LỜI NÓI ĐẦU

Trong hệ thống điều khiển hiện đại, có rất nhiều phương pháp điều khiển đảm bảo được tốt chất lượng điều khiển. Trong điều khiển tự động, để điều khiển chính xác đối tượng khi chưa biết rõ được thông số, trước tiên ta phải hiểu rõ đối tượng đó. Đặc biệt đối với các đối tượng phi tuyến ta cần dạng được đặc tính vào-ra của nó để đảm bảo tạo ra tín hiệu điều khiển thích nghi được lựa chọn chính xác hơn. Những bộ điều khiển hiện đại thường được sử dụng như lôgic mờ, mạng nơron, mạng nơron mờ để nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến.

Trong thời gian của khoá học cao học, chuyên ngành Tự động hoá tại trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường và Tiến Sĩ Phạm Hữu Đức Dục em đã lựa chọn đề tài của mình là: “Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng vị trí rôbốt hai khâu”.

Trong khoảng 6 tháng thực hiện đề tài, được sự hướng dẫn nhiệt tình của Tiến Sĩ Phạm Hữu Đức Dục, sự giúp đỡ của bạn bè cùng với sự nỗ lực, cố gắng của mình bản luận văn đến nay đã hoàn thành.

Dù đã có nhiều cố gắng, xong bản luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy để bản luận văn

được tốt hơn.

Em xin trân trọng cảm ơn!

Học viên

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan.

Danh mục các ký hiệu, bảng, các chữ viết tắt.

Danh mục các hình vẽ.

PHẦN MỞ ĐÀU. 1

Chương I- TÔNG QUAN VỀ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO. 5

1.1. Lịch sử phát triển của mạng nơ ron nhân tạo. 5

1.2. Các tính chất của mạng nơ ron nhân tạo. 5

1.3. Mô hình nơ ron. 6

1.3.1.Mô hình nơ ron sinh học. 6

1.3.1.1. chức năng, tổ chức và hoạt động của bộ não con người. 6

1.3.1.2. Mạng nơ ron sinh học. 9

1.3.2. Mạng nơ ron nhân tạo. 10

1.3.2.1. Khái niệm. 10

1.3.2.2. Phân loại mạng nơ ron. 13

1.3.2.3. Các luật học. 15

1.3.3. Mô hình toán học mạng nơ ron truyền thẳng và mạng nơ ron hồi quy. 19

1.3.3.1. Mạng nơ ron truyền thẳng. 19

1.3.3.2. Mạng nơ ron hồi quy. 22

1.4. Quá trình huấn luyện mạng nơ ron nhiều lớp. 24

1.4.1. Quá trình thực hiện. 24

1.4.2. Quy tắc chuỗi. 25

1.4.3. Độ chính xác của lan truyền ngược. 27

1.4.4. Biến thể của lan tryền ngược. 27

1.4.5. Tổng quát.(phép nội suy và phép ngoại suy). 28

1.5. Công nghệ phân cứng sử dụng mạng nơ ron. 31

1.6. So sánh khả năng của mạng nơ ron với mạch logic 32

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. 33

Chương II- Các phương pháp ứng dụng mạng nơ ron trong nhận dạng vàđiều khiển.34

2.1. Các vấn đề chung. 34

2.2. Các phương pháp ứng dụng mạng nơ ron trong nhận dạng. 34

2.2.1. Cơ sở lý luận. 34

2.2.2. Mô tả toán học của đối tượng ở miền rời rạc. 36

2.2.3. Mô hình dùng mạng nơ ron. 39

2.2.3.1. Mô hình song song. 39

2.2.3.2. Mô hình nối tiếp song song. 39

2.2.3.3. Mô hình ngược trực tiếp. 40

2.2.3.4. Mô hình tổ hợp. 41

2.3. Các phương pháp ứng dụng mạng nơ ron trong điều khiển. 42

2.3.1. Bộ điều khiển đảm bảo tính ổn định vững chắc. 42

2.3.2. Bộ điều khiển thích nghi ngược trực tiếp. 42

2.3.3. Điều khiển phi tuyến mô hình trong. 44

2.3.4. Điều khiển dự báo. 44

2.3.5. Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 45

2.3.6. Điều khiển thích nghi tự chỉnh. 46

2.3.7. Điều khiển thích nghi bằng mạng nơ ron hồi quy tuyến tính. 46

2.3.8. Điều khiển thích nghi ổn định trực tiếp. 48

2.3.9. Điều khiển tối ưu. 49

2.3.10. Phương pháp bảng tra. 50

2.3.11. Điều khiển lọc. 50

2.4. Những hạn chế và chú ý. 51

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 52

Chương III - Ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạngvị trí rô bốt hai khâu.53

3.1. Mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp 53

Chương I.Tổng quan về mạng nơ ron nhân tạo

3.1.1. Sơ đồ khối mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp. 53

3.1.2. Thuật toán học lan truyền ngược của sai lệch. 53

3.2. Ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng vị trí rôbốt hai khâu.57

3.2.1. Phân tích sơ đồ ứng dụng. 57

3.2.2. Mô tả động học của rô bốt hai khâu. 59

3.2.3. Thiết lập mạng nơ ron nhận dạng. 60

3.2.3.1. Thiết lập sơ đồ nhận dạng 60

3.2.4.2. Quá trình nhận dạng. 63

3.2.4.3. Kết quả mô phỏng và nhận dạng. 65

3.2.4.4. Kết luận chương III 74

KẾT LUẬN CHUNG 75

PHẦN MỞ ĐẦU

Để điều khiển chính xác đối tượng khi chưa biết rõ được thông số, trước tiên ta phải hiểu rõ đối tượng đó. Đối với đối tượng là phi tuyến như rô bốt, ta cần thực hiện nhận dạng đặc tính vào ra của nó để đảm bảo tạo ra tín hiệu điều khiển thích nghi được lựa chọn chính xác hơn. Hiện nay thường sử dụng logic mờ (Fuzzy Logic), mạng nơ ron ( Neural Networks), và mạng no ron mờ (Fuzzy Neural Networks) để nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến.Trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hoá tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường và Tiến sĩ Phạm Hữu Đức Dục, em đã lựa chọn đề tài của mình là “Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng vị trí rô bốt hai khâu”.

2.Mục đích của đề tài.

Nghiên cứu việc ứng dụng mạng nơ ron trong quá trình nhận dạng và điều khiển hệ thống phi tuyến nói chung. Đặc biệt đi sâu nghiên cứu mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng đặc tính vào – ra của rô bốt hai khâu, làm cơ sở cho việc tạo ra tín hiệu điều khiển thích nghi được lựa chọn chính xác hơn.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

a/ Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sử dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng vị trí hai khâu rô bốt.

Sơ đồ hình 1 mô tả một mô hình điều chỉnh thích nghi rô bốt hai khâu theo mô hình

mẫu.

Sơ đồ điều khiển được thực hiện theo hai giai đoạn sau đây:

Giai đoạn 1: Sử dụng mạng nơ ron nhận dạng vị trí của rô bốt hai khâu, khi đó các khoá K mở. Căn cứ vào sai lệch e1 giữa tín hiệu ra của rô bốt (y) và tín hiệu ra của mạng nơ ron nhận dạng(ymh), mạng nơ ron tiến hành học để nhận dạng đặc tính vào ra y của rô bốt hai khâu, sao cho tín hiệu mạng nơ ron nhận dạng ymh bám theo được tín hiệu ra y của rô bốt hai khâu. Với e1= y- ymh

Giai đoạn 2: Căn cứ vào kết quả nhận dạng ta có được mạng nơ ron có thểthay thế gần đúng cho rô bốt hai khâu từ đó tiến hành điều khiển thích nghi rô bôthai khâu theo mô hình mẫu. Các khoá K đóng, dựa vào bộ thông số sai lệch (e2, e 2) giữa tín hiệu đầu ra của mô hình mẫu ym và tín hiệu đầu ra của mạng nơ ron nhận dạng ymh, bộ điều khiển thực hiện các luật học thích nghi tạo ra tín hiệu điều khiển u với mục đích tạo ra được tín hiệu đầu ra của mạng nhận dạng bám theo được tín hiệu đầu ra của mô hình. Với e2 = ym – ymh và ė2 là đạo hàm cấp một của sai lệch e2

Với thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn này chỉ đi sâu nghiên cứu ứng dụngmạng nơ ron nhiều lớp truyền thẳng nhận dạng vị trí rô bốt hai khâu.

b/ Phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Chương I.Tổng quan về mạng nơ ron nhân tạo

Chương I. Tổng quan về mạng nơ ron nhân tạo:

Phân tích tổng quan nề mạng nơ ron bao gồm : Lịch sử phát triển, kết cấu của các mạng nơ ron, vai trò của các mạng nơ ron trong điều khiển.

Chương II. Các phương pháp ứng dụng mạng nơ ron trong nhận dạng và điềukhiển:

Trình bày các phương pháp ứng dụng mô hình mạng nơ ron trong nhận dạng và điều khiển.

Chương III. Ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng vị trí rô bốthai khâu.

Đưa ra mô hình nhận dạng vị trí rô bốt hai khâu, từ đó phân tích, lựa chọn mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp với luật học lan truyền ngược tiến hành nhận dạng đặc tính vào ra của rô bốt hai khâu với sơ đồ tổng quát như hình 2

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Với ứng dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp nhận dạng quỹ đạo chuyển động trong miền thời gian thực của rô bốt hai khâu. Sau khi nhận dạng được vị trí của rô bốt hai khâu, ta có thể thay thế gần đúng mô hình vị trí rô bốt hai khâubằng một mạng nơ ron truyền thẳng, từ đó căn cứ vào các thông số mô phỏng củamạng nơ ron ta tính toán được tín hiệu điều chỉnh nhằm điều khiển thích nghi vị trí của rô bốt hai khâu phù hợp với những yêu cầu cần thiết của điều chỉnh thích nghivị trí rô bốt hai khâu.