luận văn: VỀ MỘT PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ DÙNG MẠNG NƠRON ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Chia sẻ: Nguyễn Thị Bích Ngọc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:166

Thêm vào BST

Báo xấu

139
lượt xem 41
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo luận văn - đề án 'luận văn: về một phƣơng pháp tổng hợp hệ điều khiển mờ dùng mạng nơron ứng dụng trong công nghiệp', luận văn - báo cáo, thạc sĩ - tiến sĩ - cao học phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: luận văn: VỀ MỘT PHƢƠNG 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( , E )  1  sign( E )bsig( , E ) ..........................................................33 Hình 2 : Hàm μ( , E )  E ε( , E ) .............................................................................34 Hình 3 : Hàm Lambert w( x)ew( x)  x .......................................................................35 Hình 4 : Hàm μ E (  ,  , E )  E    sign( E )bsig( , E )  ........................................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 ..........................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 truyền động servo, rôbốt), có các tham số biến đổi chậm (ví dụ như các tham số phụ thuộc vào nhiệt độ) hoặc có các tham số thay đổi không dự đoán được (như các hệ thống năng lượng). Để giải quyết các vấn đề phức tạp trên, lý thuyết điều khiển bền vững và thích nghi được xem là các công cụ hữu hiệu. Thực tế hiện nay điều khiển thích nghi đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như điều khiển rôbốt, máy công cụ, CNC, điều khiển quá trình (hóa học, sinh học, ...), điều khiển truyền động hay như điều khiển lái tàu, máy bay tự động. Tuy nhiên việc thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến nói chung và điều khiển thích nghi nói riêng là không đơn giản và đặt ra hàng loạt vấn đề cần giải quyết như vấn đề về ổn định hệ vòng kín, vấn đề điều khiển bám theo tín hiệu mẫu, vấn đề chống nhiễu hoặc làm suy giảm nhiễu cũng như khi kết hợp các vấn đề trên với nhau. Giống như trong điều khiển tuyến tính, phản hồi vẫn là chìa khóa để thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến nói chung. Về mặt lý thuyết, nếu toàn bộ các trạng thái của hệ đo được khi đó ta nói đến điều khiển phản hồi trạng thái, còn trong trường hợp chỉ có véctơ đầu ra đo được, điều khiển phản hồi đầu ra được áp dụng. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến như tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization), điều khiển tích phân (integral control), điều chỉnh định trình khuếch đại (gain scheduling) là các phương pháp chủ đạo hiện nay ([32], [45], [50], [51], [68]).  Điều khiển mờ nơron Mặc dù các nghiên cứu về điều khiển phi tuyến đã có nhiều bước tiến quan trọng, tuy nhiên vấn đề trở nên phức tạp hơn khi hệ phi tuyến có chứa các thành phần không rõ làm mất ổn định hệ. Các đặc tính không rõ này có thể xuất phát từ các nguồn như nhiễu đầu vào, động học chưa biết của đối tượng, sai số của
-4- các mô hình thay thế hoặc tác động bên ngoài. Để điều khiển ổn định hệ, các phương pháp thiết kế sử dụng điều khiển mờ nơron (hay còn gọi là điều khiển mờ dùng mạng nơron) nhằm xấp xỉ các thành phần chưa biết từ đó tìm cách giảm trừ tác động của các thành phần này để đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất. Việc áp dụng điều khiển mờ nơron còn cho phép phát triển các bộ điều khiển thích nghi do tham số có thể chỉnh định được trực tuyến trong quá trình hoạt động. Cần lưu ý thêm rằng về mặt thuật ngữ, điều khiển mờ nơron trong luận án còn được hiểu là điều khiển (phi tuyến) dựa trên cơ sở hệ mờ (fuzzy system), mạng nơron nhân tạo (artificial neural network), mạng nơron mờ lai (hybrid fuzzy neural network) hoặc hệ mờ nơron (neuro-fuzzy system). Chúng ta biết rằng lý thuyết tập mờ đã được giới thiệu từ những năm 60 của thế kỷ trước, tuy nhiên phải tới đầu thập kỷ 90 các hệ thống điều khiển mờ mới thực sự được đưa vào ứng dụng trong đời sống và sản xuất. Hệ mờ đã chứng tỏ được tính ưu việt so với các hệ điều khiển được dùng trước đó trong giải quyết các bài toán như điều khiển quá trình sản xuất dựa trên kinh nghiệm vận hành, điều khiển phi tuyến, điều khiển các thông số môi trường, các hệ thống dự báo khí tượng, thủy văn. Trong công nghiệp, điều khiển mờ còn được nghiên cứu kết hợp với điều khiển PID kinh điển nhằm tận dụng được các ưu điểm của cả hai hệ thống, cho phép nâng cao chất lượng điều khiển ([21], [28], [34], [47], [69], [86]). Hiện nay các hệ thống điều khiển mờ trong công nghiệp được phát triển dựa trên cơ sở các môđun phần mềm cho các hệ thống thiết bị khả trình (PLC), máy tính công nghiệp (IPC) cho phép giải quyết được nhiều bài toán trước đây khó thực hiện được. Mạng nơron nhân tạo thường được dùng để điều chỉnh các hàm liên thuộc của các hệ mờ trong các thiết bị điều khiển. Mặc dù logic mờ có thể mã hóa trực tiếp tri thức chuyên gia sử dụng các luật với các nhãn ngôn ngữ nhưng logic mờ lại đòi hỏi nhiều thời gian thiết kế và chỉnh định các hàm liên thuộc để định lượng các nhãn ngôn ngữ. Kỹ thuật luyện mạng nơron cho phép tự động hóa
-5- quá trình này và giảm đáng kể thời gian, chi phí phát triển trong khi cải thiện được tốc độ xử lý ([76], [86], [91]). Mặc dù về lý thuyết các mạng nơron và các hệ thống mờ là tương đương nhau theo nghĩa chúng có khả năng chuyển đổi được tuy nhiên trong thực tế mỗi hệ thống lại có ưu và nhược điểm riêng. Đối với các mạng nơron, tri thức có thể thu được tự động bởi thuật toán hồi quy nhưng quá trình luyện lại tương đối chậm và việc phân tích mạng đã luyện là khó khăn. Ngoài ra ta cũng không có khả năng rút ra được tri thức có dạng cấu trúc (các luật) từ mạng nơron đã luyện cũng như không thể đưa thêm các thông tin đã biết vào trong mạng nơron để đơn giản hóa quá trình luyện mạng. Các hệ thống mờ tốt hơn theo nghĩa hoạt động của chúng có thể giải thích được dựa trên các luật mờ và như vậy tốc độ thực thi của hệ có thể thay đổi được bằng cách chỉnh định các luật. Tuy nhiên thông thường việc thu được tri thức là khá khó khăn và việc phải chia biến đầu vào thành nhiều miền nên ứng dụng của các hệ thống mờ bị giới hạn trong các vùng mà ở đó tri thức chuyên gia phải có cũng như đa phần trong thực tế chỉ áp dụng được với số lượng các biến đầu vào nhỏ. Việc kết hợp các ưu điểm của hệ mờ và mạng nơron dẫn đến các hệ thống lai với các cấu trúc được sử dụng rộng rãi là mạng nơron mờ lai (hybrid FNN) và hệ mờ nơron (NFS). Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, hệ mờ, mạng nơron và sự kết hợp của hệ mờ với mạng nơron được coi là những công cụ đa năng để giải quyết các vấn đề về phi tuyến và tính không chắc chắn trong điều khiển các hệ phi tuyến nói chung.  Hệ thống điều khiển công nghiệp và xu hƣớng phát triển Khái niệm hệ thống điều khiển công nghiệp thông thường được hiểu là các hệ thống SCADA, các hệ điều khiển phân tán (DCS) và các thiết bị (logic) khả trình (PLC). Về mặt thuật ngữ, SCADA là hệ thống máy tính phục vụ giám sát và điều khiển một quá trình nào đó. Quá trình ở đây có thể là quá trình công nghiệp (như chế tạo, sản xuất, tinh chế có chế độ hoạt động liên tục, gián đoạn
-6- hay có tính chất theo mẻ hoặc lặp lại), cơ sở hạ tầng (như xử lý, cấp nước; xử lý, thu hồi nước thải; các đường ống dẫn dầu, khí ga; phân phối và truyền dẫn điện; các hệ thống thông tin) hoặc cơ sở tiện nghi (như tòa nhà, cảng hàng không, hải cảng, trạm vũ trụ). Trong khi đó, DCS để chỉ các hệ điều khiển có các thành phần điều khiển nằm phân tán (không tập trung) trong toàn hệ thống, trong đó mỗi hệ con được điều khiển bởi một hoặc nhiều thành phần điều khiển. Trong công nghiệp các hệ DCS giám sát và điều khiển các thiết bị phân tán được dùng trong các nhà máy điện, lọc dầu, hóa chất, xử lý nước, nước thải, ... Một dạng hệ điều khiển công nghiệp khác là PLC dùng trong tự động hóa các quá trình cơ điện và các thiết bị điều khiển máy móc. PLC là một dạng máy tính số, so với máy tính thông thường PLC được thiết kế để hoạt động ở dải nhiệt độ rộng hơn, khả năng chống nhiễu cao, chịu được rung động và va đập tốt cũng như có tính năng xử lý thời gian thực. Tuy nhiên việc phân chia các hệ điều khiển công nghiệp nêu trên chỉ có ý nghĩa tương đối mà không có ranh giới rõ ràng. Ngày nay nhiều hệ PLC có thể thực thi nhiệm vụ của một hệ DCS nhỏ trong khi các hệ DCS lại có thể có các hệ con hoạt động như các PLC thực thụ. Sự phát triển của KH&CN trong những năm gần đây cho thấy xu hướng tích hợp các hệ thống điều khiển trên lại với nhau để tạo ra các hệ thống mạnh, có tính mở và sử dụng các ngôn ngữ lập trình bậc cao. PAC (Process Automation Control) là một ví dụ của xu hướng phát triển này. Trong hệ thống điều khiển công nghiệp, hệ thống mạng công nghiệp có một vai trò quan trọng hiện tại cũng như trong tương lai. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và yêu cầu ngày càng cao của tự động hóa công nghiệp mà việc sử dụng các mạng công nghiệp ngày một rộng rãi hơn. Tuy nhiên khác với mạng thông tin, mạng công nghiệp phải đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ truyền thích hợp với giá thành tốt cũng như phải đảm bảo hoạt động ổn định, tin cậy trong môi trường công nghiệp. Hệ thống mạng công nghiệp thường được sử dụng theo mô hình phân cấp tùy thuộc vào yêu cầu trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong mạng (như đáp ứng
-7- thời gian thực, độ lớn dữ liệu, dịch vụ truyền thông). Theo đó cấp trên cùng (gọi là cấp nhà máy) được sử dụng để kết nối giữa các máy tính trong hệ thống quản lý và điều hành hoạt động sản xuất của nhà máy (thông thường đòi hỏi thời gian đáp ứng dữ liệu dưới 1s). Trong khi đó, cấp trung gian (cell/control level) dùng để kết nối các bộ điều khiển (phân tán) với nhau cho thực thi các nhiệm vụ điều khiển chung nên yêu cầu thời gian đáp ứng dữ liệu phải nhanh hơn (dưới 100ms). Dưới cùng là cấp trường (field level) thực hiện việc kết nối thiết bị điều khiển với các I/O phân tán (đầu đo, cơ cấu chấp hành), do đó đáp ứng phải nhanh hơn cả để đảm bảo bộ điều khiển xử lý được các I/O thời gian thực (thông thường thời gian đáp ứng dưới 10ms). Trao đổi dữ liệu trong hệ thống mạng công nghiệp được thực hiện thông qua bus trường (fieldbus). Bus trường là tên gọi chung của họ các giao thức mạng công nghiệp dùng trong các ứng dụng điều khiển phân tán thời gian thực và đã được tiêu chuẩn hóa (tiêu chuẩn IEC 61158). Một số chuẩn bus trường có thể kể ra như Foundation Fieldbus (H1, HSE), Profibus, ProfiNet IO, ControlNet, P- Net, Interbus và WorldFIP. Tuy nhiên các chuẩn bus trường không tương thích với nhau do được phát triển bởi các hãng riêng biệt nên khó khăn cho người sử dụng lựa chọn công nghệ và thiết bị. Ngày nay cùng với việc Ethernet hỗ trợ phần lớn các giao thức mạng và được dùng rộng rãi trong mạng thông tin dữ liệu, Ethernet công nghiệp đang là sự lựa chọn phát triển số một của nhiều hãng tự động hóa. Ethernet công nghiệp không chỉ sử dụng trong các phân cấp trên mà đang có xu thế hướng tới cả phân cấp dưới (cấp trường). Có thể nói công nghệ Ethernet hứa hẹn sẽ mang đến sự thay đổi lớn trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp ([39], [84]).  Tình hình nghiên cứu hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam Trong những năm gần đây vấn đề về thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho các hệ thống động học phi tuyến luôn là một trong các chủ đề chính trên các tạp chí chuyên ngành về điều khiển, tự động hóa trên thế giới và ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu. Đã có nhiều bước tiến, kết quả
-8- đạt được cả về mặt lý thuyết và thực tiễn ứng dụng ([41], [44], [45], [46], [50], [51], [57], [59], [66], [97], [100]), đặc biệt theo hướng sử dụng hệ mờ và/hoặc mạng nơron để xấp xỉ phương trình động học của đối tượng phi tuyến và dùng các phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái hoặc phản hồi đầu ra của hệ thống ([35], [40], [45], [52], [54], [56], [57], [75], [94], [95], [98], [101], [102], [106]) để thiết kế bộ điều khiển ổn định tĩnh. Để bộ điều khiển có đặc tính thích nghi với những sai lệch không rõ khi hoạt động trực tuyến, các bộ điều khiển được thiết kế sử dụng cấu trúc mạng nơron hoặc logic mờ với các luật để chỉnh định các trọng số trong quá trình làm việc. Đây cũng là phương pháp thường dùng để thiết kế các bộ điều khiển thích nghi trong các ứng dụng công nghiệp. Đối với trong nước, các nghiên cứu về điều khiển mờ, mạng nơron nhân tạo và hệ thống mờ nơron cũng đã được nhiều cơ sở KHCN tập trung nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây ([2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [20], [23], [24], [26], [27], [29], [30], [31], [36], [78]) và đã có không ít công trình hướng tới việc ứng dụng được công bố nhưng nhìn chung các kết quả đạt được còn khá khiêm tốn. Một số cơ sở như Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA), Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Phân viện Tự động hóa - Viện công nghệ thông tin, Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, ... là những đơn vị đã có nhiều năm nghiên cứu về điều khiển mờ nơron và đã có một số kết quả nhất định, tuy nhiên các nghiên cứu sâu rộng hơn nhằm ứng dụng công nghệ này trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp tiên tiến còn là những bước đi ban đầu.  Vấn đề nghiên cứu và đóng góp chính của luận án Những vấn đề còn tồn tại hiện nay cả về lý thuyết và thực tiễn ứng dụng trong điều khiển các hệ phi tuyến có chứa các thành phần không rõ đòi hỏi những nghiên cứu, phát triển tiếp nhằm giải quyết các vấn đề đã nêu. Trong khuôn khổ của luận án, tác giả chọn hướng nghiên cứu áp dụng hệ mờ và mạng nơron trong điều khiển các hệ động học phi tuyến tuy nhiên chỉ giới hạn vào các
-9- hệ phi tuyến có phương trình động học chuyển được về dạng tuyến tính hóa phản hồi có chứa các thành phần không rõ do đây là một trong những dạng điển hình trong công nghiệp. Ngoài ra đây cũng là vấn đề chưa được giải quyết đầy đủ trên thế giới ([40], [50], [52], [53], [54], [56], [57], [60], [61], [62], [63], [72], [73], [75], [81], [92], [94], [95], [98], [104], [105]) cũng như có rất ít công trình nghiên cứu trong nước được công bố ([14], [81]). Chương 2 sẽ trình bày và phân tích rõ hơn những hạn chế trong các phương pháp giải hiện nay và ý tưởng hình thành phương pháp mới nhằm tránh phải giải quyết các vấn đề trên. Như vậy đóng góp chính của luận án là một phương pháp mới (gọi là phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái) cho phép tổng hợp bộ điều khiển ổn định tĩnh và động các hệ thống khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái và khả tuyến tính hóa phản hồi vào-ra có các thành phần không rõ trong phương trình động học cho lớp bài toán điều khiển bám tín hiệu mẫu cho trước. Phương pháp mới đưa ra cách thức phân tích được ảnh hưởng của phép thay thế lên hệ sai số nhằm tránh phải giải quyết một số vấn đề thường gặp trong các phương pháp giải hiện nay. Ngoài ra phương pháp có khả năng áp dụng được trên các hệ thống điều khiển công nghiệp tiên tiến với PLC đủ mạnh hoặc sử dụng Soft- PLC (như WinAC RTX của hãng Siemens). 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu  Mục tiêu Xây dựng phương pháp thay thế ước lượng hàm trạng thái trên cơ sở áp dụng hệ mờ và mạng nơron cho phép tổng hợp bộ điều khiển ổn định tĩnh và động (thích nghi) các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearizable system) có chứa các thành phần không rõ trong phương trình động học để giải quyết bài toán điều khiển bám theo tín hiệu mẫu cho trước và có khả năng áp dụng trên các hệ thống điều khiển công nghiệp.  Nhiệm vụ nghiên cứu Với mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra của luận án như sau:
- 10 - - Nghiên cứu các vấn đề trong điều khiển ổn định các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi có chứa các thành phần không rõ trong bài toán bám theo tín hiệu mẫu cho trước, tập trung vào các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi trạng thái và khả tuyến tính hóa phản hồi vào-ra. - Xây dựng cơ sở toán học của phương pháp tổng hợp mới nhằm giải quyết và tránh được một số vấn đề trong các phương pháp hiện nay. - Xây dựng luật điều khiển tĩnh và động trong phương pháp mới. - Xây dựng mô hình phần mềm ứng dụng trên một hệ thống điều khiển công nghiệp điển hình nhằm phân tích khả năng áp dụng của phương pháp.  Phƣơng pháp nghiên cứu Xuất phát từ những vấn đề của các phương pháp giải và các hướng nghiên cứu tiếp theo hiện nay, luận án chọn phương pháp nghiên cứu áp dụng hệ mờ và mạng nơron trong điều khiển để giải quyết vấn đề phi tuyến và không rõ trong phương trình động học của hệ. Liên quan đến vấn đề ổn định và tính bền vững của hệ vòng kín, luận án lựa chọn một số cơ sở toán học để phân tích, xây dựng và phát triển cơ sở toán học của phương pháp. Các cơ sở toán học chính gồm phương pháp lập hệ sai số, phân tích ổn định hệ theo tiêu chuẩn Lyapunov, lý thuyết xấp xỉ vạn năng mờ nơron và điều khiển thích nghi trực tiếp. Để thực hiện ý tưởng của phương pháp (thay thế ước lượng các hàm trạng thái không phải xấp xỉ gần đúng như nhiều phương pháp hiện nay), tác giả vận dụng một số kết quả nghiên cứu đã được công bố gần đây và sử dụng các cơ sở toán học nêu trên để từng bước chứng minh cách giải quyết các vấn đề trong phương pháp tổng hợp nhằm đạt được mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề ra. Ngoài ra một số cơ sở toán học quan trọng xây dựng trong luận án cũng được tác giả lập trình mô phỏng trên Matlab để kiểm tra lại tính chính xác của các kết quả đạt được.
- 11 - CHƢƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÁC HỆ THỐNG KHẢ TUYẾN TÍNH HÓA PHẢN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ ƯỚC LƯỢNG HÀM TRẠNG THÁI 2.1. Giới thiệu chung 2.1.1. Đặt vấn đề Một trong những vấn đề cơ bản trong lý thuyết điều khiển là nghiên cứu sử dụng phản hồi để làm thay đổi động học của đối tượng nhằm đạt được đặc tính theo ý muốn. Đối với hệ tuyến tính bất biến theo thời gian (LTI) vấn đề này được gọi là đặt điểm cực, còn trong trường hợp tổng quát của hệ phi tuyến vấn đề được gọi là tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization). Tuyến tính hóa phản hồi trong hệ phi tuyến là tìm cách (nếu có) thay đổi tọa độ không gian trạng thái qua phép biến đổi vi đồng phôi (diffeomorphism) toàn cục và sử dụng luật phản hồi tĩnh để biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái mới, tuyến tính và điều khiển được ([32], [50], [51]). Tuy nhiên trong nhiều trường hợp phép biến đổi vi đồng phôi chỉ xác định trong lân cận của điểm cần xét, khi đó phép biến đổi được gọi là cục bộ. Các phương pháp tuyến tính hóa phản hồi chủ yếu đưa về dạng tuyến tính hóa phản hồi trạng thái hay còn gọi là tuyến tính hóa đầu vào-trạng thái hoặc tuyến tính hóa đầy đủ trạng thái, trong đó toàn bộ phương trình trạng thái được tuyến tính hóa và dạng tuyến tính hóa phản hồi vào-ra hay còn gọi là tuyến tính hóa không đầy đủ trạng thái, trong đó chỉ có ánh xạ đầu vào - đầu ra và một phần phương trình trạng thái được tuyến tính hóa. Trong chương này của luận án, các nghiên cứu tập trung vào phương pháp điều khiển ổn định các hệ phi tuyến đưa được về dạng tuyến tính hóa phản hồi trạng thái có dạng (2-6) và mở rộng đối với các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi