Môn học HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH Giảng viên: Huỳnh Thái Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện – Điện Tử Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: hthoang@dee.hcmut.edu.vn February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Nội dung môn học ỉ ỉ ỉ ỉ Phần 1: Mở đầu Ø Chương 1: Tổng quan điều khiển thông minh Phần 2: Lý thuyết sở Ø Chương 2: Hệ mờ (Fuzzy System) Ø Chương 3: Mạng thần kinh (Neural network) Ø Chương 4: Giải thuật di truyền (Genetic algorithm) Phần 3: Điều khiển thông minh Ø Chương 5: Điều khiển trực tiếp (Direct Control) Ø Chương 6: Nhận dạng hệ phi tuyến (System Identification) Ø Chương 7: ĐK dựa vào mô hình (Model-Based Control) Ø Chương 8: Điều khiển thích nghi (Adaptive Control) Ø Chương 9: Điều khiển học (Learning Control) Phần 4: Ứng dụng Ø Chương 10: Một số ví dụ hệ thống thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Tài liệu tham khảo ỉ Bài giảng “Điều khiển thông minh”, Huỳnh Thái Hoàng ỉ Các tài liệu (sách, báo, giảng,…) có từ khóa: Ø “intelligent control” Ø “fuzzy”+”control” Ø “neural network”+”control” Ø ”genetic February 2006 algorithm”+”control” © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Đánh giá môn học ỉ Bài tập: 50% ỉ Tiểu luận: 50% February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Nội dung chương ỉ Điều khiển thông thường điều khiển thông minh ỉ Khái niệm điều khiển thông minh ỉ Các phương pháp điều khiển thông minh ỉ Các ứng dụng phương pháp điều khiển thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Điều khiển thông thường điều khiển thông minh ỉ ỉ Điều khiển thông thường (Conventinal Control): Lý thuyết điều khiển hệ thống động có quan hệ vào mô tả mô hình toán học phương trình vi phân hay sai phân Ø Điều khiển kinh điển (Classical Control) Ø Điều khiển đại (Modern Control) ̇ Điều khiển tối ưu (Optimal Control) ̇ Điều khiển thích nghi (Adaptive Control) ̇ Điều khiển bền vững (Robust Control) ̇ Điều khiển phi tuyến (Nonlinear Control) Điều khiển thông minh (Intelligent Control): Lý thuyết điều khiển phát triển thời gian gần đây, bao gồm phương pháp không đề cập đến lý thuyết điều khiển thông thường February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Ưu khuyết điểm điều khiển thông thường ỉ Ưu điểm: Ø có tính hệ thống, sở toán học rõ ràng, chặt chẽ Ø đảm ỉ bảo hệ thống ổn đònh bền vững (về lý thuyết) Khuyết điểm: Ø cần mô hình toán đối tượng để thiết kế điều khiển Ø cần hiểu biết sâu kỹ thuật điều khiển thiết kế điều khiển Ø thường không hiệu điều khiển hệ phi tuyến Ø không sử dụng kinh nghiệm người (trong nhiều trường hợp kinh nghiệm người đóng vai trò quan trọng) February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Tại phải điều khiển thông minh? ỉ Yêu cầu đạt chất lượng điều khiển ngày tăng cao ỉ Yêu cầu điều khiển hệ thống động phức tạp ngày tăng ỉ Yêu cầu điều khiển điều kiện gia tăng yếu tố bất đònh ⇒ Các yêu cầu đáp ứng trọn vẹn dùng lý thuyết điều khiển thông thường sẳn có Đây động lực cho đời lý thuyết điều khiển mới: lý thuyết điều khiển thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Thông minh gì? ỉ ỉ ỉ Thông minh khả thu thập sử dụng tri thức Có nhiều cấp độ thông minh nhiều loại thông minh Thông minh khái niệm mang tính tương đối February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 10 Cấp độ thông minh Có nhiều cấp độ thông minh tùy theo thước đo khác nhau: Albus: ỉ Tối thiểu: Thông minh cần khả cảm nhận môi trường, đònh kiểm soát hoạt động ỉ Mức cao: Thông minh bao gồm khả nhận dạng đối tượng kiện, biểu diễn tri thức mô hình ngôn ngữ, suy luận hoạch đònh hoạt động tương lai ỉ Cao cấp: Thông minh cung cấp khả nhận thức hiểu biết, chọn lựa khôn ngoan, hoạt động thành công nhiều hoàn cảnh khác nhằm mục đích tồn phát triển môi trường đối lập, phức tạp February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 12 Cấp độ thông minh (tt) Meystel: ỉ Mức thấp (mức 1): hiệu chỉnh lỗi ỉ Mức trung bình (mức 2): hoạch đònh + hiệu chỉnh lỗi theo cách người thiết kế ỉ Mức cao (mức 3): hoạch đònh + hiệu chỉnh lỗi theo cách không đưa trước người thiết kế ỉ Mức cao cao (mức 4): phát biểu lại nhiệm vụ tình thay đổi February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 13 Cấp độ thông minh (tt) Krishna & Kumar: phân loại điều khiển thông minh dựa khả tự cải thiện cấu trúc điều khiển ỉ Mức = Điều khiển bền vững (Robust Controller) ỉ Mức = Mức + Điều khiển thích nghi (Adaptive Controller) ỉ Mức = Mức + Điều khiển tối ưu (Optimal Controller) ỉ Mức = Mức + Điều khiển hoạch đònh (Planning Controller) February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 14 Các yếu tố đònh cấp độ thông minh ỉ ỉ ỉ Năng lực tính toán não (máy tính) hệ thống Sự phức tạp, tinh vi thuật toán mà hệ thống sử dụng để xử lý thông tin từ cảm biến, mô hình hóa giới, phát sinh hoạt động, đánh giá giá trò, truyền tin,… Thông tin mà hệ thống lưu trữ nhớ February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 15 Các đặc điểm hệ thống thông minh ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ Tính thích nghi – khả học Khả suy luận Khả hoạch đònh đònh Khả xử lý thông tin phức tạp, không chắn Khả sửa sai, dung thứ lỗi Tính tối ưu Khả tái cấu hình, mở rộng … February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 16 Tính thích nghi khả học ỉ ỉ ỉ ỉ Khả thích nghi với thay đổi (thông số đối tượng, môi trường,…) đặc điểm bắt buộc phải có hệ thống thông minh Để có tính thích nghi không thiết đòi hỏi hệ thống phải có khả học Đối với hệ thống có khả thích nghi với thay đổi lớn yếu tố bất đònh, khả học cần thiết Vì khả học đặc điểm quan trọng hệ thống thông minh Phân loại thuật toán học (trong điều khiển) Ø Học đối tượng: Ø Học môi trường làm việc Ø Học điều khiển February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 17 Khả suy luận ỉ ỉ Xử lý thông tin không chắn Hệ thống gọi thông minh làm điều dẫn Khả tự đặt mục tiêu tự đạt mục tiêu điều khiển đặc điểm quan trọng hệ thống điều khiển thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 18 Tính tối ưu ỉ ỉ Hệ thống gọi thông minh có hệ thống khác hoạt động tốt Khả tái cấu hình, mở rộng … để đạt chất lượng điều khiển tối ưu February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 19 Cấu trúc hệ thống điều khiển thông minh Để điều khiển hệ thống phức tạp, hệ thống thông minh phải có cấu trúc thích hợp để phân tích đánh giá chiến lược điều khiển cách hiệu Thông thường hệ thống thông minh có cấu trúc cấp: cấp thực thi, cấp phối hợp, cấp tổ chức quản lý ỉ Cấp thực thi: giao tiếp với đối tượng môi trường thông qua cảm biến (sensor) cấu tác động (actuator), gồm thuật toán điều khiển thông thường ỉ Cấp phối hợp: liên kết cấp thực thi cấp tổ chức – quản lý, kết hợp phương pháp điều khiển thông thường thông minh ỉ Cấp tổ chức quản lý: giao tiếp với người vận hành, gồm thuật toán điều khiển thông minh Thuật ngữ phân cấp không đề cập đến cấu trúc phân cấp phần cứng mà bao hàm phân cấp phần mềm điều khiển February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 20 Cấu trúc hệ thống điều khiển thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 21 So sánh điều khiển thông minh điều khiển thông thường ỉ ỉ Về mặt toán học, điều khiển thông minh không chặt chẽ điều khiển thông thường lónh vực tương đối chưa nghiên cứu hết Về nguyên tắc thiết kế điều khiển thông minh không cần mô hình toán học đối tượng điều khiển, ưu điểm phương pháp điều khiển thông minh vì: Ø Trong số trường hợp việc đưa mô hình toán đối tượng khó khăn, chí Ø Trong số trường hợp khác tìm mô hình toán đối tượng phải đưa nhiều giả thiết ⇒ mô hình toán không thỏa mãn thực tế ⇒ không sử dụng February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 22 Các phương pháp điều khiển thông minh ỉ ỉ ỉ Điều khiển mờ (Fuzzy Control) Mạng thần kinh (nhân tạo) (Artificial Neural Network) Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 23 Các phương pháp điều khiển thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 24 Ứng dụng phương pháp điều khiển thông minh Kỹ thuật điều khiển thông minh ứng dụng thành công nhiều lónh vực khác như: ỉ Hệ thống robot ỉ Hệ thống sản xuất ỉ Máy bay, tàu vũ trụ, tàu ngầm, xe hơi,… ỉ Điều khiển trình ỉ Các sản phẩm dân dụng,… February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 25 Tài liệu tham khảo [1] Antsaklis P.J (1993), “Defining Intelligent Control”, Report of the Task Force on Intelligent Control, IEEE Control Systems Society [2] Antsaklis P.J (1997), “Intelligent Control”, Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, John Wiley @ Sons, Inc [3] Passino K.M (2001) “Intelligent Control: An Overview of Techniques”, Chapter in Perspectives in Control: New Concepts and Applications, IEEE Press, NJ [4] Passino K.M (1993), “Bridging the gap between conventional and intelligent control”, IEEE Trans Control Systems [5] Abus J.S (1991), “Outline for a theory of intelligence”, IEEE Trans Sys Man Cyber., 21(3) February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 26 [...]... 20 Cấu trúc hệ thống điều khiển thông minh 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 21 So sánh điều khiển thông minh và điều khiển thông thường ỉ ỉ Về mặt toán học, điều khiển thông minh không chặt chẽ bằng điều khiển thông thường vì đây là lónh vực tương đối mới và chưa được nghiên cứu hết Về nguyên tắc khi thiết kế các bộ điều khiển thông minh không cần mô hình toán học của đối tượng điều khiển, đây... Hồng - ÐHBK TPHCM 19 Cấu trúc của hệ thống điều khiển thông minh Để có thể điều khiển các hệ thống phức tạp, hệ thống thông minh phải có cấu trúc thích hợp để phân tích và đánh giá các chiến lược điều khiển một cách hiệu quả Thông thường hệ thống thông minh có cấu trúc 3 cấp: cấp thực thi, cấp phối hợp, cấp tổ chức và quản lý ỉ Cấp thực thi: giao tiếp với đối tượng và môi trường thông qua các cảm biến... gọi là thông minh nếu nó chỉ có thể làm được những điều đã được chỉ dẫn Khả năng tự đặt ra mục tiêu và tự đạt mục tiêu điều khiển là một đặc điểm quan trọng của hệ thống điều khiển thông minh 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 18 Tính tối ưu ỉ ỉ Hệ thống không thể được gọi là thông minh nếu có hệ thống khác có thể hoạt động tốt hơn Khả năng tái cấu hình, mở rộng … để đạt được chất lượng điều khiển. . .Hệ thống điều khiển thông minh ỉ Hệ thống thông minh là hệ thống có khả năng hoạt động thích hợp trong môi trường bất đònh, trong đó một hoạt động thích hợp là hoạt động làm tăng xác suất thành công và thành công là đạt được mục tiêu con nhằm đạt được mục tiêu chung của hệ thống ỉ Để hệ thống thông minh (nhân tạo) hoạt động thích hợp nó có thể phỏng theo chức năng của sinh vật và khả năng thông minh. .. phân loại điều khiển thông minh dựa trên khả năng tự cải thiện cấu trúc điều khiển ỉ Mức 0 = Điều khiển bền vững (Robust Controller) ỉ Mức 1 = Mức 0 + Điều khiển thích nghi (Adaptive Controller) ỉ Mức 2 = Mức 1 + Điều khiển tối ưu (Optimal Controller) ỉ Mức 3 = Mức 2 + Điều khiển hoạch đònh (Planning Controller) 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 14 Các yếu tố quyết đònh cấp độ thông minh ỉ ỉ ỉ... các hệ thống có khả năng thích nghi với sự thay đổi lớn của các yếu tố bất đònh, khả năng học là cần thiết Vì vậy khả năng học là một đặc điểm quan trọng của hệ thống thông minh Phân loại các thuật toán học (trong điều khiển) Ø Học về đối tượng: Ø Học về môi trường làm việc Ø Học về bộ điều khiển 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 17 Khả năng suy luận ỉ ỉ Xử lý thông tin không chắc chắn Hệ thống. .. February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 23 Các phương pháp điều khiển thông minh 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 24 Ứng dụng của phương pháp điều khiển thông minh Kỹ thuật điều khiển thông minh đã được ứng dụng rất thành công trong nhiều lónh vực khác nhau như: ỉ Hệ thống robot ỉ Hệ thống sản xuất ỉ Máy bay, tàu vũ trụ, tàu ngầm, xe hơi,… ỉ Điều khiển quá trình ỉ Các sản phẩm dân dụng,… 9 February... ⇒ Điều khiển thông minh là phương pháp điều khiển phỏng theo các đặc điểm cơ bản của trí thông minh con người Các đặc điểm cơ bản bao gồm tính thích nghi và khả năng học, hoạch đònh trong điều kiện có nhiều yếu tố không chắc chắn và xử lý khối lượng lớn thông tin 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 11 Cấp độ thông minh Có nhiều cấp độ thông minh tùy theo thước đo khác nhau: Albus: ỉ Tối thiểu: Thông. .. gồm các thuật toán điều khiển thông thường ỉ Cấp phối hợp: liên kết cấp thực thi và cấp tổ chức – quản lý, kết hợp các phương pháp điều khiển thông thường và thông minh ỉ Cấp tổ chức và quản lý: giao tiếp với người vận hành, gồm các thuật toán điều khiển thông minh Thuật ngữ phân cấp không chỉ đề cập đến cấu trúc phân cấp về phần cứng mà còn bao hàm cả sự phân cấp trong phần mềm điều khiển 9 February... minh ỉ ỉ ỉ Năng lực tính toán của bộ não (máy tính) của hệ thống Sự phức tạp, tinh vi của các thuật toán mà hệ thống sử dụng để xử lý thông tin từ cảm biến, mô hình hóa thế giới, phát sinh hoạt động, đánh giá giá trò, truyền tin,… Thông tin mà hệ thống lưu trữ trong bộ nhớ 9 February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 15 Các đặc điểm của hệ thống thông minh ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ ỉ Tính thích nghi – khả năng học Khả ... dung chương ỉ Điều khiển thông thường điều khiển thông minh ỉ Khái niệm điều khiển thông minh ỉ Các phương pháp điều khiển thông minh ỉ Các ứng dụng phương pháp điều khiển thông minh February... February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM Điều khiển thông thường điều khiển thông minh ỉ ỉ Điều khiển thông thường (Conventinal Control): Lý thuyết điều khiển hệ thống động có quan hệ vào mô tả mô hình... phần mềm điều khiển February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 20 Cấu trúc hệ thống điều khiển thông minh February 2006 © H T Hồng - ÐHBK TPHCM 21 So sánh điều khiển thông minh điều khiển thông thường