Tự chỉnh bộ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay dùng giải thuật di truyền

Bài báo trình bày giải thuật di truyền tự chỉnh bộ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay. Khác với đa số các giải thuật quen thuộc, chúng tôi đề xuất phương pháp tự chỉnh bộ điều khiển mở qua hai bước: bước 1 chỉnh hệ quy tắc, bước 2 chỉnh hàm liên thuộc. Bằng cách sử dụng tính đối xứng, tính đầy đủ và tính liên tục của hệ quy tắc chúng tôi đưa ra sơ đồ mã hóa hiệu quả rút ngắn đáng kể chiều dài chuỗi nhiễm sắc thể, nhờ đó thuật toán...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tự chỉnh bộ điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược quay dùng giải thuật di truyền TÖÏ CHÆNH BOÄ ÑIEÀU KHIEÅN MÔØ GIÖÕ CAÂN BAÈNG HEÄ CON LAÉC NGÖÔÏC QUAY DUØNG GIAÛI THUAÄT DI TRUYEÀN SELF TURNING OF A FUZZY CONTROLLER FOR BALANCING A ROTARY INVERTED PENDULUM USING GENETIC ALGORITHMS Huyønh Thaùi Hoaøng*, Nguyeãn Minh Luaân** * Khoa Ñieän – Ñieän Töû, Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn ** Khoa Coâng Ngheä Thoâng Tin, Ñaïi hoïc Caàn Thô TOÙM TAÉT Baøi baùo trình baøy giaûi thuaät di truyeàn töï chænh boä ñieàu khieån môø giöõ caân baèng heä con laéc ngöôïc quay. Khaùc vôùi ña soá caùc giaûi thuaät quen thuoäc, chuùng toâi ñeà xuaát phöông phaùp töï chænh boä ñieàu khieån môø qua hai böôùc: böôùc moät chænh heä qui taéc, böôùc hai chænh haøm lieân thuoäc. Baèng caùch söû duïng tính ñoái xöùng, tính ñaày ñuû vaø tính lieân tuïc cuûa heä qui taéc chuùng toâi ñöa ra sô ñoà maõ hoùa hieäu quaû ruùt ngaén ñaùng keå chieàu daøi chuoåi nhieãm saéc theå, nhôø ñoù thuaät toaùn hoäi tuï raát nhanh. Keát quaû moâ phoûng cho thaáy boä ñieàu khieån môø sau khi chænh baèng giaûi thuaät di truyeàn ñeà xuaát ñieàu khieån raát toát ñoái töôïng vôùi chaát löôïng toái öu. ABSTRACT The paper represents genetic algorithms for self-tuning a fuzzy controller to balance a rotary inverted pendulum. Difference from most of familiar algorithms, we propose a tuning procedure consist of two steps: the first step is to tune fuzzy rules and the second one is to tune membership functions. By using the symmetry, completeness and continuity properties of fuzzy rules we introduce an effective coding scheme that considerably shortens the length of chromosomes. As a result, the genetic algorithms converge very fast. Simulation results show that the fuzzy controller after being tuned by the suggested genetic algorithms controls the plant very well with optimal performance. 1. GIÔÙI THIEÄU Ñieàu khieån môø laø moät phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh phoûng theo quaù trình xöû lyù thoâng tin khoâng roõ raøng vaø ra quyeát ñònh ñieàu khieån cuûa con ngöôøi. Phöông phaùp naøy raát thích hôïp ñeå ñieàu khieån caùc ñoái töôïng phöùc taïp, khoâng xaùc ñònh ñöôïc moâ hình toaùn vaø caùc ñoái töôïng phi tuyeán. Tuy nhieân, boä ñieàu khieån môø thöôøng ñöôïc thieát keá bôûi quan ñieåm, caùch nhìn rieâng cuûa ngöôøi thieát keá. Ngöôøi thieát keá bieán söï hieåu bieát, kinh nghieäm cuûa mình veà quaù trình caàn ñieàu khieån thaønh caùc bieán ngoân ngöõ vaø caùc qui taéc môø moâ taû moái quan heä giöõa chuùng. Do ñoù coâng vieäc thieát keá thöôøøng mang naëng tính “thöû sai”, khi gaëp caùc ñoái töôïng phöùc taïp ngöôøi thieát keá seõ maát raát nhieàu thôøi gian maø keát quaû coù ñöôïc coù theå seõ khoâng toái öu. Vaán ñeà töï chænh boä ñieàu khieån môø laø moät trong nhöõng vaán ñeà ñaõ ñöôïc quan taâm nghieân cöùu raát nhieàu töø khi ñieàu khieån môø khaúng ñònh ñöôïc laø moät phöông phaùp hieäu quaû ñeå ñieàu khieån caùc ñoái töôïng phöùc taïp. Trong caùc phöông phaùp töï chænh ñaõ ñöôïc bieát ñeán hieän nay, töï chænh duøng giaûi thuaät di truyeàn (GA – Genetic Algorithm) coù theå noùi laø phöông phaùp töï nhieân nhaát vaø cuõng hieäu quaû nhaát. GA laø giaûi thuaät tìm lôøi giaûi toái öu phoûng theo söï tieán hoaù cuûa sinh vaät trong töï nhieân. Thuyeát tieán hoaù Darwin ñaõ khaúng ñònh raèng caùc loaøi toàn taïi vaø phaùt trieån tuaân theo qui luaät choïn loïc töï nhieân, lai gheùp vaø ñoät bieán. Nhöõng khaùi nieäm naøy cuûa thuyeát tieán hoaù ñöôïc chuyeån thaønh giaûi thuaät tìm kieám lôøi giaûi toái öu cuûa baøi toaùn. Tröôùc tieân, moät soá lôøi giaûi coù theå coù cuûa baøi toaùn ñöôïc ñöa ra, sau ñoù chaát löôïng cuûa töøng lôøi giaûi ñöôïc ñaùnh giaù vaø trong nhöõng lôøi giaûi ñoù chæ choïn nhöõng lôøi giaûi toát, nhöõng lôøi giaûi coøn laïi bò loaïi boû (söï choïn loïc töï nhieân). Nhöõng lôøi giaûi toát coøn laïi qua quaù trình lai gheùp vaø ñoät bieán ñeå taïo ra caùc lôøi giaûi môùi toát hôn. Quaù trình taïo ra caùc lôøi giaûi môùi nhö treân tieáp tuïc ñeán khi naøo coù söï hoäi tuï. Ñeå coù theå söû duïng GA töï chænh boä ñieàu khieån môø caàn maõ hoùa boä ñieàu khieån môø thaønh caùc nhieãm saéc theå (NST) vaø ñònh nghóa moät haøm thích nghi ñeå ñaùnh giaù caùc NST. Coù raát nhieàu baøi baùo ñaõ coâng boá ñeà caäp ñeán vaán ñeà naøy, tuy nhieân ôû moãi phöông phaùp ñeàu coù caùch tieáp caän khaùc nhau. Karr [4] laø moät trong nhöõng ngöôøi ñaàu tieân öùng duïng giaûi thuaät di truyeàn ñeå thieát keá heä môø, trong baøi baùo taùc giaû duøng GA ñeå xaùc ñònh thoâng soá cuûa caùc haøm lieân thuoäc cuûa moät heä qui taéc môø ñaõ ñònh tröôùc. Lee & Takagi [6] ñaõ caûi tieán phöông phaùp cuûa Karr baèng caùch cho pheùp xaùc ñònh heä qui taéc döïa vaøo GA thay vì ñònh tröôùc bôûi ngöôøi thieát keá. Moãi haøm lieân thuoäc ñöôïc maõ hoùa thaønh moät ñoaïn gien goàm 3 byte, neân chieàu daøi chuoãi NST duøng ñeå maõ hoùa caû heä qui taéc laø 3(Σmi+Πmi), vôùi mi laø soá haøm lieân thuoäc cuûa moãi bieán vaøo. Roõ raøng phöông phaùp naøy khoâng khaû thi vôùi heä phöùc taïp vì khoâng gian tìm kieám quaù lôùn. F. Herrera, et al [3] ñöa ra phöông phaùp töï chænh taäp luaät môø khaù chi tieát vaø coù caûi tieán hôn. Thay vì maõ hoùa daïng chuoãi nhò phaân hoï maõ hoùa baèng soá thöïc, caùc haøm lieân thuoäc cuûa moät bieán môø coù moái lieân heä vôùi nhau do ñoù giaûm ñöôïc chieàu daøi cuûa NST. Tuy nhieân, hoï chöa söû duïng moät soá tính chaát cuûa heä môø ñeå giaûm ñi khoâng gian lôøi giaûi, cuõng vì lyù do ñoù phöông phaùp naøy chæ coù theå aùp duïng ñeå chænh heä qui taéc coù qui moâ nhoû. Moät caùch maõ hoùa khaùc nhö cuûa J. Kinzel et al [5], c ...