Điều Khiển Ổn Định Mực Chất Lỏng Dùng Mạng Nơron

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG DÙNG MẠNG NƠRON CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN Ths Nguyễn Hoàng Dũng Lương Thái Điền (1063860) Phan Thành Nhân (1063891) Ngành: Cơ Điện Tử - Khóa: 32 Tháng 12/2010 Trường Đại Học Cần Thơ Khoa Công Nghệ Bộ Môn Tự Động Hóa Cộng Hịa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc -o0o Cần Thơ, ngày .tháng .năm 2010 PHIẾU ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NĂM HỌC: 2010 – 2011 Họ tên sinh viên: - Lương Thái Điền MSSV: 1063860 - Phan Thành Nhân 1063891 Ngành Cơ Điện Tử, khóa 32 Tên đề tài: Điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng mạng nơron Địa điểm thực hiện: Phòng thực tập Điều Khiển Quá Trình, thuộc Bộ Mơn Tự Động Hóa – Khoa Cơng Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ Họ tên cán hướng dẫn: Ths Nguyễn Hoàng Dũng Mục tiêu đề tài: Xây dựng điều khiển dùng mạng nơron để điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 Các nội dung đề tài:  Tập thuyết trình luận văn Chương I: Giới thiệu đề tài Chương II: Giới thiệu mạng nơron Chương III: Giới thiệu Neural Network Toolbox Matlab Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron  Bộ điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng mạng nơron Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực đề tài: Cán hướng dẫn, tài liệu tham khảo, phòng thực tập Điều Khiển Quá Trình, thiết bị RT010 Kinh phí dự trù cho việc thực đề tài Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN ĐĂNG KÝ Ths Nguyễn Hoàng Dũng Lương Thái Điền Phan Thành Nhân Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN HỘI ĐỒNG XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Lương Thái Điền Phan Thành Nhân Lớp : Cơ Điện Tử - Khóa 32 Cán hướng dẫn : Ths Nguyễn Hoàng Dũng Tên đề tài : ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG Họ tên sinh viên : DÙNG MẠNG NƠRON Nội dung luận văn tốt nghiệp: Nhận xét cán hướng dẫn: Cán hướng dẫn NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên : Lương Thái Điền Phan Thành Nhân : Cơ Điện Tử - Khóa 32 Lớp Cán phản biện : Tên đề tài : ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG DÙNG MẠNG NƠRON Nội dung luận văn tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Cán phản biện LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gởi lời cảm ơn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Ths Nguyễn Hoàng Dũng giáo viên hướng dẫn đề tài, Thầy giúp đỡ tận tình, góp phần to lớn để chúng tơi hồn thành đề tài Chúng xin chân thành cảm ơn Thầy TS Nguyễn Chí Ngơn quan tâm, giúp đỡ chúng tơi nhiều Chúng xin cảm ơn Cô Nguyễn Thị Thanh Thủy quý Thầy Cô Bộ môn Tự Động Hóa - Khoa Cơng Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ giúp đỡ suốt thời gian thực đề tài Và cảm ơn Bộ môn Tự Động Hóa - Khoa Cơng Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ hỗ trợ thiết bị để chúng tơi hồn thành đề tài thời gian qui định Lương Thái Điền Phan Thành Nhân LỜI NÓI ĐẦU Mạng nơron nhận tạo lĩnh vực xuất lâu phát triển thập niên gần Việc phát triển mạng nơron nhân tạo mở nhìn mới, hướng cho công nghệ tự động Những hệ thống điều khiển, cổ máy không hoạt động theo chương trình định sẵn mà cịn biết tự suy luận tự xử lý Đề tài “ Điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng mạng nơron” nhằm mục đích tìm hiểu tạo điều khiển mạng nơron điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 phòng thực tập Điều khiển q trình thuộc mơn Tự Động Hóa, khoa Cơng Nghệ, trường Đại Học Cần Thơ TĨM TẮT ĐỀ TÀI Ổn định mực chất lỏng vấn đề thực tế nhiều người quan tâm đến Thông thường, giải pháp đưa sử dụng điều khiển kinh điển PI, PD hay PID Ở sử dụng mạng nơron để thiết kế điều khiển ổn định mực chất lỏng cho thiết bị RT010 (điều khiển mực chất lỏng) Sau hoàn thành, điều khiển hoạt động tốt với sai số chấp nhận (khoảng 2%) Từ kết này, người sử dụng bổ sung phát triển để tạo điều khiển dùng mạng nơron điều khiển thiết bị khác RT020 (điều khiển lưu lượng), RT030 (điều khiển áp suất), RT040 (điều khiển nhiệt độ)… ABSTRACT The stabilizing of liquid level is a problem which is interested in many people Generally, the solutions are using PI, PD or PID controller In this thesis, we used neural network to design a stable liquid level controller for RT010 device (level control) As a result, the controller worked well with acceptable errors (about 2%) From the result, users can improve and develop to create neural network controllers for control other devices such as RT020 (flow control), RT030 (pressure control), RT040 ( temperature control) Mục lục MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới hạn đề tài 1.3 Phương hướng giải .5 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NƠRON .6 2.1 Lịch sử phát triển ứng dụng mạng nơron .6 2.2 Tế bào thần kinh não người 2.3 Mạng nơron nhân tạo .8 2.4 Phân loại mạng nơron 10 2.4.1 Mạng lớp 11 2.4.2 Mạng nhiều lớp 12 2.5 Huấn luyện mạng nơron 13 2.6 Một số loại mạng nơron 14 2.6.1 Mạng Perceptron 14 2.6.2 Mạng truyền thẳng nhiều lớp 15 2.6.3 Mạng hàm sở xuyên tâm (RBF) 18 2.7 Qui trình thiết kế mạng nơron 20 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ NEURAL NETWORK TOOLBOX CỦA MATLAB 22 3.1 Thiết kế mạng dùng tập lệnh (sử dụng file ‘*.m’) 22 3.2 Thiết kế mạng nơron dùng giao diện ‘nntool’ 30 3.3 Thiết kế mạng nơron dùng Neural Network Toolbox Simulink 33 3.4 Ví dụ thiết kế mạng nơron 37 SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mô hình điều khiển u y Đối tượng Mơ hình ngược û Hình 4.6: Ngun tắc ước lượng thơng số mơ hình ngược off-line  Ước lượng on-line: thơng số mơ hình ngược cập nhật trực tuyến cho sai lệch tín hiệu đối tượng tín hiệu đặt tối thiểu r(t) û(t) y(t) Mơ hình ngược Đối tượng Hình 4.7: Ngun tắc ước lượng thơng số mơ hình ngược on-line Mơ hình ngược sau nhận dạng sử dụng điều khiển cách thay tín hiệu y(t+1) tín hiệu vào chuẩn r(t+1) u(t-1) q -1 u(t-1) q -m+1 r(t+1) y(t+1) u(t) NN q-1 Đối tượng y(t) y(t- q -n+1 Hình 4.8: Điều khiển dùng mơ hình ngược SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 46 Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển  Điều khiển bồn nước đơn dùng mô hình ngược: qin u(t) h(t) qout Hình 4.9: Hệ bồn chứa chất lỏng Xét bồn nước có tiết diện ngang thay đổi theo độ cao hình 4.9 Phương trình vi phân mô tả hệ thống là: ku ( t )  C D a gh ( t ) A(h ) A  A A ( h )  max h  A h max  h ' (t )   Trong đó: - u(t) : điện áp điều khiển máy bơm (0≤ u(t) ≤12V) h(t) : độ cao mực chất lỏng bồn chứa (cm) - A(h): tiết diện ngang bồn chứa (cm2) - hmax : độ cao cực đại bồn chứa - Amin, Amax: tiết diện ngang cực đại cực tiểu - k : hệ số tỉ lệ với công suất máy bơm - a : tiết diện van xả (cm2) - g : gia tốc trọng trường (981cm/sec2) - CD : hệ số xả Thông số bồn đơn chọn sau hmax=50cm, Amax=200cm2, Amin=100cm2, a=1cm2, k=20cm3/sec, CD=0.6 t  h (t )   100  h (t ) 300 u (t )   1962 h ( t ) dt Từ phương trình ta suy rằng: h(t 1)  f (h(t),u(t)) Do dễ thấy mơ hình ngược bồn: uˆ  fˆ 1 ( h ( t  ), h ( t )) SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 47 Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển Sử dụng mạng thần kinh để nhận dạng mơ hình ngược Sơ đồ lấy liệu: Hình 4.10: Sơ đồ thu thập liệu hệ bồn đơn Dữ liệu dùng để huấn luyện mạng nơron Hình 4.11: Dữ liệu vào hệ bồn đơn dùng nhận dạng mơ hình ngược SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 48 Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển Huấn luyện mạng nơron từ liệu thu thập được: close all; % Tải liệu huấn luyện load data y=[y1(2:1000)';y1(1:999)']; u=[u1(1:999)']; % Tiền xử lý liệu huấn luyện y=y/100; u=u/100; % Huấn luyện mạng nơron net=newff(minmax(y),[6 1],{'tansig','purelin'},'traingdx'); net.trainParam.epochs=1000; net=train(net,y,u); % Xuất mạng khối simulink gensim(net,-1); Điều khiển hệ bồn đơn dùng mơ hình ngược vừa huấn luyện Hình 4.12: Sơ đồ điều khiển trực tiếp hệ bồn đơn dùng mơ hình ngược SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 49 Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển Kết điều khiển hệ bồn đơn dùng mơ hình ngược trực tiếp Hình 4.13: Kết điều khiển hệ bồn đơn dùng mơ hình ngược Nhận xét: mạng nơron sau huấn luyện xấp xỉ đặc tính động học ngược bồn chứa sử dụng để điều khiển bồn chứa theo sơ đồ hình 4.12 Kết mơ hình4.13 cho thấy mực chất lỏng bồn chứa thay đổi theo tín hiệu vào dạng hàm nấc tốt Tuy nhiên đáp ứng hệ thống có sai số xác lập điểm làm việc mà mạng nơron chưa nhận dạng xác đặc tính động học ngược hệ bồn chứa  Điều khiển thuận: Mơ hình ngược r(t) Điều khiển PID y(t) Đối tượng Hình 4.14: Điều khiển thuận Trong trường hợp mơ hình ngược khơng thể nhận dạng hồn tồn xác đặc tính động học ngược đối tượng, điều thường xảy thực tế, sử dụng thêm điều khiển PID kinh điển để triệt tiêu sai số mơ hình theo sơ đồ hình 4.15 SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 50 Chương IV: Giới thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển Sơ đồ điều khiển thuận hệ bồn đơn dùng mơ hình ngược: Hình 4.15: Sơ đồ điều khiển thuận Do đối tượng bồn đơn hệ phi tuyến bậc nên ta cần sử dụng điều khiển PI đủ Với thông số điều khiển PI chọn Kp= 50, KI= 0.001 Kết hình 4.16 cho thấy đáp ứng hệ thống hồn tồn bám theo tín hiệu đặt điểm làm việc, khơng cịn sai số xác lập kết điều khiển hình 4.13 Hình 4.16: Kết điều khiển thuận SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 51 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron CHƯƠNG V KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG CỦA THIẾT BỊ RT010 DÙNG MẠNG NƠRON 5.1 Bộ điều khiển trực tiếp sử dụng mơ hình ngược Để thiết kế điều khiển trước hết phải thu thập liệu vào thiết bị RT010, sau dùng liệu thu thập để huấn luyện mạng nơron Sơ đồ thu thập liệu vào điều khiển mực chất lỏng RT010 Hình 5.1: Sơ đồ thu thập liệu thiết bị RT010 SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 52 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron Dữ liệu vào dùng để huấn luyện mạng nơron Hình 5.2: Dữ liệu vào thiết bị RT010 Tập lệnh huấn luyện mạng nơron close all; % Tải liệu huấn luyện load data_in_out y=[y1(2:400)';y1(1:399)']; u=[u1(1:399)']; % Tiền xử lý liệu huấn luyện y=y/10; u=u/10; % Huấn luyện mạng nơron net=newff(minmax(y),[5 1],{'tansig','purelin'}); net.trainParam.epochs=1000; net =train(net,y,u); % Xuất mạng khối simulink gensim(net,-1) SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 53 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron Sơ đồ điều khiển mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mơ hình ngược: Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển thiết bị RT010 dùng mơ hình ngược trực tiếp  Kết quả: Hình 5.4: Kết điều khiển thiết bị RT010 dùng mơ hình ngược trực tiếp Mạng nơron sau huấn luyện nhận dạng tốt đặc tính động học ngược thiết bị điều khiển mực chất lỏng RT010 Sai số tương đối nhỏ, dao động khoảng 0.7 cm SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 54 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron 5.2 Bộ điều khiển mô PID PID điều khiển thường sử dụng hệ thống điều khiển tự động Mặc dù có nhiều hạn chế điều khiển lại dễ sử dụng, thông số P,I,D chỉnh sửa dựa vào việc thử sai thực tế nên đáp ứng tương đối tốt yêu cầu người sử dụng Ở sử dụng số liệu vào PID điều khiển thiết bị RT010 để huấn luyện mạng nơron Cụ thể, liệu vào sai số độ cao mực nước đặt trước độ cao mực nước thực tế, liệu công suất điều khiển máy bơm Sơ đồ thu thập liệu vào PID: Hình 5.5: Sơ đồ thu thập liệu điều khiển PID SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 55 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron Kết điều khiển PID Hình 5.6: Kết điều khiển thiết bị RT010 PID Tập lệnh huấn luyện mạng nơron %Tai du lieu huan luyen load new; p=[p';i';d']; t=out'; %Tien xu ly du lieu p=p/100; t=t/100; net=newff(minmax(p),[10 1],{'tansig','purelin'},'traingdx'); %Huan luyen mang noron net=train(net,p,t); %Xuat khoi Simulink gensim(net,-1) SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 56 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron Sơ đồ điều khiển mạng nơron Hình 5.7: Sơ đồ điều khiển mạng nơron nhận dạng PID  Kết quả: Hình 5.8: Kết điều khiển mạng nơron nhận dạng PID SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 57 Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron  Nhận xét: mạng nơron nhận dạng xác hoạt động điều khiển PID Khi dùng điều khiển mạng nơron điều khiển mơ hình lý thuyết ta thấy tín hiệu ngõ bám sát với tín hiệu mong muốn Nhưng thiết kế điều khiển mạng nơron cho thiết bị RT010 sai số tín hiệu với tín hiệu mong muốn đặt trước lại dao động lớn Điều mô hình thực tế bị ảnh hưởng tốc độ đáp ứng, sai số hệ thống,…nên mạng nơron chưa nhận dạng tốt đối tượng 5.3 Hạn chế Bộ điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron hoàn thành đáp ứng tốt điểm đặt trước dao động lớn (khoảng 2%) 5.4 Hướng phát triển Để điều khiển đạt hiệu bám sát tín hiệu đặt trước kết hợp điều khiển mạng nơron với PID để cải thiện điều khiển mạng nơron Hay dùng mạng nơron để tinh chỉnh hệ số Ki,Kp,Kd điều khiển PID PID điều khiển tốt so với giải thuật dùng mạng nơron Chúng ta sử dụng mạng nơron để điều khiển thiết bị RT020 (điều khiển lưu lượng chất lỏng), RT030 (điều khiển áp suất), RT040 (điều khiển nhiệt độ), SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 58 Kết luận kiến nghị KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian tìm hiểu mạng nơron, công cụ Neural Network Toolbox thiết bị RT010, thiết kế điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron Do thiết bị điều khiển mực chất lỏng RT010 hệ phi tuyến đáp ứng chậm nên điều khiển dùng mạng nơron khó bám sát tín hiệu đặt trước Để việc điều khiển ổn định mực chất lỏng đạt hiệu cao nên kết hợp với điều khiển khác điều khiển PID SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 59 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Huỳnh Thái Hoàng, Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh, Đại Học Quốc Gia TP.HCM năm 2006 [1] Nguyễn Chí Ngơn, Giáo Trình Mạng Nơron Nhân Tạo, Đại Học Cần Thơ năm 2008 [2] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Đại Học Quốc Gia TP.HCM năm 2005 [3] Nguyễn Như Hiền, Lại Khắc Lãi, Hệ Mờ Nơron Trong Kỹ Thuật Điều Khiển, NXB Khoa Học Tự Nhiên Công Nghệ năm 2007 Tiếng Anh [1] Neural Network Toolbox, Matlab 2007 [2] Daniel Graupe, Principles of Artificial Neural Networks 2007 Địa Website tham khảo: www.mathworks.com www.updatesoft.com SVTH: Lương Thái Điền & Phan Thành Nhân Trang 60 ... thiệu thiết bị RT010 mơ hình điều khiển Chương V: Kết điều khiển ổn định mực chất lỏng thiết bị RT010 dùng mạng nơron  Bộ điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng mạng nơron Các yêu cầu hỗ trợ cho... đưa sử dụng điều khiển kinh điển PI, PD hay PID Ở sử dụng mạng nơron để thiết kế điều khiển ổn định mực chất lỏng cho thiết bị RT010 (điều khiển mực chất lỏng) Sau hoàn thành, điều khiển hoạt... thống điều khiển, cổ máy khơng hoạt động theo chương trình định sẵn mà biết tự suy luận tự xử lý Đề tài “ Điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng mạng nơron? ?? nhằm mục đích tìm hiểu tạo điều khiển mạng