Tạp chí khoa học và công nghệ: Nghiên cứu sử dụng hệ mờ-nơron điều khiển mức chất lỏng cho hệ bồn nước đôi

Nội dung bài báo giới thiệu mô hình của hệ mờ-nơron, là sự kết hợp mạng nơron và điều khiển mờ để tạo ra bộ điều khiển nhiều ngõ vào–nhiều ngõ ra, điều khiển cho đối tượng phi tuyến nhiều ngõ vào-nhiều ngõ ra (MIMO).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tạp chí khoa học và công nghệ: Nghiên cứu sử dụng hệ mờ-nơron điều khiển mức chất lỏng cho hệ bồn nước đôi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ MỜ-NƠRON ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI.A STUDY ON THE USE OF THE NEURAL-FUZZY SYSTEM TO CONTROL THE LIQUID LEVEL FOR THE COUPLED TANKS SYSTEM Nguyễn Quốc Định Phan Xuân LễTrường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu việc sử dụng hệ mờ-nơron điều khiển mứcchất lỏng cho hệ bồn nước đôi. Nội dung bài báo giới thiệu mô hình của hệ mờ-nơron, là sự kếthợp mạng nơron và điều khiển mờ để tạo ra bộ điều khiển nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra, điềukhiển cho đối tượng phi tuyến nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO). Đối tượng được điềukhiển trong đề tài là hệ bồn nước đôi với cấu hình 2 ngõ vào - 2 ngõ ra và đối tượng nghiêncứu là bộ điều khiển sử dụng hệ mờ-nơron để xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến2 ngõ vào - 2 ngõ ra. Thông qua việc mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển mờ nơron nàydựa trên phần mềm MATLAB – SIMULINK đã chứng minh được rằng bộ điều khiển được thiếtkế đã hoạt động tốt và đáp ứng được yêu cầu đề ra. ABSTRACT This paper presents research results in using the neural-fuzzy system to control theliquid level of the coupled tanks system. This paper presents the model of neural-fuzzy systemwhich is a combination of neural networks and fuzzy control to generate a Multi-Input-Multi-Output controller for the nonlinear Multi-Input-Multi-Output (MIMO) system. The controlledobject in the coupled tanks system is configured with two inputs - two outputs and the studiedobject is a neural-fuzzy controller for the two-input-two-output nonlinear system. Owing tosimulation of this neural fuzzy controller using the MATLAB – SIMULINK software, we haveproved that the designed controller has a very good performance and meet these requirements.1. Đặt vấn đề Hiện nay lĩnh vực điều khiển tự động đã phát triển mạnh mẽ, các bộ điều khiểnđược xây dựng để điều khiển cho các đối tượng khác nhau, có thể đối tượng là tuyến tính,có thể là những đối tượng phi tuyến phức tạp,… Do đó cần phải tìm kiếm các thuật toánđiều khiển để đáp ứng nhu cầu thực tế. Với bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển sử dụng mạng nơron có thêm một hướngphát triển mới trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống, có rất nhiều ứngdụng trong lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp hiện nay. Bộ điều khiển mờ và bộ điềukhiển sử dụng mạng nơron về nguyên tắc đều là những bộ điều khiển tĩnh phi tuyến.Chúng có thể được thiết kế với chất lượng hệ thống cho trước theo một độ chính xác tuỳ ývà làm việc theo nguyên lý tư duy của con người. 43 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 Việc kết hợp hệ mờ và mạng nơron được sử dụng nghiên cứu trong đề tài này làmạng nơron-mờ singleton. Đây là mạng đa đầu vào và đơn đầu ra. Do đó nội dung nghiêncứu chính ở đây là sự ghép nối các mạng nơron-mờ singleton để tạo ra bộ điều khiển đađầu vào – đa đầu ra. Cụ thể vấn đề nghiên cứu mà tác giả đưa ra trong đề tài này là xâydựng bộ điều khiển với sự ghép nối của 2 mạng nơron-mờ singleton, mục đích tạo ra bộđiều khiển mờ-nơron dựa theo luật điều khiển thích nghi và đối tượng được sử dụng đểđiều khiển ở đây là hệ bồn nước đôi, đây là hệ phi tuyến với 2 ngõ vào và 2 ngõ ra.2. Mô hình đối tượng hệ bồn nước đôi [2] Mô hình đối tượng hệ bồn nước đôi được mô tả như (hình vẽ 1). Hệ bồn nước đôilàm đối tượng điều khiển là một hệ phi tuyến với 2 ngõ vào là tín hiệu điện áp điều khiểnđộng cơ bơm nước u1(t), u2(t) và 2 ngõ ra là mức nước h1(t) và h2(t). Hình 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 từ bồn 2 qua bồn 1. Mô hình toán đối tượng được viết [2]:⎧• 1⎪h1 (t ) = A⎪ ( 1 k1u1 (t ) − a1CD1 2 gh1 (t ) − CD12 sgn( h1 (t ) − h2 (t )) a12 2 g h1 (t ) − h2 (t ) ) (1)⎨•⎪h (t ) = 1⎪⎩ 2 A2 ( k2u2 (t ) − a2CD 2 2 gh2 (t ) + CD12 sgn( h1 (t ) − h2 (t )) a12 2 g h1 (t ) − h2 (t ) ) (2)3. Bộ điều khiển mờ-nơron Đối tượng hệ bồn nước đôi có mô hình toán học (1) và (2) là hệ phi tuyến MIMO,có 2 ngõ vào, 2 ngõ ra.44 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 Phương tr ...