Về một phương pháp tổng hợp hệ điều khiển mờ dùng mạng nơron ứng dụng trong 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: 62.52.70.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. 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. TSKH. 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 ....................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1 1.2. 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 ...................................... 11 2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 11 2.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................... 11 2.1.2. Biểu diễn các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi .......................... 12 2.1.3. Vấn đề trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái ............................................................................. 15 2.2. 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 ......... 21 2.2.1. Cơ sở toán học của phương pháp ....................................................... 21 2.2.2. Tính bền vững của hệ vòng kín trong phương pháp ........................... 31 2.3. 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 ...................... 44 2.3.1. Bài toán điều khiển và cơ sở toán học ................................................ 44 2.3.2. Điều khiển ổn định bằng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái ............................................................................................. 47 2.3.3. Tính bền vững của hệ vòng kín đối với thành phần không rõ trong phương trình động học .............................................................. 51 2.4. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển tĩnh ổn định ........................................... 55 2.5. Kết luận ......................................................................................................... 56 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ ƢỚC LƢỢNG HÀM TRẠNG THÁI DÙNG BỘ XẤP XỈ MỜ NƠRON .......................... 58 3.1. Đặt vấn đề và cơ sở lý thuyết xây dựng phƣơng pháp ............................. 58 3.1.1. Giới thiệu chung.................................................................................. 58 3.1.2. Bộ xấp xỉ vạn năng .............................................................................. 59 3.1.3. Cơ sở toán học xây dựng các bộ xấp xỉ dùng hệ mờ và mạng nơron ................................................................................................... 60 3.2. Thay thế ƣớc lƣợng hàm trạng thái ........................................................... 69 3.2.1. Cơ sở toán học của phương pháp ....................................................... 69 3.2.2. Xác định tham số bộ điều khiển .......................................................... 74 3.2.3. Mô phỏng điều khiển tay rôbốt ........................................................... 79 3.3. Thay thế ƣớc lƣợng hàm trạng thái mở rộng trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi chặt ........................................... 84 - iv - 3.3.1. Phương pháp cuốn chiếu .................................................................... 84 3.3.2. Phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái khi hệ chứa các thành phần không rõ .................................................................... 85 3.4. 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 ......................................................... 96 4.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 96 4.1.1. Sự cần thiết phát triển bộ điều khiển thích nghi ................................. 96 4.1.2. Vấn đề và cơ sở toán học xây dựng bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ............................................................................................... 98 4.2. Điều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi ....................................................................................... 101 4.2.1. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái ....................................... 101 4.2.2. Hệ khả tuyến tính hóa phản hồi vào-ra ............................................ 108 4.3. Tổng hợp thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp ổn định ............... 110 4.4. Mô hình điều khiển thích nghi trên hệ thống điều khiển công nghiệp .......................................................................................................... 111 4.4.1. Giới thiệu chung................................................................................ 111 4.4.2. Mô hình phần mềm ứng dụng và khả năng áp dụng trên hệ thống điều khiển công nghiệp ........................................................... 113 4.5. Kết luận ....................................................................................................... 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 122 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ......................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 125 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 134 5.1. Một số thuật ngữ tiếng Anh ...................................................................... 134 5.2. Bổ đề 1 trang 23 .......................................................................................... 136 5.3. Bổ đề 3 trang 40 và kết quả (2-64) ........................................................... 139 5.4. Tuyến tính hóa phƣơng trình động lực học (3-23) ................................. 143 5.5. Chƣơng trình mô phỏng ví dụ điều khiển tay rôbốt trang 79 ............... 145 5.6. Bổ đề 6 trang 100 ........................................................................................ 152 5.7. Một số môđun phần mềm trong mô hình phần mềm ứng dụng ............ 155 - v - MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1 : Hàm ε( , ) 1 sign( )bsig( , )E E E   .......................................................... 33 Hình 2 : Hàm μ( , ) ε( , )E E E  ............................................................................. 34 Hình 3 : Hàm Lambert w( )w( ) xx e x ....................................................................... 35 Hình 4 : Hàm  μ ( , , ) sign( )bsig( , )E E E E E     ........................................ 41 Hình 5 : Hàm ( , )mE   và _ maxμ ( , ) μ ( , , )E E mE     ................................... 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 .......................... 81 Hình 9 : Mô phỏng sử dụng thành phần bù tĩnh với 1  và 1.0  ...................... 82 Hình 10 : Mô phỏng sử dụng thành phần bù tĩnh với 1  và 0.8  .................... 83 Hình 11 : Điều khiển thích nghi trong hệ thống điều khiển công nghiệp .................. 114 Hình 12 : Sơ đồ đường đi dữ liệu trong mô hình điều khiển thích nghi .................... 115 Hình 13 : Các môđun phần mềm chính trong mô hình hệ thống NF ......................... 117 Hình 14 : Cấu trúc bộ đệm và dữ liệu quá trình cung cấp cho PC-Server ................. 155 Hình 15 : Các khối môđun phần mềm trên giao diện STEP7 V5 .............................. 157 - vi - BẢNG CHỮ VIẾT TẮT ABS Antilock Braking System ANFIS Adaptive-Network-based Fuzzy Inference System CNC Computerized Numerical Control CSDL Cơ sở dữ liệu DC Direct Current DCS Distributed Control System DVD Digital Video Disc GUAS Globally Uniformly Asymtotically Stable HD DVD High Density DVD IE Industrial Ethernet IEC International Electrotechnical Commission IPC Industrial Personal Computer ISPS Input-to-State Practically Stable ISS Input-to-State Stable KH&CN Khoa học và Công nghệ LTI Linear Time Invariant MIMO Multi-Input Multi-Output MLP Multilayer Perceptron (Network) NF/NFN Neuro-Fuzzy/Neuro-Fuzzy Network PC Personal Computer PID Proportional Integral Differential PLC Programmable Logic Controller R&D Research and Development RBF Radial Basis Function Network RBN Radial Basis Neural Network SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SCL Structured Control Language SISO Single-Input Single-Output UAS Uniformly Asymtotically Stable - 1 - CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ (KH&CN) trong các lĩnh vực công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu mới và công nghệ thông tin đã cho ra đời các bộ vi xử lý mạnh, kích cỡ nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp và giá thành hạ. Nhờ đó con người có thể tạo ra hàng loạt sản phẩm công nghệ cao tinh vi và thông minh cũng như các sản phẩm công nghệ cao này ngày càng trở nên phổ biến hơn và là một phần không thể thiếu trong sự phát triển của xã hội văn minh hiện đại. Những thiết bị dân dụng công nghệ cao như máy điện thoại di động, iPod, đầu đĩa HD DVD và Blu-ray hay máy giặt, máy rửa bát, ... đã không còn xa lạ đối với nhiều người dân trong khi các thiết bị khác như máy rút tiền tự động, máy bán hàng, bán vé tàu xe tự động, thiết bị trợ giúp y tế, thiết bị dẫn đường, rôbốt giúp việc, ... đang trở nên gần gũi với con người hơn bao giờ hết. Có thể nói sự phát triển của KH&CN đã và đang tạo ra những thay đổi lớn trong xã hội loài người nhằm đáp ứng nhu cầu ngày một cao của con người về môi trường và điều kiện sống. Cùng với sự phát triển này là sự lớn mạnh của các ngành công nghiệp nhằm khai thác và cung cấp các sản phẩm, dịch vụ có chất lượng tốt nhất với giá thành hạ tới người tiêu dùng. Kinh nghiệm của các nước phát triển cho thấy việc áp dụng KH&CN trong cải tiến, tạo ra các sản phẩm mới cũng như việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm, dịch vụ có ý nghĩa sống còn đối với mỗi nhà sản xuất nhưng ngược lại cũng đòi hỏi KH&CN phải luôn đi trước một bước, đáp ứng được yêu cầu phát triển của nhà sản xuất nói riêng và của xã hội nói chung. Mặc dù hiện nay thế giới đang phải đối mặt với các vấn đề nghiêm trọng về khủng hoảng tài chính và tình trạng suy thoái kinh tế toàn cầu ảnh hưởng lớn đến các hoạt động sản xuất, tuy nhiên đứng trên quan điểm triết học thì bản chất của phát triển và phát triển là bản chất của xã - 2 - hội và do đó chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng trong tương lai không xa, việc các nền kinh tế được khôi phục và tiếp tục phát triển là tất yếu, trong đó KH&CN vẫn là động lực để thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội.  Tính phi tuyến và vai trò của lý thuyết điều khiển hiện đại Trong sự phát triển của KH&CN, lý thuyết điều khiển hiện đại có vai trò hết sức quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề như nâng cao chất lượng điều khiển, độ ổn định của hệ thống, tiết kiệm năng lượng hay như sử dụng máy móc thay thế con người trong các ứng dụng điều khiển phức tạp hoặc nguy hại. Hàng loạt các công trình nghiên cứu về điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu hay điều khiển mờ và mạng nơron được công bố trong những năm gần đây cho thấy sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên khắp thế giới và những vấn đề, các hướng nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực này ([35], [40], [41], [42], [44], [46], [48], [52], [53], [54], [56], [57], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [71], [73], [75], [77], [79], [80], [81], [82], [83], [92], [93], [94], [95], [96], [98], [99], [100], [101], [102], [103], [104], [105], [106], [107], [108]). Như chúng ta đã biết, các hệ thống thực là các mô hình phi tuyến hết sức phức tạp nên các phương pháp thiết kế kinh điển dựa trên điều khiển tuyến tính trong nhiều trường hợp không đảm bảo được yêu cầu do đặc tính phi tuyến của động học đối tượng điều khiển, đặc tuyến đầu đo hoặc cơ cấu chấp hành cũng như tính chất không đầy đủ, chính xác của các mô hình thay thế (động học chưa biết, nhiễu, điều kiện ban đầu). Trong công nghiệp, đầu đo và cơ cấu chấp hành là những ví dụ rõ nhất về tính phi tuyến. Tuy nhiên đặc tính phi tuyến còn thể hiện rõ trong các hệ cơ điện (động cơ DC không chổi than, động cơ điện cảm ứng), tay máy, các hệ thống trang bị trên ôtô (Power train, ABS, Precision Control), các quá trình hóa học, sinh học và các hệ chuyển động hỗn loạn (chaos). Cần lưu ý rằng các hệ chuyển động hỗn loạn là các hệ động học phi tuyến tiền định (deterministic) nghĩa là - khác với ngẫu nhiên - động học tương lai của hệ thống được định nghĩa bởi các - 3 - điều kiện ban đầu nên hệ còn được xem là rất nhạy với các điều kiện ban đầu. Ví dụ điển hình của hệ chuyển động hỗn loạn trong tự nhiên là thời tiết khí hậu còn trong công nghiệp là các quá trình hóa học, sinh học, dòng chảy. Ngoài ra một vấn đề khác cũng được đặt ra là rất nhiều hệ cần điều khiển có các tham số không rõ (như hệ t