Điều khiển nơ rôn mờ thích nghi hệ phi tuyến

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG DUY TRUNG ĐIỀU KHIỂN NƠ-RÔN MỜ THÍCH NGHI HỆ PHI TUYẾN Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số ngành : 605260 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2007 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày … tháng 12 năm 2007 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày …… tháng …… năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : TRƯƠNG DUY TRUNG Ngày, tháng, năm sinh : 15-12-1976 Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA I TÊN ĐỀ TÀI Phái Nơi sinh MSHV : Nam : Quảng Bình : 01505360 ĐIỀU KHIỂN NƠ-RÔN MỜ THÍCH NGHI HỆ PHI TUYẾN II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Trình bày kiến thức tảng lý thuyết mờ, mạng nơ-rôn hướng kết hợp hệ mờ mạng nơ-rôn Nghiên cứu mở rộng thuật toán điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi trực tiếp (DAFNOC) gián tiếp (IAFNOC) cho hệ phi tuyến MIMO Kiểm chứng thuật toán mở rộng kết qủa mô điều khiển hệ cánh tay máy hai bậc tự do, hệ cánh tay mềm dẻo với kết qủa điều khiển thực hệ cánh tay mềm dẻo III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : / / 2007 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : / / 2007 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Nguyễn Thị Phương Hà CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) PGS TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ CN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng Năm 2007 TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CÁM ƠN Tôi chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Thị Phương Hà, người tận tình hướng dẫn nghiên cứu khoa học, hỗ trợ tài liệu thảo luận trình thực luận văn cao học Tôi xin gởi lời chân thành cảm ơn tới Thầy Cô giảng dạy chương trình cao học, giúp có thêm nhiều kiến thức hữu ích liên quan đến đề tài Cảm ơn bạn lớp cao học Tự Động Hóa khóa 16 trao đổi, góp ý chuyên môn Sự góp ý bạn góp phần quan trọng đến thành công luận văn Con cảm ơn ba mẹ quan tâm giúp đỡ bước đường học tập Cảm ơn vợ trai thường xuyên động viên, tạo điều kiện mặt suốt thời gian học thực luận văn cao học Trương Duy Trung -1- TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong luận văn này, điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi AFNOC cho lớp hệ phi tuyến MIMO phát triển sở thuật toán AFNOC cho hệ phi tuyến SISO đăng tải tạp chí Bộ điều khiển AFNOC sử dụng mạng nơ-rôn mờ Singleton để xấp xỉ luật điều khiển (bộ điều khiển trực tiếp DAFNOC) hay xấp xỉ hàm tính luật điều khiển (bộ điều khiển gián tiếp IAFNOC) với thông số điều khiển chỉnh định trực tiếp Để minh chứng cho tính khả thi thuật toán, luận văn ứng dụng điều khiển AFNOC để mô điều khiển hệ cánh tay hai khớp nối hệ cánh tay mềm dẻo Kết mô so sánh với kết công bố tạp chí Từ cho thấy dùng điều khiển AFNOC cho hệ cánh cánh tay hai khớp nối có kết điều khiển bám theo tốt đảm bảo ổn định tầm thay đổi lớn thông số đối tượng Luận văn ứng dụng điều khiển DAFNOC để điều khiển thực hệ cánh tay mềm dẻo phòng thí nghiệm C6 Kết đạt so sánh với kết thuật toán khác cho thấy thuật toán DAFNOC áp dụng cho nhiều đối tượng khác cho đối tượng đo lường đầy đủ trạng thái ABTRACT In this thesis, an adaptive fuzzy-neural output-feedback controller (AFNOC) for a class of uncertain MIMO nonlinear systems is developed base on algorithm AFNOC for SISO nonlinear systems which is issued in the papers The AFNOC uses the fuzzyneural network Singleton to approximate the control law (direct controller DAFNOC) or approximate the nonlinear function and then calculate the control law (indirect controller IAFNOC) with on-line turning the weighting factors of the controller To demonstrate the effectiveness of the proposed method, in this thesis, the AFNOC is used to simulated control for two link arms and flexible links systems The simulation results are compared with the results in other papers which are issued It showed up that using the AFNOC for two link arms had good tracking control results and ensure stableness when extend the range to change parameters of system In the thesis the DAFNOC is used to control for the flexible link system in the laboratory C6 The results are compared with the results in other algorithms, it showed up that the algorithm DAFNOC may be used for more systems even for the systems can measure all states LUẬN VĂN THẠC SĨ -2- MỤC LỤC Tóm tắt luận văn thạc só Muïc luïc Danh mục hàm, ký hiệu, từ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị, bảng biểu Chương 1.1 1.2 TOÅNG QUAN 11 Khái quát vấn đề công trình liên quan 11 1.1.1 Tổng quan điều khiển thích nghi .11 1.1.2 Khái quát điều khiển nơ-rôn mờ thích nghi hồi tiếp ngõ .12 Giới thiệu luận vaên 14 1.2.1 Mục đích luận văn 14 1.2.2 Sơ lược nội dung luận văn 15 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Tập hợp mờ logic mờ 17 2.1.1 Tập hợp mờ 17 2.1.2 Logic mờ 21 2.1.3 Hệ mờ 23 2.2 Mạng nơ-rôn nhân tạo .25 2.2.1 Khái quát mạng nơ-rôn nhân tạo 26 2.2.2 Các thành phần mạng nơ-rôn nhân tạo 26 2.3 2.4 Mạng nơ-rôn mờ Singleton 29 Kết luận .33 3.1 3.2 3.3 ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP NGÕ RA NƠ-RÔN MỜ THÍCH NGHI 35 Giới thiệu 35 Điều khiển thích nghi hồi tiếp ngõ 36 Điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi trực tiếp 38 3.3.1 Lý thuyết điều khiển DAFNOC 38 3.3.2 Giải thuật thiết kế điều khiển DAFNOC 45 3.4 Điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi gián tiếp .53 Chương LUẬN VĂN THẠC SĨ -33.4.1 Lý thuyết điều khiển IAFNOC .53 3.5 3.4.2 Giải thuật thiết kế điều khiển IAFNOC .59 Kết luận .62 Chương MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN MIMO DÙNG THUẬT TOÁN AFNOC 63 4.1 Điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi hệ cánh tay máy hai khớp nối 63 4.1.1 Mô tả đối tượng 63 4.1.2 Thieát keá điều khiển DAFNOC IAFNOC cho hệ cánh tay maùy .66 4.1.3 Kết mô 67 4.2 Điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi trực tiếp hệ cánh tay mềm dẻo .77 4.2.1 Khảo sát đặc tính động học hệ cánh tay mềm dẻo phòng thí nghiệm C6 77 4.2.2 Giải thuật thiết kế điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi trực tieáp 81 4.2.3 Kết mô 82 4.3 Kết luận 85 Chương ĐIỀU KHIỂN THỰC HỆ CÁNH TAY MỀM DẺO DÙNG THUẬT TOÁN DAFNOC 87 5.1 Các thiết bị hệ thống điều khiển cánh tay mềm dẻo phòng thí nghiệm C6 87 5.1.1 Sơ đồ khối 87 5.1.2 Giới thiệu Card Quanser PCI MultiQ 88 5.2.3 Bộ khuếch đại công suất 89 5.2.4 Giới thiệu phần mềm wincon 4.1 90 5.2 Điều khiển hồi tiếp ngõ nơ-rôn mờ thích nghi trực tiếp 91 5.2.1 Tóm tắt giải thuật .91 5.2.2 Kết 92 LUẬN VĂN THẠC SĨ -45.3 Các chương trình điều khiển phòng thí nghiệm 98 5.3.1 Tóm tắt giải thuaät 98 5.3.2 Kết 98 5.4 Điều khiển hồi tiếp trạng thái nơ-rôn mờ thích nghi trực tiếp .102 5.4.1 Tóm tắt giải thuật 102 5.4.2 Kết .103 5.5 Keát luaän 107 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .109 6.1 Kết luận 109 6.1.1 Khái quát vấn đề 109 6.1.2 Những kết đạt .100 6.1.3 Những hạn chế 112 6.2 Hướng phát triển đề taøi 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .114 PHUÏ LUÏC 117 Lý lịch trích ngang .151 LUẬN VĂN THẠC SĨ -5- Danh mục hàm, ký hiệu, từ viết tắt • Toán tử, hàm arg đối số làm cực tiểu hàm diag ma trận chéo sup cận nhỏ • Ký hiệu ~ tập mờ Α ~ μ A~ ( x) hàm liên thuộc tập mờ A ~ R quan hệ mờ A ma trận chéo ma trận A0 k B ma trận chéo ma trận B0 k C ma trận chéo ma traän C k I p n ma traän đơn vị số ngõ vào, ngõ bậc phương trình động học n = m1 + m2 + + m p u ngõ vào điều khiển u = [u1 , u , , u p ]T ∈ R p u* uf luật điều khiển dựa tiếp cận tương đương chắn xấp xỉ luật điều khiển u * d nhiễu d = [d1 , d , , d p ]T ∈ R p v thành phần để khử nhiễu sai số mô hình v = [v1 , v , , v p ]T ∈ R p y ngõ hệ thống y = [ y1 , y , , y p ]T ∈ R p yr tín hiệu mong muốn y r = [ y r1 , y r , , y rp ]T ∈ R p Yr vector trạng thái mong muốn Yr = [ yr1 , y& r1 , ,yr(1m1−1) , ,yrp , y& rp , ,yrp(mp−1) ]T x vector trạng thái x = [ y1 , y&1 , , y1( m1−1) , , y p , y& p , , y (pmp −1) ]T ∈ R n xˆ E1 vector trạng thái ước lượng vertor sai số ngõ E1 = [e1 , e2 , , e p ]T ∈ R p e vertor sai soá trạng thái e = [e1 , e&1 , , e1( m1−1) , , e p , e& p , , e (pmp −1) ]T ∈ R n eˆ Eˆ ~ e ~ E1 vector sai số trạng thái ước lượng eˆ = Yr − xˆ vector sai số ngõ ước lượng vector sai số trạng thái quan sát ~e = e − eˆ ~ vector sai số ngõ quan sát E1 = E1 − Eˆ1 vector độ lợi hồi tiếp Kc LUẬN VĂN THẠC SĨ -6K0 vector độ lợi quan sát trạng thái F (x) vector đặc tính động học hệ phi tuyến MIMO dạng chuẩn F ( x) = [ f ( x), f ( x), , f p ( x)]T ∈ R p f k (x) thành phần thứ k véc tơ F (x) Fˆ ( xˆ ) ước lượng F (x) G (x) ma trận độ lợi đầu vào hệ phi tuyến MIMO dạng chuẩn g ik ( x) thành phần hàng i cột k ma trận G (x) Gˆ ( xˆ ) ước lượng G (x) L−k1 ( s ) hàm truyền chắn ổn định với Lk (s) = s m + b1 s m−1 + b2 s m−2 + + bm θ m < n thông số điều khiển AFNOC cập nhật on-line θ = [θ1 ,θ , ,θ p ] ∈ R p θk vector trọng số kết nối lớp lớp mạng Singleton thứ k (thông số θ k cập nhật on-line) θ k = [θ k−1 ,θ k−2 , ,θ k− h ]T ∈ R h θ k−i thành phần thứ i vector tham số cần ước lượng θ k* thông số tối ưu mạng Singleton thứ k ϕ k (eˆ) vector sở mờ mạng Singleton thứ k với ngõ vào vector eˆ ϕ k (eˆ) = [ϕ k1 , ϕ k2 , , ϕ kh ]T ∈ R h ϕ ki ngõ nơ-rôn thứ i lớp thứ mạng Singleton thứ k γk độ lợi thích nghi thiết kế cho luật cập nhật vector thông số θ k γ k > δ ( x) trị riêng lớn ma trận G (x) δ p ( x) trị riêng nhỏ ma trận G (x) δ chặn δ p ( x) δ max chặn δ i ( x) ρk số dương thiết kế để tính thành phần điều khiển v k αk số dương thiết kế tùy theo sai số ngõ quan sát trạng thái để tính thành phần điều khiển v k V Q C6 hàm Lyapunov trọng số hàm Lyapunov Phòng thí nghiệm số hệ thống điều khiển – Phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG Tp HCM • Từ viết tắt AFNOC Adaptive Fuzzy-Neural Output Feedback Controller Bộ điều khiển nơ-rôn mờ thích nghi (dùng đại diện cho hai điều khiển DAFNOC IAFNOC) LUẬN VĂN THẠC SÓ - 138 handles.ButtonStopH = ButtonStopH; handles.ButtonExitH = ButtonExitH; %handles.ButtonDefaultH=ButtonDefaultH; handles.ProgressDynamicLineH = ProgressDynamicLineH; handles.ProgressTextH = ProgressTextH; set(MainFigureH,'UserData',handles); %************************ % Ve on-line function sys = mdlUpdates(t,x,u,flag) MainFigureH = findobj('Tag','MainFigureH'); handles = get(MainFigureH,'UserData'); q1ref=u(1); q2ref = u(2); q1 = u(3); q2 = u(4); u1=u(5); u2 = u(6); a1= u(7); a2= u(8); a3= u(9); %************************ %Cap nhat truc hoanh thi global taxis_max; tmax = evalin('base','tplotmax'); if t < tmax, taxis_max = tmax; end if t > taxis_max set(handles.PlotAxesH,'XLim',[taxis_max, taxis_max+tmax]); taxis_max = taxis_max + tmax; set(handles.q2refLineH,'Xdata',t,'YData',q2ref); end %************************ % Hien thi Robot if u(7)>1 % Ti le ve chieu dai canh tay u(7)=u(7); else u(7)=u(7)*0.9; end if u(8)>1 % Ti le ve chieu dai canh tay u(8)=u(8); else u(8)=u(8)*0.9; end LUAÄN VĂN THẠC SĨ - 139 - if a3