Bài giảng hệ thống điều khiển thông minh chương 5 điều khiển thích nghi và điều khiển học

Môn học HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH Giảng viên: TS Huỳnh Thái Hoàng B ä môân Điề Bộ Đi àu Khiể Khi ån Tự Tư Độ Đ äng Khoa Điện – Điện Tử Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn hthoang@hcmut edu Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Chương ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ À ĐIỀU Ề KHIỂN Ể HỌC 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Nội dung chương ‘ ‘ Điều khiển Điề khiể thích hí h nghi hi Điều khiển học 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi ‘ Hệ thống thố điều điề khiển khiể t thơng thơ sốố (và ( cấu ấ trúc) t ú ) ủ điều điề khiển thay đổi q trình vận hành nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển có diện yếu tố bất định biến đổi khơng biết trước gọi hệ thống điều khiển thích nghi 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi ‘ Đối tượng: t Ž Ž Ž Ž ‘ Thơng tin phản hồi: Ž Ž ‘ Trạng thái Ngõ Cơ sở thuật tốn điều khiển thích nghi: Ž Ž ‘ Tuyến tính phi tuyến SISO ặ MIMO (vng, ( g, khơngg vng) g) Hệ có bậc tương đối tổng qt Có nhiễu hệ thống, nhiễu đo lường Điều khiển hồi tiếpp tuyến y tính hóa Điều khiển trượt Thuật tốn thích nghi: Ž Liên tục rời rạc 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Đặt tốn ‘ Đối tượng: t hệ phi hi tuyến t ế SISO mơ tả phương h ttrình ì h vii phân: hâ ⎧ x& = f ( x ) + g ( x )u ⎨ ⎩ y = h( x ) ‘ Bài tốn đặt điều khiển tín hiệu y(t) bám theo tín hiệu đặt ym(t) 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Đối tượng điều khiển ‘ Nếu đối tượng Nế t có ó bậ bậc tương t đối bằ r, đối tượng t cóó thể đ mơơ tả phương trình sau: y ( r ) = a ( x ) + b ( x )u ‘ a ( x ) = Lrf h( x ) Trong đó: b( x ) = Lg Lrf−1h( x ) ≠ với: ⎡ ∂φ ( x ) ∂φ ( x ) ∂φ ( x ) ⎤ T [ ] L f φ ( x) = f ( x) = ⎢ ,K, f ( x ), K f ( x ) n ⎥ ∂x x x ∂ ∂ n ⎦ ⎣ Lkf φ ( x ) = ∂Lkf −1φ ( x ) Lg Lkf φ ( x ) = 10 June 2010 f ( x) ∂x ∂Lkf φ ( x ) ∂x g ( x ) © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa ‘ L ật điều Luật điề khiển khiể hồi tiếp tiế tuyến t ế tính tí h hóa: hó [− a( x ) + v(t )] u ( x) = b( x ) * 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Các giả thiết 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 10 Thí dụ điều khiển học dùng mạng RBF (tt) ‘ Kế quảả hhọc luật Kết l ậ điề điều khiển: khiể Độ lợi l i hồi tiếp iế trạng thái hái K2(v) ( ) 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 47 Thí dụ điều khiển học dùng mạng RBF (tt) ‘ Kế quảả hhọc luật Kết l ậ điề điều khiển: khiể Độ lợi l i hồi tiếp iế trạng thái hái K3(v) ( ) 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 48 Thí dụ điều khiển học mờ ‘ Đối tượng: tên lửa tầng có mơ hình tốn học đơn giản cho phương trình: ⎛ R ⎞ dv(t ) ⎛ ρ a ACd ⎞ ⎛ m ⎞ ⎜ ⎟ = u (t )⎜ − − g v ( t ) ⎜ ⎟ ⎟ 0⎜ ⎟ dt ⎝ M − mt ⎠ ⎝ M − mt ⎠ ⎝ R + y (t ) ⎠ ‘ Bài tốn đặt điều khiển vận tốc tên lửa theo tín hiệu đặt 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 49 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ S đồ khối hệ thống Sơ thố điều điề khiển khiể học h mờ: 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 50 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Cơ chế học hệ thống sau: Ž Quan sát liệu vào hệ thống điều khiển mờ Ž Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển Ž Tự chỉnh thơng số điều khiển mờ để đạt chất lượng mong muốn (chất lượng mong muốn xác định mơ hình chuẩn sơ đồ điều khiển) khiển) Ž Lưu trữ tri thức (qui luật chỉnh định thơng số) vào nhớ 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 51 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Bộ điều khiển:Bộ điều khiển sử dụng điều khiển PD mờ gồm qui tắc Sugeno với mệnh đề kết luận số Ž Tín hiệu vào điều khiển PD mờ là: ƒ sai số e( k ) = r ( k ) − y ( k ) ƒ biến thiên sai số: Δe(k ) = [e(k ) − e(k − 1)] / T Ž Tín hiệu điều ề khiển ể u(k) Các hệ sốố chuẩn ẩ hóa ngõ ngõ điều khiển KE, KD, KU chọn sau: 1 KE = KD = KU = 10000 4000 2000 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 52 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Hà liên Hàm liê thuộc th ộ ủ tập tậ mờ định đị h nghĩa hĩ cho h biến biế vào e(k) (k) vàà Δe(k): Δ (k) 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 53 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Cá quii tắc Các tắ điều điề khiển khiể cóó dạng: d 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 54 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) Ym ( s ) = R ( s ) s + ‘ Mơ hình chuẩn: ‘ Chất lượng hệ thống tính sai lệch tín hiệu mơ hình chuẩn tín hiệu đối tượng: em (k ) = ym (k ) − y (k ) 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 55 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Cơ chế học: Ž Nếu chất lượng mong muốn thỏa mãn (em(k)≈0) chế học khơng điều chỉnh điều khiển mờ Ž Ngược lại, chất lượng mong muốn khơng thỏa mãn (em(k) lớn) chế học điều chỉnh điều khiển mờ 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 56 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Mơ hình ngược mờ: Ž Mơ hình ngược mờ mơ tả định tính đặc tính động học ngược đối tượng điều khiển Ž Mơ hình ngược dùng để xác định thay đổi ngõ vào đối tượng làm cho ngõ đối tượng giống ngõ mơ hình chuẩn chuẩn Ž Tín hiệu vào mơ hình ngược là: em(k) Δem(k) Ž Tín hiệu mơ hình ngược g là: p( p(k)) Ž Các hệ số chuẩn hóa: 1 K Em = K P = 10000 K Dm = E 4000 2000 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 57 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Hệ qui tắc mơ tả mơ hình ngược mờ: 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 58 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Khối điều chỉnh sở tri thức: Ž Điều chỉnh điều khiển mờ để hệ thống đạt chất lượng điều khiển tốt Ž Cho thơng tin thay đổi cần thiết ngõ vào đối tượng p(k), điều chỉnh sở tri thức cập nhật sở tri thức điều khiển mờ (mệnh đề kết luận qui tắc điều khiển) cho tác động điều khiển trước (tức u(k−1)) thay đổi lượng p(k) u * ( k − 1) = u ( k − 1) + p ( k ) Ž Muốn M ốn đạt điều điề nà ngõ qui q i tắc mờ tác động thời điểm lấy mẫu thứ (k−1) phải thay đổi lượng là: p(k ) α i (k ) = α i (k − 1) + p (k ) p (k ) = KU 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 59 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Kết điều khiển: 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 60 Thí dụ điều khiển học mờ (tt) ‘ Sai số điều khiển: 10 June 2010 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 61 [...]... 31 ĐIỀU KHIỂN HỌC 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 32 Khái niệm điều khiển học ‘ Hệ thống thố điều điề khiển khiể học h là hệ thống thố điều điề khiển khiể cóó khả năng ă cải ải thiện chất lượng điều khiển trong tương lai, dựa vào thông tin kinh nghi m mà hệ thống thu thập được trong quá khứ, thông qua tương tác vòng kín với đối tượng và môi trường ‘ Đặc điểm của hệ thống điều khiển học: Ž Hệ thống. .. sánh điều khiển học và điều khiển thích nghi ‘ Giống nhau: Ž Cả hệ thống điều khiển thích nghi và điều khiển học đều có thể thực thi bằng cách sử dụng các thuật toán chỉnh định thông số Ž Hai phương pháp điều khiển đều sử dụng thông tin phản hồi chất lượng thu thập được qua tương tác vòng kín với đối tượng và môi trường trường ‘ Khác nhau: Ž Khác biệt cơ bản giữa điều khiển thích nghi và điều khiển học. .. khiển thích nghi và điều khiển học là khả năng sử dụng thông tin kinh nghi m trong quá khứ Ž Hệ thống điều khiển thích nghi không có bộ nhớ nên phải chỉnh định lại thông sốố khi ngay cả khi tình huống ố cũ lặp lại Ž Hệ thống điều khiển học có bộ nhớ lưu trữ các cấu trúc và thông số điều khiển đã học trong quá khứ -> > không cần quá trình thích nghi khi tình huống thay đổi lặp lại tình huống trong quá... xấp ấ xỉỉ luật l ậ điều điề khiển khiể hồi tiếp iế tuyến ế tính hóa : 1 [− a( x ) + v(t )] u * ( x) = b( x ) ‘ Lý do: Ž hàm a(x) và b(x) chưa biết Ž hoặc hàm a(x) và b(x) đã biết nhưng thay đổi trong quá trình vận hành ‘ Hai phương pháp điều khiển thích nghi: Ž Điều khiển thích nghi gián tiếp Ž Điều khiển thích nghi trực tiếp 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 12 Điều khiển thích nghi gián tiếp ‘... khối hệ thống điều khiển học 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 35 Thực thi hệ thống điều khiển học ‘ Tra bảng: Ž Phân chia không gian tín hiệu vào thành các miền rời nhau sao cho tín hiệu ra có thể được xác định bằng cách "tra bảng" tương ứng với miền ề tín hiệu vào Ž Rất nhiều hệ thống điều khiển học được thực hiện theo cách này Ž Khuyết điểm của phương pháp này là tổ hợp các miền tín hiệu vào... Luật thích nghi thông số: θ&a = −Qa−1ξ a es θ&b = −Qb−1ξ b u ce es ‘ Thành phần điều khiển chế độ trượt: 1 u si = (δ a + δ b u ce )sgn(es ) b ⇒ V& ≤ −ηes2 − ⎛⎜ b − 1⎞⎟ es [δ a + δ b u ce ] ≤ 0 ⎝b ⎠ ⇒ Hệ thống ố ổn ổ định 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 19 Thí dụ: Điều khiển thích nghi gián tiếp hệ bồn... khiển học: Ž Hệ thống điều khiển học có khả năng tự chủ (autonomy), vì nó có thể cải thiện chất lượng của chính nó Ž Hệ thống điều khiển học có bộ nhớ vì thông tin quá khứ là yếu tố then chốt để cải thiện chất lượng tương lai Ž Để cải ải thiện thiệ chất hất lượng, l hệ thống thố điều điề khiển khiể học h phải hải nhận hậ thông thô tin phải hồi chất lượng dựa trên một hàm mục tiêu mà hệ thống tìm cực trị... luôn tồn tại trong các ứng dụng thực tế Để đảm bảo hệ thống ổn định sử dụng thêm thành phần điều khiển trượt usdd ‘ Tín hiệu điều khiển là tổng gồm 2 thành phần: Ž û xấp xỉ luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa lý tưởng Ž usd đảm bảo hệ thống ổn định u = uˆ + u sd 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 23 Các giả thiết cần để thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ‘ b( x ) bị chặn: hặ 0 < b( x )... khiển trượt usi ‘ Tín hiệu điều khiển là tổng gồm 2 thành phần: Ž uce điều khiển hệ thống bám quỹ đạo chuẩn Ž usi đảm bảo hệ thống ổn định u = uce + u si 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 15 Các giả thiết cần để thiết kế bộ điều khiển thích nghi gián tiếp ‘ b( x ) bị chặn: 0 < b( x ) ≤ b( x ) ≤ b( x ) < ∞ ‘ Quỹ đạo chuẩn mong muốn y m (t ) khả vi liên tục bị chặn đến bậc r và các đạo hàm y& m (t )... G iữ môô hình hì h tối ối ưu và luật l ậ điều điề khiển khiể hồi tiếp iế tuyến tính hóa lý tưởng Luật điều khiển tuyến tính hóa có thể biểu diễn như sau: u * ( x ) = θ u*T ξ u ( x ) + δ u ( x ) 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM 22 Điều khiển thích nghi trực tiếp (tt) ‘ Saii lệ S lệchh giữa iữ lluật ật điều điề khiển khiể nhận hậ dạng d đđược và luật l ật điều điề khiển khiể hồi tiếp tuyến tính ... biệt điều khiển thích nghi điều khiển học khả sử dụng thông tin kinh nghi m khứ Ž Hệ thống điều khiển thích nghi nhớ nên phải chỉnh định lại thông sốố tình ố cũ lặp lại Ž Hệ thống điều khiển học. .. TPHCM ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 10 June 2010 © H T Hoàng - ÐHBK TPHCM Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi ‘ Hệ thống thố điều điề khiển khiể t thông thô sốố (và ( cấu ấ trúc) t ú ) ủ điều điề khiển. .. điều khiển tương lai, dựa vào thông tin kinh nghi m mà hệ thống thu thập khứ, thông qua tương tác vòng kín với đối tượng môi trường ‘ Đặc điểm hệ thống điều khiển học: Ž Hệ thống điều khiển học