Trình bày các thành phần cơ bản của bộ điều khiển mờ phân tích suy luận mờ và luật hợp thành

Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra 1 .Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ -Khối mờ hoá có chức năng chuyển mỗi giá tri rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành véctơ μ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

Giảng viên hướng

dẫn

: Nguyễn Thị Quyên

Hải Dương, năm 2022

MỤC LỤC

Câu 01 (2,0 điểm): 3

1.1.Cấu trúc Bộ điều khiển mờ 3

1.2.Để tổng hợp được các bộ Điều khiển mờ và cho nó hoạt động một cách hoàn thiện ta cần thực hiện qua các bước sau: 4

1.3.Phân tích suy luận mờ và luật hợp thành 5

Câu 02 (3,0 điểm): 6

2.1.Phân tích các bước huấn luyện mạng nơron perceptron 6

2.2.Lập trình huấn luyện bằng phần mềm Matlab 7

2.3 Sử dụng giao diện đồ họa ( Graphical User Interface – GUI ) để khảo sát và phân tích 10

Câu 03 (5,0 điểm): 13

3.1 Xây dựng mạng nơ ron 13

3.1.1 Thực hiện lập trình trên phần mềm Matlab 13

3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ phòng 20

3.2.1.Giới thiệu tổng quan về matlab-công cụ để thiết kế bộ điều khiển mờ 20

3.2.2 Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ trên Simulink: 21

3.2.3 Mô phỏng bộ điều khiển mờ 24

Câu 01 (2,0 điểm):

Trình bày các thành phần cơ bản của bộ điều khiển mờ? Phân tích suy luận mờ và luật hợp thành?

Yêu cầu đạt được:

- Trình bày được các thành phần trong bộ điều khiển mờ?

- Phân tích suy luận mờ và luật hợp thành?

Bài làm

1.1.Cấu trúc Bộ điều khiển mờ

Hoạt động của một bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ

Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hoá, thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra

1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

-Khối mờ hoá có chức năng chuyển mỗi giá tri rõ của biến ngôn ngữ đầu vào

thành véctơ μ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào

-Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R được

xây dựng trên cơ sở luật điều khiển

- Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng với

mỗi giá tri rõ x0 đề điều khiển đối tượng)

- Giao diện đầu vào thực hiện việc tông hợp và chuyển đổi tin hiệu vào (từ

tương tự sang số), ngoài ra còn có thể có thểm các khâu phụ trợ đê thực hiện bài toán động như tích phân, vi phân

- Giao diện đầu ra thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự) để

điều khiển đối tượng

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những

phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật điều khiển Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị Giao diện

vào hóaMờ Thiết bị hợpthành Giải mờ Giao diệnra

toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển "rõ ràng" và "chính xác"

1.2.Để tổng hợp được các bộ Điều khiển mờ và cho nó hoạt động một cách hoàn thiện ta cần thực hiện qua các bước sau:

1- Khảo sát đối tượng, từ đó định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào, ra và miền xác định của chúng Trong bước này chúng ta cần chú ý một số đặc điểm cơ bản của đối tượng điều khiển như: Đối tượng biến đổi nhanh hay chậm? có trễ hay không? tính phi tuyến nhiều hay ít ?, Đây là những thông tin rất quan trọng để quyết định miền xác định của các biến ngôn ngữ đầu vào, nhất là các biến động học (vận tốc, gia tốc, ) Đối với tín hiệu biến thiên nhanh cần chọn miền xác định của vận tốc và gia tốc lớn và ngược lại

2- Mờ hoá các biến ngôn ngữ vào/ra: Trong bước này chúng ta cần xác định số lượng tập mờ và hình dạng các hàm liên thuộc cho mỗi biến ngôn ngữ Số lượng các tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ được chọn tuỳ ý Tuy nhiên nếu chọn

ít quá thì việc điều chỉnh sẽ không mịn, chọn nhiều quá sẽ khó khăn khi cài đặtluật hợp thành, quá trình tính toán lâu, hệ thống dễ mất ổn định Hình dạng các hàm liên thuộc có thể chọn hình tam giác, hình thang, hàm Gaus,

3- Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành): Đây là bước quan trọng nhất và khó khăn nhất trong quá trình thiết kế bộ điều khiển mờ Việc xây dựng luật điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào tri thức và kinh nghiệm vận hành

hệ thống của các chuyên gia Hiện nay ta thường sử dụng một vài nguyên tắc xây dựng luật hợp thành 29 đủ để hệ thống làm việc, sau đó mô phỏng vả chỉnh định dần các luật hoặc áp dụng một số thuật toán tối ưu (được trình bày

ở phần sau)

4- Chọn thiết bị hợp thành (MAX-MIN hoặc MAX-PROD hoặc SUMMIN hoặc SUM-PRROD) và chọn nguyên tắc giải mờ (Trung bình, cận trái, cận phải, điểm trọng tâm, độ cao)

5- Tối ưu hệ thống: Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ, ta cần mô hình hoá

và mô phỏng hệ thống để kiểm tra kết quả, đồng thời chỉnh định lại một số tham số để có chế độ làm việc tối ưu Các tham số có thể điều chỉnh trong bước này là: Thêm, bớt luật điều khiển; thay đổi trọng số các luật; thay đổi hình dạng và miền xác định của các hàm liên thuộc

- Cụ thể ta sẽ làm theo 6 bước sau:

1.3.Phân tích suy luận mờ và luật hợp thành

 Suy luận mờ cũng thường được gọi là suy luận xấp xỉ ( Fuzzy reasoning or approximate reasoning ) là thủ tục suy luận để suy diễn ra kết quả từ các tập các quy tắc nếu…thì theo một hay nhiều điều kiện Trước tiên ta giới thiệu

về luật hợp thành để mô tả sự hợp lý thực chất của suy luận mờ

 Luật hợp thành là sự khái quát hóa các khái niệm tương tự sau đây: Giả thiết

ta có đường cong y=(fx), đó là quan hệ điều kiện giữa x và y Khi cho x = a thì suy ra y = b (a) Tổng quát nếu bây giờ ta cho a một khoảng và f(x) là hàm của khoảng giá trị Để tìm khoảng kết quả y=b tương tự với khoảng x=a, trước tiên ta mở rộng vùng a theo kiểu hình trụ từ X sang vùng X*Y và tìm vùng l là giao của khoảng giá trị a và hàm của khoảng giá trị f(x), sau đó lấy hình chiếu của l lên trục Y ta tìm được y = b

 Trong bộ điều khiển mờ luật điều khiển mờ là bộ não của nó, người thiết kế phải dựa vào kinh nghiệm của mình mà phát biểu xây dựng cho được tập mờdạng này làm cơ sở cho việc chiển khai thiết kế tiếp theo

Yêu cầu đạt được:

a Phân tích các bước huấn luyện mạng nơ ron perceptron.

b Lập trình huấn luyện bằng phần mềm Matlab.

c Sử dụng giao diện đồ họa (Graphical User Interface - GUI) để khảo sát và phân tích.

2.1.Phân tích các bước huấn luyện mạng nơron perceptron

B1 Xác định, phân tích đầu vào ra với

P: là đầu vào; t là mục tiêu mong muốn

p = [[2;2] [1;-2] [-2;2] [-1;1]] % Nhập bộ dữ liệu đầu vào

t = [0 1 0 1] % Nhập mục tiêu (mong muốn)

Thông thường hàm truyền hardlim được sử dụng cho Perceptron, nên nó là mặc

định khi tạo

Ví dụ trên sẽ có kết quả

net = newp([-2 2;-2 2],1);

B3 Nhập lệnh cho mạng học theo 30 chu kỳ:

Với ví dụ trên câu lệnh:

2.2.Lập trình huấn luyện bằng phần mềm Matlab

 Đầu vào và đầu ra của cổng AND và NAND

w1 = 0,1x3 = 0,3 ( nhóm 3 )

w2 = 0,2x3 = 0,6

b = -0,1x3 = - 0 ,3

Chương trình đầu ra cổng AND

>> %Thiết lập giá trị trọng số và bias

>> net.IW{1,1} = [0.3 0.6];

>> net.b{1} = -0.3;

>> p = [[0;0] [0;1] [1;0] [1;1]]% Nhập bộ dữ liệu đầu vào

>> net =newp([0 1;0 1],1);% Xây dựng nowrowrron perceptron

>> net.trainParam.epochs = 30;% cho mạng học trong khoảng 30 chu kỳ

>> net = train(net,p,t); % Huấn luyện mạng

Kết quả:

Chương trình đầu ra với cổng NAND

>> %Thiết lập giá trị trọng số và bias

t =

1 1 1 0

>> net =newp([0 1;0 1],1);% Xây dựng nowrowrron perceptron

>> net.trainParam.epochs = 30;% cho mạng học trong khoảng 30 chu kỳ

>> net = train(net,p,t); % Huấn luyện mạng

Phần network chọn tên và type là perceptron

Nhập số liệu đầu vào và mục tiêu ở phần Inputs và Tagers và ấn Create ở phần data

- Nhấn đúp vào network ‘AND’ để mở:

Chọn sang phần Train -> Train Network để chạy hệ thống mạng

- Cửa sổ mới hiện ra:

- Biểu diễn trên đồ thị Performance:

Thiết kế mạng nơ ron 3 lớp 2 x (7 +n ) x 2, với n = 1 ÷ 10 (n: chỉ số nhóm).

Thực hiện quá trình training lan truyền ngược và phân tích kết quả.

Biết hàm kích hoạt lần lượt của các lớp là: tansig, tansig, purelin

Yêu cầu đạt được:

Training mạng bằng hai cách:

- Lập trình trên phần mềm Matlab.

- Sử dụng giao diện đồ họa (Graphical User Interface - GUI) để khảo sát

b Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ phòng, biết:

Nhiệt độ đặt (150C + n) ÷ (300C + n); Nhiệt độ phòng: 180C ÷ 450C Điện áp cấp cho driver của máy lạnh là 0V (dừng), đến 24VDC (max)

Yêu cầu đạt được:

- Giới thiệu tổng quan về Matlab

- công cụ để thiết kế bộ điều khiển mờ.

- Thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển mờ

- Phân tích hệ thống tại đầu vào e = 7 + n; với n = 1 ÷ 10 (n: chỉ số nhóm).

Bài làm 3.1 Xây dựng mạng nơ ron.

3.1.1 Thực hiện lập trình trên phần mềm Matlab.

a) Ta thực hiện viết code trên matlab:

%Tao ma tran P T1

P1 = [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10];

P2 = [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10];

%go bat ky phim nao de dung phim pause;

% Ki?m tra ham sim

w21=net.IW{2,1}, % tìm ma tran tu lop vao den lop an w21

w31=net.IW{3,1}, % tìm ma tran tu lop anden lop ra w31

b1=net.b{1}

b2=net.b{2}

b3=net.b{3}

w21=net.IW{2,1}, % tìm ma tran tu lop vao den lop an w21 w31=net.IW{3,1}, % tìm ma tran tu lop anden lop ra w31 b1=net.b{1}

d) Biểu diễn đồ thị Perfomance.

e) Biểu diễn đồ thị Training State.

f) Biểu diễn đồ thị Regression.

g) Biểu thị đồ thị trên Figure

3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ phòng.

3.2.1.Giới thiệu tổng quan về matlab-công cụ để thiết kế bộ điều khiển mờ.

a) Ngôn ngữ Matlab.

Là một ngôn ngữ lập trình bậc cao (Scritp) với các lệnh điều khiển, chức năng, cấu chúc dữ liệu, đầu vào/ đầu ra và khả năng lập trinh hướng đối tượng Cho phép bạn nhanh chóng tạo và phá hủy phần mềm trong “ lập trinh quy mô nhỏ ” hoặc tạo các chương trinh lớn và phức tạp trong “lập trình quy mô lớn”

b) Tính năng Matlab.

- Matlab là một ngôn ngữ lập trinh cao cấp để tinh toan số và phát triển ứng dụng.

- Cung cấp một môi trường tương tác để điều tra, thiết kế và gaiir quyết các vấn đề.

- Nó cung cấp môi trường thư viện lớn các hàm toan học để gaiir các hàm số tuyến tính, thống kê, phân tích Fourier, lọc, tối ưu hóa, tích phân và phương trinh vi phân bình thường.

- Matlab cung cấp các biểu đồ tích hợp để trực quan hóa dữ liệu và các công cụ để tạo biểu đồ tùy chỉnh.

- Cung cấp các công cụ phát triển để tăng khả năng bảo trì chất lượng mã và tối đa hóa hiệu suất.

- Cung cấp các công cụ để xây dựng ứng dụng bằng giao diện đồ họa tùy chỉnh.

- Các chức năng để tích hợp các thuật toan dựa trên Matlab với các ứng dụng bên ngoai và các ngôn ngữ C, Java, NET và Microsoft Excel.

*Các ứng dụng của Matlab gồm :

- Toán học và tính toán

- Phát triển các thuật toán

- Thu thập dữ liệu

- Mô hình hóa, mô phỏng

- Phân tích dữ liệu, thăm dò và trực quan hóa

- Đồ họa khoa học và kỹ thuật

- Phát triển các ứng dụng, xây dựng các giao diện người dùng

*Đặc trưng của Matlab:

Nét đặc trưng của MatLab là nó cung cấp một họ các Toolboxes , cho phép người dùng có thể học và áp dụng trong các kỹ thuật chuyên ngành Toolboxes là tập hợp của các hàm (”M-files") cho phép mở rộng môi trường MatLab để giải một lớp các bài toán như trong : Xử lý tín hiệu (signal processing) ,Các hệ điều khiển (control systems) ,Mạng nơ-ron (neural networks) ,Logic mờ (fuzzy logic) ,Sóng nhỏ (wavelets), Mô phỏng (simulation).

3.2.2 Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ trên Simulink:

Bước 1: Khởi động chương trình:

Bước 2: Trên cửa sổ lệnh: nhập lệnh Fuzzy, xuất hiện hộp thoại:

Hình 3.2.2 Hộp thoại thiếu kế bộ điều khiển mờ Bước 3: Mờ hóa ngõ vào:

- Đặt tên cho tập mờ ngõ vào: Chọn input1, nhập tên thư mục : name.

- Nhấn kép vào biểu tượng ”input1”, xuất hiện hộp thoại

- Chọn tập mờ cần thiết kế.

Hình 3.2.3.Hộp thoại thiết lập mờ ngõ vào Thiết kế các thông số bằng cách nhập vào hộp thoại như hình.

Bước 4: Giải mờ ngõ ra.

Hình 3.2.4.Giải mờ ngõ ra

Tương tự như ngõ vào, nhập các thông số bài toán như hình.

Bước 5: Xây dựng luật mờ hợp thành.

Nhấn kép vào biểu tượng untitled xuất hiện hộp thoại.

Hình 3.2.5 Xây dựng luật hợp thành

Chọn luật hợp thành “if” ở input… “then” ở output theo bài toán Chọn Add rule để chon luật hợp thành.

Tiếp tục chọn luật tiếp theo và chọn addrule cho đến hết.

Sau khi xây dựng xong lưu bộ điều khiển:

Từ menu File: Export/to file… và chọn thư mục cần lưu.

Hình 3.2.6 Lưu bộ điều khiển đã thiết kế

3.2.3 Mô phỏng bộ điều khiển mờ.

Bước 1: Xác định giới hạn vào ra:

Nhiệt độ ngoài trời: 16 0C ÷ 310 C

18 0 C: lạnh

32 0 C: mát

45 0 C: nóng trời:

16 0 C: lạnh

24 0 C: mát

31 0 C: nóng Output:

điện áp:

0 V: chậm 12V: vừa 24V: nhanh

- Khai báo đầu vào nhiệt độ phòng:

- Khai báo đầu vào nhiệt độ ngoài trời:

- Khai báo đầu ra điện áp:

Bước 3: Xây dựng luật điều khiển:

- Simulink:

- Đồ thị scope: