Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trờn mạng lan truyền ngược cú bộ

nhận dạng nơ-ron

Mạng nơ-ron dựng để điều chỉnh cỏc tham số BĐK PID (NN1) gồm 6 nơ-ron lớp vào, 9 nơ-ron lớp ẩn và 3 nơ-ron lớp ra

Đầu vào của mạng bao gồm hướng đi mong muốnr, hướng đi thực tế

, sai số hướng đi e(k), và hiệu số e(k) - e(k-1) Ba nơ-ron lớp ra tương ứng với cỏc tham số Kp, Ki và Kd của bộ điều khiển PID Mạng nơ-ron nhận dạng (NN2) gồm cú 6 nơ-ron lớp vào, 9 nơ-ron lớp ẩn và 1 nơ-ron lớp ra

Hệ số học và số lần huấn luyện trong một chu trỡnh là cố định (n=150,

= 0 5); giỏ trị xung lượng được thờm vào trong quỏ trỡnh huấn luyện lan truyền ngược η = 0 025

Phạm vi đổi hướng từ -25 00 đến +25 00 Thời gian mụ phỏng 900 giõy

3 3 1 Khi khụng cú giú và nhiễu tỏc động

Hỡnh 3 8 cho thấy BĐK BPNN-PID với mạng nhận dạng nơ-ron cú độ vượt quỏ giỏ trị điều khiển rất nhỏ, tớnh bền vững tốt và độ ổn định cao, thời gian xỏc lập nhanh hơn và gúc bẻ lỏi đỏp ứng nhanh so với BĐK PID thụng thường Trờn hỡnh 3 9 biểu thị sự thay đổi của cỏc tham số Kp, Ki và Kd được điều chỉnh bởi BDK với mạng nơ-ron nhận dạng

Hỡnh 3 10 minh họa sai số hướng đi của tàu, tốc độ và gia tốc quay trở hướng mũi tàu Kết quả cho ta thấy tớnh hiệu quả và bền vững của BĐK BPNN-PID với bộ nhận dạng nơ-ron

Hỡnh 3 8 Hướng tàu và gúc bẻ lỏi khi khụng cú giú và nhiễu tỏc động

Hỡnh 3 10 Sai số hướng đi, tốc độ và gia tốc quay trở hướng tàu

Bảng 3 3 Tổng bỡnh phương độ lệch hướng và tổng bỡnh phương gúc bẻ lỏi khi khụng cú giú và nhiễu

3 3 2 Khi cú giú và nhiễu tỏc động

Hỡnh 3 12 minh họa hướng đi và gúc bẻ lỏi của tàu dựng BĐK PID nơ- ron với bộ nhận dạng, ta thấy hướng đi ổn định, thời gian xỏc lập nhanh và gúc bẻ lỏi phự hợp, tớnh bền vững cao

Hỡnh 3 12 Hướng tàu và gúc bẻ lỏi khi cú giú và nhiễu tỏc động Khụng giú BĐK PID E 23,91 Eδ 149,41 BĐK BPNN-PID cú NN nhận dạng E 17,44 Eδ 149,33

Hỡnh 3 13 Sự thay đổi cỏc thụng số Kp, Ki và Kd

Hỡnh 3 15 Đầu ra của bộ nhận dạng nơ-ron NN2

Bảng 3 4 Tổng bỡnh phương độ lệch hướng và tổng bỡnh phương gúc bẻ lỏi khi cú nhiễu và giú

Qua kết quả mụ phỏng ta thấy, BĐK PID nơ-ron với bộ nhận dạng nơ- ron cú sai số hướng đi và gúc bẻ lỏi nhỏ hơn so với BĐK PID thụng thường

Cú giú BĐK PID E 31,32 Eδ 195,76 BĐK BPNN-PID cú NN nhận dạng E 18,35 Eδ 154,39

BĐK này hoạt động tớch cực và cỏc tham số được điều chỉnh thớch nghi hơn BĐK PID Điều đú chứng minh được tớnh khả thi và hiệu quả của BĐK được đề xuất

3 4 Kết luận chương 3

Chương 3 tỏc giả trỡnh bày kết quả mụ phỏng trờn mỏy tớnh của BĐK đề xuất trong chương 2 Mụ hỡnh toỏn học con tàu là mụ hỡnh phi tuyến của tàu thật được sử dụng trong tỡnh huống mụ phỏng Cỏc tớn hiệu nhiễu ngẫu nhiờn trong tớn hiệu, tỏc động của giú đến quỏ trỡnh giữ hướng được sử dụng để kiểm chứng tớnh khả thi cũng như đỏp ứng của BĐK Giú được thay đổi trong quỏ tỡnh mụ phỏng để kiểm tra sự thớch nghi của BĐK đến thay đổi của tỏc động bờn ngoài

Kết quả cho thấy sự hoạt động ổn định và hiệu quả của BĐK PID nơ- ron so với PID truyền thống và khả năng thớch nghi với thay đổi của mụi trường Mạng nơ-ron nhận dạng cũng cho kết quả khả quan khi kết hợp với BĐK PID nơ-ron

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4 1 Điều kiện thực nghiệm

Trong chương này, mụ hỡnh tàu được tiến hành thực nghiệm tại hồ bơi trường Đại học Giao thụng Vận tải Thành phố Hồ Chớ Minh với kớch thước hồ bơi 9m x 25m (hỡnh 4 1) Tỏc giả tiến hành điều khiển con tàu chạy bỏm theo đường biờn của hồ bơi được mụ tả trong hỡnh 4 1 Quỹ đạo mong muốn của con tàu được mụ tả bằng năm điểm chuyển hướng và tàu sẽ tiến hành chuyển hướng ba lần với cỏc giỏ trị gúc bẻ lỏi lần lượt như sau 90 90 90 Tại thời điểm ban đầu tàu được đặt dọc theo chiều rộng của hồ bơi tương ứng với gúc mũi tàu ban đầu là 10 Chiều dài quỹ đạo mong muốn (hỡnh 4 1) là Ltrajectory = 57(m)

Hỡnh 4 1 Quỹ đạo di chuyển mong muốn của con tàu - Tải trọng mang theo của tàu là 4,5 kg;

- Chiều cao mớn nước là 100 mm, chiều dài tàu là 1500 m, chiều rộng tàu là 250mm;

- Giới hạn gúc bỏnh lỏi là từ20 đến 20 , giới hạn vận tốc bẻ lỏi là từ

- Thời gian lấy mẫu của hệ thống là 0,1s; - Vận tốc di chuyển của tàu là hằng số 0,4 m/s;

Trong quỏ trỡnh mụ phỏng, để kiểm tra đỏp ứng của bộ điều khiển, tỏc giả thờm vào ba loại nhiễu như sau:

- Nhiễu do súng theo phổ PM (được mụ tả ở phần Phụ lục 1) với tần số trội của súng0 0,60625 , hệ số tắt dần tương đối 0,3 , hằng số

K 0,1979 ;

- Nhiễu của dũng chảy là hằng số và làm lệch gúc mũi tàu đi 100; - Nhiễu do quỏ trỡnh đo đạc là một số ngẫu nhiờn

Ngoài ra, trong quỏ trỡnh mụ phỏng, vị trớ của con tàu được xỏc định bằng phương phỏp tớch phõn cú dạng như sau:

t

 0  t

 y t y00 U sin dt

 0

Hỡnh 4 2 Điều kiện thực nghiệm tàu mụ hỡnh trờn thực tế

(4 1)



xt x00U cost dt

Hỡnh 4 3 Tàu mụ hỡnh

4 2 Kết quả thực nghiệm

Hỡnh 4 4 mụ tả sơ đồ khối hệ thống lỏi tàu tự động sử dụng PID nơ-ron (khối PID Neural Network) Trong đú, nhiễu do súng biển sẽ tỏc động lờn hệ thống được mụ tả trong khối Wind-wave effect; nhiễu do cỏc dũng chảy được mụ tả trong khối Ocean current effect và nhiễu do quỏ trỡnh đo đạc được cộng trực tiếp vào gúc mũi tàu Khối PID neural network là bộ điều khiển của hệ thống lỏi tàu

Hỡnh 4 4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hướng tàu sử dụng BĐK PID nơ-ron

Trong quỏ trỡnh di chuyển, tàu sẽ luụn cú sai số về vị trớ và gúc Chớnh vỡ vậy mà tỏc giả đưa ra hai đồ thị về sai số bao gồm đồ thị mụ tả sai số bỏm quỹ

đạo - khoảng cỏch từ tàu đến đoạn thẳng quỹ đạo mong muốn theo thời gian như hỡnh 4 5 và đồ thị mụ tả sai số gúc mũi tàu - gúc hợp bởi đoạn thẳng quỹ đạo mong muốn và hướng mũi lỏi tàu hay núi cỏch khỏc sai số gúc mũi tàu là hiệu số giữa gúc và gúc α trờn hỡnh 4 6 (thuật toỏn dẫn đường LOS) theo thời gian như trong hỡnh 4 5 Hơn nữa, tỏc giả cũng đưa ra hai đồ thị mụ tả gúc bỏnh lỏi và gúc mũi tàu thu về từ cỏc cảm biến như trong hỡnh 4 6 và 4 7

Hỡnh 4 5 Quỹ đạo của tàu với BĐK PID nơ-ron

Hỡnh 4 5 mụ tả quỹ đạo di chuyển của tàu khi hệ thống lỏi tàu tự động sử dụng PID nơ-ron Ta thấy xuất hiện cỏc vũng trũn giới hạn (màu vàng) cú tõm đặt tại cỏc điểm chuyển hướng waypoint 2, waypoint 3, waypoint 4 với bỏn kớnh bằng ba lần chiều dài tàu Cỏc vũng trũn này dựng để xỏc định vị trớ tàu bắt đầu chuyển hướng để bỏm theo đoạn thẳng quỹ đạo mới Ngoài ra, từ hỡnh 4 5, ta thấy rằng khi đi qua điểm chuyển hướng waypoint 2 thỡ tàu khụng bị lệch ra khỏi quỹ đạo mong muốn tuy nhiờn tàu lại bị dao động xung quanh đoạn thẳng quỹ đạo tạo thành từ waypoint 2 và waypoint 3 Sai số bỏm quỹ đạo lớn nhất của tàu khi đi từ waypoint 2 đến waypoint 3 là 0,1557m tương ứng với điểm B trờn hỡnh 4 5 và hỡnh 4 6

Hơn nữa, ta nhận thấy rằng vỡ đỏp ứng của PID nơ-ron là khỏ tốt nờn khi đi qua điểm chuyển hướng waypoint 2, tàu nhanh chúng bỏm theo đoạn quỹ đạo mong muốn Ngoài ra khi đi qua điểm chuyển hướng waypoint 3 ta thấy rằng tàu khụng bị lệch ra khỏi quỹ đạo mong muốn tuy nhiờn do bỏn kớnh bẻ lỏi tàu quỏ lớn (R=3Lship= 4,5m) nờn khi vừa đi qua điểm chuyển hướng waypoint 3 thỡ tàu đó đi vào vũng trũn giới hạn kế tiếp với tõm tại điểm chuyển hướng waypoint 4 nờn tàu lại phải tiếp tục chuyển hướng để bỏm theo đoạn thẳng quỹ đạo mới tạo thành từ waypoint 3 và waypoint 4 Chớnh vỡ vậy mà trờn đoạn thẳng quỹ đạo này thỡ sai số bỏm quỹ đạo của tàu vẫn chưa thể tiến về 0

Hỡnh 4 6 thể hiện sai số bỏm quỹ đạo của con tàu theo thời gian Từ hỡnh 4 6 ta cú thể thấy rằng tại cỏc thời điểm t = 6,25s; 51,1s; 64,2s tương ứng với cỏc điểm A, C, D trờn hỡnh 4 5 và 4 6 thỡ sai số bỏm quỹ đạo của con tàu cú bước nhảy vọt tại thời điểm chuyển waypoint Bước nhảy về sai số bỏm quỹ đạo này được giải thớch tương tự như cỏc bước nhảy trong hỡnh 4 5 Mặt khỏc, cũng từ hỡnh 4 5, ta thấy rằng sau khi tàu đi qua điểm chuyển hướng waypoint 3 thỡ sai số bỏm quỹ đạo của tàu vẫn khụng thể tiến về 0, tuy nhiờn sai số bỏm quỹ đạo đạt được giỏ trị nhỏ nhất là 0,1767m tương ứng với điểm D trờn hỡnh 4 5 và hỡnh 4 6

Ngoài ra, từ hỡnh 4 5, ta thấy rằng sau khi tàu đi ra khỏi vũng trũn giới hạn cú tõm tại điểm chuyển hướng waypoint 2, sai số bỏm quỹ đạo trong vựng ổn định từ điểm E đến điểm C như trờn hỡnh 4 7 và hỡnh 4 8 cú sai số bỏm quỹ đạo của dao động quanh giỏ trị 0 với sai bỏm quỹ đạo lớn nhất trong vựng này là 0,1557m Thời gian xỏc lập của tàu tớnh từ thời điểm bắt đầu chuyển hướng từ điểm A để bỏm theo đoạn thẳng quỹ đạo tạo thành từ điểm chuyển hướng waypoint 2 và waypoint 3 là T = 11,97s (t100-t10=18,25-6,28=11,97s) Tương tự khi tàu đi ra khỏi vũng trũn giới hạn cú tõm tại điểm chuyển hướng

waypoint 4, ta thấy sai số bỏm quỹ đạo trong vựng ổn định từ điểm F đến điểm chuyển hướng waypoint 5 cũng bị dao động quanh giỏ trị 0 và giỏ trị sai số bỏm quỹ đạo lớn nhất trong vựng này là 0,1148m Thời gian xỏc lập của tàu tớnh từ thơi điểm bắt đầu chuyển hướng từ điểm C để bỏm theo đoạn thẳng quỹ đạo tạo thành từ điểm chuyển hướng waypoint 3 và waypoint 4 là

T=17,54s (t280-t190=82,79-64,25=17,54s)

Hỡnh 4 7 Sai số gúc mũi tàu của tàu với BĐK PID nơ-ron

Hỡnh 4 7 thể hiện sai số gúc mũi tàu theo thời gian Tại cỏc thời điểm t = 6,25s; 51,1s; 64,2s, sai số gúc mũi tàu cũng cú bước nhảy tương tự như hỡnh 4 8 Ngoài ra, ta cú thể thấy sau khi tàu đi ra khỏi vũng trũn giới hạn cú tõm

tại điểm chuyển hướng waypoint 2, sai số gúc mũi tàu trong vựng ổn định từ điểm E đến điểm C dao động quanh giỏ trị 0 , sai số gúc mũi tàu lớn nhất trong đoạn này là 10,51 Tương tự, khi tàu đi ra khỏi vũng trũn giới hạn cú tõm tại điểm chuyển hướng waypoint 4, sai số gúc mũi tàu trong vựng ổn định từ điểm F cho đến điểm chuyển hướng waypoint 5 cũng bị dao động quanh giỏ trị 0 , sai số gúc mũi tàu lớn nhất trong đoạn này là 10,82

Hỡnh 4 8 Gúc bỏnh lỏi với BĐK PID nơ-ron

Hỡnh 4 8 thể hiện đỏp ứng gúc bỏnh lỏi của tàu khi hệ thống lỏi tàu tự động sử dụng BĐK PID nơ-ron Ta thấy rằng, mặc dự gúc bỏnh lỏi mong muốn – tớn điệu đầu ra của bộ điều khiển (desired rudder angle) (đường màu đỏ trờn hỡnh 4 8) cú những bước nhảy khỏ lớn tại cỏc thời điểm t=6,25s; 51,1s; 64,2s, nhưng đỏp ứng của gúc bỏnh lỏi thực tế vẫn là một đường cong trơn bởi vỡ bỏnh lỏi của tàu mụ hỡnh bị giới hạn về gúc và vận tốc gúc nờn đỏp ứng gúc bỏnh lỏi thực tế khụng thể cú những bước nhảy quỏ lớn

Hỡnh 4 9 Gúc mũi tàu với BĐK PID nơ-ron

Hỡnh 4 9 mụ tả gúc mũi tàu thu về từ cảm biến la bàn theo thời gian Ta thấy sau khi tàu đi qua điểm chuyển hướng waypoint 2, trong vựng ổn định từ điểm E đến điểm C, sai số gúc mũi tàu khụng tiến về 0 mà dao động quanh giỏ trị này Điều này cú thể được giải thớch là bởi vỡ trong quỏ trỡnh di chuyển tàu chịu ảnh hưởng của nhiễu từ mụi trường nờn làm gúc mũi tàu bị dao động Tương tự khi tàu đi qua điểm chuyển hướng waypoint 4, trong vựng ổn định từ điểm F đến điểm chuyển hướng waypoint 5, gúc mũi tàu cũng dao động quanh giỏ trị 0

4 3 Kết luận chương 4

Trong chương 4, tỏc giả đó tiến hành thực nghiệm trờn mụ hỡnh tàu thu nhỏ để kiểm chứng hiệu quả của BĐK PID nơ-ron sử dụng thuật toỏn lan truyền ngược được đề xuất Kết quả đạt được trong chương 4 cụ thể như sau:

- Sử dụng mụ hỡnh tàu thật thu nhỏ trờn cơ sở nghiờn cứu phương trỡnh động học và động lực học tàu thủy và nhiễu loạn mụi trường (như súng, giú, dũng chảy,…) tỏc động vào con tàu

- Sử dụng BĐK PID nơ-ron thớch nghi cho hệ thống điều khiển hướng đi ở chương 2 ỏp dụng tàu cho mụ hỡnh tàu được đưa ra

- Ứng dụng hệ thống dẫn đường cho tàu dựa trờn thuật toỏn LOS (Light of Sight) Thụng qua việc điều khiển bỏm theo hướng đi mong muốn do thuật toỏn này tạo ra, BĐK cú thể dẫn tàu đi theo quỹ đạo mong muốn Thực

nghiệm này nhằm kiểm chứng khả năng điều khiển hướng tàu theo giỏ trị thay đổi của hướng đi mong muốn

- Tiến hành thực nghiệm dẫn đường cho mụ hỡnh thật thu nhỏ trờn hồ bơi Kết quả cho thấy tớnh hiệu quả và thớch nghi của BĐK được đề xuất

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 KẾT LUẬN

Bằng cỏc phương phỏp nghiờn cứu đó thực hiện trong luận ỏn: “Nghiờn c ứ u ứng d ụng bộ điều khi ển PID d ự a trờn m ạng nơ-ron nhõn t ạo thớch nghi cho h ệ thống điều khi ể n tàu th ủ y”, luận ỏn đó đạt được mục đớch nghiờn cứu đặt ra, với cỏc kết quả cụ thể như sau:

1 1 Hệ thống húa cơ sở lý luận về thuật toỏn điều khiển thớch nghi dựa trờn sự kết hợp giữa mạng nơ-ron nhõn tạo và lý thuyết điều khiển PID thụng thường Trờn cơ sở đú, đề xuất phỏt triển thuật toỏn và ứng dụng vào thiết kế mỏy lỏi tự động sử dụng bộ điều khiển PID nơ-ron thớch nghi cho điều khiển hướng đi tàu thủy

1 2 Ứng dụng lập trỡnh trờn Matlab để mụ phỏng bộ điều khiển được đề xuất, đỏnh giỏ chất lượng bộ điều khiển PID nơ-ron thớch nghi với bộ điều khiển PID thụng thường

1 3 Thiết kế và mụ phỏng BĐK PID nơ-ron dựa trờn mạng lan truyền ngược, tỏc giả đó sử dụng bộ nhận dạng nơ-ron để nhận dạng mụ hỡnh tàu Bộ nhận dạng này sử dụng mạng nơ-ron nhiều lớp truyền thẳng nhưng tỏc giả huấn luyện mạng theo phương phỏp trực tuyến, tăng cường nờn tốc độ thớch nghi tốt, cú khả năng nhận dạng mụ hỡnh tàu phi tuyến biến đổi theo thời gian Với việc kết hợp mụ hỡnh nhận dạng nơ-ron này, phương phỏp điều khiển được tiến hành kiểu điều khiển dự đoỏn theo thời gian thực, nõng cao tớnh thớch nghi và chất lượng điều khiển

1 4 Thực nghiệm điều khiển mụ hỡnh tàu thu nhỏ trong mụi trường bể thử nhằm kiểm chứng BĐK PID nơ-ron và sự đỏp ứng của toàn hệ thống đối với tỏc động của mụi trường bờn ngoài cũng như tớnh phi tuyến của mụ tàu