Điều khiển tuyến tính hóa vào ra dùng mạng nơ ron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH NHÂN ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA DÙNG MẠNG NƠ-RON Chuyên ngành: Tự Động Hoá LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HCM 01- 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Cán chấm nhận xét 1: TS HOÀNG MINH TRÍ Cán chấm nhận xét 2: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ Trường Đại Học Bách Khoa, ngày 18 tháng 01 năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH -o0o - ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC -o0o Tp HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên: NGUYỄN THANH NHÂN Ngày sinh : 19-07-1981 Chuyên ngành : Tự Động Hoá Năm trúng tuyển: 2005 Giới tính : Nam Nơi sinh : Tiền Giang MSHV : 01505355 I TÊN ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HOÁ VÀO RA DÙNG MẠNG NƠ-RON II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Giới thiệu tổng quan đề tài nghiên cứu • Giới thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính hố vào ra, phương pháp điều khiển hệ tuyến tính • Giới thiệu mạng nơ-ron • Thiết kế điều khiển tuyến tính hoá vào sở dùng mạng nơ-ron • Mơ Matlab III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …………………… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …………………… V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Dương Hoài Nghóa Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày …… tháng …… năm 2008 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Dương Hoài Nghóa BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS Nguyễn Đức Thành LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Dương Hoài Nghóa hướng dẫn nghiên cứu, hỗ trợ tài liệu thảo luận, đánh giá suốt trình thực luận văn cao học Tôi xin cảm ơn tất thầy cô Bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng, thầy cô Khoa Điện-Điện tử tất thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh giảng dạy , giúp có thêm nhiều kiến thức hữu ích Cảm ơn bạn cao học khóa 2005 chuyên ngành Tự động hóa góp ý giúp thực luận văn này, suốt trình học tập Xin cám ơn tất người thân gia đình giúp đỡ hỗ trợ bước đường học tập nghiên cứu Nguyễn Thanh Nhaân Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN Trang MỤC LỤC Trang Chương MỞ ĐẦU Trang 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Trang 1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ Trang 1.2 Phương pháp điều khiển Trang 1.2 Đối tượng nghiên cứu luận văn Trang 1.2 Cấu trúc luận văn Trang Chương LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HỐ 2.1 2.2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH HỆ PHI TUYẾN Trang 10 2.1.1 Điểm cân điểm dừng hệ thống Trang 10 2.1.2 Ổn định hệ phi tuyến Trang 11 TUYẾN TÍNH HỐ LÂN CẬN ĐIỂM LÀM VIỆC Trang 12 2.2.2 Tuyến tính hố mơ hình trạng thái Trang 12 2.2.2 Thiết kế điều khiển Trang 14 2.3 TUYẾN TÍNH HỐ BẰNG HỒI TIẾP Trang 15 2.3.1 Đặt vấn đề Trang 15 2.3.2 Tuyến tính hố vào Trang 16 Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.3.3 Tuyến tính hố tồn trạng thái Trang 18 2.3.4 Động học không (zero dynamics) Trang 20 Chương NHẬN DẠNG HỆ THỐNG DÙNG MẠNG NƠ-RON 3.1 GIỚI THIỆU Trang 23 3.1.1 Khái niệm nơ-ron sinh học Trang 23 3.1.2 Mạng nơ-ron nhân tạo Trang 24 3.2 MƠ HÌNH NƠ-RON NHÂN TẠO Trang 25 3.3 PHƯƠNG PHÁP HUẤN LUYỆN MẠNG NƠ-RON Trang 26 3.4 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG DÙNG MẠNG NÔ-RON.Trang 28 Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA TRÊN CƠ SỞ DÙNG MẠNG NƠ-RON ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG 4.1 GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG Trang 38 4.2 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG Trang 41 4.2.1 Tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc Trang 41 4.2.2 Tuyến tính hố vào Trang 45 4.2.3 Tuyến tính hố vào dùng mạng nơ-ron Trang 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trang 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 70 Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Ngày thời đại nhiều thiết bị máy móc, nhìn thấy nhiều hệ thống điều khiển tự động đời sống hàng ngày Công nghệ điều khiển tự động không ngừng phát triển Đặc biệt nhờ vào cơng nghệ thơng tin khoa học máy tính liên mạng máy tính tồn cầu thiết bị đo lường xác, ngày thiết kế hệ thống điều khiển tinh vi, xác đáng tin cậy nhiều tình Hệ thống điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng sản xuất hàng hóa, giảm bớt công việc người lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm Chúng ta nhìn thấy thiết bị điều khiển tự động từ đơn giản đến hệ thống điều khiển phức tạp hệ thống máy lái máy bay, tàu vũ trụ, thiết bị thăm dò ngầm biển hệ thống điều khiển vệ tinh nhân tạo Trong vài thập niên gần đây, nhiều nỗ lực nghiên cứu phương pháp để thiết kế điều khiển cho hệ thống phi tuyến Trong công Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ nghiệp, hầu hết máy móc hay q trình điều khiển điều khiển PID Các thông số điều khiển điều chỉnh trực tiếp máy móc để đạt đến tầm mong muốn Tuy nhiên, số lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hàng khơng, điều khiển robot hay số máy móc cơng nghiệp cần có độ xác cao địi hỏi chiến lượt điều khiển phức tạp Để làm điều này, trước tiên hệ thống mơ hình hố để mơ tả cách xác đáp ứng hệ thống phương trình tốn học Tùy thuộc vào hệ thống, mơ hình tốn học liên tục hay rời rạc theo thời gian, … Đối với hệ thống động học liên tục theo thời gian, mơ hình tốn học chia làm loại mơ hình tuyến tính mơ hình phi tuyến Phân tích điều khiển mơ hình tuyến tính đề cập nhiều công cụ lý thuyết để nghiên cứu phát triển mạnh mẽ đầy đủ Cịn mơ hình phi tuyến, cơng cụ lý thuyết để phân tích điều khiển có phần hạn chế, người ta thường dùng mô hình tuyến tính để diễn tả mơ hình phi tuyến sử dụng để đơn giản việc phân tích hệ thống Tuyến tính hố hệ phi tuyến vấn đề quan trọng lĩnh vực điều khiển phi tuyến Vấn đề xác định luật hồi tiếp thích hợp để chuyển hệ phi tuyến thành hệ tuyến tính tương ứng Hồi tiếp tuyến tính hố đóng vai trị trung gian thiết kế hệ thống điều khiển hồn chỉnh Sau tuyến tính hoá, số phương pháp thiết kế cho hệ tuyến tính sử dụng để đạt đến mục tiêu điều khiển Hồi tiếp tuyến tính hố xác tồn trạng thái áp dụng giới hạn cho số hệ thống Đối với số hệ thống không cực tiểu pha, hệ thống mà điều kiện để hồi tiếp tuyến tính hố khơng thể Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ thực được, người ta xem xét phương pháp xấp xỉ hồi tiếp tuyến tính hố tuyến tính hố phần Hầu hết phương pháp tuyến tính hố xác, phần hay xấp xỉ dựa giả thuyết mô hình phi tuyến hệ thống vật lý biết xác với thơng số xác định xác Tuy nhiên, ứng dụng thực tế thơng tin thường khơng đầy đủ nên khó diễn tả động học đối tượng phương trình tốn học xác Trong thực tế, nhiều hệ phi tuyến, đặc tính động học tồn liệu kinh nghiệm thông qua thử nghiệm đo đạt Trong phạm vi luận văn, phương pháp điều khiển tuyến tính hoá vào sử dụng mạng nơ-ron áp dụng cho hệ thống phi tuyến đề cập Các vấn đề luận văn bao gồm: • Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tuyến tính hố truyền đạt vào • Nghiên cứu lý thuyết nhận dạng hệ thống phi tuyến dùng mạng nơ-ron truyền thẳng với giải thuật học lan truyền ngược • Áp dụng thiết kế điều khiển tuyến tính hố truyền đạt vào dùng mạng nơ-ron cho đối tượng phi tuyến • Mơ Matlab kết điều khiển 1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2.1 Phương pháp điều khiển Hồi tiếp tuyến tính hố phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển áp dụng cho lớp hệ phi tuyến pha cực tiểu hồi tiếp tuyến tính hố tín hiệu điều khiển u(t) xuất tuyến tính phương trình trạng thái Tổng qt kỹ thuật hồi tiếp tuyến tính hố nhằm Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ biến đổi hệ phi tuyến thành hệ tuyến tính cách hồi tiếp trạng thái biến đổi hệ toạ độ Bài toán hồi tiếp tuyến tính vào xác giải biết mơ hình tốn đối tượng phi tuyến Trong trường hợp khơng xác định mơ hình tốn hệ phi tuyến, mơ hình có yếu tố khơng chắn cách giải tốn nhận dạng hệ thống xác định mơ hình tốn đối tượng sử dụng thơng tin để thiết kế hệ thống điều khiển 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu luận văn Trong luận văn, điều khiển tuyến tính hố vào dùng mạng nơron áp dụng cho hệ thống nâng vật từ trường Trước hết, hệ thống phi tuyến cực tiểu pha, áp dụng luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố Hình 1.1: Hệ thống nâng vật từ trường Hệ thống nâng vật từ trường ứng dụng rộng rãi ứng dụng ổ bi từ tính, tàu đệm từ trường cao tốc, thiết bị đo gia tốc hay quay hồi chuyển,…Hệ thống nâng vật từ trường gồm có banh làm vật liệu từ tính nâng lực từ sinh dòng điện cuộn dây quấn quanh lõi sắt Vị trí hịn bi từ trường điều khiển điện áp cung cấp cho cuộn dây Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.26: Dữ liệu X4 dùng để nhận dạng mạng nơ-ron Hình 4.27: Dữ liệu Yd dùng để nhận dạng mạng nơ-ron Trang 58 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.28: Dữ liệu Ud dùng để nhận dạng mạng nơ-ron Kết nhận dùng mạng nơ-ron: Hình 4.29: Tổng bình phương sai số trình nhận dạng Trang 59 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.30: Kết nhận dạng hàm f Hình 4.31: Kết nhận dạng hàm g Hình 4.32: Kết nhận dạng hàm Yd Trang 60 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mơ điều khiển tuyến tính hố vào dùng mạng nơ-ron: Sau dùng mạng nơ-ron để nhận dạng, ta hàm fNN gNN, điều khiển tuyến tính hố vào thiết kế sau: u= Lg L f h( x) [v − L f h( x)] = [v − f1 ( x)] g1 ( x) hay u= [v − f NN ] g NN ( x) Sơ đồ mơ : Hình 4.33: Sơ đồ mô điều khiển dùng mạng nơ-ron Trang 61 LUẬN VĂN THẠC SĨ Kết điều khiển tuyến tính hố vào dùng mạng nơ-ron: Vị trí hịn bi [m] (sec) Hình 4.34: Kết điều khiển vị trí hịn bi so với tín hiệu đặt Dịng điện điều khiển i(t) [A] (sec) Hình 4.35: Dịng điện qua cuộn dây Trang 62 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thay đổi thông số đối tượng: Thay đổi khối lượng bi: m1 = 0,75 m: Vị trí hịn bi [m] (sec) Hình 4.36: Kết điều khiển khối lượng bi giảm 0,75 lần Dòng điện điều khiển i(t) [A] (sec) Hình 4.37: Dịng điện qua cuộn dây khối lượng giảm 0,75 lần Trang 63 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thay đổi khối lượng bi: m1 = 1,5m: Vị trí hịn bi [m] (sec) Hình 4.38: Kết điều khiển khối lượng bi tăng 1.5 lần Dịng điện điều khiển i(t) [A] (sec) Hình 4.39: Dòng điện qua cuộn dây khối lượng bi tăng 1.5 lần Trang 64 LUẬN VĂN THẠC SĨ Khi điện trở R thay đổi: R1 = 0.97R: Vị trí hịn bi [m] (sec) Hình 4.40: Kết điều khiển điện trở R giảm Dòng điện điều khiển i(t) [A] (sec) Hình 4.41: Dịng điện qua cuộn dây điện trở R giảm Trang 65 LUẬN VĂN THẠC SĨ Khi điện trở R thay đổi: R1 = 1,1R (tăng 10%): Vị trí hịn bi [m] Hình 4.42: Kết điều khiển điện trở R tăng (sec) Dòng điện điều khiển i(t) [A] (sec) Hình 4.43: Dịng điện qua cuộn dây điện trở R tăng Trang 66 LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhận xét: Kết mô cho ta thấy dùng mạng nơ-ron để thiết kế điều khiển tuyến tính hố vào cho ta kết tốt • Tín hiệu bám theo tín hiệu đặt tốt với sai số xác lập = • Thời gian đáp ứng nhanh • Hệ thống ổn định ta thay đổi thơng số đối tượng • Mạng nơ-ron xấp xỉ gần xác mơ hình đối tượng, kết điều khiển tương đối giống với kết điều khiển tuyến tính hố vào kinh điển Trang 67 LUẬN VĂN THẠC SĨ KEÁT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong phạm vi luận văn, phương pháp điều khiển tuyến tính hố vào sử dụng mạng nơ-ron áp dụng cho hệ thống phi tuyến đề cập Các vấn đề thực luận văn bao gồm: • Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tuyến tính hố truyền đạt vào • Nghiên cứu lý thuyết nhận dạng hệ thống phi tuyến dùng mạng nơ-ron truyền thẳng với giải thuật học lan truyền ngược • Áp dụng thiết kế điều khiển tuyến tính hoá truyền đạt vào dùng mạng nơ-ron cho đối tượng phi tuyến • Mơ hệ thống điều khiển Matlab Các kết mô cho ta thấy hệ thống điều khiển tuyến tính hố vào áp dụng cho hệ thống phi tuyến Kết mô dùng mạng nơ-ron phương pháp điều khiển tuyến tính hố thơng thường cho ta kết tương đương Ưu điểm phương pháp dùng mạng nơ-ron người thiết kế khơng cần biết xác mơ hình thơng số đối tượng Luận văn phát triển theo hướng điều khiển thích nghi dùng phương pháp tuyến tính hóa vào Trang 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương trình mơ bao gồm: Điều khiển tuyến tính hố điển cân bằng: • Mơ phỏng: linearzation_equilibrium_point.mdl • Khởi động trị: parameter equilibrium_point.m Điều khiển tuyến tính hố vào ra: • Mơ phỏng: Feedback_Linearzation.mdl • Khởi động trị: parameter.m Điều khiển tuyến tính hố vào dùng mạng nơ-ron: • Mơ phỏng: Feedback_Linearzation_UsingNeuralNetwork.mdl • Khởi động trị: parameter_neuralnetwork.m Nhận dạng hệ thống: • Thu thập liệu: Feedback_Linearzation_data.mdl • Khởi động trị: parameter_data.m • Chương trình nhận dạng: huan_luyen.m Trang 69 LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Dương Hoài Nghĩa, “Điều khiển hệ thống đa biến”, 2007, NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [2] Huỳnh Thái Hồng, “Bài giảng môn học Điều khiển thông minh”, 2006, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Thiện Thành, “Bài giảng môn học Mạng nơ-ron nhận dạng, dự báo điều khiển”, 2006, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [4] Hassan K.Khalil, “Nonlinear Systems” third edition Prentice Hall [5] Kahina Guemghar, “On the use of input-output feedback linerization techniques for control of nonminimum-phase systems” Algerian nationality DEA in automatic and treatment of the signal, University Paris XI, France [6] Hossam A Abdel Fattah, “Nonlinear System Control Via Feedback Linearization Using Neural Networks” Cairo University [7] Jeffrey T Spooner and Kevin M Passino “Adaptive Fuzzy Control: Experiments and Comparative Analyses” IEEE Transactions on Fuzzy systems, Vol.5, No.2, MAY 1997 [8] John Hauser, Shankar Sastry and Petar Kokotovie, “Nonlinear Control Via Approximate Input-Output Linearization: The Ball and Beam Example”, IEEE Transactions on Automatic Control Vol.37, No 3, March 1992 [9] N.D.Phước P.X.Minh (2001) , Nhận dạng hệ thống điều khiển [10] L.Ljung (1999) , System Identification-Theory for the user Trang 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ [11] Raul Ordonez, Jon Zumberge, Jeffrey T Spooner, and Kevin M Passino, “Adaptive Fuzzy Control: Experiments and Comparative Analyses”, IEEE [12] Jeffrey D Lindlau and Carl R Knospe, “Feedback Linearization of an Active Magnetic Bearing With Voltage Control”, IEEE VOL 10, NO 1, JANUARY 2002 [13] Alessandro De Luca Pasquale Lucibello, “A General Algorithm for Dynamic Feedback Linearization of Robots with Elastic Joints” 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation [14] Felix Sawo, Masayuki Fujita and Oliver Sawodny," Passivitybased Dynamic Visual Feedback Control of Manipulators with Kinematic Redundancy” 2005 IEEE Conference on Control Applications [15] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh – Hán Thành Trung, “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật [16] Eric N Johnson*, Anthony J Calise†, and Hesham A El-Shirbiny, “Feedback linearization with neural network augmentation applied to x33 attitude control”, AIAA-2000 [17] Lương Văn Lăng, “Cơ sở tự động”, NXB Giáo Dục [18] Nguyễn Thị Phương Hà, “ Lý thuyết điều khiển đại”, ĐHBK TP Hồ Chí Minh 2005 Trang 71 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : NGUYỄN THANH NHÂN Phái : Nam Ngày sinh : 19-07-1981 Nơi sinh : Tiền Giang Địa chỉ:108/39/4 Trần Văn Quang, P10, Q.TB, Tp Hồ Chí Minh Email:ntnhan.ftc@sgn.vietnamair.com.vn/ Khóa (năm trúng tuyển) : Khoá 2005 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1999 - 2004: Sinh viên trường Đại học Bách khoa Tp HCM, chuyên ngành Điều khiển tự động Tháng 04-2004 tốt nghiệp Kỹ sư 8/2004 – 12/2004: Học viên Khoá 31 Đào tạo Só Quan Dự Bị Tốt nghiệp quân hàm Thiếu uý SQDB 2005 - 2007: Học viên cao học trường Đại học Bách khoa Tp HCM, chuyên ngành Tự Động Hoá QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 03 - 2004 đến 08 -2004 : làm việc Nhà máy cán thép Phước Khanh Địa chỉ: Hóc Môn, Tp Hồ Chí Minh 12 – 2004 đến 07 - 2007 : làm việc Công ty TNHH Kỹ Thuật PT Địa chỉ: 156/6 Cộng Hoà, Phường 12, Tân Bình, TP HCM 08 – 2007 đến : công tác Trung Tâm Huấn Luyện Bay – Tổng công ty Hàng Không Việt Nam – Vietnam Airlines Địa chỉ: 117 Hồng Hà, Phường 2, Tân Bình, TP HCM ... Giới thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính hố vào ra, phương pháp điều khiển hệ tuyến tính • Giới thiệu mạng nơ-ron • Thiết kế điều khiển tuyến tính hố vào sở dùng mạng nơ-ron • Mơ Matlab... thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính hố vào ra, phương pháp điều khiển hệ tuyến tính • Chương 3: Giới thiệu mạng nơ-ron • Chương 4: Thiết kế điều khiển tuyến tính hố vào sở dùng mạng nơ-ron để... trình tuyến tính hố điểm Xe: Hình 4.2: Mơ điều khiển tuyến tính hố điểm Xe Kết mơ với hàm truyền tuyến tính: Hình 4.3: Kết điều khiển vị trí hịn bi Áp dụng điều khiển hệ tuyến tính cho hệ phi tuyến: