3.1.1.1 Khỏi niệm về tập mờ
Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử cơ bản của nú cũn được gỏn thờm một giỏ trị thực trong khoảng [0,1] để chỉ thị “độ phụ thuộc” của phần tử đú vào tập mờ đó cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0 thỡ phần tử cơ bản đú sẽ hoàn toàn khụng thuộc tập đó cho (xỏc suất phụ thuộc bằng 0), ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử cơ bản sẽ thuộc tập hợp với xỏc suất 100.
Như vậy, bờn cạnh phần tửx, để xỏc định xemxcú thuộc tập mờ hay khụng cũn cần phải cú thờm độ phụ thuộc(x).Nếu ký hiệuxlà phần tử cơ bản và (x) là độ phụ thuộc của nú thỡ cặp [x, (x)] sẽ là một phần tử của tập mờ. Choxchạy khắp trong tập hợp, ta sẽ cú hàm(x) và hàm này được gọi là "hàm thuộc".
Một tập mờ được định nghĩa trờn tập kinh điển A là tập cỏc hàm liờn thuộc
A(x) được biểu diễn bởi hai giỏ trị là 1 khi x A và 0 khi x A, vớ dụ A={xR / 4<x<10} như hỡnh 3.1:
Ngoài ra tập mờ cũn được biểu diễn bởi cỏc hàm liờn thuộc: - Hàm hỡnh thang
- Hàm Gauss - Hàm hỡnh chuụng
- Hàm Singleton (hay Kronecker)
3.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Cấu trỳc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoỏ, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (hỡnh 3.2).
Hỡnh 3.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
*. Luật hợp thành mờ
Bộ thụng số vào/ra mờ được định nghĩa trờn cơ sở là cỏc biến ngụn ngữ vào ra là cỏc hàm liờn thuộc được coi như là cỏc neural (hệ thần kinh). Vỡ vậy hệ logic mờ được coi như hệ làm việc cú tư duy như “bộ nóo dưới dạng trớ tuệ nhõn tạo”. Nếu khẳng định khi sử dụng hệ logic mờ trong điều khiển là cú thể giải quyết được mọi bài toỏn mà hệ điều khiển kinh điển PID chưa giải quyết được thỡ chưa hẳn đó chớnh xỏc, vỡ hoạt động của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm hiểu biết đối tượng và tổng kết những kết quả theo tư duy của người làm điều khiển, từ đú mới xỏc
4 10 x A(x ) 0 1 Hỡnh 3.1: Hàm thuộc biến ngụn ngữ Khối mờ
hoỏ Khối hợpthành Khối giảimờ
Khối luật mờ
định được tham số tối ưu cho bộ điều khiển mờ. Với cỏc đặc điểm trờn cú thể núi bộ điều khiển mờ cú hai tớnh chất cơ bản:
- Một hệ thống trớ tuệ nhõn tạo (điều khiển thụng minh)
- Một hệ thống điều khiển được thiết kế mà khụng cần biết trước mụ hỡnh của đối tượng.
Bộ nóo của hệ logic mờ là luật hợp thành và luật hợp thành là tờn chung gọi mụ hỡnh R biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành, núi cỏch khỏc luật hợp thành được hiểu là một tập hợp của nhiều mệnh đề hợp thành cú chung một dạng cấu trỳc:
Nếu A1= Ak1và . . . và An= AknThỡ B1 = Bk1và . . . và Bm= Bkm
với k = 1,2,…
Một luật hợp thành cú thể cú cỏc dạng:
- Luật hợp thành đơn cho hai loại: cấu trỳc SISO; cấu trỳc MISO - Luật hợp thành cú nhiều mệnh đề hợp thành
Ta cú thể mụ tả cỏc dạng luật hợp thành như hỡnh 3.3
*. Luật hợp thành với một tớn hiệu điều khiển và một đỏp ứng ra của hệ logic mờ được gọi làLuật hợp thành đơn. Cỏc mệnh đề của luật hợp thành đơn cú dạng:
Nếu A =AThỡ B =B.
Về bản chất, mệnh đề hợp thành đơn chớnh là một phộp toỏn “phộp suy diễn”
(Từ A suy ra B). Những “tớn hiệu” vào/ra Ak/Bk của luật hợp thành được gọi là biến
ngụn ngữ.Những giỏ trị Ak1 và Bk1 của biến ngụn ngữ trong hệ logic mờ được gọi là cỏcgiỏ trị ngụn ngữ.
*. Như ở hỡnh 3.3 đó minh họa thỡ một hệ logic mờ MIMO đều cú thể đưa được về thành mạng nối song song của nhiều hệ logic mờ MISO. Bởi vậy để cài đặt mệnh đề hợp thành với cấu trỳc:
Nếu A1=Ak1và và An=Aknthỡ B1=Bk1và và Bm=Bkm (3.1) Cho hệ logic mờ MIMO ta chỉ cần cài đặt nhiều lần song song mệnh đề cú một đầu ra ứng với hệ MISO là đủ:
Nếu A1=Ak1 và và An=Aknthỡ B=Bk (3.2) *. Để cài đặt luật hợp thành cú cỏc mệnh đề dạng (3.1) ta thực hiện cỏc bước sau: Thực hiện việc kết hợp (mờ húa) tất cả cỏc giỏ trị đầu vào cỏc biến ngụn ngữ
Ak(đầu vào) để cú được một giỏ trị Hq duy nhất làm đại diện hỡnh (3.4). Giả sử rằng tại đầu vào cú cỏc giỏ trị rừ xj(của đầu vào Aj). Vậy để tớnh giỏ trị đại diệnHq tương ứng của mệnh đề hợp thành đú ta tiến hành hai bước sau:
- Xỏc định tất cả cỏc giỏ trịHqj=Aqj(xj).
- Xỏc định Hqlà giỏ trị nhỏ nhất trong số cỏc giỏ trịHqjđó tớnh được. NếuA1 =A11và . . . vàAm=A1mth ỡB =B1 NếuA1 =Ak1 và . . . vàAm=Akmth ỡ B =Bk Với q = 1, 2, . . ., k Hq= min A (xj) m j 1 qj NếuA1 =Aq1và . . . vàAm=Aqmth ỡB =Bq Nếu A=Aq th ỡB =Bq
Giỏ trịHqđược gọi là độ thỏa món đầu vàocủa mệnh đề hợp thành kộp đó cho và lỳc này mệnh đề đú được xem như tương đương với mệnh đề đơn.
Nếu A=Aqthỡ B=Bq, (3.3) Trong đú là tập mờ nhậnHqlàm độ thỏa món. Núi cỏch khỏc từ cỏc giỏ trị rừxj
của cỏc đầu vào Ak ta đó thụng qua những tập mờ Akj chuyển thành một giỏ trị rừ x
làm đại diện để với nú cú được:
Hq=(x). (3.4)
Thực hiện phộp suy diễn mờ để xỏc định giỏ trị mờ Bqcho mệnh đề hợp thành (3.3). Nếu A = A thỡ B= B Kinh điển Mờ A B AB 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1
AB(y) =A(x)B(y) – Luật prod ; AB(y) = minA(x),B(y)– Luật min
Kết quả phộp suy diễn mờ ABsẽ là một tập mờB' cựng nền với B và cú hàm thuộcAB(y) thỏa món:
Hỡnh 3.5: Thực hiện phộp suy diễn mờ
0 A(x),B(y)1
A(x) AB(y) với mọiA(x),B(y) 0,1. (3.5) KhiB(y) = 0 sẽ cúAB(y)=0. (3.6) Nếu cúA1(x) <A2(x) thỡ cũng cúA1B(y) < A2B(y) (3.7) Nếu cúB1(y) <B2(x) thỡ cũng cúAB1(y) < AB2(y) (3.8) Hai cụng thức xỏc địnhAB(y) thường được dựng trong điều khiển là:
AB(y) = minA(x0), B(y) Luật min. (3.9)
AB(y) = A(x0)B(y) Luật prod. (3.10)
Thực hiện phộp hợp mờ để cú được giỏ trị mờ cho luật hợp thành từ tất cả cỏc giỏ trị mờ của từng mệnh đề hợp thành trong luật hợp thành đú.
Việc thực hiện phộp hợp mờ được minh họa trong hỡnh 3.6: Nếu A= A1 thỡ B= B1 cú giỏ trị B'1 Nếu A= A2 thỡ B= B2 cú giỏ trị B'2 Kinh điển Mờ Cú hai định nghĩa Hỡnh 3.6: Thực hiện phộp hợp mờ = min{1,
HợpAB của hai tập mờ Avà B được hiểu là một tập mờ gồm tất cỏc phần tử của hai tậpA,Bđó cho, trong đú hàm thuộc AB(x) của phần tử của ABkhụng được mõu thuẫn với phộp hợp của hai tập kinh điển. Hai cụng thức thường dựng trong điều khiển là:
AB(x) = maxA(x) , B(x) Luật MAX. (3.11)
AB(x) = min1,A(x)+B(x)Luật SUM. (3.12) Túm lại, nếu:
Mệnh đề “Nếu A=A1thỡ B =B1“ cú giỏ trị làC1 (3.13) Mệnh đề “Nếu A =Akthỡ B =Bk“ cú giỏ trị làCk
thỡ toàn bộ luật hợp thành sẽ cú giỏ trị làC=C1 Ck.
*. Giải mờ
Sau khi đó cú kết quả của luật hợp thành là một tập mờ, trước khi đưa ra giỏ trị điều khiển ta phải giải mờ tập mờ đú. Điều đú cũng dễ hiểu vỡ đối tượng chỉ làm việc với những giỏ trị cụ thể (giỏ trị rừ) chứ khụng làm việc với những giỏ trị mờ (tập mờ).
Giải mờ là quỏ trỡnh xỏc định một giỏ trị rừy0 nào đú từ tập nền của tập mờ B' để làm đại diện choB' (là tập mờ kết quả của luật hợp thành).
Trong điều khiển thường sử dụng ba phương phỏp giải mờ chớnh:
Điểm trung bỡnh: Giỏ trị rừ y0 là giỏ trị trung bỡnh của cỏc giỏ trị cú độ thỏa món cực đại của B’(y). Nguyờn lý này thường được dựng khi miền dưới hàmB’(y) là một miền lồi và như vậy y0 cũng sẽ là giỏ trị cú độ phụ thuộc lớn nhất. Trong trường hợpB' gồm cỏc hàm liờn thuộc dạng đối xứng thỡ giỏ trị rừ y0khụng phụ thuộc vào độ thỏa món đầu vào của luật điều khiển.
Điểm cực đại:Giỏ trị rừ y0 được lấy bằng cận trỏi/phải cực đại củaB’(y). Giỏ trị rừ lấy theo nguyờn lý cận trỏi/phải này sẽ phụ thuộc tuyến tớnh vào độ thỏa món đầu vào của luật điều khiển hỡnh 3.7.
Điểm trọng tõm: Phương phỏp này sẽ cho ra kết quả y0 là hoành độ của điểm trọng tõm miền được bao bởi trục hoành và đườngB’(y). Đõy là nguyờn lý được dựng nhiều nhất.
Hỡnh 3.7 Những nguyờn lý giải mờ *. Cấu trỳc hệ logic mờ
Giống như một bộ điều khiển kinh điển, một hệ logic mờ cũng cú thể cú nhiều tớn hiệu vào và nhiều tớn hiệu ra. Ta phõn chia chỳng thành cỏc nhúm
+ Nhúm SISO cú một đầu vào và một đầu ra. + Nhúm MIMO cú nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. + Nhúm SIMO cú một đầu vào và nhiều đầu ra. + Nhúm MISO cú nhiều đầu vào và một đầu ra.
Nguyờn lý trung bỡnh cỏc giỏ trị cực đại
Nguyờn lý giỏ trị cực đại cận trỏi/phải
Hệ Logic Mờ y B' R1:nếuthì Rq:nếuthì Fuzzy hóa xi Giải mờ i Hỡnh 3.8 Cấu trỳc một hệ logic mờ
Do bản chất là một hệ thực hiện cỏc luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển của con người) trong đú cỏc kinh nghiệm này lại thể hiện dưới dạng ngụn ngữ cú cỏc giỏ trị ngụn ngữ là tập mờ nờn một hệ logic mờ phải cú cỏc khõu cơ bản như hỡnh 3.8:
+ Khõu Fuzzy húa cú nhiệm vụ chuyển đổi một giỏ trị rừ đầu vàox0 thành một vector gồm cỏc độ phụ thuộc của giỏ trị rừ đú theo cỏc giỏ trị mờ (tập mờ) đó định nghĩa cho biến ngụn ngữ đầu vào.
+ Khõu thực hiện luật hợp thành, cú tờn gọi làthiết bị hợp thành, xử lý vector
và cho ra giỏ trị mờB' của biến ngụn ngữ đầu ra.
+ Khõu giải mờ, cú nhiệm vụ chuyển đổi tập mờB' thành một giỏ trị rừy' chấp nhận được cho đối tượng (tớn hiệu điều chỉnh).