Báo Cáo Về một phương pháp tổng hợp hệ điều khiển mờ dùng mạng nơron ứng dụng trong công nghiệp

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ DÙNG MẠNG NƠRON ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. NGUYỄN XUÂN QUỲNH


MỞ ĐẦU
Vấn đề điều khiển ổn định các hệ động học phi tuyến có phương trình động
học chuyển được về dạng tuyến tính hóa phản hồi trạng thái (state feedback
linearizable) hoặc tuyến tính hóa phản hồi vào-ra (input-output feedback
linearizable) có chứa các thành phần không rõ nhằm bám theo tín hiệu mẫu cho
trước với sai số bị chặn là mục tiêu giải quyết của luận án. Đây là vấn đề phức
tạp do đặc tính phi tuyến của động học cũng như của các thành phần chưa biết
trong phương trình động học của đối tượng. Các công trình nghiên cứu hiện nay
chủ yếu tìm cách giải quyết các vấn đề về điều khiển ổn định và bền vững hệ
phi tuyến có các thành phần bất định dựa trên điều khiển thích nghi, tuy nhiên
các phương pháp còn khá phức tạp và chưa chỉ rõ khả năng và mô hình áp dụng
trên các hệ thống điều khiển công nghiệp.
Nhằm đóng góp, đưa ra một phương pháp tổng hợp có khả năng áp dụng trên
các hệ thống điều khiển tự động tiên tiến hoạt động trong các phân cấp mạng
công nghiệp, tác giả trình bày một phương pháp tổng hợp mới dựa trên ý tưởng
thay thế ước lượng (không cần gần đúng như các phương pháp hiện nay) các
hàm trạng thái chưa biết bằng các hàm số đã biết, từ đó tìm cách xấp xỉ sai lệch
chung do phép thay thế ước lượng gây nên và thiết kế thành phần bù liên tục
nhằm triệt tiêu tác động này. Đặc điểm của phương pháp là sử dụng bộ xấp xỉ
vạn năng mờ nơron (xấp xỉ sai lệch nêu trên) làm thành phần bù trong luật điều
khiển phản hồi. Để xây dựng được một cơ sở toán học chứng minh cho phương
pháp đề xuất, luận án lần lượt phát triển phương pháp cho các trường hợp bù
tĩnh (luật điều khiển phản hồi tĩnh) và trường hợp bù động (luật điều khiển thích
nghi). Ngoài ra luận án còn phân tích và giải quyết một số vấn đề khác liên quan
đến các điều kiện giới hạn của quỹ đạo trạng thái và đầu vào của hệ phi tuyến
cũng như mở rộng phương pháp trong trường hợp hệ khả tuyến tính hóa phản
hồi chặt (strict-feedback linearizable system).
Ngoài cơ sở lý thuyết được chứng minh, luận án cũng phân tích và chỉ ra khả
năng áp dụng phương pháp trên các hệ thống điều khiển công nghiệp (PLC,
IPC) thông qua thử nghiệm trên một mô hình phần mềm ứng dụng được xây
dựng cho hệ thống SIMATIC S7 của hãng Siemens.
- ii -
 Bố cục của luận án
Luận án chia thành 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề
trong điều khiển các hệ phi tuyến và ứng dụng, từ đó đưa ra mục tiêu và nội
dung nghiên cứu của luận án giới hạn vào các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi có
chứa các thành phần không rõ trong bài toán bám theo tín hiệu mẫu bị chặn cho
trước.
Chương 2 trình bày chi tiết vấn đề cần giải quyết cũng như tổng quan các
nghiên cứu và các kết quả đã đạt được đến nay. Dựa trên phương pháp thiết kế
định nghĩa hệ sai số thỏa mãn giả thiết ban đầu, luận án xây dựng một số cơ sở
toán học (các định lý và bổ đề) để hình thành phương pháp mới theo hướng đơn
giản và có khả năng ứng dụng – được gọi là phương pháp thay thế ước lượng
hàm trạng thái – làm tiền đề phát triển các bộ điều khiển ổn định tĩnh và động
trong các chương tiếp theo.
Trong Chương 3, tác giả giới thiệu một số cơ sở toán học nhằm đưa ra luật
điều khiển tĩnh dùng bộ xấp xỉ vạn năng mờ nơron làm thành phần bù liên tục
để nghiệm của hệ sai số vòng kín bị chặn tới hạn đều (uniformly ultimately
bounded) cũng như trình bày phương pháp tính toán, xác định tham số điều
khiển và các điều kiện cần trong phương pháp để quỹ đạo trạng thái và tín hiệu
điều khiển bị chặn theo thiết kế. Ngoài ra Chương 3 còn tiếp tục mở rộng
phương pháp cho thiết kế bộ điều khiển ổn định tĩnh các hệ chuyển động hỗn
loạn (chaotic systems) có phương trình động học ở dạng tuyến tính hóa phản hồi
chặt.
Chương 4 tập trung vào giải quyết vấn đề bù động dựa trên luật điều khiển
tĩnh và sử dụng bộ xấp xỉ mờ nơron để xây dựng được bộ điều khiển thích nghi
ổn định cũng như trình bày mô hình phần mềm ứng dụng. Nhằm chứng minh
tính khả thi của phương pháp trong phát triển bộ điều khiển với thành phần bù
động, luận án sử dụng điều khiển thích nghi trực tiếp áp dụng phương pháp
chỉnh định  để chỉnh định tham số của bộ xấp xỉ mờ nơron trong các trường
hợp bộ xấp xỉ tuyến tính và phi tuyến đối với tham số. Tác giả cũng đưa ra mô
hình phần mềm ứng dụng cho phép áp dụng các kiểu điều khiển tĩnh và động
trên các hệ thống điều khiển công nghiệp và phân tích khả năng ứng dụng trên
hệ thống tự động hóa SIMATIC S7 của hãng Siemens.
Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án, tiếp theo sau là Phụ lục bao
gồm một số chứng minh và thiết kế.
- iii -
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 1
1.1. Đặt vấn đề . 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 9
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÁC HỆ THỐNG KHẢ TUYẾN
TÍNH HÓA PHẢN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY
THẾ ƯỚC LƯỢNG HÀM TRẠNG THÁI 11
2.1. Giới thiệu chung . 11
2.1.1. Đặt vấn đề . 11
2.1.2. Biểu diễn các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi 12
2.1.3. Vấn đề trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa
phản hồi trạng thái . 15
2.2. Điều khiển ổn định các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi
trạng thái bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái . 21
2.2.1. Cơ sở toán học của phương pháp . 21
2.2.2. Tính bền vững của hệ vòng kín trong phương pháp . 31
2.3. Điều khiển ổn định các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi vàora
bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái 44
2.3.1. Bài toán điều khiển và cơ sở toán học 44
2.3.2. Điều khiển ổn định bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm
trạng thái . 47
2.3.3. Tính bền vững của hệ vòng kín đối với thành phần không rõ
trong phương trình động học 51
2.4. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển tĩnh ổn định . 55
2.5. Kết luận . 56
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ ƯỚC LƯỢNG HÀM
TRẠNG THÁI DÙNG BỘ XẤP XỈ MỜ NƠRON 58
3.1. Đặt vấn đề và cơ sở lý thuyết xây dựng phương pháp . 58
3.1.1. Giới thiệu chung 58
3.1.2. Bộ xấp xỉ vạn năng 59
3.1.3. Cơ sở toán học xây dựng các bộ xấp xỉ dùng hệ mờ và mạng
nơron . 60
3.2. Thay thế ước lượng hàm trạng thái . 69
3.2.1. Cơ sở toán học của phương pháp . 69
3.2.2. Xác định tham số bộ điều khiển 74
3.2.3. Mô phỏng điều khiển tay rôbốt . 79
3.3. Thay thế ước lượng hàm trạng thái mở rộng trong điều khiển ổn
định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi chặt . 84
- iv -
3.3.1. Phương pháp cuốn chiếu 84
3.3.2. Phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái khi hệ chứa
các thành phần không rõ 85
3.4. Tổng hợp và kết luận . 93
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRỰC TIẾP DÙNG HỆ MỜ
NƠRON TRONG PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ ƯỚC
LƯỢNG HÀM TRẠNG THÁI . 96
4.1. Giới thiệu chung . 96
4.1.1. Sự cần thiết phát triển bộ điều khiển thích nghi . 96
4.1.2. Vấn đề và cơ sở toán học xây dựng bộ điều khiển thích nghi
trực tiếp . 98
4.2. Điều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp các hệ thống khả tuyến
tính hóa phản hồi . 101
4.2.1. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái . 101
4.2.2. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi vào-ra 108
4.3. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ổn định . 110
4.4. Mô hình điều khiển thích nghi trên hệ thống điều khiển công
nghiệp 111
4.4.1. Giới thiệu chung 111
4.4.2. Mô hình phần mềm ứng dụng và khả năng áp dụng trên hệ
thống điều khiển công nghiệp . 113
4.5. Kết luận . 121
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 122
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ . 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 125
PHỤ LỤC 134
5.1. Một số thuật ngữ tiếng Anh 134
5.2. Bổ đề 1 trang 23 136
5.3. Bổ đề 3 trang 40 và kết quả (2-64) . 139
5.4. Tuyến tính hóa phương trình động lực học (3-23) . 143
5.5. Chương trình mô phỏng ví dụ điều khiển tay rôbốt trang 79 . 145
5.6. Bổ đề 6 trang 100 152
5.7. Một số môđun phần mềm trong mô hình phần mềm ứng dụng 155
- v -
MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1 : Hàm ε( ,E) 1 sign(E)bsig( ,E) 33
Hình 2 : Hàm à( ,E)  E ε( ,E) . 34
Hình 3 : Hàm Lambert w( ) w( ) x x e  x . 35
Hình 4 : Hàm àE (, ,E)  E  sign(E)bsig( ,E) 41
Hình 5 : Hàm Em( , ) và àE _max ( , )  àE ( , ,Em) . 41
Hình 6 : Hệ mờ MISO 63
Hình 7 : Mạng nơron 2 lớp . 65
Hình 8 : Mô phỏng trong trường hợp không sử dụng thành phần bù 81
Hình 9 : Mô phỏng sử dụng thành phần bù tĩnh với  1 và  1.0 82
Hình 10 : Mô phỏng sử dụng thành phần bù tĩnh với  1 và   0.8 83
Hình 11 : Điều khiển thích nghi trong hệ thống điều khiển công nghiệp 114
Hình 12 : Sơ đồ đường đi dữ liệu trong mô hình điều khiển thích nghi 115
Hình 13 : Các môđun phần mềm chính trong mô hình hệ thống NF . 117
Hình 14 : Cấu trúc bộ đệm và dữ liệu quá trình cung cấp cho PC-Server . 155
Hình 15 : Các khối môđun phần mềm trên giao diện STEP7 V5 157
- vi -
BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
ABS Antilock Braking System
ANFIS Adaptive-Network-based Fuzzy Inference System
CNC Computerized Numerical Control
CSDL Cơ sở dữ liệu
DC Direct Current
DCS Distributed Control System
DVD Digital Video Disc
GUAS Globally Uniformly Asymtotically Stable
HD DVD High Density DVD
IE Industrial Ethernet
IEC International Electrotechnical Commission
IPC Industrial Personal Computer
ISPS Input-to-State Practically Stable
ISS Input-to-State Stable
KH&CN Khoa học và Công nghệ
LTI Linear Time Invariant
MIMO Multi-Input Multi-Output
MLP Multilayer Perceptron (Network)
NF/NFN Neuro-Fuzzy/Neuro-Fuzzy Network
PC Personal Computer
PID Proportional Integral Differential
PLC Programmable Logic Controller
R&D Research and Development
RBF Radial Basis Function Network
RBN Radial Basis Neural Network
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
SCL Structured Control Language
SISO Single-Input Single-Output
UAS Uniformly Asymtotically Stable