thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng nơron

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠRON LÊ THU THỦY THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠRON Học viên : Lê Thu Thủy Người HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tư Do - Hạnh Phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠRON Học viên : Lê Thu Thủy Lớp : CH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Hữu Công Ngày giao đề tài : 2/2011 Ngày hoàn thành đề tài : 8/2011 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Hữu Công BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN Lê Thu Thủy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2011 Tác giả luận văn Lê Thu Thủy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được 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 PGS.TS Nguyễn Hữu Công, Người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này, đến Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng Hành chính Tài vụ, Trung tâm thí nghiệm đã tạo những điều kiện để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Đo lường & Điều khiển tự động – khoa Điện tử, Bộ môn Tự động hóa - khoa Điện, Các thầy cô phòng thí nghiệm Điện – Điện tử đã giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tác giả luận văn Lê Thu Thủy ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn trªn c¬ së m¹ng N¬-ron Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục Lục Mục lục ……………………………………………………………….…………………………. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TĂT ……………… …….……… 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ………….…………….……… ……… 5 MỞ ĐẦU …………………………………………………………….…………….…….……… 8 1. Tính cấp thiết của đề tài ……………………………….………………………… 8 2. Mục đích nghiên cứu ………………………………….………………………… 8 3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu ……….………………………… 8 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài …….……….………………… 9 5. Kết cấu luận văn ………………………………………… ………………………… 9 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG NƠRON …………….………………………… 10 1.1. Giới thiệu tóm tắt về mạng nơron ……………….…………………… … 10 1.1.1. Mạng nơron sinh học ……………………….…………………… …… 10 1.1.2. Mạng nơron nhân tạo ( Artificial Neural network –ANN) 11 1.1.3. Cấu trúc mạng nơron nhân tạo …….……….……………………… 13 1.1.4. Luyện mạng nơron ………………………….……………………… …. 18 1.2. Kết luận chƣơng 1………… ……………………….………………………… 28 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MẠNG NƠRON ……………………………………….…………………………………………………. 29 2.1. Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển ……………………… 29 2.1.1. Khái niệm chung về một hệ thống điều khiển ………… ……. 29 2.1.2. Cấu trúc chung của bộ điều khiển có phản hồi …………… 30 2.2. Phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển bằng mạng nơron ……… … 31 2.2.1. Lý luận chung ……………….…… ……………………………………… 31 2.2.2. Nhận dạng đối tượng sử dụng mạng nơron …………… ……. 32 2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển sử dụng mạng nơron ……………… … 41 2.3. Nhận dạng đối tƣợng điều khiển sử dụng mạng nơron …… …… 44 2.3.1. Lý luận chung …………… ……………………………………………… 44 2.3.2. Nhận dạng đối tượng tuyến tính sử dụng mạng nơron …… 46 ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn trªn c¬ së m¹ng N¬-ron Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.3.3. Nhận dạng đối tượng phi tuyến sử dụng mạng nơron ….…. 49 2.4. Thiết kế bộ điều khiển bằng mạng nơ ron theo mô hình mẫu …. 51 2.4.1. Hệ thống điều khiển theo mô hình mẫu …………………….…… 51 2.4.2. Thiết kế bộ điều khiển nơron theo mô hình mẫu ……….…… 52 CHƢƠNG 3 ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO MÔ HÌNH MẪU ……………………………………………………… 54 3.1. Với các đối tƣợng tuyến tính ………… …………………………………… 54 3.1.1. Bài toán 1 ………………… ………………………………………………. 54 3.1.2. Bài toán 2…………………………………………………………………… 56 3.1.3. Bài toán 3……………………………………………………………………. 58 3.2. Với các đối tƣợng phi tuyến ……………… ………………………………. 61 3.2.1. Bài toán 4 …………………… ……………………………………………. 61 3.2.2. Bài toán 5…………………………………………………………………… 64 3.2.3. Bài toán 6:Bể xử lý nước thải …………………………………… 70 3.2.4. Bài toán 7: Cánh tay Rôbốt một bậc tự do …… ……… ……. 83 3.3. Kết luận chƣơng 3 …………… …………………………………………….… 101 CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………… 102 PHỤ LỤC ………………………………………………………………………………… ……. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………. 110 ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn trªn c¬ së m¹ng N¬-ron Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MSE Sai lệch bình phƣơng cực tiểu, viết tắt của (Mean Square Error) ANN Mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural network ) LM Thuật toán Leveber – Marquart 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) MRAC Model Referance Adaptive Control MRC Model Referance Control ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn trªn c¬ së m¹ng N¬-ron Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn BẢNG KÝ HIỆU 1. A =  a ij  : ma trận mxn chiều. 2. A T : ma trận chuyển vị của A. 3. A : ma trận liên hợp của A 4. A * : ma trận chuyển vị liên hợp của A 5. A -1 : ma rrận nghịch đảo của A 6. A : ma trận với các giá trị tuyệt đối 7. A : chuẩn ma trận 8. x : chuẩn véc tơ 9. diag(a 1 , , a i ) : ma trận đƣờng chéo với các phần tử a i 10. g(.) : hàm quan hệ phi tuyến vào ra 11. R n : không gian thực n chiều 12. W=[w ij ] : ma trận trọng liên kết nxm chiều 13. ( T ) : ký hiệu chuyển vị 14. x = [x 1 , , x n ] T  R : véc tơ cột x 15. g(x)/x : đạo hàm riêng ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn trªn c¬ së m¹ng N¬-ron Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mạng nơ-ron đơn giản gồm 2 nơron ……………………………………… 10 Hình 1.2 Mô hình nơron nhiều đầu vào ……………………………………………… …. 12 Hình 1.3 Mạng nơron có đặc tính động học và tuyến tính ………………………….… 14 Hình 1.4 Mạng nơron có đặc tính phi tuyến tĩnh ……………………………… ……… 14 Hình 1.5 Mạng nơron có đặc tính động học phi tuyến …………………………….…… 16 Hình 1.6 Cấu trúc của các khối TDL-1 và TDL-2…………………………… ………… 16 Hình 1.7 Mạng MLP ……………………………………………………………………… … 22 Hình 1.8 Minh họa phƣơng pháp tìm kiếm E min theo hƣớng ngƣợc gradient của E 23 Hình 1.9 Mạng MLP truyền thẳng……………………………………………………… … 26 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động…………………………………… 30 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động có phản hồi…………………… 30 Hình 2.3 Mô hình nhận dạng cơ bản…………………………………………………… … 34 Hình 2.4 Bổ sung thông tin đầu vào cho mạng ……………………………………… … 34 Hình 2.5 Sử dụng tri thức tiên nghiệm ……………………………………………………. 35 Hình 2.6 Nhận dạng động học nghịch………………………………………………… … 35 Hình 2.7a,b Mô hình nhận dạng hệ phi tuyến…………………………………………… 37 Hình 2.8 Mô hình nhận dạng song song…………………………………………………… 39 Hình 2.9 Mô hình nhận dạng nối tiếp - song song………………………………….…… 40 Hình 2.10 Nhận dạng hệ phi tuyến dùng mạng nơ-ron……………………………….… 40 Hình 2.11 Bộ điều khiển thể hiện bằng nơ-ron trong cấu trúc điều khiển theo vòng hở …………………………………………………………………………………………… 41 Hình 2.12 Bộ điều khiển thể hiện bằng nơ-ron trong cấu trúc điều khiển theo vòng kín ………………………………………………………………………………………… 42 Hình 2.13 Mạng nơ-ron đƣợc luyện bắt chƣớc bộ điều khiển…………………….…… 43 Hình 2.14 Sai lệch đầu ra……………………………………………………………………… 46 Hình 2.15 Sơ đồ xử lý tín hiệu của đối tƣợng………………………………………….…. 47 Hình 2.16 Sơ đồ khối mô hình II………………………………………………………….… 50 Hình 2.17 Sơ đồ khối mô hình III…………………………………………………………… 50 [...].. .Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Hỡnh 2.18 S khi mụ hỡnh IV 51 Hỡnh 2.19 S h thng iu khin theo mụ hỡnh mu 51 Hỡnh 2.20 S hun luyn b iu khin nron NN 52 Hỡnh 3.1 Cỏc tp mu P v T dựng luyn mng .. 54 Hỡnh... simulink 66 Hỡnh 3.23 c tớnh Ep(k) v Yp 67 Hỡnh 3.24 c tớnh ca f[u(k)1 , N[u(k)1 67 Hỡnh 3.25 c tớnh ca f[u(k)2] , N[u(k)2] 68 S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Hỡnh 3.26 Mụ hỡnh nhn dng h trong simulink 69 Hỡnh 3.27 u ra ca mụ hỡnh nhn dng h thng 69 Hỡnh 3.28 S nhn dng h thng x lý nc thi bng mng nron 70 Hỡnh 3.29 S x lý h thng... ra ca mu 98 Hỡnh 3.50 u ra ca i tng, sai lch gia úi tng v mụ hỡnh 98 Hỡnh 3.51 Sai lch mse gia u ra ca i tng v mụ hỡnh 98 S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron M U 1 Tớnh cp thit ca ti Ngy nay, trớ tu nhõn to ang phỏt trin mnh m nhm to ra c s xõy dng cỏc h chuyờn gia, h tr giỳp quyt nh Trớ tu nhõn to c xõy dng trờn c s mng nron nhõn... chung v thit k b iu khin trờn c s mng nron Tp trung vo vic ng dng mng Nron thit k b iu khin theo mụ hỡnh mu *.Phng phỏp nghiờn cu S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Nghiờn cu lý thuyt: Nghiờn cu sỏch, giỏo trỡnh, bi bỏo, bỏo cỏo khoa hc, lun vn v cỏc ti liu liờn quan T ú xõy dng h thng nhn dng v iu khin i tng trờn c s mng nron Mụ phng... khin bng mng nron Chng 3: ng dng mng nron thit k b iu khin theo mụ hỡnh mu Chng 4: Kt lun v kin ngh CHNG 1 TNG QUAN V MNG NRON S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron 1.1 Gii thiu túm tt v mng nron 1.1.1 Mng nron sinh hc Mng nron l s tỏi to bng k thut nhng chc nng ca h thn kinh con ngi Trong quỏ trỡnh tỏi to khụng phi tt c cỏc chc nng ca... r u ra c im quan trng ca mt nron l cú th cú nhiu r u vo nhng ch cú mt r u ra c im ny ging khõu iu khin cú nhiu u vo v mt u ra S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Quỏ trỡnh hot ng ca mt nron l mt quỏ trỡnh t nhiờn trng thỏi cõn bng (trng thỏi tnh) in ỏp ca mng membran khong -75mV Khi cú tỏc ng bờn ngoi vo nron vi mc in ỏp khong 35mV... vo, phn ng tuyn tớnh, phn phi tuyn khụng ng hc Hỡnh 1.2 biu din mt nron nhõn to n gin bao gm m u vo v mt u ra p1 w1 S húa bi Trung tõm Hc liu HTN p2 w2 http://www.lrc-tnu.edu.vn n a Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Cu trỳc mt nron bao gm: p1 , p2, pn : n u vo w1, w2 wn : n trng s b: tham s bự a = f(n): hm truyn ng v mt h thng, mt nron l mt h thng MISO quen thuc vi nhiu u vo v mt u ra... nron c biu din bng phng trỡnh toỏn hc nh sau: w1 w 2 m n pk wk b * p1 k 1 wm S húa bi Trung tõm Hc liu HTN p2 pm b wp b (1-1) http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Di õy l mt s hm f c bn thng c s dng BLM 10 mụ t Hm a = f(n) a = tansig(n) a 2 1 1 e 2 n a= logsig(n) a 1 1 e n a = radbas(n) a e n 2 a = -1 nu n -1 a = satlins(n) a = n... tnh: Quan h vo v ra ca mng cú tớnh cht phi tuyn tnh -Mng nron ng hc phi tuyn: Quan h vo v ra ca mng cú tớnh cht ng hc v phi tuyn S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron *.Mng nron ng hc tuyn tớnh Mng nron ng hc tuyn tớnh bao gm nhiu lp vi hm truyn l hm tuyn tớnh purelin nhng trong ú phi cú ớt nht mt khõu tr Trong iu khin t ng mng nron cú cu... q p IW11 qx1 qx1 q x1 1 b1 qx 1 1 LW21 rx q b2 rx1 1 rx1 LW32 1x1 t 1xr 1 b3 rx 1x1 1 Hỡnh 1.4 Mng nron cú c tớnh phi tuyn tnh S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng Nơ-ron Mng nron cú cu trỳc nh sau: bao gm 3 lp, lp vo gm cú q nron vi hm truyn tansig, lp n gm r nron vi hm truyn tansig, lp ra gm 1 nron vi hm truyn purelin Khi IW11 l mt ma trn . tuyến khác. 5. Kết cấu luận văn Chƣơng 1: Tổng quan về mạng nơron Chƣơng 2: Cơ sở việc thiết kế bộ điều khiển bằng mạng nơron Chƣơng 3: Ứng dụng mạng nơron thiết kế bộ điều khiển theo mô hình. cứu của đề tài đƣa ra một lý luận chung về thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng nơron. Tập trung vào việc ứng dụng mạng Nơron để thiết kế bộ điều khiển theo mô hình mẫu. *.Phƣơng pháp nghiên. điều khiển đối tƣợng động học phi tuyến trên cơ sở mạng nơron. Ý tƣởng của đề tài là đƣa ra một lý luận chung về việc thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mạng nơron cho một số đối tƣợng tuyến tính