xây dựng hệ thống xử lý thông minh dựa trên cơ sở của logic mờ để điều khiển công suất trong mạng đa truy nhập phân chia theo mã – cdma

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========






BẠCH VĂN NAM




XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ THÔNG MINH
DỰA TRÊN CƠ SỞ CỦA LOGIC MỜ ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐA TRUY
NHẬP CHIA THEO MÃ - CDMA







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
==========






BẠCH VĂN NAM




XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ THÔNG MINH
DỰA TRÊN CƠ SỞ CỦA LOGIC MỜ ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐA TRUY

NHẬP CHIA THEO MÃ - CDMA







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã ngành: 60.52.70









Thái Nguyên - 2010
Trang iii



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống
đọc công tơ điện từ xa

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận
tình của các Thầy Cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn Thầy giáo PGS. TS.
Nguyễn Hữu Công, Trưởng khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp-
Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện
đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian
qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn



Bùi Trọng Tuấn








Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3

LỜI NÓI ĐẦU
Các thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển tự động đã được hình
thành, phát triển và có được những kết quả rất quan trọng. Chúng ta đã biết nền
móng ban đầu đó là thuật toán điều khiển PID kinh điển, sau đó hình thành các
thuật toán PID tự chỉnh, thuật toán điều khiển tối ưu, thuật toán điều khiển thích
nghi, thuật toán điều khiển mờ… Hiện nay hệ thống xử lý và điều khiển thông
minh đã được ứng dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển và tự động hóa.
Tuy nhiên, các ứng dụng hệ xử lý thông minh trong lĩnh vực viễn thông còn
đang hạn chế.
Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS
Lại Khắc Lãi em đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống xử lý thông minh dựa
trên cơ sở của logic mờ để điều khiển công suất trong mạng đa truy nhập
phân chia theo mã – CDMA”.
Sau 6 tháng tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình
của PGS.TS Lại Khắc Lãi và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành
luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên
không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tác giả



Bạch Văn Nam




Luận văn thạc sĩ

Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình
của các Thầy Cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn Thầy giáo PGS. TS. Lại Khắc Lãi,
Trưởng ban quản lý khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn
tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng
nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn



Bạch Văn Nam

Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bạch Văn Nam
Sinh ngày 10 tháng 05 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 11 – Kỹ thuật điện tử - Trường đại học kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện tử - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Xây dựng hệ thống xử lý thông minh dựa trên cơ
sở của logic mờ để điều khiển công suất trong mạng đa truy nhập phân chia
theo mã – CDMA” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn, các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.



Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2010

Lun vn thc s
Trng H KTCN Bch Vn Nam
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

6
MC LC
Ni dung
Trang
Li núi u
3
Li cm n
4
Li cam oan
5
Mc lc
6
Danh sỏch cỏc kớ hiu, cỏc ch vit tt
9
Danh mc cỏc hỡnh v, th
11
Chng 1 : M U

1.1. Lý do la chn ti
13
1.2. Mc ớch ca ti
14
1.3. i tng v phm vi nghiờn cu

14
1.4. í ngha khoa hc v thc tin ca ti
15
Chng 2: TNG QUAN V LOGIC M

2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
16
2.2. Mờ hoá
17
2.3. Quy luật suy diễn và cơ chế suy diễn mờ
17
2.3.1. Mệnh đề hợp thành
17
2.3.2. Mụ t mnh hp thnh
17
2.3.3. Luật hợp thành
18
2.4. Giải mờ
20
2.4.1. Giải mờ theo ph-ơng pháp cực đại
20
2.4.1.1. Nguyên lý trung bình
21
2.4.1.2. Nguyên lý cận phải
21
2.4.1.3. Nguyên lý cận trái
21
2.4.2. Ph-ơng pháp điểm trọng tâm
22
2.4.2.1. Ph-ơng pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành SUM-

MIN
23
2.4.2.2. Ph-ơng pháp độ cao
24
2.5. Thiết kế bộ điều khiển mờ
24
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
2.5.1. ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn mê tÜnh
24
2.5.2 ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn mê ®éng
27
2.5.2.1.ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn mê theo luËt PID
28
2.5.2.2.ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn mê theo luËt I
28
2.5.2.3. ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn mê theo luËt PI
28
2.5.2.4. ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn mê theo luËt PD
29
Chương 3: TÌM HIỂU VIỆC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
TRONG MẠNG ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO
MÃ – CDMA

3.1. Tổng quan về CDMA
30
3.2. Đặc điểm của hệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

33
3.3. Trải phổ trong hệ thống thông tin di động CDMA
36
3.3.1. Các hệ thống thông tin trải phổ
36
3.3.2. Mã giả tạp âm PN
39
3.3.3. Các hệ thống DSSS-BPSK
40
3.3.3.1. Máy phát DS/SS- BPSK
40
3.3.3.2. Máy thu DS/SS- BPSK
41
3.3.3.3. Các hệ thống DS/SS- QPSK
43
3.4. Điều khiển công suất trong mạng CDMA
47
3.4.1. Hiệu ứng xa - gần
47
3.4.2. Tại sao phải điều khiển công suất
49
3.4.2.1. Điều khiển công suất mạch vòng hở trên kênh hướng
lên
54
3.4.2.2. Điều khiển công suất mạch vòng kín trên kênh hướng
lên.
56
Chương 4: XÂY DỰNG BỘ XỬ LÝ THÔNG MINH ĐIỀU
KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG CDMA

4.1. Giới thiệu
58
4.2. Bài toán điều khiển công suất
59
4.2.1. Kiến trúc của hệ thống điều khiển công suất
59
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
4.2.2. Mô hình hệ thống CDMA
61
4.2.2.1. Mô hình thiết bị thu công suất tín hiệu
62
4.2.2.2. Mô hình nhiễu đa người dùng
63
4.2.2.3. Phân tích xác xuất cuộc gọi
64
4.3. Xây dựng bộ xử lý minh điều khiển công suất PI mờ
65
4.3.1. Nguồn gốc của các luật điều khiển mờ
65
4.3.2 Xây dựng mô hình điều khiển công suất trong mạng
CDMA
69
4.3.2.1. Định nghĩa các biến vào ra
69
4.3.2.2. Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào
ra

70
4.3.2.3. Xây dựng các luật điều khiển
73
4.3.2.4. Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ
74
4.3.3 Kết quả mô phỏng
75
4.3.3 Nhận xét kết quả mô phỏng
78
Kết luận
79
Tài liệu tham khảo
80











Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CDMA
Code Division Mutiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
FDMA
Frequency Division
Mutiple Access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
BIR
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bít
ITU
International
Telecommunication Union
Liên minh viễn thông quốc tế
IMT
International Mobile
Telecommunications
Viễn thông di động quốc tế
GSM
Global System for Mobile
Communications
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo

thời gian
OFDMA
Orthogonal Frequency-
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân bố theo tần
số trực giao
ODMA
Opportunity Driven
Multiple Access
Đa truy nhập theo cơ hội
QPSK
Quadrature Phase Shift
Key
Điều chế khóa dịch pha cầu
phương
DSSS
Direct-Sequence Spread
Spectrum
Trải chuỗi trực tiếp
FHSS
Frequency-Hopping
Spread Spectrum
Trải phổ nhảy tần
THSS
Time-Hopping Spread
Spectrum
Trải phổ nhảy thời gian
PN
Pseudo Noise
Giả tạp âm

BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
OPC
Open loop Power Control
Điều khiển vòng hở
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
CPC
Closed loop Power
Control
Điều khiển vòng kín
BSC
Basic Station Control
Trạm điều khiển gốc
BS
Basic Station
Trạm gốc
C/I
Carrier to Interference
(Ratio)
Tỉ lệ sóng mang trên nhiễu
PID
Proportional–Integral–
Derivative Controller
Bộ điều khiển tỉ lệ - vi phân –
tích phân

PI
Proportional–Integral
Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân
SIR
Signal to Ìnterference
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
PG
Processing Gain
Độ tăng ích xử lý
PSD
Power Spectral Density
Mật độ phổ công suất
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm














Luận văn thạc sĩ

Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1:
Sơ đồ khối điều khiển công suất trong mạng CDMA
Hình 2.1:
Cấu trúc tổng quát bộ điều khiển mờ
Hình 2.2:
Mô tả hàm liên thuộc của luật hợp thành
Hình 2.3:
Các nguyên lý giải mờ theo phương pháp cực đại
Hình 2.4:
Hàm liên thuộc B’ có miền G không liên thông
Hình 2.5:
Giá trị rõ y' là hoành độ của điểm trọng tâm
Hình 2.6:
Hàm liên thuộc dạng hình thang
Hình 2.7:
Hệ điều khiển mờ theo luật PI
Hình 2.8:
Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Hình 2.9:
Hệ điều khiển mờ theo luật PID
Hình 3.1:
Sơ đồ khối của máy phát DS/SS- BPSK
Hình 3.2:
Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của máy phát DS/SS-

BPSK
Hình 3.3:
Sơ đồ khối của máy thu DS/SS- BPSK
Hình 3.4:
Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của máy thu DS/SS- BPSK
Hình 3.5:
Sơ đồ khối của máy thu DS/SS- QPSK
Hình 3.6:
Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của máy thu DS/SS- QPSK
Hình 3.7:
Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DS/SS-QPSK
Hình 3.8:
Ví dụ c
1
(t) và c
2
(t) được nhận từ cùng c(t)
Hình 3.9:
Tín hiệu tại điểm thu trên miền tần số
Hình 3.10:
Tín hiệu tại điểm thu trên miền tần số khi có hiệu ứng gần-xa
Hình 3.11:
Điều khiển công suất trong CDMA
Hình 3.12:
Tác dụng điều khiển công suất trên kênh hướng lên
Hình 4.1:
Kiến trúc của hệ thống điều khiển PI logic mờ
Hình 4.2:
Kiến trúc của hệ thống điều khiển PI logic mờ
Hình 4.3:

Mô tả vùng dịch vụ
Hình 4.4:
Công suất tín hiệu fading điển hình
Hình 4.5:
Đáp ứng step của một hệ thứ tự bậc hai
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
Hình 4.6:
Đáp ứng điều khiển mờ
Hình 4.7:
Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ
Hình 4.8:
Định nghĩa các tập mờ cho biến e của bộ điều khiển mờ
Hình 4.9:
Định nghĩa các tập mờ cho biến ∆e của bộ điều khiển mờ
Hình 4.10:
Định nghĩa các tập mờ cho biến ∆p của bộ điều khiển mờ
Hình 4.11:
Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
Hình 4.12:
Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ
Hình 4.13:
Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
Hình 4.14:
Sơ đồ bộ điều khiển
Hình 4.15:
Đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển khi không có nhiễu

Hình 4.16:
Khi có nhiễu các tăng ích kênh tác động
Hình 4.17:
Khi có nhiễu tạp âm tác động
Hình 4.18:
Đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển với nhiễu tạp âm và tăng
ích kênh











Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Lý do lựa chọn đề tài
Các thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển tự động đã được hình
thành, phát triển và có được những kết quả rất quan trọng. Chúng ta đã biết nền
móng ban đầu đó là thuật toán điều khiển PID kinh điển, sau đó hình thành các

thuật toán PID tự chỉnh, thuật toán lai PID _Logic mờ, thuật toán điều khiển tối
ưu, thuật toán điều khiển thích nghi, thuật toán điều khiển mờ, thuật toán điều
khiển nơron, thuật toán điều khiển dự báo và nó đã được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như điều khiển, tự động hoá, xử lý hình ảnh, tiếng nói… Tuy
nhiên, các ứng dụng hệ xử lý thông minh trong lĩnh vực viễn thông còn đang hạn
chế. Điều này cho phép tìm hiểu cặn kẽ và chân thực bản chất của các thuật toán
ứng dụng trong điều khiển, tìm ra được những ưu nhược điểm từ đó hạn chế
được những mặt yếu và phát huy những thế mạnh của nó để đưa ra các chỉ tiêu
chất lượng theo yêu cầu.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công
cuộc CNH _HĐH đất nước nói chung và phát triển ngành Điện tử - Viễn thông
nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Điện tử viễn
thông tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều
kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa Sau Đại học và thầy giáo, nhà giáo ưu tú Phó
Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình
là “Xây dựng hệ thống xử lý thông minh dựa trên cơ sở của logic để điều
khiển công suất trong mạng đa truy nhập phân chia theo mã - CDMA.” Trong
quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã cố gắng hạn chế tối đa các khiếm khuyết,
xong do trình độ & thời gian còn hạn chế vì vậy không tránh khỏi thiếu sót, kính
mong Hội đồng Khoa học và độc giả bổ sung đóng góp ý kiến để đề tài được
hoàn thiện tốt hơn.

Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14


1.2. Mục đích của đề tài

Tìm hiểu logic mờ và mạng nơron từ đó xây dựng hệ thống xử lý
thông minh để xử lý các bài toán trong lĩnh vực viễn thông , cụ thể là
điề u khiể n công suấ t trong mạ ng thông tin di độ ng CDMA .
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Căn cứ vào việc lựa chọn đề tài tác giả lựa chọn đối tượng là nghiên cứu việc
điều khiển công suất trong mạng đa truy nhập phân chia theo mã –CDMA

Hình 1.1: Sơ đồ khối điều khiển công suất trong mạng CDMA
Một số phương pháp điều khiển công suất đã được đưa ra để tối thiểu ảnh
hưởng của fading, hiện tượng che chắn và bài toán gần xa. Phương pháp được
biết đến nhiều là thử đánh giá bài toán gần xa thay đổi chậm và hiệu ứng che
chắn sẽ bị ảnh hưởng bởi quá trình fading đa đường truyền nhanh, thậm chí giả
sử rằng, mọi thuê bao di chuyển với tốc độ không đổi. Để giải quyết bài toán
này, bộ điều khiển step cố định có thể thích ứng với fading nhanh được đưa ra ở
[3]. Bộ điều khiển công suất step cố định được thực hiện tại fading đa đường
truyền tốc độ cao. Nó giả sử rằng tốc độ tăng công suất yêu cầu cao hơn gấp 10
lần tốc độ fading lớn nhất. Công suất tăng được quyết định bởi độ sai lệch giữa
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
mức công suất yêu cầu và mức tín hiệu được nhận tại trậm gốc. Công suất truyền
tới thuê bao được tạo ra bằng cách lấy tổng của độ tăng công suất trước đó. Từ
đó, có thể kết luận rằng, bộ điều khiển step cố định là biến thể của bộ điều khiển
tích phân. Tuy nhiên, áp dụng khái niệm tương tự vào điều khiển công suất,
trong đó sự tăng công suất được quyết định theo điều khiển bang-bang-like.
Nhưng không may mắn, khi [5] chỉ ra rằng bộ điều khiển tích phân có thể khiến
nó trở nên không ổn định do thành phần tích phân là thật sự là hệ không ổn định.
Hơn nữa, điều khiển bang-bang sẽ gây ra quá điều chỉnh lớn, thời gian đáp ứng

dài, sai số tĩnh lớn và gây nhiễu.
Từ những phân tích trên cho thấy việc chọn đề tài ““Xây dựng hệ thống xử
lý thông minh dựa trên cơ sở của logic mờ và mạng nơron để điều khiển công
suất trong mạng đa truy nhập phân chia theo mã - CDMA” hoàn toàn phù hợp
với xu hướng nghiên cứu về điều khiển điều khiển công suất trong mạng CDMA
hiện nay, trong đó mô hình được chọn là mô hình logic mờ FLC (Fuzzy Logic
Control).
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung các thuật toán , phương
pháp điều khiển tối ưu trong việc đ iề u khiể n công suấ t trong mạng đa truy nhập
phân chia theo mã CDMA.
b. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu này là một giải pháp có thể được sử dụng để nâng
cao hiệu quả vào việc khai thác mạng CDMA, nâng cao chất lượng điều khiển,
dễ dàng trong thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống.






Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ

2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ.
Cấu trúc và nguyên lý làm việc của một hệ thống điều khiển mờ như sau:

Hình 2.1: Cấu trúc tổng quát bộ điều khiển mờ
a. Giao diện vào : Làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu
số. Ngoài ra còn làm một số nhiệm vụ khác như chuẩn hóa tín hiệu, lấy
các thông số động của tín hiệu.
b. Khối mờ hóa: Làm nhiệm vụ biến đổi mỗi giá trị rõ ở đầu vào thành véc tơ
)(y
b

.
c. Thiết bị hợp thành gồm :
-Luật hợp thành
-Cơ cấu suy diễn.
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
d. Giải mờ: Biến đổi tập mờ đầu ra
)(
'
y
b

thành giá trị rõ

y
0
tương
ứng với
x
0
ở đầu vào để điều khiển đối tượng
e. Giao diện vào:Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương
tự.
Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển mờ cơ bản có dạng
là tập các mệnh đề hợp thành cùng cấu trúc nếu thì và nguyên tắc triển
khai các mệnh đề hợp thành đó có tên là nguyên tắc MAX-MIN và SUM-
MIN
2.2. Mờ hóa.
Mờ hóa được định nghĩa như là sự ánh xạ (sự làm tương ứng ), từ tập mờ các
giá trị thực hiện


x
U thành các giá trị mờ A’ЄU nguyên tắc chung việc thực
hiện mờ hóa là:
- Từ tập giá trị thực x đầu vào sẽ tạo ra tập mờ A’ với hàm liên thuộc có giá
trị đủ rộng tại các điểm rõ x.
- Nếu có nhiễu ở đầu vào thì việc mờ hóa sẽ góp phần khử được nhiễu .
- Việc mờ hóa phải tạo điều kiện đơn giản tính toán cho sau này.
- Có 3 phương pháp mờ hóa.
2.3. Quy luật suy diễn và cơ chế suy diễn mờ (luật hợp thành).
2.3.1. Mệnh đề hợp thành.
Cho hai biến ngôn ngữ  và . Nếu biến  nhận giá trị (mờ) A có hàm liên
thuộc 

A
(x) thì  nhận giá trị (mờ) B có hàm liên thuộc 
B
(y) thì hai biểu thức
 = A
 = B
được gọi là hai mệnh đề.
Kí hiệu (1.10a) là p và (1.10b) là q thì mệnh đề hợp thành: p  q (từ p suy ra
q) tương ứng với luật điều khiển:
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
nếu  =a thì  = b
Ta gọi đó là mệnh đề hợp thành một điều kiện.Trong đó p gọi là mệnh đề
điều kiện và q là mệnh đề kết luận.
2.3.2. Mô tả mệnh đề hợp thành
Từ một giá trị x
0
có độ phụ thuộc 
A
(x
0
) đối với tập mờ A của giá trị đầu vào
x
0
xác định được hệ số thoả mãn mệnh đề kết luận q của giá trị đầu ra y. Biểu
diễn hệ số thoả mãn mệnh đề của y như một tập mờ B’ cùng cơ sở với B thì
mệnh đề hợp thành chính là ánh xạ:


A
(x
0
)  
B’
(y). Ánh xạ này chỉ ra rằng mệnh đề hợp thành là một tập mà
mỗi phần tử là một giá trị (
A
(x
0
),
B’
(y)), tức là mỗi phần tử là một tập mờ. Mô
tả mệnh đề hợp thành tức là mô tả ánh xạ trên.
ánh

xạ 
A
(x
0
)
B’
(y) được gọi là hàm liên thuộc của luật hợp thành.
Đã có nhiều ý kiến khác nhau về nguyên tắc xây dựng hàm liên thuộc

AB
(x,y) cho mệnh đề hợp thành AB, song nguyên tắc Mamdani có tính
thuyết phục hơn và hiện đang được sử dụng nhiều nhất để mô tả luật mệnh đề
hợp thành mờ trong kỹ thuật điều khiển.

Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện.
Từ nguyên tắc Mamdani có hai công thức xác định hàm liên thuộc cho mệnh
đề hợp thành A  B:
1.
AB
(x,y) = MIN {
A
(x),
B
(y)} (công thức MIN)
2.
AB
(x,y) = 
A
(x)
B
(y) (công thức PROD)
2.3.3. Luật hợp thành mờ.
Hàm liên thuộc 
AB
(x,y) của mệnh đề hợp thành AB được kí hiệu là R,
tại một giá trị rõ x=x
0
là một hàm liên thuộc cho một giá trị mờ nào đó của biến
ngôn ngữ .
Luật hợp thành là tên chung gọi mô hình R biểu diễn (một hay nhiều) hàm
liên thuộc 
AB
(x,y) cho (một hay nhiều) mệnh đề hợp thành AB.
Một luật hợp thành chỉ có 1 mệnh đề hợp thành gọi là luật hợp thành đơn,

ngược lại có luật hợp thành kép.
Xét luật hợp thành R biểu diễn mô hình lái ô tô gồm 3 mệnh dề hợp thành:
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
R
1
: Nếu x = chậm Thì y = tăng hoặc
R
2
: Nếu x = trung bình Thì y = giữ nguyên hoặc
R
3
: Nếu x = nhanh Thì y = giảm
Với mỗi giá trị rõ x
0
của biến ngôn ngữ đầu vào, ta có 3 tập mờ ứng với 3
mệnh đề hợp thành R
1
R
2
R
3
của luật hợp thành R. Gọi hàm liên thuộc của các
tập mờ đầu ra là:
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ

3
B
2
B
1
B
thì giá trị của luật hợp thành R ứng
với x
0
là tập mờ B’ thu được qua phép hợp 3 tập mờ: B’ = B
1
’  B
2
’  B
3
’







Tuỳ theo cách thu nhận các hàm liên thuộc
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ
3
B
2

B
1
B
và
phương pháp thực hiện phép phép hợp để nhận tập mờ B’ mà ta có tên gọi các
luật hợp thành khác nhau:
- Luật hợp thành MAX-MIN nếu
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ
3
B
2
B
1
B
thu được qua phép
lấy Min còn phép hợp thực hiện theo luật Max.
- Luật hợp thành MAX-PROD nếu
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ
3
B
2
B
1
B
thu được qua
phépPROD còn phép hợp thực hiện theo luật Max.

- Luật hợp thành SUM-MIN nếu
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ
3
B
2
B
1
B
thu được qua phép
lấy Min còn phép hợp thực hiện.
- Luật hợp thành MAX-MIN nếu
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ
3
B
2
B
1
B
thu được qua phép
lấy PROD còn phép hợp thực hiện theo Lukasiewicz.
Vậy, để xác định hàm liên thuộc 
B’
(y) của giá trị đầu ra B’ của luật hợp
thành có n mệnh đề hợp thành R
1
, R

2
, ta thực hiện theo các bước sau:
+ Xác định độ thoả mãn H
+ Tính
)(μ);(μ);(
'''
yyyμ
3
B
2
B
1
B
theo qui tắc min hoặc Prod
h
2
x
Tốc độ

Ch
(x)

Tb
(x)

Nh
(x)
x
0

Ga
y

T
(x)

GN
(x)

G
(x)
Hình 2.2: Mô tả hàm liên thuộc của luật hợp thành
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20

   
 
 
 
y,HMiny,xMin)y(
jj
'
j
BB0A
B


hoặc
     
y.Hy.x)y(
jj
'
j
BB0A
B


B’
(y)
+ Xác định 
B’
(y) bằng cách thực hiện phép hợp các
)y(
'
j
B


2.3.4. Các cấu trúc cơ bản của luật hợp thành:
Có hai cấu trúc cơ bản của luật điều khiển: Cấu trúc SISO và cấu trúc MISO
+ Cấu trúc SISO: là cấu trúc trong đó luật hợp thành có các mệnh đề điều
kiện và kết luận đề là các mệnh đề đơn.
Ví dụ: R
1
: nếu x = A
1
thì y = B

1
hoặc
R
2
: nếu x = A
2
thì y = B
2

+ Cấu trúc MISO: là cấu trúc trong đó luật hợp thành có các mệnh đề điều
kiện là mệnh đề kép và kết luận đề là mệnh đề đơn.
Ví dụ: R
1
: nếu x
1
= A
1
và x
2
= B
1
thì y = C
1
hoặc
R
2
: nếu x
1
= A
2

và x
2
= B
2
thì y = C
2
hoặc
2.4. Giải mờ.
Đầu ra của luật hợp thành luôn là một giá trị mờ B’. Do đó chưa thể áp dụng
được trong điều khiển đối tượng được. Vì vậy cần phải có thêm khâu giải mờ
(quá trình rõ hoá tập mờ đầu ra B’).
Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y’ nào đó có thể chấp nhận được
từ hàm liên thuộc 
B’
(y) của giá trị mờ B’ (tập mờ B’). Có hai phương pháp giải
mờ chính là phương pháp cực đại và phương pháp điểm trọng tâm.
2.4.1. Phương pháp cực đại.
Để giải mờ theo phương pháp cực đại, ta cần thực hiện theo hai bước:
- Xác định miền chứa giá trị rõ y’. Giá trị rõ y’ là giá trị mà tại đó hàm liên
thuộc đạt giá trị cực đại ( độ cao H của tập mờ B’), tức là miền
G = {y | 
B’
(y)=H}.
- Xác định y’ có thể chấp nhận được từ G.
Ví dụ: tập mờ đầu ra của một luật hợp thành gồm 2 mệnh đề hợp thành:
R
1
: Nếu  = A
1
Thì  = B

1

Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
R
2
: Nếu  = A
2
Thì  = B
2

G là khoảng [y
1
, y
2
] của miền giá trị của tập mờ đầu ra B
2
của luật điều
khiển
R
2
: Nếu  = A
2
Thì  = B
2

Trong số hai luật R

1
, R
2
thì luật R
2
được gọi là luật quyết định. Vậy, luật điều
khiển quyết định là luật R
k
, k{1, 2, , p} mà giá trị mờ đầu ra của nó có độ
cao lớn nhất, tức là độ cao H của B’
Để thực hiện bước hai ta có thể áp dụng theo một trong ba nguyên lý sau:
2.4.1.1. Nguyên lý trung bình.
Nếu ký hiệu:
   
ysupy,yinfy
Gy
2
Gy
1



y
1
là điểm cận trái

và y
2
là điểm cận
phải của G.

a. Nguyên lý trung bình
Theo nguyên lý trung bình, giá trị rõ y’ sẽ là :
2
yy
y
21
'



Nguyên lý này thường được dùng khi G là một miền liên thông và như vậy
y’ cũng là giá trị có độ phụ thuộc lớn nhất. Trong trường hợp B’ gồm các hàm
liên thuộc dạng đều thì giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào độ thoả mãn của luật
điều khiển quyết định.
2.4.1.2. Nguyên lý cận trái.
y
2
y
1
y
2
y

1
y
2
y
1
Hình 2.3: Các nguyên lý giải mờ theo phương pháp cực đại
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
Giá trị rõ y' được lấy bằng cận trái y
1
của G
 








yinfy
Gy
1
. Giá trị rõ lấy theo
nguyên lý này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào độ thoả mãn của luật điều khiển quyết
định.
2.4.1.3. Nguyên lý cận phải

Giá trị rõ y’ được lấy bằng cận phải y
2
của G
 










ysupy
Gy
2
Cũng giống như
nguyên lý cận trái, giá trị rõ y' ở đây phụ thuộc tuyến tính vào độ thoả mãn của
luật điều khiển quyết định.
* Chú ý:
+ Sai lệch của ba giá trị rõ, xác định theo nguyên lý trung bình, cận trái hay
cận phải sẽ

càng lớn nếu độ thoả mãn H của luật điều khiển càng nhỏ.
+ Khi miền G là miền không liên thông sử dụng phương pháp cực đại sẽ
không chính xác.
+ Đối với luật hợp thành MAX-PROD, miền G chỉ có một điểm duy nhất, do
đó kết quả giải mờ theo cả 3 nguyên lý đề giống nhau.
2.4.2. Phương pháp điểm trọng tâm
Phương pháp điểm trọng tâm sẽ cho
ra kết quả y' là hoành độ của điểm trọng
tâm miền được bao bởi trục hoành và
đường 
B’
(y). Công thức xác định y' theo
phương pháp điểm trọng tâm như sau:

x
s
B
1
B
2
Hình 2.5:Giá trị rõ y' là hoành
độ của điểm trọng tâm

x
B
1
B
2
Hình 2.4: Hàm liên thuộc B’ có
miền G không liên thông

G
1
G
2
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
y’ =




S
'B
S
'B
dy)y(
dy)y(y
(2.1)
Trong đó S là miền xác định của tập mờ B'.

2.4.2.1. Phương pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành SUM-MIN.
Giả sử có q luật điều khiển được triển khai. Khi đó mỗi giá trị mờ B' tại
đầu ra của bộ điều khiển sẽ là tổng của q giá trị mờ đầu ra của từng luật hợp
thành. Kí hiệu giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ k là 
B’k
(y) với k =1,2,
,q. Với quy tắc SUM-MIN, hàm liên thuộc 

B’
(y) sẽ là:

B’
(y) =



q
1k
k'B
)y(

Thay (1.26) vào (1.25) ta có:
y’ =








S
q
1k
k'B
S
q
1k

k'B
dy)y(
dy)]y(y[
=








q
1k
S
k'B
q
1k
S
k'B
]dy)y([
]dy)y(y[
=




q
1k
k

q
1k
k
A
M
(2.2)
Trong đó:
M
k
=


S
k'B
dy)y(y
và A
k
=


S
k'B
dy)y(
(2.3)
Riêng trường hợp các hàm liên thuộc 
B’k
(y) có dạng hình thang (hình
2.6) thì M
k
và A

k
được

tính:
M
k
=
)αm3βm3αβm3m3(
6
H
12
222
1
2
2

(2.4)
A
k
=
)βαm2m2(
2
H
12



m
1
m

1
α
β
H
Luận văn thạc sĩ
Trường ĐH KTCN Bạch Văn Nam
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24





2.4.2.2. Phương pháp độ cao.
Sử dụng công thức:
y’ =








S
q
1k
k'B
S

q
1k
k'B
dy)y(
dy)]y(y[
=








q
1k
S
k'B
q
1k
S
k'B
]dy)y([
]dy)y(y[
=




q

1k
k
q
1k
k
A
M
(2.5)

cho cả hai luật hợp thành MAX-MIN và SUM-MIN với thêm một giả thiết là
mỗi tập mờ 
B’k
(y) được xấp xỉ bằng một cặp giá trị (y
k
,H
k
) duy nhất
(singleton), trong đó H
k
là độ cao của 
B’k
(y) và y
k
là một điểm mẫu trong
miền giá trị của 
B’k
(y).
Ta có: 
B’k
(y) = H

k
và y' =




q
k
k
q
k
kk
H
Hy
1
1
(2.6)

2.5. Thiết kế bộ điều khiển mờ.
2.5.1-Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh.
Các bộ điều khiển tĩnh là những bộ điều khiển có quan hệ vào/ra y(x),
trong đó x là đầu vào và y là đầu ra, theo dạng một phương trình đại số (tuyến
tính hoặc phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuếch đại P, bộ
điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí