Luận án nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid thích nghi dựa trên mạng nơron nhâ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VÕ HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG - 2020 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VÕ HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI MÃ SỐ: 9840106 Người hướng dẫn khoa học: 1. Phạm Kỳ Quang 2. Nguyễn Phùng Hưng HẢI PHÒNG – 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC. i LỜI CAM ĐOAN .v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.

vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. vii DANH MỤC CÁC BẢNG. Tính cấp thiết của đề tài luận án. Mục đích nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Những điểm đóng góp mới.

Kết cấu của luận án. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ MẠNG NƠ- RON NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN. Tổng quan vấn đề nghiên cứu của luận án. Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án.

Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến luận án. Mạng nơ-ron nhân tạo trong điều khiển. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo. Nhận dạng hệ thống sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo.

Phương pháp ứng dụng mạng nơ-ron trong điều khiển. Nghiên cứu một số bộ điều khiển PID nơ-ron cho hệ thống điều khiển hướng đi tàu thủy. Bộ điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược cho điều khiển hướng đi tàu thủy. Bộ điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm cho điều khiển hướng đi tàu thủy.

Cơ sở lý thuyết về các hệ tọa độ và và động học tàu thủy. Các hệ trục tọa độ tham chiếu. Phương trình động học của con tàu. Phương trình động lực học của vật rắn.

Phương trình động lực học của con tàu. Thủy động lực học. Lực phục hồi. Trọng lực thêm vào.

Kết luận chương 1. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID NƠ-RON THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ-RON LAN TRUYỀN NGƯỢC CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG ĐI TÀU THỦY. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược không có bộ nhận dạng cho hệ thống điều khiển hướng đi tàu thủy. Thuật toán điều khiển PID.

Thuật toán điều khiển mạng nơ-ron lan truyền ngược. Huấn luyện lan truyền ngược tăng cường. Sơ đồ thuật toán huấn luyện. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược có bộ nhận dạng cho hệ thống điều khiển hướng đi tàu thủy.

Mạng nhận dạng nơ-ron. Kết luận chương 2. 55 ii CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

Mô hình toán học cho mô phỏng. Mô hình toán học tàu hàng Mariner. Mô hình toán học sóng, gió và dòng chảy. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng lan truyền ngược không có bộ nhận dạng nơ-ron.

Khi không có gió và nhiễu tác động. Khi có gió và nhiễu tác động. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng lan truyền ngược có bộ nhận dạng nơ-ron. Khi không có gió và nhiễu tác động.

Khi có gió và nhiễu tác động. Kết luận chương 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. Điều kiện thực nghiệm.

Kết quả thực nghiệm. Kết luận chương 4. 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN.

89 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 90 PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 3 phụ lục) iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Võ Hồng Hải - Nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học hàng hải và tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo thích nghi cho hệ thống điều khiển tàu thủy”, dưới sự hướng dẫn của tập thể người hướng dẫn khoa học: Thầy PGS. Phạm Kỳ Quang và thầy PGS. Nguyễn Phùng Hưng, thực hiện tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

Bằng danh dự của bản thân, nghiên cứu sinh cam đoan rằng: - Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu sinh, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác; - Các số liệu, kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó; - Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực. Hải Phòng, ngày 19 tháng 11 năm 2020 Nghiên cứu sinh Võ Hồng Hải iv LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Đào tạo sau đại học Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn hai Thầy hướng dẫn khoa học, PGS. Phạm Kỳ Quang và PGS.

Nguyễn Phùng Hưng đã tận tình, tâm huyết hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Khoa Hàng hải, Bộ môn Hàng hải Trường Đại học Hàng hải Việt Nam luôn giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải TPHCM đã tạo điều kiện cho tôi được thí nghiệm đề tài luận án của mình; Các Thầy cô giáo, nhà khoa học đã góp ý, phản biện và đánh giá giúp tôi từng bước hoàn thiện luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian tôi nghiên cứu hoàn thành công trình này! Hải phòng, ngày 19 tháng 11 năm 2020 Tác giả Võ Hồng Hải v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa ANN Artificial Neural Network: Mạng nơ-ron nhân tạo ANNAI Adaptive Neural Network by Adaptive Interection: Mạng nơ-ron thích nghi theo phương pháp thích nghi tương tác BĐK Bộ điều khiển BPNN Back-Propagation Network: Mạng nơ-ron lan truyền ngược ĐKTĐ Điều khiển tự động MATLAB Công cụ làm toán trên ma trận MLTĐ Máy lái tự động NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh NNC Neural Network Controller: Bộ điều khiển mạng nơ-ron PID Proportional – Integral – Derivative: Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân ROV Phương tiện ngầm điều khiển từ xa vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hình Tên hình vẽ và đồ thị Trang 1.1 Đơn vị xử lý của mạng nơ-ron nhân tạo 13 1.2 Hàm truyền tuyến tính 14 1.3 Hàm truyền giới hạn cứng 15 1.4 Hàm truyền dạng sigma 15 1.5 Hàm truyền dạng tang-sigma 16 1.6 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp 17 1.7 Mạng nơ-ron hồi quy 17 1.8 Mô hình nhận dạng cơ bản 19 1.9 Sơ đồ phương pháp điều khiển gián tiếp 20 1.10 Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp 21 1.11 Sơ đồ cấu trúc BĐK PID dựa trên mạng BPNN 22 1.12 Cấu trúc mạng nơ-ron lan truyền ngược 23 1.13 Mô phỏng sự thay đổi của K p , Ki và K d 24 1.14 Mô phỏng hướng đi 25 1.15 Sự thay đổi của góc bẻ lái 25 1.16 Sơ đồ cấu trúc BĐK PID dựa trên mạng RBF 26 1.17 Cấu trúc mạng nơ-ron RBF 27 1.18 Hướng đi của tàu khi không có nhiễu 28 1.19 Hướng đi của tàu khi có nhiễu 28 1.20 Mô phỏng sự thay đổi của K p , Ki và K d 29 vii 1.21 Các hệ tọa độ tham chiếu 30 1.22 Hệ trục toạ độ và các đại lượng 32 1.1 Sơ đồ nguyên lý BĐK PID nơ-ron lan truyền ngược 44 2.2 Cấu trúc mạng nơ-ron lan truyền ngược 45 2.3 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển PID - BPNN 50 Sơ đồ nguyên lý BĐK PID nơ-ron NN1 với bộ nhận 2.4 51 dạng nơ-ron NN2 2.5 Cấu trúc mạng nơ-ron nhận dạng NN2 51 2.6 Mô hình đầu vào – đầu ra 53 2.7 Cấu trúc nhận dạng song song 54 2.8 Cấu trúc nhận dạng chuỗi song song 55 3.1 Tốc độ gió V và hướng gió  r 60 Hướng tàu và góc bẻ lái khi không có gió và nhiễu tác 3.3 Sự thay đổi các tham số Kp, Ki và Kd 66 Sai số hướng đi, tốc độ và gia tốc quay trở hướng mũi 3.5 Hướng đi và góc bẻ lái khi có gió và nhiễu tác động 68 3.6 Sự thay đổi các tham số Kp, Ki và Kd 68 Sai số hướng đi, tốc độ và gia tốc quay trở hướng mũi 3.7 69 tàu Hướng tàu và góc bẻ lái khi không có gió và nhiễu tác 3.9 Sự thay đổi các tham số Kp, Ki và Kd 71 3.10 Sai số hướng đi, tốc độ và gia tốc quay trở hướng tàu 72 3.11 Đầu ra của bộ nhận dạng nơ-ron NN2 72 3.12 Hướng tàu và góc bẻ lái khi có gió và nhiễu tác động 73 3.13 Sự thay đổi các thông số Kp, Ki và Kd 74 3.14 Sai số hướng đi, tốc độ và gia tốc quay trở hướng tàu 74 3.15 Đầu ra của bộ nhận dạng nơ-ron NN2 75 4.1 Quỹ đạo di chuyển mong muốn của con tàu 77 4.2 Điều kiện thực nghiệm tàu mô hình trên thực tế 78 4.3 Tàu mô hình 79 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hướng tàu sử dụng 4.5 Quỹ đạo của tàu với BĐK PID nơ-ron 80 4.6 Sai số bám quỹ đạo của tàu với BĐK PID nơ-ron 81 4.7 Sai số góc mũi tàu của tàu với BĐK PID nơ-ron 82 4.8 Góc bánh lái với BĐK PID nơ-ron 83 4.9 Góc mũi tàu với BĐK PID nơ-ron 84 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Ký hiệu của SNAME (1950) đối với tàu biển 33 Tổng bình phương độ lệch hướng và tổng bình phương 3.1 66 góc bẻ lái khi không có gió và nhiễu Tổng bình phương độ lệch hướng và tổng bình phương 3.2 69 góc bẻ lái khi có nhiễu và gió Tổng bình phương độ lệch hướng và tổng bình phương 3.3 73 góc bẻ lái khi không có nhiễu và gió Tổng bình phương độ lệch hướng và tổng bình phương 3.4 75 góc bẻ lái khi có nhiễu và gió x MỞ ĐẦU 1.