Mô hình toán bộ điều khiển huấn luyện mờ ứng dụng cho điều khiển tàu hành trình ngược chiều

Bài báo trình bày ứng dụng mô hình toán bộ huấn luyện mờ cho điều khiển tàu hành trình ngược chiều. Các tác giả trình bày nghiên cứu mô hình mờ TS có cấu trúc mạng nơron năm lớp tác động trực tiếp có tên ANFIS (Adaptive-Network-based Fuzzy Inference Systems) và mô hình TS có thể huấn luyện bằng phương pháp lan truyền ngược sai số BP (Back Propagation).

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 15 MƠ HÌNH TỐN BỘ ĐIỀU KHIỂN HUẤN LUYỆN MỜ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN TÀU HÀNH TRÌNH NGƯỢC CHIỀU APPLICATION OF THE MATHEMATICAL MODEL OF THE TRAINED FUZZY REGULATORS FOR SHIP CONTROL IN MEETING MOTION TS Nguyễn Xuân Phương, TS Nguyễn Phước Quý Phong Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ Chí Minh Tóm tắt: Bài báo trình bày ứng dụng mơ hình tốn huấn luyện mờ cho điều khiển tàu hành trình ngược chiều Các tác giả trình bày nghiên cứu mơ hình mờ TS có cấu trúc mạng nơron năm lớp tác động trực tiếp có tên ANFIS (Adaptive-Network-based Fuzzy Inference Systems) mơ hình TS huấn luyện phương pháp lan truyền ngược sai số BP (Back Propagation) Từ khóa: Điều khiển huấn luyện mờ, Mơ hình TS, ANFIS, Back Propagation Abstract: This paper devotes the application of the mathematical model of the trained fuzzy regulators for ship control in meeting motion The authors present the research of the TS-fuzzy model of the structure of the five-layer neural network of direct action, known as the ANFIS (Adaptive Network - based Fuzzy Inference Systems) and the TS-models trained by back propagation BP (Back Propagation) Keywords: Trained Fuzzy Regulator, TS Model, ANFIS, Back Propagation Giới thiệu Bộ điều khiển dạng cần phải thu nhận liệu kiến thức, hiểu biết trạng thái, hành trạng mục tiêu sở người ta thiết lập phương pháp điều khiển, sai số điều khiển không vượt giá trị cho phép Trong trình huấn luyện, thơng qua điều khiển, mơ hình mục tiêu tham gia thu nhận liệu kiến thức điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện thay đổi hoạt động mục tiêu Để đáp ứng đầy đủ yêu cầu, mô tả mục tiêu điều khiển, người ta sử dụng mơ hình mờ TS có cấu trúc mạng nơron năm lớp tác động trực tiếp có tên ANFIS (Adaptive-Networkbased Fuzzy Inference Systems) [1, 2] Tại nghiên cứu tác giả trình bày nghiên cứu ứng dụng điều khiển huấn luyện mờ điều khiển tàu hành trình ngược chiều Các điều khiển huấn luyện mờ Cấu trúc nơron mờ mơ hình tổng hợp hố TS có n quy tắc m đầu vào, thực chế đầu y , biểu diễn hình Hình Cấu trúc mạng nơron mờ mơ hình TS 16 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 i Tại lớp với xi  x0 , i  1, m , ta phải tính bậc hàm thuộc tính, lớp thứ hai, chúng tính Ttốn tử phép tốn cực tiểu hố hay tích số Tại lớp thứ thứ ba (N), trọng số tiêu chuẩn hoá xác định w  w / (w  w ),  1, n, lớp thứ tư, chúng nhân với giá trị tương ứng đại lượng y tìm theo phương trình tuyến tính: y1  b01  b11 x1  b21 x2   bm1 xm , y  b02  b12 x1  b22 x2   bm2 xm , n n n y  b0  b1 x1  b2n x2   bmn xm Lớp thứ năm phép cộng để thu giá trị tổng cần tìm yˆ Quá trình thu nhận liệu hiểu biết mục tiêu mơ hình TS bao gồm việc xác định hệ số phương trình: bi , i  0, m,  1, n, tham biến hàm  thuộc tính: d , i  1, m tìm số quy tắc n, đó, đầu mơ hình yˆ Và mục tiêu y, trùng hợp trở thành gần Nếu số quy tắc n xác định, hàm thuộc tính X i ( xi , d ) liên tục với tham biến d phép tích số thực bao hàm phép cực tiểu hoá sai số bình phương: I  0,5( y  yˆ (c))2 phương pháp građiên: c 1  c  h I c (1) Trong đó: c = (b, d): véctơ tham biến; h : bước thao tác Trên sở quy tắc chuỗi xác định đạo hàm riêng theo dl : I I yˆ w X l     dl yˆ w X l dl Và theo bl : I I yˆ    ,  bl yˆ bl Khơng cần phép tính trung gian, ta viết biểu thức giải tích chúng sau:    I y  w yˆ  m   X l , ˆ  ( y  y )  X ( x )  i i     d dl  l  w j  ii 1l  j 1 l  1, m, I  ( y  yˆ ) xl , l  1, m,   1, n, x0  bl T-toán tử ( w   X i ( xi ),  1, n) Trong vai trò hàm thuộc tính, thơng thường, người ta hay chọn hàm dạng xichma: X ( x)  (1  exp(dx))1 , d  0, hàm chuẩn theo tia X ( x)  exp(d1 ( x  d )) lấy vi phân theo d , d1 d mô hình TS huấn luyện phương pháp lan truyền ngược sai số BP (Back Propagation), giới thiệu cơng trình nghiên cứu [3, 4, 6] Phương pháp Bây ta thiết lập toán huấn luyện điều khiển nơron mờ tác động trực tiếp P, nghĩa liên kết nối tiếp với mục tiêu O (hình 2) m i 1 Hình Sơ đồ điều khiển nối tiếp TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 Giả sử mục tiêu điều khiển có đầu mơ tả phương trình phân tán bậc r, s sau: y (t  1)  f ( y (t ), , y (t  r ), u (t ), , u (t  s)) (2) Và giả thiết rằng, mục tiêu điều khiển có tính thuận nghịch, nghĩa có tồn hàm f 01 nghịch đảo với phương trình (2): u (t )  f 01 ( y(t  1), y (t ) , y (t  r ), u (t  1), , u (t  r )) Chúng ta xét mô hình nơron mờ TS (hình 2) có vétơ đầu vào m-chiều: x p (t )  ( y (t  1), y (t ), , y(t  r ), u (t  1), , u (t  r )) : uˆ (t )  f p ( x p (t ), c p ) Trong đó, độ gần gũi theo yêu cầu uˆ (t ) u (t ) đảm bảo đầu vào tương ứng, mơ hình giới thiệu để giữ vai trò điều khiển Huấn luyện điều khiển thuật tốn AOP để điều khiển với sai số bình phương nhỏ nhất: I p  0,5( x(t  1)  y (t  1)  0,5e 2p (t  1) Theo sơ đồ liên tục (hình 2) cần phải tính biểu thức: I p c p  I p y u   y u c p Trong giá trị đạo hàm y / u chưa xác định Giá trị tìm dễ dàng mơ hình nơron mục tiêu, gọi cấu chuyển đổi: yˆ (t  1)  f E ( yˆ (t ), , yˆ (t  r ), u (t ), , u (t  r )cE ) ta cần tính yˆ / u thay cho y / u Còn việc huấn luyện cấu chuyển đổi E thuật tốn AOE, đảm bảo có sai số bình phương nhỏ nhất: Ở I E  0,5( y(t  1)  yˆ (t  1)2  0,5eE2 (t  1) Sẽ làm tương tự điều khiển thực phương pháp BP [7, 8] Tất yếu điểm hệ thống điều khiển huấn luyện đầu tiên, có liên quan đến việc sử dụng phương pháp BP, cụ thể tính chất cục việc tìm kiếm “hiện tượng lặp” thường xuyên, đặc trưng cho phương pháp građiên; 17 u cầu phải có tính liên tục khả lấy vi phân hàm thuộc tính; khơng xác định bậc (r,s) số lượng quy tắc n Các điều khiển huấn luyện hệ thống điều khiển mờ liệt vào lớp hệ thống có triển vọng Chúng có khả vận hành cao điều kiện có nhiễu sai số đo, điều chỉnh nhanh để hoạt động điều kiện hay thay đổi thực tế sản xuất, chúng làm giảm tổn thất điều hành hiệu Cùng với điều đó, nhiều trường hợp, LLR chứng tỏ chúng có khả hoạt động cao Cụ thể hệ thống điều khiển mục tiêu tương đối đơn giản, LLR cạnh tranh tốt với điều khiển huấn luyện Kết luận Để loại trừ “tính lặp”, cơng trình nghiên cứu đề xuất dùng thuật tốn ngun để thay đổi kích thước bước thao tác h công thức građiên (1) thành phần véctơ c [9, 10] Nhiều nhà nghiên cứu khác lại cho rằng, với mục đích huấn luyện, cần ứng dụng thuật toán nguyên đủ để khắc phục hai yếu điểm nêu phương pháp BP [11] Hiệu lớn đạt trình huấn luyện hỗn hợp, ứng dụng thuật toán nguyên để chỉnh lý xác tham biến hàm thuộc tính d, kết hợp với phương pháp nhiều bước bình phương nhỏ để tìm véctơ b, dùng nhiều thuật toán khác để xác định bậc r, s số quy tắc n mơ hình TS [12] Với cách tiếp cận giải vấn đề thế, người ta khắc phục thành công tất khuyết điểm phương pháp BP phần lớn trường hợp  Tài liệu tham khảo [1] Маслов Ю.В (2004) Энергосберегающие технологии в управлении движением судов на внутренних водных путях СПб.: Судостроение [2] Маслов Ю.В (2001) Управление дизельной энергетической установкой 18 [3] [4] [5] [6] [7] Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 и рулевым устройством при расхождении судов Сборник научных трудов СПб Кулибанов Ю.М (1995) Динамические модели в обратных задачах управления движением флота СПб.: СПГУВК Маслов Ю.В., Фурмаков Е Ф., Гусев В С (2001) Аварийная защита быстроходного судового двигателя Сборник научных трудов Вып 23, Харьков Маслов Ю В., Фурмаков Е.Ф., Гусев В.С (2001) Некоторые особенности адаптации системы автоматизации быстроходных дизелей Сборник научных трудов Вып 26, Харьков Маслов Ю.В., Фурмаков Е Ф., Гусев В.С (2001) Система автоматизации аварийной защиты быстроходных судовых двигателей Сборник научных трудов СПб Маслов Ю.В., Фурмаков Е Ф., Гусев В.С., Лопарев В.К (2001) Управление процессом аварийной защиты быстроходных судовых дизелей Материалы международной научнотехнической конференции Транском2001 [8] Михайлов А.В (1973) Внутренние водные пути – М.: Стройиздат [9] Моисеев Н.Н (1971) Численные методы в теории оптимальных систем – М.: Наука [10] Николаев В.И., Брук В.М (1985) Системотехника: методы и приложения – Л.: Машиностроение [11] Ольшамовский С Б., Земляновский Д К., Щепетов И А (1972) Организация безопасности плавания судов – М.: Транспорт [12] Пашков Н Н., Долгачев Ф М (1977) Гидравлика Основы гидрологии – М.: Энергия Ngày nhận bài: 14/01/2016 Ngày chấp nhận đăng: 29/01/2016 Phản biện: PGS.TS Phạm Kỳ Quang PGS.TS Vũ Đức Lập ... mơ hình TS huấn luyện phương pháp lan truyền ngược sai số BP (Back Propagation), giới thiệu cơng trình nghiên cứu [3, 4, 6] Phương pháp Bây ta thiết lập toán huấn luyện điều khiển nơron mờ tác... quy tắc n Các điều khiển huấn luyện hệ thống điều khiển mờ liệt vào lớp hệ thống có triển vọng Chúng có khả vận hành cao điều kiện có nhiễu sai số đo, điều chỉnh nhanh để hoạt động điều kiện hay... theo yêu cầu uˆ (t ) u (t ) đảm bảo đầu vào tương ứng, mơ hình giới thiệu để giữ vai trò điều khiển Huấn luyện điều khiển thuật tốn AOP để điều khiển với sai số bình phương nhỏ nhất: I p  0,5(