Luận án Tiến sĩ Nguyễn Duy Hưng: Phương pháp điều khiển mờ nơron ứng dụng công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƢƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA    NGUYỄN DUY HƢNG VỀ MỘT PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ DÙNG MẠNG NƠRON ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã ngành: 62.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. NGUYỄN XUÂN QUỲNH HÀ NỘI – 2009 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn và lòng kính trọng đối với thầy hướng dẫn: GS. Nguyễn Xuân Quỳnh bởi những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận và định hướng nghiên cứu để luận án được hoàn thành. Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn đối với Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa – Bộ Công Thương đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tác giả hoàn thành luận án.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã phản biện, lý luận, đóng góp các ý kiến xây dựng và trao đổi về các vấn đề lý thuyết cũng như thực tiễn để luận án được hoàn thiện. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình và người thân đã luôn chia sẻ, gánh đỡ những khó khăn cũng như dành những tình cảm và là nguồn cổ vũ, động viên tinh thần không thể thiếu đối với tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu trình bày trong luận án đã được kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực.

Các kết quả nghiên cứu do tác giả đề xuất chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả. Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2009 Tác giả luận án Nguyễn Duy Hưng -i- MỞ ĐẦU Vấn đề điều khiển ổn định các hệ động học phi tuyến có phương trình động học chuyển được về dạng tuyến tính hóa phản hồi trạng thái (state feedback linearizable) hoặc tuyến tính hóa phản hồi vào-ra (input-output feedback linearizable) có chứa các thành phần không rõ nhằm bám theo tín hiệu mẫu cho trước với sai số bị chặn là mục tiêu giải quyết của luận án. Đây là vấn đề phức tạp do đặc tính phi tuyến của động học cũng như của các thành phần chưa biết trong phương trình động học của đối tượng. Các công trình nghiên cứu hiện nay chủ yếu tìm cách giải quyết các vấn đề về điều khiển ổn định và bền vững hệ phi tuyến có các thành phần bất định dựa trên điều khiển thích nghi, tuy nhiên các phương pháp còn khá phức tạp và chưa chỉ rõ khả năng và mô hình áp dụng trên các hệ thống điều khiển công nghiệp.

Nhằm đóng góp, đưa ra một phương pháp tổng hợp có khả năng áp dụng trên các hệ thống điều khiển tự động tiên tiến hoạt động trong các phân cấp mạng công nghiệp, tác giả trình bày một phương pháp tổng hợp mới dựa trên ý tưởng thay thế ước lượng (không cần gần đúng như các phương pháp hiện nay) các hàm trạng thái chưa biết bằng các hàm số đã biết, từ đó tìm cách xấp xỉ sai lệch chung do phép thay thế ước lượng gây nên và thiết kế thành phần bù liên tục nhằm triệt tiêu tác động này. Đặc điểm của phương pháp là sử dụng bộ xấp xỉ vạn năng mờ nơron (xấp xỉ sai lệch nêu trên) làm thành phần bù trong luật điều khiển phản hồi. Để xây dựng được một cơ sở toán học chứng minh cho phương pháp đề xuất, luận án lần lượt phát triển phương pháp cho các trường hợp bù tĩnh (luật điều khiển phản hồi tĩnh) và trường hợp bù động (luật điều khiển thích nghi). Ngoài ra luận án còn phân tích và giải quyết một số vấn đề khác liên quan đến các điều kiện giới hạn của quỹ đạo trạng thái và đầu vào của hệ phi tuyến cũng như mở rộng phương pháp trong trường hợp hệ khả tuyến tính hóa phản hồi chặt (strict-feedback linearizable system).

Ngoài cơ sở lý thuyết được chứng minh, luận án cũng phân tích và chỉ ra khả năng áp dụng phương pháp trên các hệ thống điều khiển công nghiệp (PLC, IPC) thông qua thử nghiệm trên một mô hình phần mềm ứng dụng được xây dựng cho hệ thống SIMATIC S7 của hãng Siemens. - ii -  Bố cục của luận án Luận án chia thành 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển các hệ phi tuyến và ứng dụng, từ đó đưa ra mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án giới hạn vào các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi có chứa các thành phần không rõ trong bài toán bám theo tín hiệu mẫu bị chặn cho trước. Chương 2 trình bày chi tiết vấn đề cần giải quyết cũng như tổng quan các nghiên cứu và các kết quả đã đạt được đến nay.

Dựa trên phương pháp thiết kế định nghĩa hệ sai số thỏa mãn giả thiết ban đầu, luận án xây dựng một số cơ sở toán học (các định lý và bổ đề) để hình thành phương pháp mới theo hướng đơn giản và có khả năng ứng dụng – được gọi là phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái – làm tiền đề phát triển các bộ điều khiển ổn định tĩnh và động trong các chương tiếp theo. Trong Chương 3, tác giả giới thiệu một số cơ sở toán học nhằm đưa ra luật điều khiển tĩnh dùng bộ xấp xỉ vạn năng mờ nơron làm thành phần bù liên tục để nghiệm của hệ sai số vòng kín bị chặn tới hạn đều (uniformly ultimately bounded) cũng như trình bày phương pháp tính toán, xác định tham số điều khiển và các điều kiện cần trong phương pháp để quỹ đạo trạng thái và tín hiệu điều khiển bị chặn theo thiết kế. Ngoài ra Chương 3 còn tiếp tục mở rộng phương pháp cho thiết kế bộ điều khiển ổn định tĩnh các hệ chuyển động hỗn loạn (chaotic systems) có phương trình động học ở dạng tuyến tính hóa phản hồi chặt. Chương 4 tập trung vào giải quyết vấn đề bù động dựa trên luật điều khiển tĩnh và sử dụng bộ xấp xỉ mờ nơron để xây dựng được bộ điều khiển thích nghi ổn định cũng như trình bày mô hình phần mềm ứng dụng.

Nhằm chứng minh tính khả thi của phương pháp trong phát triển bộ điều khiển với thành phần bù động, luận án sử dụng điều khiển thích nghi trực tiếp áp dụng phương pháp chỉnh định  để chỉnh định tham số của bộ xấp xỉ mờ nơron trong các trường hợp bộ xấp xỉ tuyến tính và phi tuyến đối với tham số. Tác giả cũng đưa ra mô hình phần mềm ứng dụng cho phép áp dụng các kiểu điều khiển tĩnh và động trên các hệ thống điều khiển công nghiệp và phân tích khả năng ứng dụng trên hệ thống tự động hóa SIMATIC S7 của hãng Siemens. Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án, tiếp theo sau là Phụ lục bao gồm một số chứng minh và thiết kế. - iii - MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. 9 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÁC HỆ THỐNG KHẢ TUYẾN TÍNH HÓA PHẢN HỒI BẰNG PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ ƢỚC LƢỢNG HÀM TRẠNG THÁI. Giới thiệu chung. Biểu diễn các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi.

Vấn đề trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái. Điều khiển ổn định các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái bằng phƣơng pháp thay thế ƣớc lƣợng hàm trạng thái. Cơ sở toán học của phương pháp. Tính bền vững của hệ vòng kín trong phương pháp.

Điều khiển ổn định các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi vào- ra bằng phƣơng pháp thay thế ƣớc lƣợng hàm trạng thái. Bài toán điều khiển và cơ sở toán học. Điều khiển ổn định bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái. Tính bền vững của hệ vòng kín đối với thành phần không rõ trong phương trình động học.

Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển tĩnh ổn định. 56 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ ƢỚC LƢỢNG HÀM TRẠNG THÁI DÙNG BỘ XẤP XỈ MỜ NƠRON. Đặt vấn đề và cơ sở lý thuyết xây dựng phƣơng pháp. Giới thiệu chung.

Bộ xấp xỉ vạn năng. Cơ sở toán học xây dựng các bộ xấp xỉ dùng hệ mờ và mạng nơron. Thay thế ƣớc lƣợng hàm trạng thái. Cơ sở toán học của phương pháp.

Xác định tham số bộ điều khiển. Mô phỏng điều khiển tay rôbốt. Thay thế ƣớc lƣợng hàm trạng thái mở rộng trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi chặt. Phương pháp cuốn chiếu.

Phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái khi hệ chứa các thành phần không rõ. Tổng hợp và kết luận. 93 CHƢƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRỰC TIẾP DÙNG HỆ MỜ NƠRON TRONG PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ ƢỚC LƢỢNG HÀM TRẠNG THÁI. Giới thiệu chung.

Sự cần thiết phát triển bộ điều khiển thích nghi. Vấn đề và cơ sở toán học xây dựng bộ điều khiển thích nghi trực tiếp. Điều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái.

Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi vào-ra. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ổn định. Mô hình điều khiển thích nghi trên hệ thống điều khiển công nghiệp. Giới thiệu chung.

Mô hình phần mềm ứng dụng và khả năng áp dụng trên hệ thống điều khiển công nghiệp. 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 122 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

Một số thuật ngữ tiếng Anh. Bổ đề 3 trang 40 và kết quả (2-64). Tuyến tính hóa phƣơng trình động lực học (3-23). Chƣơng trình mô phỏng ví dụ điều khiển tay rôbốt trang 79.

Một số môđun phần mềm trong mô hình phần mềm ứng dụng. 155 -v- MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1 : Hàm ε( , E )  1  sign( E )bsig( , E ) .34 Hình 3 : Hàm Lambert w( x)ew( x)  x .41 Hình 5 : Hàm Em (  ,  ) và μ E _ max (  ,  )  μ E (  ,  ,  Em ) .41 Hình 6 : Hệ mờ MISO .63 Hình 7 : Mạng nơron 2 lớp .65 Hình 8 : Mô phỏng trong trường hợp không sử dụng thành phần bù .