Điều khi nda trên lý thuy ểự ết mờ

Một phần của tài liệu Điều khiển dao động kết cấu dựa trên mô hình sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử248 (Trang 45 - 51)

2. CƠ SỞ LÝ THUY TẾ

2.2. Điều khi nda trên lý thuy ểự ết mờ

Lý thuy t m ế ờ được Zadeh phát biểu vào năm 1965 [30]. T ừ đó đến nay, lý thuyết này được phát tri n m nh m và ng d ng trong nhiể ạ ẽ ứ ụ ều lĩnh ựv c th c tự ế, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khi n [31-34 ể ].

2.2.1. Các khái ni m ệ 2.2.1.1. Tập mờ

Cho tập nền D (cịn g i là khơng gian tham chi u), là tọ ế F* ập con thông thường của D. T p ậ F* được đặc trưng bởi hàm M* như sau:

Trang 28 *( ) 1 M x n u ế x F*; M*( ) x 0 n u ế x F* (2.16) Ví d : Cho t p ụ ậ D = {x1, x2, x3, x4, x5}, F* = {x2, x3, x5}. Khi đó F*(x1) = 0, F*(x2) = 1, F*(x3) = 1, F*(x4) = 0, F*(x5) = 1.

T p hậ ợp thông thường F* D có m t ranh gi i rõ ràng. Ví d , ộ ớ ụ F* là tập những người có tuổi dưới 19 là m t tộ ập thông thường. Mỗi người (ph n t ) ch ầ ử ỉ có hai kh ả năng: hoặc là ph n t cầ ử ủa F* hoặc không.

Tuy nhiên ta xét t p ậ F** ồ g m những người trẻ. Trong trường h p này s ợ ẽ khơng có ranh giới rõ ràng để khẳng định một người là ph n t cầ ử ủa F** hay không: ranh giới của nó là mờ.

Ta chỉ có th nói mể ột người s thuẽ ộc tập F** m t mở ộ ức độ nào đó. Chẳng hạn chúng ta có th ể thống nh t v i nhau r ng mấ ớ ằ ột người 35 tu i thu c v t p ổ ộ ề ậ F** ới độ v thuộc 60% hay 0.6. Zadeh g i m t t p F** ọ ộ ậ như vậy là t p mậ ờvà đồng nh t t p h p ấ ậ ợ F** v i m t hàm ớ ộ trẻ: Y [0,1], g i là hàm thu c c a t p ọ ộ ủ ậ F**, trong đó là t p s Y ậ ố t ự nhiên để đo độ tuổi tính theo năm, cịn gọi là không gian tham chi u. T ế ừ trẻ ọi g là khái niệm m . ờ

Định nghĩa: F** ={( x, F**(x)): x D} g i là t p m trên t p n n , ọ ậ ờ ậ ề D F**(x) được g i là đ thu c c a xọ ộ ộ ủ vào F**, F**: D [0,1] được gọi là hàm thuộc.

Để thu n ti n, ký hi u ậ ệ ệ F* là t p m thay cho ậ ờ F**. 2.2.1.2. Các phép toán trên tập mờ

Cho F*, E* là hai t p m trên t p n n ậ ờ ậ ề D và F*, E* là hai hàm thu c cộ ủa chúng. Khi đó ta có thể định nghĩa: - Phép h p: ợ F* E* = {(x, F* E* (x)) x D, F* E*( )= max{x F*(x), E*( )}} (2.17) x - Phép giao: x, F* E* = {( F* E*(x)) x D, F* E*(x)= min{ F*(x), E*( )}} (2.18) x - Phép ph nh: ủ đị * M ={( x, M*(x)) x D, M*( ) = 1 - x F*( )} x (2.19) Rõ ràng ta có M* F* và M* F* . D 2.2 3.1. . Hợp thành mờ Xét mệnh đề ợ h p thành m , t c là mờ ứ ệnh đề ợ h p thành có c u trúc: ấ

Trang 29

Quy t c h p thành m theo Mamdani là quy tắ ợ ờ ắc được s d ng nhi u nhử ụ ề ất trong điều khi n m v i nguyên tể ờ ớ ắc: “Độ ph thu c c a k t luụ ộ ủ ế ận không đượ ớc l n hơn độ ph thu c cụ ộ ủa điều kiện”. Các công thức xác định hàm thu c cho mộ ệnh đề h p thành ợ E’ = F* E* theo Mamdani bao gồm:

F*( F*, E*) = min{ F*, E*} (2.21)

F*( F*, E*) = F* E* (2.22) 2.2 4.1. . Giải mờ 2.2 4.1. . Giải mờ

Trong điều khi n k thu t, các d liể ỹ ậ ữ ệu vào và ra thường là giá tr s . Giá tr ị ố ị đầu vào được m hoá bờ ằng hàm đặc trưng. Giá trị đầu ra được gi i m . Có nhi u ả ờ ề phương pháp để ả gi i m , ờ ở đây chỉ đề ập đến phương pháp giả c i m R.Yager [34]. ờ

N u ế F* là tập con m trên , ta có cơng th c gi i m theo tham s ờ D ứ ả ờ ố :

* 11 1 ( ) , [0, ) ( ) n i i i n i i x x x x (2.23) Một số ạ d ng gi i m ả ờ được sử ụ d ng khi D là tập s ố thực: - Khi =1, ta có phương pháp trọng tâm.

- Khi , x* được tính theo phương pháp cực đại. Gi s ả ử x1, ..., xk là các giá trị mà tại đó hàm t giá tr cđạ ị ực đại, khi đó: * 1

k i i x x k

- Phương pháp điểm giữa x* = (x1 + xk)/2.

2.2.1. 5.Biến ngôn ngữ

Biến ngôn ng là m t lo i bi n mà các giá tr c a nó khơng ph i là s mà là t ữ ộ ạ ế ị ủ ả ố ừ hay mệnh đề dướ ại d ng ngôn ng t nhiên. Bi n ngôn ng ữ ự ế ữ được định nghĩa là một b g m 5 thành phộ ồ ần sau đây:

< , (e X e), D P S, , > (2.24) trong đó:

- e: tên biến ngôn ng ; ữ

- X e( ): tập các giá tr c a bi n ngôn ng ; ị ủ ế ữ

- D: tập nền mà trên đó tạo nên các giá tr có trong ( ); ị X e - P: luật cú pháp t o nên các giá tr c a bi n ngôn ng ; ạ ị ủ ế ữ

Trang 30

- S: luật ng ữ nghĩa cung cấp ý nghĩa cho các giá trị ủ c a bi n ngôn ng . ế ữ

Ví d : Bi n ngơn ng ụ ế ữ “Hạnh kiểm”. Ta có, e = H nh kiạ ểm; X e( ) = {Kém, Trung bình, Khá, T t}; = [0, 100] ố D – thang điểm đánh giá; P = N uế điểm là e* thì học sinh có hạnh kiểm như sau:

- Kém v i hàm thuớ ộc Kém(e*),

- Trung bình với hàm thuộc Trungbình(e*), - Khá với hàm thuộc Khá(e*),

- Tốt với hàm thuộc T tố(e*).

Luật ng ữ nghĩa: S( )( ) = { , e* e* ( )( )e* e* = [0, 100], D ( )(e*): D [0, 100]} với ( ) = Kém (hoặc Trung bình, Khá, Tốt).

2.2.2. Bộ điều khiển chủ động kết cấu dựa trên lý thuyết mờ

Điều khi n m cho phép tìm bi n ể ờ ế điều khi n thông qua h luể ệ ật định tính theo kinh nghi m c a chuyên gia thay vì ph i biệ ủ ả ến đổi toán học như những phương pháp điều khi n không s d ng lý thuy t m . V i bài toán ể ử ụ ế ờ ớ điều khi n ch ể ủ động dao động k t c u, h ế ấ ệ luật định tính đã trở thành kinh điển trong nhi u cơng trình nghiên cề ứu đã được cơng b . ố

Trong ph n này, b ầ ộ điều khi n ể chủ động k t c u d a trên lý thuy t m ế ấ ự ế ờ (bộ điều khi n m truy n th ng, kí hi u là FC - Fuzzy Controlể ờ ề ố ệ ler) được thi t l p thông ế ậ qua m t ví d trong [53ộ ụ ]. Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a FC t l - vi phân (chuyủ ỉ ệ ển v - v n t c) cho lị ậ ố ực điều khi n ể ui t i DOF th ạ ứ i được trình bày trên Hình 2.2. Đây là bộ điều khi n gể ồm 02 biến đầu vào xi và xi (chuy n v và v n t c) và 01 bi n u ể ị ậ ố ế đầ ra ui (lực điều khi n ể ).

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a FC t l - vi phân ủ ỉ ệ

Khoảng xác định c a các bi n tr ng thái ủ ế ạ x xi, i và biến điều khi n ể ui:

Cơ sở ậ lu t FC Suy lu n ậ FC M hóa ờ xi Giải m ờ ui i x K t c u ế ấ

Trang 31

0, ; 0, 0 ; 0 , 0i i i i i i i i i i i i i i i i i i

x a a x b b u c c (2.25)

2.2.2.1. Mờ hóa

Đ ềi u khi n m s d ng h luể ờ ử ụ ệ ận định tính v i các bi n ngơn ng và giá tr ngôn ớ ế ữ ị ng ữ nên để ử ụ s d ng h ệ luật này, các bi n ph i chuy n t ế ả ể ừ miền giá tr ị thực sang miền giá tr ngôn ng - g i là m ị ữ ọ ờ hóa. Trong bước này, người thiết kế phải xác định d ng, ạ s ố lượng và phân b các hàm thu c. Có r t nhi u d ng hàm thuố ộ ấ ề ạ ộc khác nhau như: hình tam giác (cân và l ch), hình thang (cân và l ch), hình chng. Trong thệ ệ ực tế ử s d ng, d ng hàm thuụ ạ ộc ạd ng tam giác được s d ng ph bi n nhử ụ ổ ế ất vì đây là dạng hàm thuộc đơn giản nh ất.

M hóa v i các khoờ ớ ảng xác định như trong (2.25) của các bi n tr ng thái ế ạ xi (5 hàm thu c d ng tam giác), ộ ạ xi (3 hàm thuộc ạd ng tam giác) và biến điều khi n ể ui (7 hàm thuộc ạd ng tam giác) như trong [ ].53

Hình 2.3. Mờ hóa chuyển vị xi

Hình 2.4. Mờ hóa vận tốc xi

Hình 2.5. Mờ hóa lực điều khiển ui

Các giá tr ngôn ng gị ữ ồm: VNe (Rất âm - Very Negative), Ne (Âm - Negative), LNe (Hơi âm - Little Negative), (Không - Z Zero LPo (Hơi dương ), - Little Positive), Po (Dương - Positive), VPo (Rất dương - Very Positive).

Z i i x 1 LPo LNe b0i 0 -b0i Z LPo LNe xi a0i 0 1 Po Ne -a0i Z LPo LNe ui 1 Po VNe Ne VPo c0i 0 -c0i

Trang 32

2.2.2.2. Cơ sở luật mờ

Cơ sở ậ ồ lu t g m 15 luật điều khi n [53] đư c trình bày trong b ng FAM (Fuzzy ể ợ ả Associative Memory) dựa vào kinh nghi m và tri th c c a chuyên gia th hi n suy ệ ứ ủ ể ệ luận định tính (B ng 2.1). ả B ng 2.1. B ng FAM ả ả i x xi LNe Z LPo Ne VNe Ne LNe LNe Ne LNe Z Z LNe Z LPo LPo Z LPo Po Po LPo Po VPo 2.2.2.3. Hợp thành mờ

Trong ph n này, s d ng quy t c h p thành m theo Mamdani ầ ử ụ ắ ợ ờ (mục 2.2.1.3). Đây là quy tắc h p thành m thông d ng nh t trong ợ ờ ụ ấ điều khi n m . ể ờ

2.2.2.4. Giải mờ

Sau khi thu được giá tr “mị ờ” của bi n ế điều khi nể , để ử ụ s d ng trong b ộ điều khi n, giá tr này c n phể ị ầ ải được chuy n sang giá tr s c ể ị ố ụ thể ọ, g i là thao tác giải m . ờ Phương pháp giải m ờ trọng tâm là phương pháp giải m thông d ng nh t trong ờ ụ ấ các bài toán điều khi n m ể ờ nói chung và điều khi n m ch ng k t c u nói riêng. ể ờ ủ độ ế ấ 2.2.3. Nhận xét về bộ điều khiển mờ truyền thống

Qua sơ đồ nguyên lý hoạt động c a FC trên Hình 2.2 ủ và các bước thi t l p FC ế ậ ở ụ m c 2.2.2, có th thể ấy rõ các ưu điểm của FC như sau [7]:

- Hoạt động theo cơ chế suy luận định tính d a trên kinh nghi m và tri thự ệ ức c a chuyên gia; phù h p vủ ợ ới các đ i tưố ợng công nghi p. ệ

- Đơn giản khi thiết lập vì khơng s d ng các phép biử ụ ến đổi toán h c phọ ức tạp. - Vì th , FC có tính kh thi cao ngay c i v i h ph c t p và phi tuy n. H ế ả ả đố ớ ệ ứ ạ ế ệ lu t cậ ủa FC (B ng FAM) đã t mang tính ả ự ổn định và b n v ng. ề ữ

- Khơng ph ụ thuộc hồn tồn vào các tham s c a h nên có th d dàng s ố ủ ệ ể ễ ử d ng l i khi các tham s cụ ạ ố ủa hệ ị thay đổi. b

Trang 33

Bên c nh nhạ ững ưu điểm k trên, nhể ững điểm t n t i sau c a FC cồ ạ ủ ần được xem xét khi thiết kế [7]:

- Phải th n tr ng khi m ậ ọ ờ hóa để đả m b o th t ng ả ứ ự ữ nghĩa của các giá tr ngôn ị ng . ữ

- Mặc dù FC đơn giản khi thi t lế ập nhưng các bước m hóa, h p thành và giờ ợ ải m khá r c rờ ắ ối về ặ m t thao tác;

- Khó khăn khi tối ưu vì cần nhi u tham s c l p và ràng buề ố độ ậ ộc để thiế ế ột k b điều khi n. ể

Tuy nhiên, các h n ch này c a FC s ạ ế ủ ẽ được gi i quy t khi áp d ng lý thuyả ế ụ ết đạ ối s gia t . ử

Một phần của tài liệu Điều khiển dao động kết cấu dựa trên mô hình sử dụng lý thuyết mờ và đại số gia tử248 (Trang 45 - 51)