Giải pháp tối ưu các tham số định lượng ngữ nghĩa của đại số gia tử và ứng dụng cho bài toán lập luận xấp xỉ mờ trong điều khiển

Giải pháp tối ưu các tham số định lượng ngữ nghĩa của đại số gia tử và ứng dụng cho bài toán lập luận xấp xỉ mờ trong điều khiển Giải pháp tối ưu các tham số định lượng ngữ nghĩa của đại số gia tử và ứng dụng cho bài toán lập luận xấp xỉ mờ trong điều khiển luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN ĐỨC VĂN GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÁC THAM SỐ ĐỊNH LƯỢNG NGỮ NGHĨA CỦA ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN LẬP LUẬN XẤP XỈ MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN ĐỨC VĂN GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÁC THAM SỐ ĐỊNH LƯỢNG NGỮ NGHĨA CỦA ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN LẬP LUẬN XẤP XỈ MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY MINH THÁI NGUYÊN - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm cá nhân hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Duy Minh Trong toàn nội dung luận văn, nội dung trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Thái Nguyên, 15 tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Đức Văn ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Duy Minh - người hướng dẫn khoa học, thầy định hướng nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em trình làm luận văn Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông; Viện công nghệ thông tin thuộc Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho chúng em thời gian học tập Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, ban cán học viên lớp cao học CK15A, người thân gia đình động viên, chia sẻ, tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình học tập làm luận văn Thái Nguyên, 15 tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Đức Văn iii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1 Biến ngơn ngữ mơ hình mờ 1.1.1 Biến ngôn ngữ 1.1.2 Mơ hình mờ 1.2 Đại số gia tử 1.2.1 Độ đo tính mờ giá trị ngôn ngữ 1.2.2 Hàm định lượng ngữ nghĩa 1.2.3 Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ 10 1.2.4 Khái niệm ngưỡng hiệu chỉnh định lượng ngữ nghĩa 12 1.3 Phương pháp lập luận xấp xỉ mờ đa điều kiện 13 1.4 Bài toán tối ưu giải thuật di truyền 15 1.4.1 Bài toán tối ưu 15 1.4.2 Giải thuật di truyền 16 1.4.2.1 Các khái niệm giải thuật di truyền 16 1.4.2.2 Cơ chế thực giải thuật di truyền 19 1.4.2.3 Các phương pháp biểu diễn nhiễm sắc thể toán tử di truyền chuyên biệt 22 1.4.2.4 Biểu diễn thực 22 1.4.2.5 Các toán tử chuyên biệt hoá 23 1.5 Kết luận Chương 25 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÁC THAM SỐ ĐỊNH LƯỢNG NGỮ NGHĨA CHO PHƯƠNG PHÁP LẬP LUẬN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ 26 2.1 Phương pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử 26 2.2 Các giải pháp tối ưu tham số định lượng ngữ nghĩa 29 iv 2.3 Giải pháp xác định tham số định lượng ngữ nghĩa tối ưu 32 2.3.1 Giải pháp tối ưu tham số đại số gia tử 32 2.3.2 Giải pháp xác định mơ hình định lượng ngữ nghĩa tối ưu 33 2.3.2.1 Phân tích ảnh hưởng tham số hiệu chỉnh 33 2.3.2.2 Thuật toán xác định mơ hình định lượng ngữ nghĩa tối ưu 34 2.4 Phương pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử dựa mơ hình định lượng ngữ nghĩa tối ưu 36 2.4.1 Vấn đề xác định giá trị định lượng ngữ nghĩa tối ưu 36 2.4.2 Sử dụng tham số hiệu chỉnh tối ưu cho phương pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử 37 2.5 Tổng kết Chương 39 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LẬP LUẬN XẤP XỈ MỜ SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ VỚI MƠ HÌNH ĐỊNH LƯỢNG NGỮ NGHĨA TỐI ƯU TRONG ĐIỀU KHIỂN 40 3.1 Mô tả số toán điều khiển logic mờ 40 3.1.1 Bài tốn 1: Xấp xỉ mơ hình mờ EX1 Cao-Kandel [9] 40 3.1.2 Bài toán 2: Bài toán hệ lắc ngược [8] 41 3.2 Ứng dụng phương pháp lập luận xấp xỉ mờ sử dụng đại số gia tử điều khiển 43 3.2.1 Phương pháp điều khiển logic mờ truyền thống 43 3.2.2 Phương pháp lập luận xấp xỉ mờ sử dụng đại số gia tử điều khiển44 3.2.3 Phương pháp lập luận xấp xỉ mờ sử dụng đại số gia tử với mơ hình định lượng ngữ nghĩa tối ưu điều khiển 47 3.3 Ứng dụng 48 3.3.1 Bài toán 48 3.3.2 Bài toán 52 3.4 Kết luận Chương 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 v DANH MỤC BẢNG Bảng So sánh giá trị ĐLNN 31 Bảng Mơ hình EX1 Cao-Kandel 40 Bảng Các kết xấp xỉ EX1 tốt Cao-Kandel [9] 41 Bảng 3 Mơ hình FAM cho hệ lắc ngược 43 Bảng Mơ hình SAM gốc - xấp xỉ mơ hình EX1 50 Bảng Mơ hình SAM (PAR2) – xấp xỉ mơ hình EX1 50 Bảng Sai số lớn phương pháp mơ hình EX1 51 Bảng Chuyển nhãn ngôn ngữ cho biến X1, X2 52 Bảng Nhãn ngôn ngữ cho biến u 52 Bảng Mơ hình SAM gốc hệ lắc ngược 52 Bảng 10 Mơ hình SAM(PAR2) hệ lắc ngược 53 Bảng 11 Sai số phương pháp hệ lắc ngược 55 vi DANH MỤC HÌNH Hinh 1 Độ đo tính mờ Hinh Mã hoá nhị phân biểu diễn cá thể 17 Hinh Biểu diễn giá trị  hai lần chọn 24 Hình Đường cong thực nghiệm mơ hình EX1 41 Hình Mô tả hệ lắc ngược 42 Hình 3 Sơ đồ phương pháp điều khiển CFC 44 Hình Sơ đồ phương pháp điều khiển FCHA 45 Hình Kết xấp xỉ mơ hình EX1 Cao Kandel 51 Hình Đồ thị lỗi hệ lắc ngược 55 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:  Tổng độ đo tính mờ gia tử âm  Tổng độ đo tính mờ gia tử dương  Giá trị định lượng phần tử trung hòa AX Đại số gia tử AX* Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ W Phần tử trung hịa đại số gia tử 𝜀 Ngưỡng hiệu chỉnh định lượng ngữ nghĩa δ Tham số hiệu chỉnh giá trị định lượng ngữ nghĩa c -, c + Các phần tử sinh Các chữ viết tắt: ĐLNN Định lượng ngữ nghĩa ĐSGT Đại số gia tử GA Genetic Algorithm FMCR Fuzzy Multiple Conditional Reasoning FAM Fuzzy Associative Memory SAM Semantic Associative Memory HAR Hedge Algebras Reasoning OpPAR Optimal - Parameter CFC Conventional Fuzzy Control FCHA Fuzzy Control Using Hedge Algebras FCOPHA Fuzzy Control using Optimal Hedge Algebras MỞ ĐẦU Khoa học ngày phát triển có nhiều thiết bị máy móc hỗ trợ cho đời sống người Các thiết bị máy móc “thơng minh” thay sức lao động thiết bị dạng dường đích mà người vươn tới Như vậy, nhu cầu thiết yếu sống tạo máy móc hành xử giống với người Hay nói cách khác máy phải biết suy luận để đưa định đắn Người tiên phong lĩnh vực Zadeh [11] Trong cơng trình ơng mơ tả cách toán học khái niệm mơ hồ mà ta thường gặp sống như: cao, thấp; đúng, sai tập mờ Nhờ việc xây dựng lý thuyết tập mờ mà người suy diễn từ khái niệm mơ hồ đến khái niệm mơ hồ khác mà thân logic kinh điển không làm Trên sở thơng tin khơng xác thu được, người ta đưa định hiệu cho tình tốn Tuy nhiên, phương pháp lập luận người vấn đề phức tạp khơng có cấu trúc Vì kể từ lý thuyết tập mờ đời nay, chưa có sở lý thuyết hình thức chặt chẽ theo nghĩa tiên đề hoá cho logic mờ lập luận mờ Để đáp ứng phần nhu cầu xây dựng sở toán học cho việc lập luận ngôn ngữ, N.Cat Ho Wechler [12] đề xuất cách tiếp cận dựa cấu trúc tự nhiên miền giá trị biến ngơn ngữ, cơng trình, tác giả rằng, giá trị biến ngôn ngữ thực tế có thứ tự định mặt ngữ nghĩa, ví dụ ta hồn tồn cảm nhận rằng, ‘trẻ’ nhỏ ‘già’, ‘nhanh’ lớn ‘chậm’ Với việc định lượng từ ngôn ngữ ĐSGT, số phương pháp lập luận nội suy đời nhằm mục đích giải toán lập luận mờ đa điều kiện, toán ứng dụng nhiều tự nhiên, kỹ thuật [11], phương pháp lập luận gọi phương pháp lập luận xấp xỉ mờ sử dụng ĐSGT Tuy nhiên thực phương pháp lập luận tồn tại: Trong ĐSGT, việc ánh xạ ĐLNN bảo tồn thứ tự ngữ nghĩa định tính, phương pháp ĐLNN hàm chứa lợi việc chuyển trung thành mơ hình mờ sang mơ hình định lượng (theo trực giác) để giải toán ứng dụng Tuy nhiên mơ hình định lượng tương đối hợp lý chưa tối ưu Vì ta phải nghiên cứu số giải ... đại số gia tử 26 2.2 Các giải pháp tối ưu tham số định lượng ngữ nghĩa 29 iv 2.3 Giải pháp xác định tham số định lượng ngữ nghĩa tối ưu 32 2.3.1 Giải pháp tối ưu tham số đại số gia tử. .. dụng cho toán lập luận xấp xỉ mờ điều khiển? ?? nghiên cứu đưa giải pháp tối ưu tham số ĐLNN phương pháp lập luận mờ dựa ĐSGT Giải pháp tối ưu tham số ngữ nghĩa định lượng cài đặt thử nghiệm số toán. . .ứng dụng phương pháp GA_HAR vào số toán điều khiển mờ Chương 40 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LẬP LUẬN XẤP XỈ MỜ SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ VỚI MƠ HÌNH ĐỊNH LƯỢNG NGỮ NGHĨA TỐI ƯU TRONG ĐIỀU KHIỂN