một lĩnh vực mới và khá phức tạp mặt khác do trình độ và thời gian có hạn nên bản luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót . Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thày, cô để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn tạo tiền đề cho các những bước nghiên cứu tiếp theo.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thày Vũ Như Lân và các thày, cô

trong Viện Công nghệ thông tin đã trang b ị cho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành bản luận văn này cũng như quá trình công tác sau này.


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . 3
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 5
LỜI NÓI ĐẦU 7
Chương 1: VÀI NÉT CHUNG VỀ LÝ THUYẾT TẬP MỜ VÀ LÝ THUYẾT
ĐẠI SỐ GIA TỬ 9
1.1. Một số khái niệm cơ bản về lý thuyết tập mờ .9
1.1.1. Định nghĩa tập mờ 9
1.1.2. Các khái niệm phục vụ tính toán . 10
1.1.2.1. Giá đỡ: 10
1.1.2.2.  - Cut : 11
1.1.2.3. Lồi (Convex) 11
1.1.2.4. Chuẩn (normal) 11
1.1.3. Các phép tính trên tập mờ Zadeh . 11
1.1.3.1. Intersection (G iao) . 11
1.1.3.2. Union (Hợp) . 12
1.1.3.3. Complement (Bù) . 12
1.1.4. Biến ngôn ngữ: . 12
1.1.5. Biểu diễn hình học tập rõ và tập mờ, các phép tính cơ bản trên
tập mờ . 14
1.1.6. Mở rộng ba phép tính cơ bản trên tập mờ 16
1.1.6.1. Định nghĩa giao mờ 16
1.1.6.2. Định nghĩa hợp mờ . 16
1.1.6.3. Định nghĩa Bù mờ (phủ định mờ) 17
1.1.6.4. Tham số hoá các hàm T - norm, hàm S - norm và hàm Bù mờ
C. 18
1.1.7. Tích Đề các mờ và quan hệ mờ . 20
1.1.7.1. Tích Đề các mờ (phép toán cho phép ghép nhiều tập mờ) . 20
1.1.7.2. Quan hệ mờ . 21
1.1.7.3. Nguyên lý mở rộng . 23
1.1.8. Suy luận mờ (suy luận xấp xỉ) . 24
1.1.8.1. Lập luận theo General Modus Ponens (GMP) 24
1.1.8.2. Lập luận theo quan hệ mờ . 25
1.2. Một số khái niệm cơ bản về đại số gia tử 25
1.2.1. Đại số gia tử . 25
1.2.2. Định lượng đại số gia tử. 26
1.2.3. Giải bài toán lập luận bằng nội suy 28

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ
. 30
2.1. Điều khiển mờ 30
2.1.1. Cấu trúc hệ điều khiển mờ với Fuzzifier và Defuzzifier 30
2.1.2. Bộ ý nghĩa hoá - (Mờ hoá) 31
2.1.3. Bộ giải nghĩa (Bộ giải mờ, Bộ làm rõ) . 31
2.1.4. Cơ sở luật mờ (Fuzzy Rule Base) 32
2.1.5. Khối suy luận mờ (Fuzz inference engine - FIE) 36
2.2. Điều khiển sử dụng đạt số gia tử. .39
Chương 3: XÂY DỰNG HỆ LUẬT SỬ DỤNG SƠ ĐỒ THAM CHIẾU BẢNG
. 42
3.1. Sơ đồ tham chiếu bảng dùng cho xây dựng hệ luật từ các cặp dữ liệu
vào – ra [6] .42
3.2. Ứng dụng trong điều khiển tiến – lùi xe tải .46
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN HỆ QUẠT GIÓ – CÁNH NHÔM SỬ DỤNG SƠ ĐỒ THAM CHIẾU BẢNG 52
4.1. Đối tượng điều khiển (Hệ quạt gió-cánh nhôm) 52
4.2. Xây dựng thuật toán dựa trên sơ đồ tham chiếu bảng 54
4.3. Điều khiển hệ quạt gió-cánh nhôm .57
4.4. Kết luận 58
Chương 5: ĐIỀU KHIỂN HỆ QUẠT GIÓ – CÁNH NHÔM SỬ DỤNG ĐẠI
SỐ GIA TỬ . 60
5.1. Thuật toán tạo luật từ các quan sát vào-ra .60
5.2. Hệ luật đ iều khiển quạt gió-cánh nhôm 62
KẾT LUẬN .70
HưỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 72


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ , CÁC CHỮ VIẾT TẮT



THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

Aggregation operations

Center Average TIẾNG VIỆT

Các phép kết tảng

Phương pháp trung bình trọng tâm VIẾT TẮT

Center of Gravity
Phương pháp trọng tâm

Defuzzifier
Bộ giải nghĩa (Bộ giải mờ)

Fan and P late Control Apparatus Hệ thống khí động học Quạt gió - Cánh
nhôm QGCN

Fuzz Inference Engine
Bộ suy diễn mờ theo lập luận xấp xỉ
FIE

Fuzzifier
Bộ ý nghĩa hoá ( Bộ Mờ hoá)

Fuzziness
Tính mờ

Fuzziness measure
Độ đo tính mờ

Fuzzy Rule Base

Hedge algebrras
Cơ sở luật mờ

Đại số gia tử
FRB

ĐSGT

Hedge algebrras – based controller

Quantitative Desemantitzation
Bộ điều khiển dựa trên ĐS GT

Phép giải ngữ nghĩa định lượng
HAC

Quantitative Semanticization
Ngữ nghĩa hóa định lượng

Quantitative Semantics Mapping
Phép ánh xạ ngữ nghĩa định lư ợng

Speudo-trapezoid membership
function Hàm thuộc kiểu hình thang

Table Look - Up Scheme Sơ đồ tham chiếu bảng

Triangular membership function Hàm thuộc kiểu hình tam giác


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Một vài phép kết tảng (aggregation operations)với các

hàm thuộc a, b  [0,1] . 18

Bảng 1.2: Ma trận quan hệ "x gần bằng y" . 22

Bảng 1.3: Bảng chân lý với logic 2 trị 24

Bảng 1.4: Bảng chân lý với logic mờ 24

Bảng 2.1: Bảng chân lý cho luật IF - THEN rõ . 34

Bảng 2.2: Bảng chân lý cho luật IF - THEN mờ: . 34

Bảng 3.1 Quỹ đạo lý tưởng (xt, t) và góc điều khiển tương ứng

t bắt đầu từ (xo, o) = (1, 0o) . 48

Bảng 3.2. Tạo luật IF- THEN mờ từ các cặp dữ liệu vào – ra trong

bảng 3.1 và độ tin cậy của các luật . 51

Bảng 4.1: Số liệu quan sát vào u, ra y QGCN (14 cặp vào-ra ) 53

Bảng 4.2 Tạo luật từ các dữ liệu vào-ra 55

Bảng 4.3: Kết quả của bước 2 và bước 3 với 14 luật any such . 56

Bảng 4.4: Hệ luật nhất quán cho bộ điều khiển QGCN . 57

Bảng 4.5: Bộ điều khiển mờ hệ QGCN theo tiếp cận [6] và Bộ điều

khiển P 58

Bảng 5.1: Số liệu quan sát vào u, ra y 64

Bảng 5.2: Các luật tương ứng với các ngữ nghĩa quan sát vào-ra . 65

Bảng 5.3: Bán kính hấp dẫn của các ngữ nghĩa cơ sở . 66

Bảng 5.4: Hệ luật điều khiển hệ QGCN 67

Bảng 5.5. Kết quả điều khiển hệ QGCN . 69


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Biểu diễn hàm thuộc 10

Hình 1.2. Biểu diễn giá đỡ 10

Hình 1.3. Biểu diễn  - cut 11

Hình 1.4. Biểu diễn biến ngôn ngữ 13

Hình 1.5. Biểu diễn tập rõ và tập mờ theo x . 14

Hình 1.6. Biểu diễn các phép tính cơ bản trên tập mờ . 15

Hình 1.7. Phạm vi các phép kết tảng theo tham số . 20

Hình 1.8. Ví dụ về quan hệ rõ và quan hệ mờ . 21

Hình 1.9a. Tích đề các rõ 22

Hình 1.9b. Tích Đề các mờ . 22

Hình 1.10. Ánh xạ định lượng từ miền ngôn ngữ sang đường thẳng 27

Hình 2.1. Cấu trúc hệ điều khiển mờ . 30

Hình 2.2. Hàm thuộc dạng phổ biến . 31

Hình 2.3. Hàm thuộc vd Mô hình B 37

Hình 2.4. Mô hình B xử lý với giá trị đầu vào e0 và e 38

Hình 2.5. Bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử . 40

Hình 3.1. Phân hoạch cho trường hợp điều khiển 2 đầu vào, 1 đầu ra . 42

Hình 3.2. Cơ sở luật mờ nhất quán cho bài toán điều khiển lùi xe tải 44

Hình 3.3. Mô hình xe tải và thùng chở hàng . 45

Hình 3.4. Hàm thuộc sử dụng trong bài toán lùi xe tải . 47

Hình 3.5. Cơ sở luật mờ nhất quán cho bài toán điều khiển lùi xe tải 48

Hình 4.1: Hệ thống khí động học Quạt gió – Cánh nhôm 51

Hình 4.2 : Phân hoạch mờ đầu vào u QGCN 53

Hình 4.3 : Phân hoạch mờ đầu ra y QGCN . 53

Hình 5.1. Phân hoạch ngữ nghĩa biến vào x0ir với j=1,2, Nir 59

Hình 5.2. Phân hoạch ngữ nghĩa biến ra y0r với k=1,2, Mr . 59

Hình 5.3. Phân hoạch ngữ nghĩa biến vào u hệ QGCN . 63

Hình 5.4. Phân hoạch ngữ nghĩa biến ra y hệ QGCN . 64

Hình 5.5. Đường tuyến tính từng đoạn ngữ nghĩa định lượng hệ QGCN . 66