Nghiên cứu cải tiến bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho đối tượng phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGÔ KIÊN TRUNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGÔ KIÊN TRUNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62. 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Hữu Công 2. Vũ Nhƣ Lân THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận án “Nghiên cứu cải tiến bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho đối tƣợng phi tuyến” là công trình nghiên cứu của riêng tôi đƣợc hoàn thành dƣới sự chỉ bảo tận tình của hai thầy giáo hƣớng dẫn.

Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần đƣợc công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Ngô Kiên Trung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. Nguyễn Hữu Công - Đại học Thái Nguyên và TS. Vũ Nhƣ Lân - Viện công nghệ thông tin Hà Nội đã tận tình hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tôi thực hiện và hoàn thành luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong bộ môn Tự động hóa - Khoa Điện - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và phòng Tin học trong điều khiển - Viện Công nghệ thông tin Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án, tham gia sinh hoạt khoa học. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, anh chị, bạn bè và đồng nghiệp Khoa Điện, Khoa Điện tử, Khoa Quốc tế, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học, các đơn vị chức năng Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp, các ban chức năng Đại học Thái Nguyên đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình. Tôi biết ơn những ngƣời thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành bản luận án. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Ngô Kiên Trung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU. viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ.

ix MỞ ĐẦU. Tổng quan tình hình nghiên cứu đại số gia tử trong và ngoài nƣớc. Đại số gia tử. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.

Một số kết quả đạt đƣợc về phƣơng pháp luận sử dụng HA và đề xuất phát triển hƣớng nghiên cứu. Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm với HA và đề xuất phát triển hƣớng nghiên cứu. Tính khoa học và cấp thiết của luận án. Mục tiêu của luận án.

Mục tiêu chung. Mục tiêu cụ thể. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn.

Ý nghĩa thực tiễn. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Bố cục và nội dung của luận án. 10 CHƢƠNG 1 CÁC KIẾN THỨC CƠ SỞ.

Hệ logic mờ và phƣơng pháp điều khiển. Mô hình mờ. Bộ điều khiển logic mờ. Bộ điều khiển mờ - FLC (Fuzzy Logic Controller).

Bộ điều khiển mờ động. Bộ điều khiển mờ lai - F_PID. Ƣu nhƣợc điểm. Lý thuyết Đại số gia tử.

Biến ngôn ngữ. Đại số gia tử của biến ngôn ngữ. Các tính chất cơ bản của HA tuyến tính. Hàm độ đo tính mờ trong đại số gia tử tuyến tính.

Phƣơng pháp lập luận xấp xỉ sử dụng đại số gia tử. Giải thuật di truyền. Các bƣớc cơ bản của giải thuật di truyền. Các phép toán của GA.

Cơ sở toán học của GA. Kết luận chƣơng 1. 39 CHƢƠNG 2 ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG ĐIỀU KHIỂN. Phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử.

41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Nghiên cứu kiểm chứng bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho một số đối tƣợng công nghiệp. Điều khiển đối tƣợng tuyến tính có tham số biến đổi. Điều khiển đối tƣợng phi tuyến đã đƣợc tuyến tính hóa.

Điều khiển đối tƣợng có trễ với hệ số trễ lớn. Kết luận chƣơng 2. 61 CHƢƠNG 3 CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ. Đề xuất nghiên cứu.

Đề xuất nghiên cứu nâng cao chất lƣợng HAC. Đề xuất nghiên cứu tối ƣu hóa quá trình thiết kế HAC. Nghiên cứu cải tiến HAC. Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng HAC.

Nghiên cứu tối ƣu hóa quá trình thiết kế HAC. Ứng dụng NEW_HAC cải tiến cho đối tƣợng phi tuyến. Xây dựng mô hình toán học hệ thống. Áp dụng NEW_HAC với 3 đầu vào và giản lƣợc luật.

Thiết kế NEW_HAC. Mở rộng đề xuất. Nhận xét chung. Áp dụng PP tự động xác định tham số cho NEW_HAC.

Kết luận chƣơng 3. 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ vi CHƢƠNG 4 THỰC NGHIỆM. Thí nghiệm với hệ thống truyền động bám chính xác. Giới thiệu mô hình hệ thống thí nghiệm.

Cấu trúc hệ thống điều khiển với HAC. Kết quả thí nghiệm. Thí nghiệm với hệ thống Ball and Beam. Giới thiệu mô hình hệ thống thí nghiệm.

Cấu trúc hệ thống điều khiển với NEW_HAC_GA. Kết quả thí nghiệm. Kết luận chƣơng 4. 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

99 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 108 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: AX Đại số gia tử tuyến tính Tổng độ đo tính mờ của các gia tử âm Tổng độ đo tính mờ của các gia tử dƣơng W Phần tử trung hòa trong đại số gia tử Giá trị định lƣợng của phần tử trung hòa c-, c+ Các phần tử sinh Các chữ viết tắt: ĐKTĐ Điều khiển tự động SISO Single-Input-Single-Output (Một vào - một ra) BĐK Bộ điều khiển HA Hedge Algebra (Đại số gia tử) HAC Hedge Algebra-based Controller (Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử) SQMs Semantically Quantifying Mappings HA-IRMd Hedge Algebra-based Interpolative Reasoning Method (Phƣơng pháp lập luận xấp xỉ sử dụng đại số gia tử) GA Genetic Algorithm (Giải thuật di truyền) FLC Fuzzy Logic Controller (Bộ điều khiển mờ) FAM Fuzzy Associative Memory (Bộ nhớ kết hợp mờ) SAM Semantization Associative Memory (Bộ nhớ kết hợp định lƣợng) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Bảng 2. Bảng luật điều khiển với nhãn ngôn ngữ của HA 46 Bảng 2.

Lựa chọn tham số cho các biến E, IE, U 55 Bảng 2. Luật điều khiển 55 Bảng 2. Bảng SAM 56 Bảng 2. Bảng luật điều khiển theo nhãn ngôn ngữ của HA 59 Bảng 2.

Bảng SAM 59 Bảng 3. 27 tập luật điều khiển với nhãn ngôn ngữ HA 68 Bảng 3. Lựa chọn tham số cho các biến E, DE, IE và U 77 Bảng 3. Bảng SAM gồm 27 luật 78 Bảng 3.

Bảng SAM2 gồm 27 luật sử dụng phép kết nhập 78 Bảng 3. Bảng SAM3 gồm 7 luật 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ khối chức năng bộ FLC 15 Hình 1. Bộ điều khiển mờ động 16 Hình 1.

a) Sơ đồ F_PID b) Vùng tác động các BĐK 17 Hình 1. Đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng 31 Hình 1. Khoảng xác định và khoảng ngữ nghĩa của các biến 31 Hình 2. Sơ đồ bộ điều khiển sử dụng HA 42 Hình 2.

Sơ đồ thay thế động cơ một chiều điều chỉnh góc quay 44 Hình 2. Đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng 48 Hình 2. Giải ngữ nghĩa các biến Chs, dChs và Us 49 Hình 2. Mô phỏng hệ thống với kích thích 1(t) 49 Hình 2.

Đáp ứng của hệ thống với kích thích 1(t) 50 Hình 2. Các tham số biến thiên J và R 50 Hình 2. Đáp ứng của hệ thống với xung vuông 51 Hình 2. Đáp ứng của hệ thống với xung bậc thang 51 Hình 2.

MEDE 5 và mô hình hóa kết cấu cơ khí 53 Hình 2. Mặt cong ngữ nghĩa định lƣợng 56 Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống 57 Hình 2. Đáp ứng của hệ với kích thích xung vuông 57 Hình 2.

Mặt cong ngữ nghĩa định lƣợng 60 Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Đáp ứng hệ với kích thích 1(t) 61 Hình 3. Mô tả hệ thống Ball and beam 73 Hình 3.

Mô tả động học hệ thống Ball and beam 73 Hình 3. Sơ đồ khối mô hình phi tuyến hệ Ball and beam 75 Hình 3. Hệ thống bánh răng truyền động 75 Hình 3. Sơ đồ khối động cơ servo với đầu ra vị trí 76 Hình 3.

Đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng NEW_HAC 79 Hình 3. Mô phỏng hệ với NEW_HAC cải tiến 80 Hình 3. Đáp ứng hệ với NEW_HAC cải tiến 80 Hình 3. Mô phỏng hệ thống với NEW_FLC và NEW_HAC 82 Hình 3.

Kết quả với NEW_FLC và NEW_HAC 82 Hình 3. Đáp ứng hệ thống đối với bộ tham số GA 85 Hình 4. Mô hình thí nghiệm hệ thống truyền động bám chính xác 88 Hình 4. Arduino Board 88 Hình 4.

Động cơ servo và cơ cấu bánh răng 88 Hình 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác 89 Hình 4. Giao diện thí nghiệm hệ truyền động bám chính xác 89 Hình 4. Khâu lọc biến trạng thái (State Variable Function) 89 Hình 4.

Arduino IO setup (Khối kết nối vào/ra) 90 Hình 4. Real-Time Pacer (Khối thiết lập thời gian thực) 90 Hình 4. Encoder read (Khối đọc tín hiệu encoder) 90 Hình 4. Arduino analog write (Khối vào/ra tƣơng tự - PWM) 90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ xi Hình 4.

Arduino digital write (Khối vào/ra số) 90 Hình 4. Điều khiển đảo chiều 90 Hình 4. Đáp ứng hệ thống với HAC 2 đầu vào 91 Hình 4. Sai lệch e(t) 91 Hình 4.

Mô hình thí nghiệm hệ thống Ball and Beam 93 Hình 4.