Điều khiển quá trình Mimo sử dụng mạng Nơ ron thích nghi với thuật toán MFA làm mô hình tham chiếu

Bài viết Điều khiển quá trình Mimo sử dụng mạng Nơ ron thích nghi với thuật toán MFA làm mô hình tham chiếu trình bày: Kết quả nghiên cứu việc sử dụng hệ nơron thích nghi để thiết kế bộ điều khiển mức chất lỏng cho hệ bồn nước đôi. Nội dung bài báo giới thiệu mô hình toán học MIMO (2 ngõ vào - 2 ngõ ra) của đối tượng điều khiển, từ đó, giới thiệu về thuật toán MFA để điều khiển quá trình cho hệ đơn ngõ vào – đơn ngõ ra (SISO) cũng như hệ nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO)
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển quá trình Mimo sử dụng mạng Nơ ron thích nghi với thuật toán MFA làm mô hình tham chiếu ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH MIMO SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON THÍCH NGHI VỚI THUẬT TOÁN MFA LÀM MÔ HÌNH THAM CHIẾU NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu việc sử dụng hệ nơron thích nghi để thiết kế bộ điều khiển mức chất lỏng cho hệ bồn nước đôi. Nội dung bài báo giới thiệu mô hình toán học MIMO (2 ngõ vào - 2 ngõ ra) của đối tượng điều khiển, từ đó, giới thiệu về thuật toán MFA để điều khiển quá trình cho hệ đơn ngõ vào – đơn ngõ ra (SISO) cũng như hệ nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO). Trong đó, luật cập nhật trọng số cho mạng nơron thích nghi cũng như cấu trúc chi tiết của bộ điều khiển MIMO được xây dựng từ các bộ điều khiển SISO riêng rẽ cũng được đề cập tới. Hoạt động của bộ điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng trên phần mềm MatlabSimulink. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển đã làm việc rất tốt. Nội dung bài báo này sẽ là tiền đề cho việc thiết kế bộ điều khiển lai kết hợp giữa hệ suy luận mờ và mạng nơron thích nghi để điều khiển cho các quá trình phi tuyến MIMO trong tương lai. 1. MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI Mô hình đối tượng hệ bồn nước đôi được mô tả như hình 1.1. Hệ bồn nước đôi làm đối tượng điều khiển là một hệ phi tuyến với 2 ngõ vào là tín hiệu điện áp điều khiển động cơ bơm nước u1(t), u2(t) và 2 ngõ ra là mức nước h1(t) và h2(t). Hình 1.1. Mô hình hệ bồn nước đôi Với qin1, qin2 lần lượt là lưu lượng nước máy bơm 1 và bơm 2 bơm vào bồn 1, bồn 2. qout1, qout2 lần lượt là lưu lượng nước chảy ra ngoài bồn 1, bồn 2. qout1_2, qout2_1 lần lượt là lưu lượng nước từ bồn 1 qua bồn 2 hoặc ngược lại. Theo tài liệu tham khảo [1], mô hình toán đối tượng được viết như sau: Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 02(18)/2011: tr. 20-27 ĐIỆU KHIỂN QUÁ TRÌNH MIMO SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON THÍCH NGHI... ⎧ • 1 ⎪h1 (t ) = A ⎪ 1 ⎨ • ⎪h (t ) = 1 ⎪⎩ 2 A2 ( k1u1 (t ) − a1C D1 2 gh1 (t ) − C D12 sgn( h1 (t ) − h2 (t )) a12 2 g h1 (t ) − h2 (t ) ( 21 ) k 2u 2 (t ) − a2C D 2 2 gh2 (t ) + C D12 sgn( h1 (t ) − h2 (t )) a12 2 g h1 (t ) − h2 (t ) (1) ) (2) 2. MẠNG NƠ RON THÍCH NGHI SISO Bộ điều khiển được thiết kế theo tài liệu [4] đã nghiên cứu việc sử dụng thuật toán học Hình 2.1. Mạng nơ ron thích nghi SISO MFA (Model-Free Adaptive Control with CyboCon) với mạng nơ ron thích nghi. Theo [4], giải thuật điều khiển cho bộ điều khiển SISO được cho bởi: N p j (n) = ∑ wij (n)Ei (n) + 1 (2.1) q j (n) = ϕ ( p j (n)) (2.2) ⎡ ⎛ N ⎞ ⎤ N o(n) = ψ ⎢ϕ ⎜ ∑ hj (n)q j (n) + 1⎟ ⎥ = ∑ hj (n)q j (n) + 1 ⎢⎣ ⎝ j =1 ⎠ ⎥⎦ j =1 (2.3) v(t) = Kc ⎡⎣o(t) + e(t)⎤⎦ (2.4) i =1 22 NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Mạng nơ ron thích nghi này với 3 lớp nơ ron có trọng số giữa lớp đầu và lớp ẩn là wij, trọng số giữa lớp ẩn với lớp ra là hi. Hai vectơ trọng số này được cập nhật theo luật cập nhật sau: Δwij (n) = η Kc Δhj (n) = η Kc N ∂y(n) e(n)q j (n)(1 − q j (n))Ei (n)∑ hk (n) ∂u(n) k =1 ∂y(n) e(n)q j (n) ∂u(n) (2.5) (2.6) Mạng nơ ron thích nghi dùng giải thuật điều khiển MFA ở trên có 1 ngõ vào, 1 ngõ ra (SISO) cho nên việc điều khiển cho đối tượng phi tuyến MIMO là hệ bồn nước đôi thì không thể được. 3. MẠNG NƠ RON THÍCH NGHI MIMO Trường hợp điều khiển đối tượng nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra (MIMO) như sau: Hình 3.1. Mô hình điều khiển MIMO Cụ thể sơ đồ điều khiển cho 2 ngõ vào và 2 ngõ ra dùng để điều khiển mức nước trong bình nước đôi như sau: Hình 3.2. Bộ điều khiển 2 ngõ vào, 2 ngõ ra với thuật toán MFA ĐIỆU KHIỂN QUÁ TRÌNH MIMO SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON THÍCH NGHI... 23 Trong đó, khối Controller bao gồm 4 bộ điều khiển SISO được ghép nối như trên, mỗi bộ điều khiển là 1 mạng nơ ron như sau: Hình 3.3. Mạng nơ ron thích nghi cho cấu trúc MIMO Lúc này, mỗi bộ điều khiển C có giải thuật điều khiển như sau: - Bộ điều khiển C11 p11 j (n) = N w11(n)Ei11(n) + 1 ∑ ij i =1 (3.1) q11 (n) = ϕ ( p11(n)) j (3.2) j v11 (n) = ⎡ K 11 ⎢ c N ⎤ ∑ h11j (n)q11j (n) + 1 + e1(n)⎥ ⎣ j =1 (3.3) ⎦ N Δw11 (n) = η 11K11e1 (n)q11(n)(1 − q11(n))Ei11(n)∑ h11(n) (3.4) Δh11 (n) = η11K11e1(n)q11 (n) (3.5) c ij j c - Bộ điều khiển C22 j j j k =1 k 24 NGUYỄN QUỐC ĐỊNH N 22 22 p22 j (n) = ∑ w (n)Ei (n) + 1 (3.6) q22 (n) = ϕ ( p22 (n)) (3.6) ⎡ N ⎤ v22 (n) = K 22 ⎢∑ h22 (n)q22 (n) + 1 + e2 (n)⎥ c j ⎣ j =1 j ⎦ (3.8) ij i =1 j j 22 Δw (n) = η 22 ij K 22e2 (n)q22 (n)(1 − q22 (n))Ei22 (n) c j j N ∑ hk22 (n) Δh22 (n) = η 22 K 22e2 (n)q22 (n) c j (3.9) k =1 (3.10) j - Bộ điều khiển C21 N 21 21 p21 j (n) = ∑ w (n)Ei (n) + 1 (3.11) q21(n) = ϕ ( p21(n)) (3.12) ⎡ N ⎤ v21 (n) = K 21K 21 ⎢∑ h21 (n)q21 (n) + 1⎥ s c j ⎣ j =1 j ⎦ (3.13) ij i =1 j j 21 Δw (n) = η 21 ij K 21e1(n)q21(n)(1 − q21(n))Ei21(n) c j j N ∑ hk21(n) Δh21 (n) = η 21K 21e1(n)q21(n) c j (3.14) k =1 (3.15) j - Bộ điều khiển C12 N 12 12 p12 j (n) = ∑ w (n)Ei (n) + 1 (3.16) q12 (n) = ϕ ( p12 (n)) (3.17) ⎡ N ⎤ v12 (n) = K 12 K 12 ⎢∑ h12 (n)q12 (n) + 1⎥ s c j ⎣ j =1 j ⎦ (3.18) ij i =1 j j N Δw12 (n) = η 12 K12e2 (n)q12 (n)(1 − q12 (n))Ei12 (n)∑ h12 (n) ij c j j k =1 k (3.19)  ...