Sách scan hệ thống điều khiển thông minh (huỳnh thái hoàng) đã mở khóa

HUYNH THAI HOANG 3 THONG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH c(t) — [ÍIlll THỦ VIEN DAI HOC NHA TRANG Chas ming ban dé din udi 3000013422 aaa\` Š “NHÀ XUẤT BẢN 2áx sau AB Ho cá, TC HỌC QUỐC CH) Xin vui long: se Không xé sách e Không gạch, viết, vẽ lên sách DAI HOC QUOC GIA TP HO CHi MINH TRUGNG DAI HOC BACH KHOA Huynh Thai Hoang EBOOKBKMT.COM HO TRO TAI LIEU HOC TAP HE- THOTHONG Ê Pw THONG MINH | TRHEMU ĐẠI ? NHà lIANG { _———~ —_— -^ ( t ET ee rX© OM PRES | ` tt | mm - NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2006 EBOOKBKMT.COM HO TRO TAI LIEU HOC TAP MUC LUC LOI NOI DAU 7 Chuong 1 TONG QUAN VE DIEU KHIEN THONG MINH 9 1.1 Giới thiệu 1.2 Khái niệm về điều khiển thông minh 10 1.3 Đặc điểm của hệ thống thông minh 14 1.4 Cấu trúc của hệ thống điều khiển thông minh 16 1.5 Các lĩnh vực liên quan đến điều khiển thông minh 18 1.6 Hướng nghiên cứu điều khién thong minh 22 Chương 3 HỆ MỜ 25 2.1 Giới thiệu 25 26 2.2 Tập hợp mờ 41 2.3 Quan hệ mờ 24 Biến ngôn ngữ và giá trị ngôn ngữ 44 2.5 Logic mờ 45 2.6 Quy tắc mờ 49 2.7 Suy luận mờ 54 2.8 Hệ mờ 60 2.9 Tóm tắt 85 Chương 3 MẠNG THÂN KINH 86 3.1 Giới thiệu 86 29 Té bao than kinh va mạng thần kinh nhân tạo 88 3.3 Các phương pháp huấn luyện mạng thần kinh nhân tạo 92 3.4 Mang truyền thẳng một lớp 95 txuyển thang nhiều lớp 107 3.6 Mang ham 3.5 cơ Man sở g xuyên tâm 118 3.7 Mang thần kinh suy diễn mờ thích nghĩ 122 3.8 Tóm tắt 125 Chuong 4 GIAI THUAT DI TRUYEN 126 126 4.1 Giới thiệu 129 147 4.2 Giải thuật di truyền cơ bản 153 156 4.3 Giải thuật di truyền mã số thực 167 4.4 Giải thuật di truyền song song 168 4.5 Một số ví dụ 168 173 4.6 Tóm tắt 190 207 Chương 5 ĐIỀU KHIỂN TRỤỰC TIẾP 212 233 5.1 Giới thiệu 234 5.3 Điều khiển mờ trực tiếp ” 934 5.3 Điều khiển PID mờ di truyền 5.4 Điều khiển trực tiếp dùng mạng thần kinh 237 5.5 Tự chỉnh bộ điều khiển trực tiếp dùng giải thuật thần kinh 247 270 5.6 Tóm tắt GA 277 280 Chương 6 NHẬN DẠNG HỆ PHI TUYẾN 281 6.1 Giới thiệu 281 282 6.2 Nhận dạng hệ phi tuyến 288 6.3 Nhận dạng hệ phi tuyến dùng mô hình mờ 292 296 6.4 Nhận dạng hệ phi tuyến dùng mô hình mạng 306 6.5 Ước lượng thông số mô hình phi tuyến dùng 6.6 Tóm tắt Chương 7 ĐIỀU KHIỂN DỰA VÀO MÔ HÌNH 7.1 Giới thiệu 7.2 Điều khiển dùng mô hình ngược 7.3 Điều khiển mô hình nội ; 7.4 Điều khiển theo mô hình chuẩn 7.5 Điều khiển dự báo dựa vào mô hình 7.6 Tóm tắt Chuong 8 DIEU KHIEN THICH NGHI 307 8.1 Giới thiệu 307 8.2 Hồi tiếp tuyến tính hóa hệ phi tuyến 312 8.3 Điều khiển thích nghỉ gián tiếp 316 8.4 Điều khiển thích nghỉ trực tiếp 327 8.5 Tóm tắt 336 Chương 9 ĐIỀU KHIỂN HỌC 337 9.1 Giới thiệu 337 9.2 Hệ thống điều khiển học 339 9.3 Một số ví dụ 343 9.4 Tóm tắt 356 Chương 10 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH 357 10.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển thông minh 357 10.2 Phát sinh hành vi 367 10.3 Mô hình thế giới 370 10.4 Xử lý cảm biến .Ả 374 10.5 Đánh giá giá trị 376 10.6 Ứng dụng hệ thống điều khiển thông minh 378 10.7 Tóm tắt 386 Phụ lục A: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB 387 TÀI LIỆU THAM KHẢO 412 LOI NOI DAU Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ làm xuất hiện các đối tượng điều khiển có độ phúc tạp ngày càng tăng Yêu câu thực tiễn đặt ra là phải điều khiển các hệ thống động ngày càng phức tạp, trong điều biện các yếu tố bất định ngày cùng gia tăng uới yêu câu chất lượng điều khiển ngày càng cao Các yêu cầu trên không thể đáp ứng được trọn uen, đông thời nếu dùng lý thuyết điêu khiển thông thường sẵn có Đây chính là động lực cho ra đời một lĩnh uực nghiên cứu mới đây tiềm năng va nhiều thách thức, đó là điêu khiển thông mình Tổng quát, điều khiển thông mình là phương pháp điều bhiển phỏng theo các đặc điểm cơ bản của trí thông mình của con người, bao gồm khả năng học, khả năng xv ly thông tin không chắc chắn vd kha ndng tim kiém lời giải tối ưu Ngày nay điều khiến thông mình có xu hướng bao gôm tất cả các vdn đề không thuộc phạm u¡ điều khiển thông tuường Các kỹ thuật điều khiển thông minh được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm mạng thân kinh (nhân tạo), logic mờ uà giải thuật di truyền Khác biệt co ban giữa điều khiển thông mình uè điều khiển thông thường là khi thiết kế hệ thống diều khiển thông mình oề nguyên tắc không cần biết mô hình toán học của đối tượng điều khiển Chính uì lý do đó nuà các kỹ thuật điều khiển thông mình có thể áp dụng để giải được nhiều bài toán điều khiển phức tạp, có yếu tố bất định Những năm gân đây, diều khiển thông mình phát triển rất mạnh vé ly thuyết vd được ứng dụng rất rộng rõi trong cúc lĩnh uực công nghiệp, dân dụng cũng như an ninh quéc pl-ong Quyển sách HỆ THỐNG DIEU KHIEN THONG MINH gém 10 chuong, tring bay mét cach c6 hé thống co sé ly thuyét va ung dung các kỹ thuật thông mình (logic mờ, mạng thần kinh, giải thuật di truyền) trong uiệc thiết kế các hệ thống điều khiển Đa số các vi dụ minh họa trong quyến sách đều được trình bày chỉ tiết từ cách thiết kế hệ thống điều khiển đến cách thực thi chương trình mô phỏng để độc giả có thể tự lập trình kiểm chứng lý thuyết dùng phần mềm Matlab Quyển sách được biên soạn nhằm mục đích làm tài liệu tham khảo cho học uiên Cao học các ngành Tự động hóa, Cơ điện tử, Công nghệ chế tạo máy khi học môn Hệ thống điều khién théng minh ¬ ome Tuy uậy, tác giả hy uọng rằng sinh uiên đại học uà cán bộ khoa học kỹ thuật liên quan đến lĩnh uực điều khiển cũng có thể tìm thấy trong quyển sách này những thông tin bổ ích cần thiết cho uiệc học tập hoặc công tác chuyên môn Tác giả chân thành gởi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp ở Bộ môn Điều khiển tự động đã tạo điều kiện uà giúp đỡ nhiệt tình để quyển sách được xuất bản; 0à những người thân trong gia đình đã dành nhiều tình cảm uà động uiên để quyển sách được hoàn thành Đây là lần đầu tiên quyển sách ra mắt độc giả nên mặc dù tác giả đã rất cố gắng biên soạn dựa trên cơ sở tham khảo nhiêu tài liệu mới công bố trong các sách chuyên khảo uà tạp chí chuyên ngành trong những năm gần đây, nhưng quyển sách chắc chắn chưa bao quát hết tất cả các uấn đề liên quan đến hệ thống điều khiển thông mình uà còn nhiều thiếu sót Tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của độc giả uà đông nghiệp để lần xuất ban sau quyển sách được hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gởi uề: TS Huỳnh Thái Hoàng, Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP HCM: 268 lý Thường Kiệt - Quận 10 Điện thoại: (08) 8654357 Email: hthoang@hemut.edtzun Tac gia TS Huỳnh Thái Hoàng Chươïntg 1 TONG QUAN VE DIEU KHIỂN THÔNG MINH 1.1 GIGI THIEU Hé théng diéu khién thong thường hiện nay được thiết kế dựa vào mô hình toán học của hệ thống vật lý Bằng kỹ thuật mô hình hóa và/hoặc nhận dạng hệ thống, một mô hình toán học mô tả đặc tính động học của đối tượng điều khiển được đưa ra Mô hình toán học của hệ thống phải “đủ đơn giản” để có thể phân tích bằng lý thuyết điều khiển thông thường hiện có, và “đủ chính xác” để có thể mô tả được các đặc điểm động học quan trọng của đối tượng, đặc biệt là trong miền lân cận điểm làm việc Sau khi đã chọn được mô hình toán học mô tả đối tượng, các kỹ thuật thiết kế dựa vào mô hình được áp dụng để đưa ra mô hình toán học của bộ điều khiển thích hợp Lý thuyết toán học cơ sở và các phương pháp điều khiến đã phát triển không ngừng trong thời gian qua để đáp ứng nhu cầu điều khiển đối tượng ngày càng phức tạp với yêu cầu chất lượng ngày càng cao Trong quá trình phát triển, lý thuyết điều khiển đã có những bước tiến quan trọng từ lý thuyết kinh điển (phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển trong miễn tần số sử dụng phép biến đổi Laplace và hàm truyền trong những năm 1930-1940) đến lý thuyết hiện đại (phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển trong miễn thời gian sử dụng mô hình không gian trạng thái trong những năm 1950-1960) Điều khiển tối ưu trong những năm 1950-1960, theo sau đó là các phương pháp điều khiển ngẫu nhiên, thích nghị, phi tuyến từ sau năm 1960 đến phương pháp điều khiển bền vững từ những năm 1980 đến nay, đã cung cấp cơ sở toán học để có thể điều khiển chính xác hơn các hệ thống động phức tạp Bộ điều khiển sau khi thiết kế sẽ được thực thi bằng phần cứng và/hoặc phần mềm và nó được dùng để điểu khiển hệ thống vật lý Quá trình thiết kế có thể phải lặp lại nhiều lần cho đến khi chất lượng của hệ thống điều khiến đáp ứng yêu cầu 10 CHUONG 1 Một yếu tố gây ra khó khăn trong uiệc thiết bế các bộ điều khiển cho các hệ thống động là sự bất định Nếu hệ thống làm việc trong phạm vi hẹp, hệ thống có thể được xem là tuyến tính và các yếu tố bất định không đáng kể thì các bộ điều khiển kinh điển, chẳng hạn như PID, có thể thiết kế và thực thi dé dàng và đáp ứng được yêu cầu chất lượng Khi miền làm việc của hệ thống càng rộng thì các đặc tính phi tuyến xuất hiện và các yếu tố bất định càng gia tăng, trong trường hợp này phải sử dụng các phương pháp hiện đại mới có thể thiết kế được bộ điều khiển đạt yêu cầu Để đối phó với đặc tính phi tuyến của đối tượng phải sử dụng bộ điêu khiển phi tuyến và để đối phó với các yếu tố bất định có thể dùng bộ điều khiến thích nghỉ hoặc bền vững Bộ điều khiển thích nghỉ có thông số và/hoặc cấu trúc thay đổi thích ứng với sự thay đổi của các yếu tố bất định nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống không đổi (hoặc thay đổi khung đáng kể), trong khi bộ điều khiển bên vững được thiết kẻ sao cho: chất lượng của hệ thống không 1ui (hoặc thay đổi không đáng kể) khi các yếu tố bất định nằm trong giới hạn cho phép Thực tế đã cho thấy rằng, các bộ điều khiển thích nghị, điều khiển bền vững và gần đây hơn là điều khiển thích nghi bên vững có thể điều khiến rất tốt các tàu du hành vũ trụ, các đối tượng trong các đây chuyển sản xuất công nghiệp vốn có nhiều yếu tố bất định ngẫu nhiên Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ làm xuất hiện các đối tượng điều khiển có độ phức tạp ngày càng tăng Yêu câu thực - tiễn đặt ra là phải điều khiển các hệ thống động ngày càng phức tap, trong điều kiện các yếu tố bất định ngày càng gia tăng với yêu cầu chất lượng điều khiển ngày càng cao Các yêu câu trên không thể đáp ứng được trọn vẹn, đồng thời nếu dùng lý thuyết điều khiển thông thường sẵn có Đây chính là động lực cho ra đời một lĩnh vực nghiên cứu mới đây tiêm năng và nhiều thách thức: lý thuyết điều khién théng minh 1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH Điều khiển thông minh là phương pháp điều khiển phỏng theo các đặc điểm cơ bản của trí thông minh của con người Các đặc điểm cơ bản này bao gồm khả năng học, khả năng xử lý thông tin không chắc chắn và khả năng tìm kiếm lời giải tối ưu Ngày nay, lĩnh vực điều khiển thông minh (ĐKTM) có xu hướng bao gồm tất cả các vấn để không thuộc phạm vi điểu khiển thông thường Tuy nhiên, ranh TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THONG MINH 11 giới giữa ĐKTM và điều khiển thông thường là tương đối và thay đối theo thời gian Những hệ thống hiện nay được gọi là hệ thống ĐKTM trong tương lai có thể sẽ chỉ được gọi đơn giản là hệ thống điều khiển Khó khăn lớn nhất trong việc định nghĩa chính xác thuật ngữ “Điêu khiển thông ninh” là do không có sự thống nhất trong việc định nghĩa trí thông minh của con người và hành vi thông minh Các tranh luận về trí thông minh đã diễn ra hàng thế ky và vẫn tiếp cục, hiện nay giữa các chuyên gia giáo dục, chuyên gia tâm lý, chuyên gia máy tính Một định nghĩa về trí thông minh được nhiều người đồng ý nhất là “Thông mình là khả năng thu thập va sử dụng trì thức” Theo định nghĩa này, hệ thống ĐKTM là hệ thống điều khiển có khả năng thu thập và sử dụng tri thức Do thông minh là khái niệm mang tính tương đối, có nhiều cấp độ thông minh khác nhau nên hệ thống ĐKTM cũng có nhiều cấp độ khác nhau Sau đây là một số định nghĩa về hệ thống thông minh và cách phân cấp mức độ thông minh Theo Albus (3), “Hệ thống thông mình là hệ thống có hả năng hoạt động thích hợp trong môi trường bất định, trong đó một hoạt động thích hợp là hoạt động làm tăng xúc suốt thành công, uà thành công là đạt được mục tiêu con hướng tới đạt được mục tiêu chung của hệ thống” Albus phân ra ba cấp độ thông minh: - Ở mức độ tối thiếu, thông mình đòi hỏi khả năng cảm nhận môi trường, ra quyết định và điều khiển hành động - Ở nước độ trung bình, thông minh có thể bao gồm khả năng nhận biết đối tượng và sự kiện, biểu diễn tri thức trong một mô hình thế giới, suy luận và hoạch định tương lai - Ở nức độ cao cấp, thông minh đòi hỏi khả năng nhận thức và hiểu, chọn lựa một cách khôn ngoan, và hành động thành công trong nhiều hoàn cảnh khác nhau để tổn tại và phát triển trong môi trường phức tạp và đối nghịch Cấp độ thông minh của hệ thống tùy thuộc vào các yếu tố cấu thành sự thông minh (H.1.1), theo Albus bao gồm: - Khả năng tính toán của bộ não (máy tính) của hệ thống - Sự phức tạp, tỉnh vi của các thuật toán mà hệ thống sử dụng để xử lý thông tin từ cảm biến, mô hình hóa đối tượng, phát sinh hành vi, đánh giá hoạt động truyền tin toàn cục - Thông tin mà hệ thống lưu trữ trong bộ nhớ