7. Kết cấu của luận ỏn
1.3.1.Bộ điều khiển PID dựa trờn mạng nơ-ron lan truyền ngược cho
thống điều khiển hướng đi tàu thủy
Một BĐK PID dựa trờn mạng nơ-ron lan truyền ngược (BPNN) được đề xuất trong tài liệu [38]. Cấu trỳc của hệ thống điều khiển này được minh họa trờn hỡnh 1.11.
Trong thuật toỏn này, BĐK PID là phương phỏp điều khiển tuyến tớnh và được biểu diễn như sau:
1t de (t ) u (t ) =K p . e (t ) + T e (t )dt +Td dt (1.7) 0 i Thuật toỏn học Mạng nơ-ron nhõn tạo Kp Ki Kd r + e ‐ Bộ điều
khiển Mỏy lỏi Tàu thủy
Trong đú, u (t ) là đầu ra của BĐK PID; KP là hệ số tỷ lệ, Ti là hằng số thời gian tớch phõn và Td là hằng số thời gian vi phõn; e (t )là sai số của hệ thống được biểu diễn như sau:
e (t ) = y (t ) −r (t ) (1.8) Trong đú, y(t) là đầu ra thực tế và r (t ) là đầu ra mong muốn của hệ thống điều khiển.
Mạng nơ-ron lan truyền ngược cú 3 lớp, cấu trỳc của BĐK được minh họa trờn hỡnh 1.12. Số lượng cỏc nơ-ron lớp vào, lớp ẩn và lớp ra tương ứng là M, Q, 3.
Hỡnh 1.12. Cấu trỳc mạng nơ-ron lan truyền ngược
Mạng nơ-ron lan truyền ngược điều hưởng cỏc tham số PID một cỏch tự động trong suốt quỏ trỡnh điều khiển. Hàm chỉ tiờu chất lượng cú dạng như sau:
E (k ) = 1(rin (k ) −yout (k ))2
2
Trong đú,rin là đầu ra mong muốn; yout là đầu ra thực tế.
Quỏ trỡnh huấn luyện mụ hỡnh mạng nơ-ron phải được thực hiện trước khi đưa vào sử dụng. Quỏ trỡnh huấn luyện này được lặp lại cho đến khi sai số bỡnh phương trung bỡnh của dữ liệu huấn luyện đạt tối thiểu mong muốn.
Kết quả mụ phỏng cho thấy BĐK PID nơ-ron cú thời gian điều chỉnh ngắn hơn, độ vượt quỏ giỏ trị điều khiển nhỏ và độ bền vững cao hơn so với BĐK PID thụng thường.
Sự thay đổi cỏc tham số của K p , Ki
và Kd được minh họa ở hỡnh 1.13. Hướng đi và gúc bẻ lỏi của tàu dưới sự điều khiển của BĐK PID dựa trờn mạng nơ-ron BP trong điều kiện cú và khụng cú nhiễu mụi trường tỏc động được so sỏnh với BĐK PID thụng thường (Hỡnh 1.14, 1.15)
Hỡnh 1.14. Mụ phỏng hướng đi
1.3.2. Bộ điều khiển PID dựa trờn mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyờn tõm cho hệ thống điều khiển hướng đi tàu thủy
BĐK PID dựa trờn mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyờn tõm (RBF) cho điều khiển hướng tàu được đề xuất trong tài liệu [39]. BĐK này gồm cú hai phần: 1) BĐK PID thụng thường và 2) Mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyờn tõm. BĐK PID được sử dụng để điều khiển hướng tàu và mạng RBF dựng để điều hưởng
cỏc tham số K , K và K của BĐK PID một cỏch tự động. Thuật toỏn điều
p i d
khiển này kết hợp ưu điểm của cả phương phỏp điều khiển thụng thường (BĐK PID) và kỹ thuật điều khiển hiện đại (mạng RBF) nhằm nõng cao chất lượng điều khiển, cú khả năng thớch nghi cao và rỳt ngắn thời gian thiết kế hệ thống. Sơ đồ điều khiển của hệ thống được minh họa ở hỡnh 1.16.
BĐK PID cú cấu tạo tương tự như (1.7) và đầu ra của BĐK u(t) cú chức năng điều khiển bỏnh lỏi tàu thủy.
Hỡnh 1.16. Sơ đồ cấu trỳc BĐK PID dựa trờn mạng RBF
Mạng RBF được thiết kế cú một lớp vào, một lớp ẩn và một lớp ra được minh họa trờn hỡnh 1.17.
Hỡnh 1.17. Cấu trỳc mạng nơ-ron RBF
Hàm chỉ tiờu chất lượng của mạng nơ-ron RBF cú dạng:
J = 1y (k ) −
y (k )2
RBF m (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2
(1.10)
Trong đú, y(k) là giỏ trị đầu ra của hệ thống điều khiển tại thời điểm k;
y m (k ) là giỏ trị đầu ra của mạng RBF tại thời điểm k.
Do mạng RBF là một trường hợp đặc biệt của mạng truyền thẳng nờn hoàn toàn cú thể ỏp dụng phương phỏp giảm gradient để huấn luyện mạng nhằm tối thiểu húa hàm chỉ số chất lượng JRBF .
Mạng RBF được thiết kế cú khả năng điều hưởng chớnh xỏc cỏc tham số K p , Ki và Kd trong cỏc tỡnh huống khỏc nhau bằng cỏch sử dụng ma trận Jacobi.
Hàm sai số của mạng được định nghĩa như sau:
E (k ) = 1
2 (r (k ) −y (k ))2
Luật tự động điều chỉnh cỏc tham số K p , Ki và trờn phương phỏp giảm gradient.
(1.11)
Kết quả mụ phỏng BĐK PID dựa trờn mạng RBF cho thấy mạng nơ- ron RBF cú thế điều hưởng cỏc tham số PID tự động một cỏch liờn tục và thớch nghi.
Hướng đi của tàu dưới sự điều khiển của BĐK PID dựa trờn mạng RBF trong điều kiện khụng cú và cú nhiễu mụi trường tỏc động được minh họa ở hỡnh 1.18, 1.19 và được so sỏnh với BĐK PID thụng thường để chứng minh tớnh hiệu quả của BĐK này.
Hỡnh 1.18. Hướng đi của tàu khi khụng cú nhiễu
Hỡnh 1.20. Mụ phỏng sự thay đổi của Kp , Ki
và Kd