Điều khiển pid một nơ ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng nơ ron RBF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH TÚ ĐIỀU KHIỂN PID MỘT NƠ-RON THÍCH NGHI DỰA TRÊN BỘ NHẬN DẠNG MẠNG NƠ-RON RBF NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH TÚ ĐIỀU KHIỂN PID MỘT NƠ-RON THÍCH NGHI DỰA TRÊN BỘ NHẬN DẠNG MẠNG NƠ-RON RBF NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hƣớng dẫn khoa học: GVC-TS NGUYỄN CHÍ NGÔN Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2012 Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: TRẦN THANH TÚ Giới tính:Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/08/1977 Nơi sinh: Bạc Liêu Quê quán: Hồng Dân-Bạc Liêu Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 132/42/14, Hùng Vƣơng, TP.Cần Thơ Điện thoại: 0909113286 E-mail: tran.thanh.tu.thtpct@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 09/1996 đến 09/2001 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Cần Thơ, TP.Cần Thơ Ngành học: Điện Tử Tên đồ án, luận án: Xây dựng Anten toàn hƣớng Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án: tháng 06/2001, Trƣờng Đại học Cần Thơ Ngƣời hƣớng dẫn:Thạc sĩ-GVC Đoàn Hòa Minh III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 04/09/2001 Đài Phát Truyền hình Phát hình truyền dẫn đến TP.Cần Thơ sóng i Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tôi.Các số liệu, kết trình bày luận văn đƣợc kiểm tra kỹ phản ánh hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 09 năm 2012 (Ký tên ghi rõ họ tên) Trần Thanh Tú ii Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc lòng kính trọng thầy hƣớng dẫn: GVC-TS Nguyễn Chí Ngôn có dẫn quý báu phƣơng pháp luận định hƣớng nghiên cứu để luận văn hoàn thành Tôi bày tỏ lời cám ơn Khoa Điện-Điện tử trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Công nghệ trƣờng Đại học Cần Thơ đơn vị công tác tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất thời gian để hoàn thành luận văn Tôi xin trân trọng cám ơn Thầy Phản biện đóng góp ý kiến trao đổi vấn đề lý thuyết nhƣ thực tiễn để luận văn đƣợc hoàn thiện Cuối cùng, xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân, bạn bè đồng nghiệp chia sẻ cổ vũ động viên tinh thần suốt tình học tập thực luận văn iii Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF TÓM TẮT Tóm tắt: Luận văn nhằm nghiên cứu xây dựng điều khiển PID nơron thích nghi để điều khiển đối tƣợng phi tuyến chƣa biết trƣớc tham số cấu trúc Bộ điều khiển PID đƣợc tổ chức dƣới dạng nơ-ron tuyến tính mà ba trọng số kết nối ba ngõ vào nơ-ron tƣơng ứng với ba thông số Kp, Ki, Kd điều khiển Áp dụng giải thuật huấn luyện trực truyến (online) nơ-ron cho phép tự điều chỉnh thông số điều khiển thích nghi theo biến đổi đặc tính động đối tƣợng Bộ nhận dạng mạng nơ-ron RBF làm nhiệm vụ nhận dạng không tham số mô hình đối tƣợng, từ đƣa thông tin Jacobian gọi độ nhạy đối tƣợng Bộ nhận dạng đƣợc huấn luyện trực tuyến phƣơng pháp gradient descent Giải thuật huấn luyện điều khiển PID nơ-ron cần thông tin Jacobian từ nhận dạng, để tính toán giá trị gradient dùng để cập nhật trọng số kết nối nơ-ron PID Kiểm nghiệm qua mô MATLABvà tiến tới thực nghiệm hệ ổn định áp suất RT030 hãng Gunt-Hamburg, Đức Kết cho thấy đáp ứng đối tƣợng thỏa mãn yêu cầu điều khiển khắc khe, triệt tiêu đƣợc sai số xác lập độ vọt lố nằm phạm vi cho phép Abstract: This thesis aims to develop a single neuron adaptive PID controller forunknownsystems APID controller is constructed as a linear neuron that three input weights of neuron work as three parameters Kp, Ki and Kdof the PID controller Applyingan online learning algorithm for this neuron allows self-tuning the PID controller adapting to behaviors of system dynamics.A RBF neural network - based non-parametric model identifier providesJacobian iv Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF information, also known as the sensitivity of the subject This neural network identifier is online trainedby using gradient descent method ThePID training algorithm needs Jacobian information from the identifier to calculate gradient values used to update weights of PID neuron The controller was tested by simulation on MATLAB and experiment on RT030 Air Pressure Control Unit of Gunt-Hamburg, Germany The results show that the system responses satisfy the requirements of control performance, eliminating steady-state error, and achieving safe overshoot v Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC… vi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc công bố 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Các kết nghiên cứu nƣớc công bố 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển PID thích nghi 2.1.1 Tổng quan điều khiển PID 2.1.2 Bộ điều khiển PID thích nghi 12 2.2 Bộ điều khiển PID nơ-ron 14 2.2.1 Cấu trúc điều khiển PID nơ-ron 14 2.2.2 Huấn luyện trực tuyến điều khiển nơ-ron 15 2.3 Mạng nơ-ron RBF 16 2.3.1 Cấu trúc mạng nơ-ron RBF 16 2.3.2 Hàm sở xuyên tâm 17 2.3.3 Tổng quát hàm sở xuyên tâm Gaussian huấn luyện mạng RBF 18 2.4 Hệ ổn định áp suất RT030 20 vi Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỘT NƠ-RON THÍCH NGHI DỰA TRÊN BỘ NHẬN DẠNG MẠNG NƠ-RON RBF 25 3.1 Sơ đồ điều khiển 25 3.2 Bộ nhận dạng đối tƣợng điều khiển 26 3.2.1 Bộ nhận dạng dựa mạng nơ-ron RBF 26 3.2.2 Giải thuật huấn trực tuyến nhận dạng 26 3.3 Giải thuật huấn luyện điều khiển PID nơ-ron 28 3.4 Mô giả định giải thuật huấn luyện điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF 29 3.4 Mô 1: Tín hiệu tham khảo cố định 30 3.4 Mô 2: Tín hiệu vào tham khảo xung vuông 33 3.4 Mô 3: Tín hiệu vào tham khảo Xref tín hiệu bậc thang tăng dần 37 CHƢƠNG 4:KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 40 4.1 Phƣơng thức giao tiếp máy tính với thiết bị RT030 40 4.2 Sơ đồ thực nghiệm điều khiển 42 4.3 Kết thực nghiệm 43 4.3.1 Kết thực nghiệm 1:43 4.3.2 Kết thực nghiệm 2: 47 4.3.3 Kết thực nghiệm 3: 50 4.3.4 Kết thực nghiệm 4: 52 CHƢƠNG 5:KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 vii Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc công bố 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Trong phát triển KH&CN, lý thuyết điều khiển đại có vai trò quan trọng để giải nhiều vấn đề nhƣ nâng cao chất lƣợng điều khiển, độ ổn định hệ thống, tiết kiệm lƣợng hay nhƣ sử dụng máy móc thay ngƣời ứng dụng điều khiển phức tạp nguy hại Các điều khiển PIDđƣợcsử dụng rộng rãitrong việc kiểm soátquá trình công nghiệpbởi vìđơngiảnvàmạnh mẽ Tuy nhiên,thông thƣờngbộ điều khiểnPIDvới thông sốcốđịnhkhócó thểthích ứng vớithờigiankhác nhaucủa đối tƣợng có đặc tính động phạm vi rộng[1] Đểcải thiện hiệu suấtđiều khiển, điều khiểnPIDtự điều chỉnhđƣợc quan tâm nghiên cứu nhà khoa học[1-3] Để giải vấn đề phức tạp trên, lý thuyết điều khiển bền vững thích nghi đƣợc xem công cụ hữu hiệu Thực tế điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng thành công nhiều lĩnh vực nhƣ điều khiển robot, máy công cụ, CNC, điều khiển trình (hóa học, sinh học, ), điều khiển truyền động hay nhƣ điều khiển lái tàu, máy bay tự động Tuy nhiên việc thiết kế điều khiển phi tuyến nói chung điều khiển thích nghi nói riêng không đơn giản đặt hàng loạt vấn đề cần giải nhƣ vấn đề ổn định hệ vòng kín, vấn đề điều khiển bám theo tín hiệu mẫu, vấn đề chống nhiễu làm suy giảm nhiễu nhƣ kết hợp vấn đề Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF với Giống nhƣ điều khiển tuyến tính, phản hồi chìa khóa để thiết kế điều khiển phi tuyến nói chung Về mặt lý thuyết, toàn trạng thái hệ đo đƣợc ta nói đến điều khiển phản hồi trạng thái, trƣờng hợp có véctơ đầu đo đƣợc, điều khiển phản hồi đầu đƣợc áp dụng Các phƣơng pháp thiết kế điều khiển phi tuyến nhƣ tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization), điều khiển tích phân (integral control) điều khiển PID thích nghi phƣơng pháp chủ đạo [20-24] Các điều khiểnPIDsử dụng nhiều trongcác vòngkiểmsoátcủa trìnhcông nghiệp Các thôngsốcủa nólàcầnphải đƣợc điều chỉnhchức củaquy trình kiểm soátvàkhông thay đổitrongquátrìnhhoạt động thƣờng xuyêncủanó Sự bắt đầu điều khiểnPIDđòi hỏi phải cómộtcông việckhông phải lúc cũngđơn giảntrongviệc điều chỉnhcác thông số, bên cạnh tồn củamột sốphƣơng pháp [29] Mặc dùhữu íchcủacácphƣơng phápnàytrongviệc tính toántiếp cậncác thông sốgiá trị, nhiênlàcần thiếttrong thời gianquan sát đểđiều tramột cách chắnhơnviệc thực hiệnđiều khiển,yêu cầu,trong sốtrƣờnghợp, số lƣợng đáng kểthời gian Điềunàyđƣợc hiểu nhƣ làmột bất lợihoặckhókhăntrongdịch vụbắt đầuđiều khiển Các trƣờng hợp khác phức tạp hơntồn tạidođặc thùcủa nó, nơi có quy trìnhthay đổi nhỏthỏa hiệpthựchiệnbộ điều khiểnPID Những tình đƣợc quan sátbởi đồxu hƣớngphân tíchbởingƣời điều khiểnquá trìnhxảy rasự cần thiết phảiđiều chỉnhcác thông sốđiều khiển.Lý khó khănđể định nghĩa haygiải thích, làhầu hết thời gianlàm thủ tụcđa dạngcác khía cạnh Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Giải thuật tính toán điều khiển PID bao gồm thông số riêng biệt, đƣợc gọi điều khiển ba khâu: giá trị tỉ lệ, tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng chập ba tác động dùng để điều chỉnh trình thông qua phần tử điều khiển nhƣ vị trí van điều khiển hay nguồn phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, giá trị làm sáng tỏ quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ, D dự đoán sai số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi Bằng cách điều chỉnh số giải thuật điều khiển PID, điều khiển dùng thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng điều khiển đƣợc mô tả dƣới dạng độ nhạy sai số điều khiển, giá trị mà điều khiển vƣợt điểm đặt giá trị dao động hệ thống Bộ điều khiển PID làthuậttoánthốngtrịtrongthực hành kỹ thuậtkiểmsoátdođơn giảnvà khả năngcơbản Một vấn đề lâu dàivới quan tâmđángkểtừngành công nghiệpđể cải thiệnmạnh mẽcủabộ điều khiểnPIDvà giảmđộ nhạy cảmcủa chúngđể đạt đƣợcđiều chỉnhbất ổnhệthốngvà thờigian biến đổi Điều khiển thích nghi mộtlĩnhvựctrƣởng thành vớinhiều kết quả.Tuy nhiên, hầuhếtcácbộ điều khiểnthích nghiyêucầuhoặc mộtmô hình quy trìnhchi tiết hoặcmộtmô hình xấp xỉnhƣmạng nơ-ronđể ƣớc tínhcác thông sốhệ thống Vấn đề với cách tiếp cận nàylànhiều hệ thốngphức tạp củamột điều khiểnthích nghiổn địnhlà cao, trongđóhạnchếkhả sử dụngthực tế[30] Hơn nữa, đảm bảosự ổn địnhmạnh mẽlý thuyếttùy ý cácmôhìnhdựa trênbộđiềukhiểnthích nghithƣờngviphạmtrong thực tếdohiệuứngkỹ thuật số,độ bão hòa,và động lựckhông mô hình Kết là, thiết kếthích nghiổn địnhphụ thuộctrong thực tếđiều chỉnhcẩnthậntăngtỷ lệhọc vàđạtphản hồicố địnhcũng Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF nhƣcácsửa đổithích nghivững mạnhđƣợc sử dụng Vì vậy, nólàmộtnhu cầurất lớnđểđơn giảnđiều khiểnphổ thôngnắm bắtbảnchấtcủađiều khiểnthích nghitrong khiduy trìdễdàngcủađiều chỉnhđểđiều khiểnthích nghithực tếổn địnhngay khichúngkhôngcócácmức độcùngmộtđảm bảoƣu tiênvề ổn định Điều khiển PID thích nghi nhữngphƣơng pháp tiếp cậnđể cải thiệnsức mạnh vàtự chủ củacác điều khiểnPIDcũng nhƣnắmbắtđƣợc chất củalý thuyết điều khiểnthích nghitrong mộtkiến trúcđơngiản Các công bố cộng đồngđiều khiểnđã xem xétvấn đề nàynhƣng vớicách tiếp cận rấtkhácnhau Một cách tiếp cận sử dụngmột điều khiểnPIDcố định vàkết hợp nóvới số hàm gầnđúng,vídụnhƣ dựa điều khiểnthích nghi, mạng nơ-ron[30] Bộ điều khiển PID truyền thống có ƣu điểm nó, nhiên điều khiển PID truyền thống khả thích ứng, thông số phải liên quan đến hệ thống định với mô hình thông số cụ thể Một thông số đƣợc thiết lập, chúng đƣợc sử dụng cho điều kiện khó cho để điều chỉnh thông số on-line đối tƣợng điều khiển bị thay đổi Vì vậy, điều khiển PID nơ-ron thích nghi đƣợc thiết kế kết hợp cấu trúc nơ-ron với giải thuật PID Nó có hiệu suất mạnh mẽ điều khiển PID có khả tự học thích nghi Khi hệ thống có thay đổi chấp nhận hoạt động thay đổi mô hình không xác, điều khiển điều chỉnh thông số trọng số PID tự động giữ đƣợc hiệu mong muốn Nhiều công trình nghiên cứu điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ƣu hay điều khiển mờ mạng nơ-ron đƣợc công bố năm gần cho thấy quan tâm lớn nhà khoa học Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF khắp giới vấn đề, hƣớng nghiên cứu phát triển lĩnh vực này[11-18] Nhƣ biết, hệ thống thực thƣờng hệ phi tuyến, phức tạp nên phƣơng pháp thiết kế kinh điển dựa điều khiển tuyến tính nhiều trƣờng hợp không đảm bảo đƣợc yêu cầu đặc tính phi tuyến động học đối tƣợng điều khiển, đặc tuyến đầu đo cấu chấp hành nhƣ tính chất không đầy đủ, xác mô hình thay (động học chƣa biết, nhiễu, điều kiện ban đầu) Ngoài vấn đề khác đƣợc đặt nhiều hệ cần điều khiển có tham số không rõ (nhƣ hệ truyền động servo, robot), có tham số biến đổi chậm (ví dụ nhƣ tham số phụ thuộc vào nhiệt độ) có tham số thay đổi không dự đoán đƣợc (nhƣ hệ thống lƣợng) Hiện mạng nơ-rontạothànhmột quan tâmnghiên cứu rấtlớn Chúng có khả nănglớntrong việc giải quyếtcácvấn đềtoán học phức tạpvì chúngđãđƣợc chứng minh làgần đúngchức năngliên tụcmột cách xácnhất Do đó, nhận đƣợcsự ýđáng kểtrong lĩnh vựckiểm soátquá trình hóa họcvàđã đƣợc áp dụngđểxácđịnhhệ thống vàthiết kếbộ điều khiển Tất cảcác công trìnhchothấyrằng cácmạngnơ-roncó thểnắm bắt đƣợcđặc điểm củamô hìnhhệ thốngvàhàmhiệu suấtxấp xỉ[31] Các mạng nơ-ron đƣợc sử dụng nhƣ điều khiển hệ thống động phi tuyến để giải vấn đề mà phƣơng pháp tiếp cận truyền thống đƣợc chứng minh không hiệu [32] Kể từcuốithập niên 1980, có sựquantâmđáng kể mạng nơ-ron hàm Cơ sở xuyên tâm (RBF: Radia Basis Function), dokhả năngtổng quáttốttoàn cầu họvà mạng cấu trúc đơn giản, tránh tính toándài Các hàmGaussianđƣợc lựa chọntrongphần lớncác trƣờng hợpnhƣ hàmcơ sởxuyên tâmmặc dùcác hàm kháccũngcó thểđƣợc sử dụng[33] Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Mạng nơ-ron hàm sở xuyên tâm (RBFNN: Radia Basic Function Neural Network) công cụ tính toán mạnh mẽ đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực nhận dạng mẫu, mô hình hóa nhận dạng hệ thống Mạng RBF hình thức cấu trúc đặc biệt mạng nơ-ron nhân tạo, có lợi đơn giản cấu trúc, giải thuật học nhanh khả xấp xỉ quan hệ phi tuyến tốt hơn[4,7,8] Một mạnghàm sởxuyên tâm mạngnơ-ronnhântạosử dụngcác hàm sởxuyên tâmnhƣ hàmkíchhoạt Đó mộtsựkếthợptuyến tính củacác hàm sởxuyên tâm Chúng đƣợc sử dụngtrong hàm gần đúng, dự đoán chuỗi thời gian kiểm soát Một mạng RBF đƣợc xây dựng để nhận dạng trực tuyến hệ thống, thực tự học thông số điều khiển thông qua điều khiển nơ-ron, đạt đƣợc điều chỉnh thông số điều khiển 1.1.2 Các kết nghiên cứu nƣớc công bố Trong năm gần vấn đề thiết kế điều khiển thích nghi cho hệ thống động học phi tuyến chủ đề tạp chí chuyên ngành điều khiển, tự động hóa giới ngày thu hút đƣợc nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu Đã có nhiều bƣớc tiến, kết đạt đƣợc mặt lý thuyết thực tiễn ứng dụng [9, 21, 23-28] Đặc biệt theo hƣớng sử dụng hệ mờ mạng nơ-ron để xấp xỉ phƣơng trình động học đối tƣợng phi tuyến dùng phƣơng pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái phản hồi đầu hệ thống để thiết kế điều khiển ổn định tĩnh Để điều khiển có đặc tính thích nghi với sai lệch không rõ hoạt động trực tuyến, điều khiển đƣợc thiết kế sử dụng cấu trúc mạng nơ-ron chỉnh định trọng số trình làm việc Đây phƣơng pháp thƣờng dùng để thiết kế điều khiển thích nghi ứng dụng công nghiệp [10-11, 21] Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Đối với nƣớc, nghiên cứu điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF đƣợc nhiều sở KHCN tập trung nghiên cứu nhiều năm trở lại có không công trình hƣớng tới việc ứng dụng đƣợc công bố nhƣng nhìn chung kết đạt đƣợc khiêm tốn [14-19] Một số Viện trƣờng nhƣ Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa, Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ, Phân viện Tự động hóa - Viện công nghệ thông tin, Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Học viện Công nghệ Bƣu Viễn thông, đơn vị có nhiều năm nghiên cứu điều khiển mờ nơ-ron có số kết định, nhiên nghiên cứu sâu rộng nhằm ứng dụng công nghệ hệ thống tự động hóa công nghiệp tiên tiến bƣớc ban đầu 1.2 Mục tiêu đề tài  Xây dựng nhận dạng mô hình đối tƣợng chƣa biết tham số dùng mạng nơ-ron RBF  Xây dựng giải thuật huấn luyện nhận dạng mô hình đối tƣợng dùng mạng nơ-ron RBF  Xây dựng điều khiển PID nơ-ron thích nghi  Xây dựng giải thuật huấn luyện trực tuyến (online) điều khiển nơ-ron thích nghi  Kiểm nghiệm giải thuật huấn luyện trực tuyến (online) thông qua mô tiến tới thực nghiệm thiết bị ổn định áp suất RT030 hãng Gunt-Hamburg,Đức 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài Nghiên cứu xây dựng điều khiển PID nơ-ronthíchnghidựa nhận dạng mạng nơ-ronRBF Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Xây dựng giải thuật tựhọc tậpcủamạng nơ-ronRBFđể tự độngđiều chỉnh vàsửađổicácthôngsốPIDthích nghi với biến thiên đối tƣợng Giải thuật điều chỉnh thông số Kp, Kd Ki điều khiển PID khảo sát thay đổi đối tƣợng điều khiển Giải thuật đƣợc kiểm nghiệm thông qua mô tiến tới thực nghiệm hệ ổn định áp suất RT030 hãng Gunt-Hamburg, Đức Đề tài giới hạn phòng thí nghiệm cách kiểm nghiệm qua mô tiến tới thực nghiệm hệ ổn định áp suất RT030 hãng Gunt-Hamburg, Đức 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Tổng hợp lý thuyết điều khiển PID thích nghi giải thuật nhận dạng mạng nơ-ron RBF khảo sát sở toán học để xây dựng phầm mềm Luận văn này, vận dụng số kết nghiên cứu đƣợc công bố gần sử dụng sở toán học nêu để bƣớc chứng minh cách giải vấn đề nhằm đạt đƣợc mục tiêu nội dung nghiên cứu đề Ngoài số sở toán học quan trọng xây dựng đề tài đƣợc lập trình mô Matlab để kiểm tra lại tính xác kết đạt đƣợc.Đồng thời chạy thực nghiệm đối tƣợng RT030 hãng Gunt-Hamburg, Đức để kiểm chứng lại giải thuật phầm mềm Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển PID thích nghi 2.1.1 Tổng quan điều khiển PID Bộ điều khiển PID gì? 2.1.1.1 Bộ điều khiển PID chế điều khiển lặp hồi tiếp đƣợc sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp dễ áp dụng dễ sử dụng Một điều khiển PID cố gắng điều chỉnh giá trị biến đo đƣợc giá trị mong muốn đạt đƣợc cách tính toán đƣa trạng thái điều chỉnh nhanh chóng để giữ cho lỗi mức nhỏ Bộ điều khiển PID gồm thông số hay chế độ: Proportional (P), Integral (I) Derivative (D) Và đƣợc thể qua Hình 2.1: Hình 2.1: Bộ điều khiển PID - Proportional (P): phụ thuộc vào sai số - Integral (I): phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF - Derivative(D): dự đoán sai số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi Một vài ứng dụng cần sử dụng hai chế độ việc điều khiển hệ thống.Điều đạt đƣợc cách gán cho số không muốn sử dụng không Do đó, điều khiển PID trở thành điểu khiển PD, PI, P, I 2.1.1.2Lý thuyết điều khiển PID Mô hình điều khiển PID đƣợc cấu thành từ thành phần, gọi tham số thao tác điều chỉnh MV thay đổi theo thời gian t: MV(t) = Pout + Iout + Dout (2.1) Trong đó: Pout, Iout, Dout hàm đóng góp vào giá trị ngõ sau MV(t) Hàm lỗi thời điểm t: E(t)= SP– PV (2.2) Trong đó: SP : Setpoint ( giá trị mong muốn), PV: measurable output( giá trị đo đƣợc) a Proportional (hàm tỉ lệ) Hàm tỉ lệ giúp thay đổi mức điều khiển tỉ lệ với giá trị lỗi Pout = Kp E(t) (2.3) Kp: số tỉ lệ, tham số dùng để tinh chỉnh Hằng số Kp lớn điều chỉnh lớn E(t) lớn Ngƣợc lại, Kp nhỏ đáp ứng điều chỉnh nhỏ lỗi b Integral term (hàm tích phân) 10 Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Hàm tích phân điều chỉnh mức điều khiển tƣơng ứng với mức lỗi đƣợc tích lũy theo thời gian: 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑖 𝐸 𝑡 𝑑𝑡 (2.4) Ki: số điều chỉnh hàm tích phân Hàm tích phân giúp cho khả điều chỉnh nhanh chóng đạt đến mức mong muốn hạn chế giá trị dƣ thừa lỗi hạn chế hàm tỉ lệ c Derivative term (hàm đạo hàm) Hàm đạo hàm đáp ứng với tốc độ thay đổi lỗi, hay độ dốc lỗi, theo thời gian: 𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑑 𝑑𝐸 (𝑡) (2.5) 𝑑𝑡 Kd: số điều chỉnh hàm đạo hàm Hàm đạo hàm giúp nhanh chóng đạt đƣợc mức ổn định giá trị mong muốn (nếu chọn đƣợc Kd phù hợp) Còn Kd không phù hợp giá trị output dao động quanh giá trị mong muốn 2.1.1.3 Phƣơng pháp tinh chỉnh tham số PID Trong điều khiển PID, số vấn đề gặp phải cần giải phải chọn đƣợc giá trị tham số (hằng số Kp, Ki, Kd)cho hàm hiệu chỉnh PID cho phù hợp để điều chỉnh PID đạt đƣợc hiệu suất cao Nếu lựa chọn tham số không phù hợp trình điều khiển không ổn định không xác nhƣ mong muốn Vì vậy, thực tế sử dụng có vài phƣơng pháp phục vụ cho trình tinh chỉnh này, phổ biến phải kể đến manual tuning, Ziesler-Nichols, Software tools, Cohen-Coon… Phƣơng pháp đƣợc áp dụng tƣơng đối đơn giản nhƣ sau: 11 Điều khiển PID nơ-ron thích nghi dựa nhận dạng mạng nơ-ron RBF Bƣớc 1: Cho Ki=0, Kd=0, thay đổi giá trị Kp cho đạt đƣợc tốc - độ phản ứng với lỗi gần nhƣ mong muốn Bƣớc 2: Bắt đầu thay đổi Ki Kd Bằng nhiều phép thử kiểm - tra tính đáp ứng hệ thống, rút tham số Ki, Kd, Kp phù hợp gần với mong muốn Bộ điều khiển PID thích nghi 2.1.2 2.1.2.1 Sơ đồ điều khiển Sơ đồ điều khiển đƣợc thể hình 2.2 w(k)+ e1(k) Điều khiển PID u(k) Đối tƣợng y(k) điều khiển thích nghi e2(k) Hình 2.2: Bộ điều khiển PID thích nghi 2.1.2.2 Nguyên lý làm việc Các kết thí nghiệm cho thấy, điều khiển PID thích nghi cho chất lƣợng tốt so với điều khiển PID truyền thống điều kiện hoạt động khác Các ngõ vào điều khiển PID thích nghi e1(k), e2(k) ngõ u(k) Ta nhận thấy, ngõ vào điều khiển PID thích nghi phụ thuộc vào e1(k) e2(k) điều khiển PID truyền thống ngõ phụ thuộc vào e1(k) Ngõ e2(k) đƣợc tìm nhƣ sau: e2 (k )  w(k )  u(k ) (2.6) Lấy biến đổi Z hai vế ta đƣợc: 12 S K L 0 [...]... của phầm mềm 8 Điều khiển PID một nơ- ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ- ron RBF Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển PID thích nghi 2.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là gì? 2.1.1.1 Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghi p do dễ áp dụng và dễ sử dụng Một bộ điều khiển PID cố gắng điều chỉnh giữa... nơ- ronthíchnghidựa trên bộ nhận dạng mạng nơ- ronRBF 7 Điều khiển PID một nơ- ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ- ron RBF Xây dựng giải thuật tựhọc tậpcủamạng nơ- ronRBFđể tự độngđiều chỉnh vàsửađổicácthôngsốPIDthích nghi với sự biến thiên của đối tƣợng Giải thuật này điều chỉnh 3 thông số Kp, Kd và Ki của bộ điều khiển PID khảo sát sự thay đổi của đối tƣợng điều khiển Giải thuật này sẽ đƣợc kiểm nghi m... Sơ đồ điều khiển Sơ đồ điều khiển đƣợc thể hiện ở hình 2.2 w(k)+ e1(k) Điều khiển PID u(k) Đối tƣợng y(k) điều khiển thích nghi e2(k) Hình 2.2: Bộ điều khiển PID thích nghi 2.1.2.2 Nguyên lý làm việc Các kết quả thí nghi m cho thấy, bộ điều khiển PID thích nghi cho chất lƣợng tốt hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống ở những điều kiện hoạt động khác nhau Các ngõ vào bộ điều khiển PID thích nghi. .. thuyết điều khiểnthích nghitrong mộtkiến trúcđơngiản Các công bố trong cộng đồngđiều khiển ã xem xétvấn đề nàynhƣng vớicách tiếp cận rấtkhácnhau Một cách tiếp cận là sử dụngmột bộ điều khiểnPIDcố định vàkết hợp nóvới một số hàm gầnđúng,vídụnhƣ dựa trên điều khiểnthích nghi, mạng nơ- ron[ 30] Bộ điều khiển PID truyền thống có những ƣu điểm của nó, tuy nhiên bộ điều khiển PID truyền thống không có khả năng thích. .. kế bộ điều khiển ổn định tĩnh Để bộ điều khiển có đặc tính thích nghi với những sai lệch không rõ khi hoạt động trực tuyến, các bộ điều khiển đƣợc thiết kế sử dụng cấu trúc mạng nơ- ron chỉnh định các trọng số trong quá trình làm việc Đây cũng là phƣơng pháp thƣờng dùng để thiết kế các bộ điều khiển thích nghi trong các ứng dụng công nghi p [10-11, 21] 6 Điều khiển PID một nơ- ron thích nghi dựa trên bộ. .. nơ- ron RBF  Xây dựng điều khiển PID một nơ- ron thích nghi  Xây dựng giải thuật huấn luyện trực tuyến (online) bộ điều khiển một nơ- ron thích nghi  Kiểm nghi m giải thuật huấn luyện trực tuyến (online) thông qua mô phỏng và tiến tới thực nghi m trên thiết bị ổn định áp suất RT030 của hãng Gunt-Hamburg,Đức 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài Nghi n cứu xây dựng bộ điều khiển PID một nơ- ronthíchnghidựa... trongđóhạnchếkhả năng sử dụngthực tế[30] Hơn nữa, đảm bảosự ổn địnhmạnh mẽlý thuyếttùy ý của cácmôhìnhdựa trênbộđiềukhiểnthích nghithƣờngviphạmtrong thực tếdohiệuứngkỹ thuật số,độ bão hòa,và động lựckhông mô hình Kết quả là, thiết k thích nghi n địnhphụ thuộctrong thực t điều chỉnhcẩnthậntăngtỷ lệhọc vàđạtphản hồicố địnhcũng 3 Điều khiển PID một nơ- ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ- ron RBF. . .Điều khiển PID một nơ- ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ- ron RBF với nhau Giống nhƣ trong điều khiển tuyến tính, phản hồi vẫn là chìa khóa để thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến nói chung Về mặt lý thuyết, nếu toàn bộ các trạng thái của hệ đo đƣợc khi đó ta nói đến điều khiển phản hồi trạng thái, còn trong trƣờng hợp chỉ có véctơ đầu ra đo đƣợc, điều khiển phản hồi đầu... lựa chọntrongphần lớncác trƣờng hợpnhƣ các hàmcơ sởxuyên tâmmặc dùcác hàm kháccũngcó thểđƣợc sử dụng[33] 5 Điều khiển PID một nơ- ron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơ- ron RBF Mạng nơ- ron hàm cơ sở xuyên tâm (RBFNN: Radia Basic Function Neural Network) là công cụ tính toán mạnh mẽ đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhận dạng mẫu, mô hình hóa và nhận dạng các hệ thống Mạng RBF là một hình... nhƣcácsửa đổithích nghivững mạnhđƣợc sử dụng Vì vậy, nólàmộtnhu cầurất lớnđểđơn giảnđiều khiểnphổ thôngnắm bắtbảnchấtcủađiều khiểnthích nghitrong khiduy trìdễdàngcủađiều chỉnhđ điều khiểnthích nghithực tếổn địnhngay cả khichúngkhôngcócácmức độcùngmộtđảm bảoƣu tiênvề sự ổn định Điều khiển PID thích nghi là một trong nhữngphƣơng pháp tiếp cậnđể cải thiệnsức mạnh vàtự chủ củacác bộ điều khiểnPIDcũng nhƣnắmbắtđƣợc