Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Nguyễn Thị Mai ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỰA MƠ HÌNH MỜ CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa Tr
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Mai ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TỰA MƠ HÌNH MỜ CHO ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN Chun ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ VÂN HÀ Hà Nội – Năm 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131951391000000 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .3 LỜI CAM ĐOAN .4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .6 PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN NỘI DUNG .9 Chương ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 1.1 Cấu trúc tổng quát điều khiển dự báo dựa mơ hình – MPC 1.1.1 Khái qt MPC 1.1.2 Mơ hình dự báo 12 1.1.3 Phiếm hàm mục tiêu 15 1.2 Giải thuật MPC .17 Chương ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ 18 2.1 Hệ mờ ứng dụng 18 2.1.1 Quá trình phát triển logic mờ 18 2.1.2 Cấu trúc hệ mờ .20 2.2 Xây dựng mơ hình dự báo sở hệ mờ 30 2.2.1 Nhận dạng hệ thống 30 2.2.2 Nhận dạng hệ thống mơ hình mờ 31 2.3 Giải thuật điều khiển dự báo mờ .42 2.3.1 Giải thuật di truyền 42 2.3.2 Phương pháp Branch & Bound giải toán tối ưu 46 Chương ĐIỀU KHIỂN HỆ BỒN NỐI TIẾP BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO MỜ 49 3.1 Xây dựng mơ hình dự báo mờ 49 3.1.1 Đối tượng điều khiển 49 3.1.2 Xây dựng mơ hình dự báo sở hệ mờ 50 3.2 Tổng hợp điều khiển dự báo cho đối tượng điều khiển .58 3.3 Kết mô 59 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 66 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới TS.Vũ Vân Hà GS.TS Phan Xuân Minh, người cho định hướng ý kiến quý báu để tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cơ, bạn bè dìu dắt, giúp đỡ tơi tiến suốt q trình làm khóa luận tốt nghiệp Xin cảm ơn gia đình bè bạn, người ln khuyến khích giúp đỡ tơi hồn cảnh khó khăn Tơi xin cảm ơn Viện điện, Viện Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho tơi q trình học, làm hồn thành khóa luận LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, mà tơi viết luận văn tìm hiểu, nghiên cứu thân hướng dẫn TS.Vũ Vân Hà giúp đỡ tận tình GS.TS Phan Xuân Minh Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác có trích dẫn nguồn gốc cụ thể Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Hà Nội, ngày … tháng …năm … Người thực DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MPC : Model Predictive Control FMPC: Fuzzy Model Predictive Control DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Phân phối ứng dụng MPC theo mức độ phi tuyến hệ thống Hình 1.2: (a) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo (b) Nguyên tắc điều khiển dự báo Hình 2.1: Phương pháp giải mờ cực đại Hình 2.2: Phương pháp điểm trọng tâm Hình 2.3: Sơ đồ khối nhận dạng hệ thống Hình 2.4: Vịng lặp nhận dạng Hình 2.5: Tìm kiếm để chọn thành phần hồi quy Hình 2.6:Phương pháp xây dựng mơ hình mờ Hình 2.7 : Bánh xe roulette Hình 2.8: Sơ đồ minh họa Branch & Bound Hình 3.1: Hệ thống bồn chứa nối tiếp Hình 3.2: Sơ đồ mơ đối tượng Hình 3.3: Bộ liệu và-ra dùng nhận dạng Hình 3.5: Kết huấn luyện kiểm tra mơ hình mờ Hình 3.6: Mơ hình mờ dự báo đối tượng Hình 3.7: Hàm thuộc đầu vào biến y(k-1) Hình 3.8: Hàm thuộc đầu vào biến y(k-2) Hình 3.9: Hàm thuộc đầu vào biến u(k-1) Hình 3.10 Hàm thuộc đầu vào biến u(k-2) Hình 3.10: Giá trị đầu ứng với đầu vào Hình 3.11 Thuật tốn di truyền Hình 3.12: a) Đáp ứng hệ khơng có nhiễu b) Tín hiệu điều khiển Hình 3.13: a) Đáp ứng hệ có nhiễu b) Tín hiệu điều khiển Hình 3.14: a) Đáp ứng hệ khơng có nhiễu b) Tín hiệu điều khiển Hình 3.15: a) Đáp ứng hệ có nhiễu b) Tín hiệu điều khiển Hình 3.16: a) Đáp ứng hệ khơng có nhiễu b) Tín hiệu điều khiển Hình 3.17 Tín hiệu điều khiển đáp ứng hệ thay đổi Hp PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Điều khiển dự báo dựa mơ hình cho đối tượng phi tuyến phát triển kỷ 20 Kể từ đời, phương pháp tỏ rõ ưu điểm lĩnh vực điều khiển ứng dụng q trình cơng nghiệp, đặc biệt điều khiển trình phi tuyến nhiều vào – nhiều Phương pháp điều khiển sử dụng mơ hình tốn học đối tượng để tìm tín hiệu điều khiển nhờ vào việc tối thiểu hoá phiếm hàm mục tiêu Vì phải sử dụng mơ hình tốn học để dự báo đầu đối tượng thời điểm tương lai nên phương pháp mơ hình đối tượng đóng vai trị quan trọng Tuy nhiên, thực tế hệ phi tuyến việc xây dựng mơ hình tốn học cách xác vơ khó đặc tính phi tuyến đa dạng, mà lý thuyết mờ lại tỏ rõ ưu điểm việc điều khiển hệ thống phi tuyến Chính lý mà chọn đề tài : “Điều khiển dự báo tựa mơ hình mờ cho đối tượng phi tuyến” Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích đề tài ứng dụng thuật toán FMPC cho đối lớp tượng phi tuyến tường minh Các vấn đề cần giải đề tài: - Xây dựng mơ hình dự báo sở hệ mờ - Xác định hàm mục tiêu đảm bảo tính ổn định bền vững hệ kín - Đề xuất giải thuật điều khiển dự báo mờ - Mơ kiểm chứng Tóm tắt đọng nội dung Ngồi phần mở đầu phần kết luận, luận văn gồm có ba phần sau: Chương 1: Điều khiển dự báo Chương trình bày số vấn đề điều khiển dự báo: khái quát điều khiển dự báo (MPC), loại mơ hình dự báo, phiếm hàm mục tiêu giải thuật MPC Chương 2: Điều khiển dự báo sở mơ hình mờ Trong chương này, chúng tơi trình bày hệ mờ ứng dụng hệ mờ; xây dựng mơ hình dự báo sở mơ hình mờ Takagi-Sugeno; giải thuật điều khiển dự báo mờ Chương 3: Điều khiển hệ bồn nối tiếp giải thuật điều khiển dự báo mờ Chương trình bày ứng dụng cụ thể điều khiển hệ bồn nối tiếp giải thuật điều khiển dự báo mờ bao gồm nội dung: xây dựng mơ hình dự báo mờ, mơ kiểm chứng phần mềm Matlab - Simulink đánh giá kết thu Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu dựa việc tìm hiểu lý thuyết điều khiển dự báo dựa mơ hình, lý thuyết mờ thuật tốn tối ưu hóa điều khiển dự báo - Điều khiển mô sử dụng phần mềm matlab – simulink, áp dụng hệ phi tuyến - Thực việc tối ưu hóa giải thuật cách tối ưu phép xử lý với số học lớn Thao tác sử dụng kết hợp phương pháp tính tốn với số học nhằm tăng hiệu bước xử lý - Thu thập tài liệu xuất bản, báo tạp chí khoa học tài liệu mạng Internet có liên quan đến vấn đề nghiên cứu - Tìm hiểu, vận dụng kế thừa thuật tốn cơng trình khoa học cơng bố kết PHẦN NỘI DUNG Chương ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 1.1 Cấu trúc tổng quát điều khiển dự báo dựa mơ hình – MPC 1.1.1 Khái qt MPC Lý thuyết điều khiển dự báo đời vào năm 1960, song năm 1980 phương pháp điều khiển bắt đầu phát triển mạnh trở thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng điều khiển tự động Hiện nay, điều khiển dự báo có nhiều ứng dụng thành cơng công nghiệp (Richalet, 1993) đặc biệt lĩnh vực lọc dầu hóa dầu Hình 1.1: Phân phối ứng dụng MPC theo mức độ phi tuyến hệ thống Qua biểu đồ cho thấy, MPC chưa thực ứng dụng nhiều hệ có tính chất phi tuyến mạnh, mà năm gần việc nghiên cứu để áp dụng kỹ thuật điều khiển dự báo cho hệ quan tâm nhiều Điều khiển dự báo chiến lược điều khiển sử dụng phổ biến điều khiển trình Phương pháp điều khiển dự báo dựa mơ hình hệ thống thật để dự đoán trước đáp ứng tương lai đối tượng điều khiển thời điểm rời rạc phạm vi dự báo định Dựa vào đáp ứng dự báo này, thuật tốn tối ưu hóa sử dụng để tính tốn chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai