Điều khiển bám hệ chuyển động theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác thích nghi với khâu nhận dạng online dùng mạng nơron

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ CHUYỂN ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ CHÍNH XÁC THÍCH NGHI VỚI KHÂU NHẬN DẠNG ONLINE DÙNG MẠNG NƠRON NGUYỄN THỊ XIM THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ CHUYỂN ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ CHÍNH XÁC THÍCH NGHI VỚI KHÂU NHẬN DẠNG ONLINE DÙNG MẠNG NƠRON Học viên: Nguyễn Thị Xim Ngƣời HD Khoa Học: TS Đỗ Trung Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 THÁI NGUYÊN 2010 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ CHUYỂN ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ CHÍNH XÁC THÍCH NGHI VỚI KHÂU NHẬN DẠNG ONLINE DÙNG MẠNG NƠRON Học viên :Nguyễn Thị Xim Lớp : CHK11 Chuyên ngành :Tự động hoá Ngƣời hƣớng dẫn :T.S Đỗ Trung Hải Ngày giao đề tài:1/12/2009 Ngày hoàn thành đề tài:1/8/2010 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN T.S. Đỗ Trung Hải BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Nguyễn Thị Xim LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Xim Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến T.S Đỗ Trung Hải; đến Khoa Sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp, đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu trƣờng Cao đăng nghề GTVT Trung ƣơng II, đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Xim Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Mục Lục Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Danh mục các hình vẽ và đồ thị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Chƣơng 1 Tổng quan về điều khiển thích nghi và các phƣơng pháp nhận dạng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển thích nghi. . . . . . . . 14 1.1.1 Khái niệm về điều khiển thích nghi. . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.1.1 Định nghĩa……………………… 14 1.1.1.2 Câu trúc của hệ điều khiển thích nghi…………… 14 1.1.1.3 Phân loại………………………………………………… 15 1.1.2 Các sơ đồ cấu trúc cơ bản của một hệ ĐKTN… 15 1.1.2.1 Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại… 16 1.1.2.2 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu…………… 16 1.1.2.3 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (Self-Turning-egulator)- (STR)… 17 1.1.3 Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu (MRAC) 19 1.1.3.1 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 19 1.1.3.2 Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 20 1.1.4 Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực- APPC 22 1.1.5 Phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hoá chính xác thích nghi. . 23 1.2 Tổng quan về vấn đề nhận dạng hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 1.2.1 Một số phƣơng pháp kinh điển nhận dạng thông số hệ thống Off- line 25 1.2.1.1 Phƣơng pháp xấp xỉ vi phân. ……………………………. 26 1.2.1.2 Phƣơng pháp Gradient…………………………………… 26 1.2.1.3 Phƣơng pháp tìm kiếm trực tiếp. ………………………… 28 1.2.1.4 Phƣơng pháp tựa tuyến tính. …………………………… 28 1.2.1.5 Phƣơng pháp sử dụng hàm nhạy. ………………………… 29 1.2.2 Một số phƣơng pháp kinh điển nhận dạng thông số hệ thống On- line………………………………………………………… 29 1.2.2.1 Phƣơng pháp bình phuơng cực tiểu. …………………… 29 1.2.2.2 Phƣơng pháp xấp xỉ ngẫu nhiên…………………………. 30 1.2.2.3 Phƣơng pháp lọc Kalman mở rộng………………… 30 1.2.3 Một số phƣơng pháp hiện đại để nhận dạng hệ thống……… 32 1.2.3.1 Phƣơng pháp sử dụng lý thuyết mờ………………………. 32 1.2.3.2 Phƣơng pháp sử dụng mạng nơron………………………. 32 1.3 Lựa chọn phƣơng án nhận dạng và điều khiển. . . . . . . . . . . . . . 34 Chƣơng 2: Mạng nơron và ứng dụng để nhận dạng online trong điều khiển bám hệ chuyển động theo phƣơng pháp tuyến tính hoá chính xác thích nghi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1Tổng quan về mạng nơron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.2 Cấu trúc mạng nơron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 38 2.1.3 Luật học của mạng nơron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. 40 2.1.3.1 Khái niệm………………………………………………. 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 2.1.3.2 Thuật toán học lan truyền ngƣợc của sai lệch (Back ropagation Learning Rule) ………………………………………. 41 2.2 Ứng dụng để nhận dạng online trong điều khiển bám hệ chuyển động theo phƣơng pháp tuyến tính hoá chính xác thích nghi…… 44 2.2.1 Đặt vấn đề. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………………… 44 2.2.2 Bài toán nhận dạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……… 45 2.2.3 Bài toán điều khiển. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………. 48 Chƣơng3: Mô phỏng kiểm chƣng bằng phần mềm Matlab – Simulink. 51 3.1 Lựa chọn hệ chuyển động cho việc mô phỏng………………… 51 3.2 Mô phỏng các thuật toán nhận dạng và điều khiển với đối tƣợng là robot 1 khớp nối……………. 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 3.2.1 Cấu trúc nhận dạng và điều khiển………………………. 52 3.2.2 Kết quả mô phỏng 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.3 Kết quả mô phỏng 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.4 Kết quả mô phỏng 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.5 Kết quả mô phỏng 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.6 Kết quả mô phỏng 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.7 Kết quả mô phỏng 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2.8 Kết quả mô phỏng 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.9 Kết quả mô phỏng 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Phụ lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT SISO Hệ một đầu vào một đầu ra, viết tắt của (Single Input Single Output) MSE Sai lệch bình phƣơng cực tiểu, viết tắt của (Mean Square Error) BIBO Tín hiệu vào ra có giới hạn, viết tắt của (Bound Input Bound Output) MISO Hệ nhiều đầu vào một đầu ra, viết tắt của (Multi Inputs Single Output) ĐKTN Điều khiển thích nghi MRAC Model Referance Adaptive Control MRC Model Referance Control STR Self Tuning Regualator APPC Adaptive Pole Placement Control GBF GaBor Function [...]... tiờu ca lun vn l nghi n cu iu khin thớch nghi theo phng phỏp tuyn tớnh hoỏ chớnh xỏc; nghi n cu mng nron, ng dng nhn dng online v iu khin bỏm mt h chuyn ng phi tuyn 3 i tng v phm vi nghi n cu i tng nghi n cu: - Xõy dng c cu trỳc nhn dng online v iu khin h thng - ng dng kt qu cho mt h chuyn ng thc t ( vd cỏnh tay Robot) Phm vi nghi n cu: - Khai thỏc cỏc nghi n cu lý thuyt v iu khin thớch nghi, mng nron... hng ca nhiu tỏc ng Vỡ vy, vic nghi n cu ng dng iu khin thớch nghi v mng nron xõy dng thut toỏn nhn dng online v iu khin bỏm h chuyn ng cú c im l h phi tuyn v cha cỏc tham s thay i l vic lm cn thit v l hng nghi n cu chớnh ca bn lun vn ny 2 Mc ớch nghi n cu Vic iu khin h chuyn ng bỏm theo qu o mong mun l vn tn ti thc t cn nghi n cu gii quyt Hin nay phng tin lý thuyt v thc nghim cho phộp thc hin c cỏc... c bn ca h iu khin thớch nghi 14 Hỡnh 1.2 H KTN iu chnh h s khuch i 16 Hỡnh 1.3 S cu trỳc h KTN theo mụ hỡnh mu MRAC 16 Hỡnh 1.4 H KTN t iu chnh giỏn tip ISTR 17 Hỡnh 1.5 H KTN t iu chnh trc tip DSTR 18 Hỡnh 1.6 S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu trc tip 19 Hỡnh 1.7 S iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu giỏn tip 20 Hỡnh 1.8 H iu khin PPC 22 Hỡnh 1.9 S cu trỳc iu khin theo phng phỏp tuyn tớnh... chớnh xỏc thớch nghi Chng 3: Mụ phng kim chng bng phn mm Matlab Simulink Kt lun S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 CHNG 1 TNG QUAN V IU KHIN THCH NGHI V CC PHNG PHP NHN DNG H THNG 1.1 Tng quan v phng phỏp iu khin thớch nghi 1.1.1 Khỏi nim v iu khin thớch nghi 1.1.1.1 nh ngha iu khin thớch nghi l h iu khin t ng m cu trỳc ca b iu khin cú th thay i theo s bin thiờn... tớnh toỏn Kt qu tớnh toỏn c a vo c cu thớch nghi iu chnh cỏc thụng s b iu khin nhm m bo cht lng ca h nh mong mun 1.1.1.3 Phõn loi Cỏc h iu khin thớch nghi cú th chia thnh 2 nhúm chớnh: + H iu khin thớch nghi trc tip (cú mụ hỡnh mu) + H iu khin thớch nghi giỏn tip (cú mụ hỡnh n) Trong h iu khin thớch nghi cỏc thụng s ca b iu chnh s c hiu chnh trong thi gian thc theo giỏ tr sai s gia c tớnh mong mun v c... thớch nghi thay th C* trong lut iu khin bng vộc t thụng s ỏnh giỏ C, t ú ta cú phng phỏp iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu ra i Theo cỏch thu c vộct (t), MRAC cú hai phng phỏp: 1.1.3.1 Phng phỏp iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu trc tip Trong phng phỏp MRAC trc tip, thụng s ca b iu khin C(t) cn xỏc nh theo yờu cu v cht lng ca i tng iu khin v biu din di dng tham s trong mụ hỡnh i tng iu khin: GS(p, *)... thớch nghi t chnh lai: Kt hp c 2 phng phỏp trờn ta cú h t chnh thớch nghi lai, tc l cựng lỳc ta ỏnh giỏ c tham s b iu khin v tham s i tng nhm S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 trỏnh gii phng trỡnh i s õy l h thớch nghi t chnh nhm kt hp u im ca c hai h trờn 1.1.3 H theo mụ hỡnh mu (MRAC) MRAC (model reference adaptive control) xut phỏt t phng phỏp iu khin theo mụ... s bin thiờn thụng s 1.1.2.2 H iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu Tớn hiu vo ca mch vũng thớch nghi l sai lch ca tớn hiu ca mụ hỡnh mu v ca i tng Mụ hỡnh mu c chn sao cho c tớnh ca mụ hỡnh mu l c tớnh mong mun Mụ hỡnh mu chn cng sỏt i tng thỡ kt qu iu khin cng chớnh xỏc Mụ hỡnh mu ym + e(t) _ u Bụ iu khin i t ng Ys C cu thớch nghi Hỡnh 1.3 S cu trỳc h KTN theo mụ hỡnh mu MRAC S húa bi Trung tõm Hc liu... 19 C cu thớch nghi cú nhim v hiu chnh sao cho sai s e (t) = ym- ys tin v 0 v h n nh Tớn hiu iu khin l sai s gia tớn hiu ra ca mụ hỡnh mu v tớn hiu ca i tng Lut thớch nghi thng c xỏc nh bng phng phỏp Gradien, lý thuyt n nh Lyapunov hoc lý thuyt n nh tuyt i ca Pụpụp v nguyờn lý dng ng h hi t v sai s l nh nht 1.1.2.3 H iu khin thớch nghi t chnh (Self-Turning-Regulator)(STR) H iu khin thớch nghi t chnh... gii phng trỡnh i s nờn c gi l ISTR - H iu khin thớch nghi t chnh trc tip DSTR Trong h DSTR (Hỡnh 1.5) cỏc tham s ca mụ hỡnh P (C) c biu din theo tham s ca i tng sao cho tho món cỏc yờu cu cht lng Khi ú mụ hỡnh c tham s hoỏ dng P c(C) v b ỏnh giỏ online ỏnh giỏ cỏc giỏ tr ca vộc t tham s C l C(t) ti thi im v giỏ tr ny dựng cp nht li tham s b iu khin theo thi gian thc ỏnh giỏá ON-LINE Tham s (t) u ys . THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ CHUYỂN ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ CHÍNH XÁC THÍCH NGHI VỚI KHÂU NHẬN DẠNG ONLINE DÙNG MẠNG NƠRON NGUYỄN THỊ. luận văn là nghi n cứu điều khiển thích nghi theo phƣơng pháp tuyến tính hoá chính xác; nghi n cứu mạng nơron, ứng dụng để nhận dạng online và điều khiển bám một hệ chuyển động phi tuyến. 3 CÔNG NGHI P LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ CHUYỂN ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ CHÍNH XÁC THÍCH NGHI VỚI KHÂU NHẬN DẠNG ONLINE