Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các phần tử và hệ thống điều khiển theo nguyên lý phỏng sinh học

BQP
HVKTQS

Bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các phần tử
và hệ thống điều khiển theo nguyên lý
phỏng sinh học
Mã số: KC.03-09

PGS. TS. Nguyễn Tăng Cờng

5856
05/6/2006

Hà nội, 2004
Bản quyền 2004 thuộc HVKTQS
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám Đốc
HVKTQS, trừ trờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu.


Bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các phần tử và hệ thống
điều khiển theo nguyên lý phỏng sinh học
Mã số: KC.03-09

PGS. TS. Nguyễn Tăng Cờng

Hà nội, 2004

Bản thảo viết xong năm 2004
Tài liệu này đợc chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện Đề tài cấp Nhà Nớc, mã số
KC.03-09.


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

1. phần đầu báo cáo.
danh sách những ngời thực hiện.

TT
A

Họ và tên

Cơ quan công tác

Tham gia vào
mục

Chủ nhiệm đề tài
PGS, TS Nguyễn Tăng Cờng

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Chơng 1,2,3

B

Cán bộ tham gia nghiên cứu

1

TS Đàm Hữu Nghị

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Mục 7.1

2

TS Lê Chung

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Chơng 6

3

TS Chu Hồng Sơn

Quân chủng PK-KQ

Mục 8.1

4

PGS, TS Lê Hùng Lân

Đại học Giao Thông Vận Tải

Chơng 12

5

PGS, TS Thái Quang Vinh

Viện CNTT

Chơng 11

6

Th.S Trần Quốc Hiệp

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Mục 7.2; 10.1
Chơng 9

7

Th.S Hàn Vũ Hải

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Mục 8.2

8

KS Nguyễn Vũ Hoài Nam

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Chơng 4,5
Mục 10.2; 10.3

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

1


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

Bản tự đánh giá
Về tình hình thực hiện và những đóng góp mới của đề tài
KH&CN cấp nhà nớc
1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các phần tử và hệ thống điều khiển
theo nguyên lý phỏng sinh học.
Mã số: KC.03-09
2. Thuộc chơng trình: Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tự động hóa,
mã số KC.03
3. Chủ nhiệm đề tài: PGS, TS Nguyễn Tăng Cờng
4. Cơ quan chủ trì đề tài: Học viện Kỹ thuật Quân sự
5. Thời gian thực hiện (BĐ-KT): 10/2001 10/2004

6. Tổng kinh phí thực hiện: 2500 triệu đồng
Trong đó kinh phí từ ngân sách Nhà nớc: 2500 triệu đồng
7. Tình hình thực hiện đề tài:
7.1 Về mức độ hoàn thành khối lợng công việc:
Nội dung nghiên cứu chính:
-

Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng các thuật toán làm việc của hệ điều khiển
phỏng sinh học (nơron, fuzzy, thích nghi) và các phơng pháp mô phỏng
kiểm chứng trên máy tính (nghiên cứu dùng các công cụ mô phỏng MatLab,
LabView).

-

Nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển các quá trình kỹ thuật
công nghệ đa tham số phức tạp (hệ thống thiết bị kỹ thuật đặc biệt) sử dụng
nguyên lý điều khiển phỏng sinh học.

-

Nghiên cứu xây dựng hệ thống mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực phục vụ
đánh giá thử nghiệm hệ điều khiển thiết bị bay.

-

Nghiên cứu xây dựng hệ thống nhận dạng, xử lý tín hiệu điều khiển thiết bị
bay dùng nguyên lý fuzzy-nơron

-

Nghiên cứu, xây dựng các phần tử điều khiển (sử dụng kỹ thuật DSP, ASIC,
MicroController, PC104) và chơng trình máy tính mô phỏng về điều
khiển phỏng sinh học phục vụ huấn luyện và đào tạo.

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

2


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
Tất cả các công việc thuộc các hạng mục đã đăng ký nêu trên của đề tài đều đã đợc
thực hiện nghiêm túc và đầy đủ. Hoàn thành 100%.
7.2 Về các yêu cầu khoa học và chỉ tiêu cơ bản của các sản phẩm KHCN:
TT

Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học

A.

Cụm sản phẩm thứ nhất:

1.

-Hệ thống điều khiển các quá trình -Xây

Kết quả đạt đợc

dựng

quá Đáp ứng các yêu

kỹ thuật công nghệ đa tham số trình thiết kế.

cầu khoa học (chi

phức tạp (hệ thống thiết bị kỹ thuật -Đáp

ứng

các tiết xem kết quả

đặc biệt) sử dụng nguyên lý chuẩn quốc tế về kiểm định)
ĐKPSH trên máy PC

giao diện đo-điều

Kèm theo hệ thống này là các sản khiển.
phẩm phần mềm chơng trình máy -Thiết kế, chế tạo
tính sau:

hệ điều khiển dùng
nguyên lý ĐKPSH
áp dụng thực tế.

2.

Chơng trình máy tính công cụ -Đa năng cho ứng Đáp ứng các yêu
phát triển ĐKPSH (điều khiển mờ) dụng thực tế

các quá trình KTCN đa tham số -Đáp
phức tạp trên PC.

ứng

cầu khoa học
các

chuẩn quốc tế về
giao diện đo-điều
khiển
-Cài đặt thuật toán
ĐKPSH

3.

Chơng trình máy tính ứng dụng -Lu đồ chơng Đáp ứng các yêu
ĐKPSH các quá trình KTCN đa trình, phần mềm cầu khoa học
tham số phức tạp trong thiết bị kỹ gốc.
thuật đặc biệt

-Đáp ứng nhu cầu
thực tế.
-Hệ mở, đáp ứng
chuẩn giao diện
quốc tế đo-điều
khiển

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

3


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
B.

Cụm sản phẩm thứ hai:

4.

Hệ thống thiết bị mô phỏng bán tự -Xây dựng phơng Đáp ứng các yêu
nhiên thời gian thực để đánh giá pháp thuật toán mô cầu khoa học (chi
thử nghiệm hệ điều khiển thiết bị phỏng bán tự nhiên tiết xem kết quả
bay.

thời gian thực.

kiểm định)

-Xây dựng thiết bị
phần

cứng

mô

phỏng bán tự nhiên
thời gian thực.
-Các chơng trình
máy tính công cụ

phát

triển

mô

phỏng tín hiệu ảnh
động, tín hiệu rađa
thời gian thực.
-Khả năng ghép
Kèm theo hệ thống này là sản nối thử nghiệm với
phầm chơng trình máy tính sau:

hệ điều khiển thiết
bị bay thực tế

5.

Chơng trình mô phỏng quá trình -Mô phỏng tơng Đáp ứng yêu cầu
điều khiển thiết bị bay trên máy đơng
tính

sát

điều khoa học

kiện thực tế.
-Khả năng đánh
giá các tham số và
cấu trúc hệ điều

khiển thực tế.

C.

Cụm sản phẩm thứ ba:

6.

Hệ thống nhận dạng, xử lý tín hiệu -Đáp ứng yêu cầu
điều khiển thiết bị bay dùng kỹ-chiến thuật hệ
nguyên lý fuzzy-nơron

điều khiển thiết bị
bay.
-Tổ hợp thiết bị

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

4


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
phần cứng nhận
dạng, xử lý, xác
định tọa độ mục
tiêu bay.
-Khả năng ghép
nối tổ hợp điều
khiển thiết bị bay
thực tế.

-Cài

đặt

các

Kèm theo hệ thống này là các sản chơng trình máy
phẩm chơng trình máy tính sau:

tính ứng dụng với
thuật toán ĐKPSH.

7.

Chơng trình máy tính ứng dụng sử -Đáp ứng làm việc Đáp ứng yêu cầu
dụng ĐKPSH cho hệ thống điều thời gian thực.
khiển thiết bị bay thực tế

khoa học

-Đáp ứng yêu cầu
kỹ-chiến thuật đài
điều khiển TLPK

D.

Cụm sản phẩm thứ t:
Các phần tử điều khiển phỏng sinh
học và các chơng trình máy tính
mô phỏng phục vụ huán luyện đào

tạo.

8.

Các controller thông minh dùng -Đáp ứng chuẩn Đáp ứng yêu cầu
PC-104 với các công cụ phát triển quốc tế giao diện khoa học
ĐKPSH.

PC-104.
-Khả năng cài đặt
phát triển các thuật
toán ĐKPSH.
-Có
huấn

hớng
luyện

dẫn
sử

dụng.

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

5


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
Thử nghiệm phục

Kèm theo các controller này là sản vụ huấn luyện đào
phẩm phần mềm:

tạo.
-Cài đặt thuật toán

9.

Chơng trình máy tính công cụ để PID, fuzzy, nơron.

Đáp ứng yêu cầu

phát triển ĐKPSH trên cơ sở hệ -Tính đa năng cho khoa học.
nhúng PC-104

ứng dụng.
-Đáp ứng chuẩn
quốc tế về giao
diện PC-104
-Đảm bảo các kiến

10.

Các chơng trình máy tính mô thức cơ sở.
phỏng phục vụ huấn luyện đào tạo -Hớng
về ĐKPSH (07 chơng trình)

dẫn

Đáp ứng yêu cầu

sử khoa học.

dụng từ đơn giản
đến phức tạp.
-Khả

năng

mở

rộng phát triển.

Chất lợng của các sản phẩm của đề tài KC.03-09 theo yêu cầu khoa học đã đợc:
+ Kiểm nghiệm, nhất trí thông qua của Hội đồng cơ sở nghiệm thu từng sản
phẩm đề tài (có biên bản kèm theo)
+ Xác nhận của đơn vị sử dụng các sản phẩm đã đợc đa vào ứng dụng thực
tế (có chứng nhận kèm theo).
7.3 Về tiến độ thực hiện: Hoàn thành tiến độ trong khuôn khổ đợc phép bổ xung
thời gian của đề tài.
8. Về những đóng góp mới của Đề tài:
Trên cơ sở mục tiêu và kết quả của đề tài: Học tập, nắm bắt và xây dựng cơ
sở kỹ thuật thiết kế, chế tạo các phần tử, hệ thống điều khiển phỏng sinh học với
triển khai ứng dụng phục vụ một số nhu cầu thực tế, so sánh phần này với các kết

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

6


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

quả của các đề tài nghiên cứu khoa học trong nớc đã triển khai, đề tài KC.03-09 có
các đặc điểm mới sau đây:
1. Về mặt lý thuyết và phơng pháp luận về tổ chức hệ thống điều khiển
phỏng sinh học: Đề tài đã nghiên cứu về mặt lý luận và về kinh nghiệm ứng dụng
ĐKPSH trong nớc và quốc tế. Trong đó tập trung ở các phơng pháp ĐKPSH có
nhiều ứng dụng trong công nghiệp (hệ điều khiển PID mở rộng với sử dụng điều
khiển mờ, thích nghi, nơron). [Lu ý là ở Nhật hiện 84% các bộ điều khiển sử dụng
điều khiển PID].
2. Triển khai áp dụng các nguyên lý điều khiển mờ trong ứng dụng thực tế:
Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển các quá trình kỹ thuật - công nghệ đa tham số
phức tạp cho hệ các thiết bị kỹ thuật đặc biệt, kèm theo hệ thống này đề tài đã ứng
dụng thành công với kiểm nghiệm trong thực tế các sản phẩm phần mềm sau:
- Chơng trình máy tính công cụ ứng dụng để phát triển ĐKPSH (điều khiển
mờ) các quá trình kỹ thuật công nghệ đa tham số phức tạp trên cơ sở máy tính
PC cho thiết bị kỹ thuật đặc biệt.
- Chơng trình máy tính ứng dụng cho hệ thống ĐKPSH các quá trình kỹ thuật
công nghệ đa tham số phức tạp (Thiết bị kỹ thuật đặc biệt).
3. Xây dựng hệ thống thiết bị mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực để đánh giá
thử nghiệm một số phần tử cấu thành hệ điều khiển thiết bị bay (Tạo tín hiệu xung Rada
và ảnh Video Camera mục tiêu bay). Kèm theo hệ thống này là phần mềm máy tính.
Chơng trình mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực các tín hiệu mục tiêu bay trên máy
tính để thử nghiệm hệ xác định tọa độ bay và các thông số điều khiển.
4. Xây dựng hệ thống nhận dạng, xử lý tín hiệu điều khiển thiết bị bay dùng
nguyên lý fuzzy-nơron. (Phần nhận dạng đợc hiện ở đề tài KC.01-12, không nằm
trong yêu cầu Hợp đồng đề tài KC.03-09). Kèm theo hệ thống này đề tài đã kiểm
nghiệm và ứng dụng sản phẩm phần mềm: Chơng trình máy tính ứng dụng ĐKPSH
cho hệ thống điều khiển thiết bị bay. (Tự động xác định các toạ độ mục tiêu bay
theo tín hiệu xung rada và ảnh Video Camera)
5. Các sản phẩm phục vụ huấn luyện đào tạo về ĐKPSH bao gồm các kết quả
sau:

- Xây dựng phần tử ĐKPSH trên cơ sở hệ nhúng PC104, trong đó đề tài đã kiểm
nghiệm và ứng dụng thành công:

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

7


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
+ Xây dựng cấu hình phần cứng bộ điều khiển thông minh dùng PC104
+ xây dựng chơng trình máy tính công cụ để phát triển hệ ĐKPSH trên cơ sở
hệ nhúng PC104
- Các chơng trình máy tính mô phỏng phục vụ đào tạo ĐKPSH cho sinh viên,
cao học, nghiên cứu sinh (07 bộ chơng trình mô phỏng)
6. Đề tài hoàn thành vợt mức các chỉ tiêu về các công trình đăng trên các tạp
chí KHKT, Hội nghị Khoa học về hớng sử dụng ĐKPSH (trên 10 bài): 30 bài
- In phát hành 02 sách KHKT
- Các đồ án tốt nghiệp đại học, luận văn cao học: trên 20
- Số lợng các luận văn và nghiên cứu sinh về ĐKPSH: trên 09 ngời (trong đó
03 nghiên cứu sinh đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ ở Hội đồng Nhà nớc)
9. Kết luận:
Đề tài KC.03-09 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các phần tử và hệ thống
điều khiển theo nguyên lý phỏng sinh học đã thựchiện đầy đủ các nội dung yêu
cầu của hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số:
09/2001/HĐ-ĐTCK-KC.03 ngày 25/10/2001 và các yêu cầu của Bộ Khoa học Công
nghệ, Bộ Tài chính, Ban Chủ nhiệm chơng trình nghiên cứu khoa học và phát triển
công nghệ Tự động hóa KC.03. Cơ quan chủ trì đề tài Học viện Kỹ thuật Quân sự đề
nghị Bộ Khoa học Công nghệ, các cơ quan quản lý cấp trên cho phép đợc bảo vệ đề
tài theo qui định.
Nhóm đề tài xin trân trọng cám ơn!

Chủ nhiệm đề tài

(Họ tên và chữ ký)

PGS, TS Nguyễn Tăng cờng

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

8


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

1.1 bài tóm tắt.
Học viện Kỹ thuật Quân sự xin trân trọng cảm ơn Bộ Khoa học và Công
nghệ, Bộ Quốc phòng đã tạo điều kiện để Học viện thực hiện đề tài này.
Bản báo cáo trình bày một cách hệ thống quá trình nghiên cứu phát triển một
số vấn đề về thiết kế, chế tạo các phần tử, hệ thống điều khiển theo nguyên lý phỏng
sinh học (PSH).
Hiện nay việc xây dựng các hệ thống điều khiển với áp dụng các nguyên lý
điều khiển PSH đang trở nên cần thiết do khả năng ứng dụng rộng lớn của nó trong
các hệ thống thông minh. Các nguyên lý điều khiển PSH đang đợc phát triển và sử
dụng rộng rãi là: Các nguyên lý điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển với
sử dụng mạng Nơron nhân tạo
Nhằm mục đích nghiên cứu, phát triển ứng dụng một số vấn đề điều khiển
PSH, đề tài đã tổ chức nghiên cứu các nội dung khoa học với các kết quả đợc trình
bày bao gồm các phần chính sau:
Chơng 1. Tổng quan về điều khiển PSH
Phần 1: Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển các quá trình kỹ thuật công

nghệ đa tham số phức tạp trong (hệ thống thiết bị kỹ thuật đặc biệt) sử dụng nguyên
lý điều khiển PSH
Phần 1 bao gồm các chơng sau đây:
Chơng 2: Khái quát chung về hệ thống thiết bị kỹ thuật đặc biệt (TBKTĐB)
Chơng 3: Tổ chức các cấu hình phần cứng cho hệ thống TBKTĐB
Chơng 4: Chơng trình máy tính ứng dụng cho hệ thống điều khiển PSH các
quá trình kỹ thuật công nghệ đa tham số phức tạp
Chơng 5: Chơng trình công cụ phát triển các hệ thống điều khiển PSH theo
nguyên lý logic mờ trên cơ sở máy tính PC
Phần 2: Nghiên cứu xây dựng hệ thống mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực
phục vụ đánh giá thử nghiệm hệ điều khiển thiết bị bay
Phần 2 bao gồm các chơng sau đây:
Chơng 6: Cấu trúc hệ thiết bị mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

9


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
Chơng 7: Chơng trình máy tính mô phỏng tín hiệu và quá trình điều khiển
thiết bị bay.
Kết luận: Hệ thống thiết bị mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực để đánh giá
thử nghiệm hệ điều khiển.
Phần 3: Nghiên cứu xây dựng hệ thống nhận dạng xử lý tín hiệu điều khiển
thiết bị bay dùng nguyên lý Fuzzy-Nơron
Phần 3 bao gồm các chơng sau đây:
Chơng 8: Khái quát về hệ tự động bám sát toạ độ mục tiêu hệ điều khiển thiết
bị bay (TBB)
Chơng 9: Tổ chức thiết bị hệ nhận dạng xử lý tín hiệu điều khiển TBB

Chơng 10: Chơng trình máy tính ứng dụng sử dụng điều khiển PSH cho hệ
điều khiển TBB
Phần 4: Nghiên cứu xây dựng các phần tử điều khiển PSH và các chơng trình
máy tính mô phỏng phục vụ huấn luyện và đào tạo. Phần này bao gồm các chơng
sau đây:
Chơng 11: Xây dựng hệ Controller thông minh dùng PC-104 với các công cụ
phát triển nguyên lý điều khiển PSH
Chơng 12: Các chơng trình máy tính mô phỏng phục vụ đào tạo về điều
khiển PSH trong các trờng đại học
Sau 03 năm nghiên cứu và tổ chức thực hiện, trên cơ sở những kết quả đã đạt
đợc, đề tài KC.03-09 xin tự nhận xét nh sau:
- Hớng nghiên cứu đề tài đã chọn là đúng đắn
- Đề tài hoàn thành tốt các mục trên đã đề ra theo đúng bản thuyết minh đề tài
và hợp đồng đã ký với Bộ KH&CN.
- Đề tài đã đợc triển khai thực hiện hoàn thành tiến độ trong khuôn khổ đợc
phép bổ xung thời gian của chơng trình và Bộ KHCN.
- Các kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học, kinh tế xã hội đối
với đất nớc, đặc biệt là trong lĩnh vực an ninh quốc phòng.
- Các kết quả nghiên cứu của đề tài có khả năng ứng dụng cao trong thực tế.

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

10


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

1.2 Mục lục
Trang nhan đề.
1. Phần đầu báo cáo.

Danh sách những ngời thực hiện.
Bản tự đánh giá về tình hình thực hiện và những đóng góp mới của đề tài
KH&CN cấp nhà nớc
1.1. Bài tóm tắt.
1.2. Mục lục.

1
2
9
11

2. Phần chính báo cáo.

2.1. Lời mở đầu.
2.2. Nội dung chính báo cáo.
2.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nớc và trong nớc.
2.2.2. Lựa chọn đối tợng nghiên cứu.
2.2.3. Những nội dung đã thực hiện.
Chơng 1. Tổng quan về điều khiển phỏng sinh học

13
16
16
18
20
21

phần 1. Hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ đa
tham số phức tạp trong hệ thống thiết bị kỹ thuật đặc

biệt sử dụng nguyên lý đkpsh

Chơng 2. Khái quát chung về hệ thống thiết bị kỹ thuật đặc biệt
Chơng 3. Tổ chức cấu hình phần cứng cho hệ thống thiết bị kỹ thuật
đặc biệt
Chơng 4. Chơng trình máy tính ứng dụng cho hệ thống ĐKPSH các
quá trình kỹ thuật công nghệ đa tham số phức tạp
Chơng 5. Chơng trình công cụ phát triển các hệ thống ĐKPSH theo
nguyên lý logic mờ trên cơ sở máy tính PC

84
88
96
122

phần 2. Hệ thống mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực
phục vụ đánh giá thử nghiệm hệ điều khiển thiết bị bay

Chơng 6. Cấu trúc hệ thiết bị mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực
Chơng 7. Chơng trình máy tính mô phỏng tín hiệu và quá trình điều
khiển thiết bị bay
Kết luận: Hệ thống thiết bị mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực để
đánh giá thử nghiệm hệ điều khiển.

137
156

Phần 3. Hệ thống nhận dạng xử lý tín hiệu - điều khiển thiết

187

183

bị bay dùng nguyên lý fuzzy-nơron

Chơng 8. Khái quát về hệ tự động bám sát tọa độ mục tiêu hệ điều
khiển thiết bị bay
Chơng 9. Tổ chức thiết bị hệ nhận dạng xử lý tín hiệu - điều khiển
thiết bị bay

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

189
194

11


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
Chơng 10. Chơng trình máy tính ứng dụng sử dụng ĐKPSH cho
điều khiển thiết bị bay
Phần 4. nghiên cứu xây dựng các phần tử đKPSH, các

209
249

chơng trình máy tính mô phỏng phục vụ huấn luyện và
đào tạo

Chơng 11. Xây dựng hệ controller thông minh dùng PC104 với các

công cụ phát triển nguyên lý ĐKPSH
Chơng 12. Các chơng trình máy tính mô phỏng phục vụ đào tạo về
ĐKPSH trong các trờng đại học
2.2.4. Tổng quát hoá và đánh giá kết quả thu đợc.
2.3. Kết luận và kiến nghị.
2.4. Lời cám ơn.
2.5. Tài liệu tham khảo.
2.6. Các công trình về ĐKPSH thuộc đề tài KC.03-09 đợc đăng trên các
tạp chí khoc học kỹ thuật, hội nghị và ấn phẩm

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

250
273
290
292
293
294
310

12


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

2. phần chính báo cáo.
2.1. Lời mở đầu.
Các hệ thống điều khiển theo nguyên lý phỏng sinh học là bớc phát triển tiếp
theo của các hệ điều khiển hiện nay, trong đó các hệ điều khiển đợc xây dựng trên
cơ sở áp dụng các nguyên lý tổ chức và thực hiện chức năng tơng tự nh của các

cơ thể sống: Thích nghi, tiến hoá, di truyền, đột biến, có hệ thần kinh - trí tuệ cảm
nhận, tích luỹ kinh nghiệm, học, suy nghĩ và suy luận tạo các quyết định điều khiển
trong các tình huống từ đơn giản đến phức tạp với các dạng bài toán có thể đợc
hình thức hóa, khó hình thức hóa hoặc không thể hình thức hóa. Nền tảng của hệ
điều khiển phỏng sinh học (Hệ ĐKPSH) dựa trên các thành tựu của nhiều ngành
KHKT- CN nh các khoa học về tâm - sinh lý, khoa học về nhận thức, vật lý, các lý
thuyết điều khiển, lý thuyết tính toán, các hệ trí tuệ nhân tạo, nhận dạng, cảm biến,
các công nghệ điện tử, máy tính, công nghệ thông tin v.v.... Trong các lĩnh vực đó,
hiện nay các hệ ĐKPSH đang đợc phát triển mạnh với việc tổ chức hệ thống điều
khiển sử dụng các nguyên lý logic mờ (Fuzzy), mạng Nơron (Neural Networks NN), các nguyên lý điều khiển thích nghi, Thuật Gen (Genetic Algorithm - GA),
các hệ chuyên gia - suy luận .... Do vậy, hệ ĐKPSH đợc xét trong đề tài, đợc tập
trung xây dựng theo một trong các nguyên lý, hoặc kết hợp đồng thời nhiều nguyên
lý nêu trên.
+ Hệ điều khiển thích nghi (Hệ ĐKTN):
Đợc phát triển từ đầu những năm 50 do nhu cầu thiết kế các hệ tự động lái
thích nghi cho các phơng tiện bay (máy bay, tên lửa...). Năm 1961, Whitaker đề
xuất hệ thích nghi điều khiển theo mô hình mẫu (MRAC) và đợc phát triển thành
MRAC trực tiếp (Direct MRAC) và MRAC gián tiếp (Indirect MRAC). Năm 1958,
Kalman đề xuất hệ ĐKTN với sơ đồ đặt cực thích nghi (APPC). Trong các hệ
ĐKTN, các phơng pháp chính để thiết kế luật thích nghi là: Hàm nhạy cảm, hàm
Liapunốv, phơng pháp Gradient và phơng pháp bình phơng tối thiểu. Những
năm 60 là thời kỳ phát triển của ĐKTN nhờ sử dụng công cụ không gian trạng thái
và lý thuyết ổn định Liapunốv, qui hoạch động, điều khiển đối ngẫu và điều khiển
ngẫu nhiên .... Kết quả của những năm 60 này cùng với sự phát triển của điện tử,
máy tính đã thúc đẩy mạnh cả về lý thuyết và áp dụng thực tế hệ ĐKTN trong

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

13

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
những năm 70 với các hệ gián đoạn. Song năm 1979, Egardt B, nhận thấy các hệ
ĐKTN dễ bị mất ổn định với các thăng giáng ngẫu nhiên nhỏ. Do vậy trong những
năm 80, phát triển xu hớng các hệ ĐKTN bền vững (Robust), (Ioannou P. A., P.
V. Kokotovic, 1983). Những năm 90 tiếp theo, tiêu điểm phát triển là đảm bảo các
chỉ tiêu chất lợng và mở rộng các kết quả của các năm 80 cho một số lớp nhất định
các đối tợng phi tuyến với thông số bất định.
+ Các hệ điều khiển mờ (Fuzzy Control System-FCS) và điều khiển Nơron
(Neuro-Control System-NCS): Đợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong điều khiển
các quá trình công nghiệp, đo lờng, Y tế, hệ thống thông tin và quyết định v.v ...
Hệ Fuzzy đợc xây dựng phỏng dựa trên cách thức làm việc của bộ não với
các thông tin không chính xác (mờ). Trong khi hệ mạng Nơron lại mô phỏng theo
cấu trúc sinh học của bộ não. Các hệ FCS và NCS tạo ra khả năng phát triển hệ điều
khiển thông minh, hoặc hệ điều khiển phi tuyến bất kỳ.
Hệ Fuzzy bao gồm các tập Fuzzy với các luật Fuzzy đợc Zadeh đề xuất năm
1965 và đợc phát triển xây dựng các FCS - hệ điều khiển Fuzzy (1975, Mamdani
và Assilian) với ý tởng chính kết hợp các kinh nghiệm chuyên gia của hoạt động
con ngời trong điều khiển các quá trình với quan hệ vào - ra đợc mô tả bởi các
luật Fuzzy (dạng IF - THEN) cho các biến ngữ (Linguistic). Kiến trúc cơ bản của hệ
FCS bao gồm bốn thành phần chính: Bộ mờ, cơ sở luật Fuzzy, thiết bị hợp thành và
bộ giải mờ. Về mặt lý thuyết và ứng dụng, các hệ FCS đã đợc tập trung nghiên cứu
và triển khai nhằm mở rộng các ứng dụng thực tế của các hệ FCS: Hệ chỉnh định mờ
PID, điều khiển mờ thích nghi, phân tích tính ổn định hệ mờ (Mamdami 1976;
Kickert - 1978; Tong - 1978, 1980; Braae và Rutherford - 1979, Kiszka - 1985;
Chen - 1989, 1996; Yamashita - 1991, 1997; Langari và Tomizuka - 1991, 1998.
Tanaka và Sugeno - 1992, 1999 v.v...). Tuy vậy cũng còn nhiều tồn tại trong điều
khiển mờ cha đợc phát triển kịp thời nh các vấn đề về tính điều khiển đợc, tính
quan sát đợc của FCS.
+ Công nghệ mạng Nơron (NN) đợc sử dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực:

các hệ thống điều khiển, xử lý ảnh và tiếng nói, tối u hóa, Thông tin - Viễn thông,
nhận dạng tín hiệu, Robốt, kỹ thuật y tế, hệ thống năng lợng v.v... Riêng với lĩnh
vực điều khiển, để đáp ứng nhu cầu về các hệ điều khiển phức hợp trong các điều
kiện bất định, nên đã phát triển mạnh hệ điều khiển Nơron (NCS) với các tính năng

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

14


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
học, xấp xỉ các dạng hàm phi tuyến, nhận dạng phân loại mẫu, cùng với ứng dụng
các phần cứng xử lý song song v.v... Các tính năng này đợc thực hiện trên mạng
Nơron đợc đặt trong hệ điều khiển. Mạng Nơron đợc xây dựng trên cơ sở ba thành
phần chính: Mô hình Nơron - thành phần xử lý; kiến trúc mạng Nơron và các luật
học. Từng nút Nơron trong NN thực hiện phép tính cơ bản sau:
N

Z i = f ( g i ) = f ( v i + X jW ij ) , i = 1, M ,
j =1

j = 1, N ,

Trong đó

Z i - lợng ra, X j - lợng vào, Wij - hàm trọng;
f (. ) - Hàm kích hoạt (dạng phi tuyến)

Về tôpô của NN, kiến trúc của NN có thể phân thành ba loại: NN liên kết
đầy đủ, NN nhiều lớp, NN liên kết yếu. Trong đó thờng sử dụng NN nhiều lớp với

ba nhóm chính: NN một lớp, NN nhiều lớp không có liên hệ ngợc, ngẫu nhiên
nhiều lớp có liên hệ ngợc. Sau đây là một số kiểu kiến trúc NN thờng đợc dùng
trong nhận dạng, xử lý tín hiệu và điều khiển: mạng Nơron - Fuzzy thích nghi;
mạng cộng hởng ART-1, ART-2; mạng BAM; mạng cognitron; mạng lan truyền
ngợc, mạng lan truyền đối (Counter); mạng Delta- Bar - Delta; mạng truy hồi từng
phần Elman- Jordan; mạng Hopfield; mạng Instar; mạng Kohonen; mạng phân lớp
Gauss; mạng một lớp Perceptron v.v... Đa số các sơ đồ điều khiển Nơron đợc phát
triển dựa trên năm cách tiếp cận sau: 1- Sơ đồ NCS tuần tự; 2 - Sơ đồ NCS song
song; 3 - Sơ đồ NCS tự chỉnh; 4- Sơ đồ NCS lan truyền ngợc thời gian; 5 - Sơ đồ
NCS thích nghi - giới hạn.
Trong NN, các luật học đợc phân thành các kiểu chính sau: Học tham số,
Học cấu trúc và Học hỗn hợp; Mỗi kiểu học trên lại có thể đợc chia thành ba loại:
Học có giám sát; Học không có giám sát và Học tăng cờng.
Một nguyên lý phỏng sinh học quan trọng nữa để tổ chức hệ điều khiển là
thuật toán Gen (GA) (1960). Thuật GA sử dụng ba toán tử cơ bản: phần di truyền
gien; phần tạo lập chéo các gien; đột biến gien (ở đây - Gien là một chuỗi nhị phân
độ dài hữu hạn lu giữ các thuộc tính của thế hệ). Trong NN, GA đợc dùng để tối
u hóa cấu trúc và các tham số của NN. Thuật gien cũng đợc dùng để tìm các hàm
liên thuộc, các luật Fuzzy của hệ FCS.

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

15


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
Các nguyên lý tổ chức điều khiển phỏng sinh học dùng nguyên lý thích nghi
(TN) dùng mạng Nơron, dùng Fuzzy, hoặc GA có những u, nhợc điểm khác nhau
(Xem bảng so sánh dới đây). Do vậy, trong thực tế có thể dùng một nguyên lý,
hoặc kết hợp nhiều nguyên lý trên (Ví dụ: Hệ Fuzzy Nơron - sử dụng mạng NN nh

công cụ trong mô hình hệ Fuzzy).
Các vấn đề
FCS

NCS

GA

TN

Mô hình hoá

Khá

Kém

Kém

Tốt

Năng lực học

Kém

Tốt

Khá

Kém

Biểu diễn tri thức

Tốt

Kém

Trung bình

Trung bình

Tri thức chuyên gia

Tốt

Kém

Kém

Trung bình

Tính phi tuyến

Tốt

Tốt

Tốt

Kém

Khả năng tối u

Kém

Khá

Tốt

Trung bình

Tính kháng lỗi

Tốt

Tốt

Tốt

Kém

Tính kháng bất định

Tốt

Tốt

Tốt

Kém

Thời gian thực.

Tốt

Khá

Trung bình

Tốt

Trong phạm vi đề tài này, ngoài các nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, nhóm thực
hiện đề tài đã triển khai xây dựng các hệ điều khiển theo nguyên lý phỏng sinh học
cho hệ các thiết bị đặc biệt và hệ nhận dạng xử lý tín hiệu - điều khiển thiết bị bay,
đồng thời xây dựng các ứng dụng điều khiển phỏng sinh học phục vụ cho huấn
luyện đào tạo.

2.2. Nội dung chính của báo cáo.
2.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nớc và trong nớc.
Điều khiển phỏng sinh học đã đợc phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trên thế
giới. Trong nhiều ứng dụng, đặc biệt trong điều khiển phi tuyến, biến đổi theo thời
gian, điều khiển các hệ thống kém xác định và quản lý các hệ thống phức tạp với
các quá trình độc lập ra quyết định, điều khiển phỏng sinh học đã chứng tỏ tính u
việt so với điều khiển thông thờng.
Năm 1964 , Widrow và Smith đề xuất hệ NCS để ổn định con lắc trên xe
trợt. Albus phát triển hệ Nơron CMAC cho tay máy (1975). Miller (1990) triển

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

16

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
khai áp dụng CMAC cho Robot. Barto (1983) - Hệ Nơron thích nghi - Werbos
(1990) mở rộng mạng học liên kết cho điều khiển. Điều khiển Nơron - thích nghi
cho Robot và động cơ điện (1988, 1989, 1990), các hệ NCS kiểu BMAC (1992,
Narendra), PCMAC (1992, Cotter, Mian) v.v....
Những ứng dụng đáng chú ý của điều khiển logic mờ là các hệ Fuzzy cho máy
hơi nớc (Mamdani - 1975; Ray - 1985); Lò nung clanke trong xi măng (Larsen 1980; Umbers - 1980); Điều khiển thiết bị bay (Larkin - 1985; Chaudhary - 1990;
Chiu... - 1997); Điều khiển qũi đạo vệ tinh (Lea và Jani ... 1992, 1995); Điều khiển
Robot (Uragami ... - 1976, Scharf và Mandic - 1985; Tanschei ... 1988; Palm 1989); Điều khiển tốc độ ô tô (Murakami - 1983, Maeda - 1985) Điều khiển thang
máy (Fujitec - 1988); Điều khiển thích nghi (Graham, Newell - 1989); Các thiết bị
phần cứng Fuzzy (Togai 1986, Yamakawa - 1987, Ozawa - 1989, 1995...) vv... Một
ứng dụng đáng kể của điều khiển logic mờ là hệ thống điều khiển theo dõi bằng
camera tại Phòng thí nghiệm công nghệ phần mềm, Trung tâm vũ trụ
NASA/Johnson, sử dụng nghiên cứu logic mờ để tính gần đúng quĩ đạo riêng (Lea
và Jani 1992).
Trong nớc: Lý thuyết và ứng dụng thực tế của ĐKPSH đợc nhiều cán bộ
khoa học Việt Nam tiếp cận và phát triển. ở đây chỉ xin đơn cử một số ví dụ: Hệ
ĐKTN với xấp xỉ ngẫu nhiên (1972, Nguyễn Thúc Loan). Hệ điều khiển thích nghi
phi tuyến (2000, Nguyễn Xuân Quỳnh). Lý thuyết và ứng dụng của các hệ xử lý tin
và điều khiển thích nghi trong điều kiện thông tin bất định ngẫu nhiên hoặc bị nhiễu
tác động (1983, 1992, 1995 ữ 2000, 2000 ữ 2005 Nguyễn Tăng Cờng).... Các hệ
thống điều khiển truyền động điện dùng nguyên lý thích nghi, Fuzzy, Nơron (1999ữ
2005 Nguyễn Tăng Cờng, Nguyễn Thế Long, Bùi Quốc Khánh; 2000 ữ2005
Nguyễn Trọng Thuần, Phạm Hữu Đức Dục, Nguyễn Mạnh Tiến v.v...). Các hệ thống
lái tàu tự động Fuzzy (1999, 2000 ữ2005 - Nguyễn Trọng Thuần, Đặng Xuân Hoài
v.v...). Các vấn đề khác của FCS và NCS nh ổn định, nhận dạng (2000 ữ2005 Phạm Thợng Hàn, Nguyễn Quang Hoan, Lê Hùng Lân...), hệ điều khiển Nơron
(1996, 1999, 2000 ữ2005, Nguyễn Quang Hoan, Phạm Thợng Cát, Nguyễn Trần
Hiệp, Nguyễn Trọng Thuần...). Và nhiều công trình, luận văn Tiến sĩ, Thạc sĩ của
các nhà khoa học. Nhiều đơn vị KHKT triển khai nghiên cứu phát triển áp dụng các

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

17


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
nguyên lý phỏng sinh học và công bố nhiều công trình về lĩnh vực này: Học viện
KTQS, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Công nghệ thông tin, Đại học Bách khoa
TP HCM, Viện điện tử - Tin học - Tự động v.v... Nhìn chung các nghiên cứu này tập
trung để xây dựng các mô hình lý thuyết hệ điều khiển PID, điều khiển thích nghi,
điều khiển Robot, điều khiển truyền động điện với sử dụng Fuzzy, Nơron hoặc GA
và kiểm nghiệm trong khuôn khổ thí nghiệm hoặc mô phỏng (còn hạn chế khi đa
vào các hệ thống thực tế). Trong thực tế công nghiệp và kỹ thuật nớc ta đã có các
ứng dụng hệ ĐKPSH: Hệ điều khiển Fuzzy lò Clinker Xi măng ở Hoàng Thạch, các
thiết bị điện dân dụng (máy giặt, máy vi sóng v.v...). Những công trình khoa học của đề
tài KC.03.09 đợc công bố với 30 bài báo đợc nêu chi tiết tài liệu tham khảo.
2.2.2. Lựa chọn đối tợng nghiên cứu.
a. Đối tợng nghiên cứu của đề tài.
Đối tợng nghiên cứu và triển khai ứng dụng của đề tài gồm các phần sau đây:
1) Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết và công nghệ ĐKPSH trên thế giới
trong giai đoạn hiện nay.
2) Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển các quá trình công nghệ đa tham số
phức tạp trong hệ thống thiết bị kỹ thuật đặc biệt ứng dụng các nguyên lý điều khiển
mờ.
3) Nghiên cứu xây dựng hệ thống mô phỏng bán tự nhiên thời gian thực phục
vụ đánh giá thử nghiệm hệ điều khiển thiết bị bay.
4) Nghiên cứu xây dựng hệ thống nhận dạng xử lý tín hiệu - điều khiển thiết
bị bay dùng nguyên lý fuzzy-nơron.
5) Nghiên cứu xây dựng các phần tử điều khiển phỏng sinh học và các

chơng trình máy tính mô phỏng phục vụ huấn luyện và đào tạo.
b. Cách tiếp cận, phơng pháp nghiên cứu và kỹ thuật đã sử dụng trong quá
trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.
* Cách tiếp cận: Nghiên cứu kỹ các đặc điểm phát triển trên thế giới về
ĐKPSH và đặc điểm thực tế của nớc ta để tìm các bớc đi thích hợp có hiệu quả.
Nh tổng quan ở trên, nớc ta thực chất mới ở giai đoạn khởi động để bớc vào
KTCN phỏng sinh học, còn hạn chế về lực lợng cán bộ KHKT và đầu t. Nhng

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

18


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
triển vọng của KTCN này rất lớn, do vậy cần phải tổ chức đúng để tiếp cận đợc
trình độ quốc tế về mặt kiến thức khoa học và triển khai ứng dụng. Trong đó, xác
định trọng tâm là: Tổng kết học tập các kết quả của thế giới để chọn lọc , ứng
dụng vào thực tế Việt Nam một cách hiệu quả. Để đạt đợc điều này đề tài đã triển
khai theo các hớng sau:
Nắm bắt đợc các kết quả kinh nghiệm chính , phát triển lý thuyết, công
nghệ thiết kế, chế tạo, ứng dụng trên thế giới về ĐKPSH.
Hỗ trợ hình thành đội ngũ cán bộ KHKT trong nớc có số lợng đông đảo
với trình độ nhất định nghiên cứu và ứng dụng ĐKPSH.
Lựa chọn một số phần tử PSH, đặc biệt là điều khiển mờ và mạng nơron để
thực hành xây dựng một số ứng dụng thực tế điển hình có nhu cầu thực sự
trong nớc để rút kinh nghiệm chuẩn bị cho phát triển mạnh ở giai đoạn sau.
Nghiên cứu, khảo sát chuẩn bị phơng án KTCN cho ĐKPSH với ứng dụng
công nghiệp quan trọng.
* Phơng pháp nghiên cứu :
Qua các tài liệu KHKT (liên quan ) từ nguồn các th viện trong nớc, các

đầu mối hợp tác và tài liệu đợc tập kết trong khuôn khổ đề tài này và tổ
chức nghiên cứu nắm bắt các vấn đề then chốt chúng ta quan tâm về lý
thuyết, công nghệ và nhất là công cụ phát triển ứng dụng ĐKPSH.
Triển khai ứng dụng cụ thể ĐKPSH trên cơ sở lựa chọn nhập các cấu kiện,
phần tử PSH thành phẩm (phần cứng) và công cụ phát triển phần mềm PSH.
Trên cơ sở đó cán bộ KHKT trong đề tài xây dựng hệ thống và viết các
chơng trình ứng dụng trên thuật toán do ta nghiên cứu đề xuất.
Dùng các phơng pháp mô phỏng trên máy tính hệ PC và mô phỏng bán tự
nhiên để học tập thực hành kiểm định các phơng pháp ĐKPSH; tổ chức thử
nghiệm thời gian thực bán tự nhiên kiểm tra đánh giá chất lợng hệ thống
đợc thiết kế trớc khi ứng dụng thực tế với kinh phí không lớn có thể triển
khai rộng trong các Trờng đại học, Viện nghiên cứu ở nớc ta.
* Kỹ thuật, công nghệ sử dụng:
Để kiểm tra thuật toán hệ ĐKPSH và kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết đã
ứng dụng các ngôn ngữ mô phỏng MATLAB, LABVIEW, PSPICE... (Có

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

19


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
các Toolbox về Fuzzy, Neuro DSP Control, Real Time Workshop v. v...).
Kỹ thuật công nghệ này rất thích hợp cho sinh viên, Nghiên cứu sinh và
nhiều cán bộ nghiên cứu để hình thành kỹ năng về các hệ PSH.
Nhập một số Packages máy tính (chơng trình) chuyên nghiệp để nghiên
cứu hệ ĐKPSH để tổ chức các nghiên cứu sâu tiếp cận ứng dụng trình độ
quốc tế. Ví dụ: NeuroSolutions, Process Advisor v. v...
Sử dụng các Modules (phần cứng) chuyên dụng đợc sản xuất cho ĐKPSH
(trên cơ sở DSP, ASIC, Fuzzy, Neuroprocessor. Ví dụ các DSP của Texas

Intrucment, ASIC của Xilinks, Altera,... hoặc các Neuroprocessors
NM6403, IBM ZISC036, Siemens MA - 16, Hitachi WSI v. v....) để nắm
bắt qui trình tiên tiến thế giới cho các ứng dụng.
Sử dụng hệ máy tính nhúng và một số các cards, modules điện tử thông
dụng để tổ chức các hệ ĐKPSH nhằm xây dựng đợc qui trình kỹ thuật
công nghệ chế tạo hệ thống ĐKPSH trên cơ sở máy tính nhúng phù hợp với
các tiêu chuẩn quốc tế và thuận tiện cho các ứng dụng trong nớc.
2.2.3. Những nội dung đã thực hiện.
Những nội dung đã thực hiện sẽ đợc trình bày trong các chơng sau đây.

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

20


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

Chơng 1

Tổng quan về điều khiển phỏng sinh học
1. Mở đầu
2. Phân tích u nhợc điểm của các hệ điều khiển truyền thống cơ bản
hiện nay
2.1 Khái quát về các hệ điều khiển truyền thống.
2.2 Điều khiển tự chỉnh-thích nghi
2.3 Điều khiển PI và PID tự chỉnh.
3. Các hệ điều khiển mờ
3.1 Tóm tắt lý thuyết về các tập mờ và các hệ mờ.
3.2 Khái niệm cơ bản về bộ điều khiển mờ.
4. Điều khiển nơron

4.1 Mạng nơron nhân tạo.
4.1.1 Mô hình tổng quát
4.1.2 Thuật toán lan truyền ngợc.
4.2 Công nghệ điều khiển nơron.
4.2.1 Tổng quan
4.2.2 Các phơng pháp và sơ đồ điều khiển nơron tổng quát
4.2.3 Hệ điều khiển nơron nối tiếp.
4.2.4 Hệ điều khiển nơron song song
4.2.5 Hệ điều khiển nơron tự chỉnh.
4.2.6 Bộ điều khiển PID nơron tự chỉnh.
4.2.7 Sơ đồ điều khiển nơron với bộ học tập cạnh tranh

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

21


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

1. Mở đầu
Ngày nay điều khiển phỏng sinh học đã đợc ứng dụng rộng rãi cho nhiều ứng
dụng kỹ thuật và công nghiệp. Các hệ thống điều khiển thông minh này có khả năng
hiểu và học tập trong mối quan hệ với đối tợng điều khiển, nhiễu, môi trờng ngoài
và điều kiện làm việc. Ví dụ nh các đặc tính (đặc tính tĩnh và đặc tính động) của
đối tợng, một số đặc tính của nhiễu và môi trờng ngoài, các phơng pháp điều
khiển là các yếu tố mà các hệ thống này có thể học tập. Gần đây cho thấy trong khi
các nghiên cứu về các hệ chuyên gia, mà theo truyền thống đợc coi là công cụ
chính của các hệ trí tuệ nhân tạo, đang dần giảm sút thì các nghiên cứu về mạng nơ
ron không ngừng phát triển và gia tăng.
Nhờ các khả năng tự tổ chức và học tập, mạng nơ ron nhân tạo hiện nay đợc

coi nh một phơng tiện đầy triển vọng cho các hệ thống thông minh [33],[34].
Kiến trúc và các chức năng của các mạng nơ ron này đợc xây dựng trên cơ sở cấu
trúc sinh học của bộ não. Khác với cấu trúc fon-neiman, trong các mạng nơron
ngời ta sử dụng cấu trúc tính toán. Các tính chất đặc trng của mạng nơ ron là tính
song song, tính phân tán và tính tự tổ chức. Điều này có nghĩa là mạng nơ ron có thể
tự học các đặc tính tĩnh và đặc tính động của đối tợng điều khiển trên cơ sở các kết
quả đo thực hiện trớc đó, đồng thời tác động để đạt đợc kết quả tốt hơn trong khi
không biết trạng thái của môi trờng ngoài. Các máy tính thông thờng thì phải
đợc lập trình trớc để xử lý dữ liệu và không thể làm việc ở ngoài giới hạn đã đợc
lập trình. Nh vậy các kiến thức chuyên gia không thể đợc thực hiện đầy đủ trên
máy tính thông thờng vì các máy tính này không thể đa ra các quyết định khi xuất
hiện các điều kiện mới từ bên ngoài.
Các hệ điều khiển nơ ron là các hệ điều khiển trong đó sử dụng kiến trúc của
mạng nơ ron và khả năng học. Mạng nơ ron bao gồm các phần tử tính toán giống
nh tế bào nơ ron của bộ não, các phần tử này chính là các bộ biến đổi phi tuyến.
Các tính chất này của mạng nơ ron làm cho việc biến đổi phi tuyến dữ liệu trở nên
khả thi và cho phép thực hiện các hệ điều khiển phi tuyến mới.
Trong thực tế, nhờ tính đơn giản của cấu trúc và độ tin cậy cao, các bộ điều
khiển PID đã đợc phổ biến hết sức rộng rãi. Theo những số liệu thống kê gần nhất,
các bộ điều khiển PID thông thờng hiện vẫn đợc sử dụng trong 84% các nhà máy
xí nghiệp của Nhật Bản. Trong các bộ điều khiển này ngời vận hành có thể điều
Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

22


Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài
chỉnh 3 tham số để đạt đợc các chỉ tiêu chất lợng cần thiết. Nhờ tính đơn giản và
độ tin cậy, các bộ điều khiển PID rất phù hợp cho điều khiển công nghiệp. Tuy
nhiên các bộ điều khiển này cũng có những nhợc điểm. Ví dụ nh khi thay đổi

điểm làm việc phải điều chỉnh lại bộ điều khiển hoặc trong một số trờng hợp thực
tế với các nhà máy lớn với chế độ làm việc liên tục khi sử dụng các bộ điều khiển
này đòi hỏi phải giám sát chặt chẽ dẫn đến phải có sự can thiệp trực tiết của ngời
vận hành.
Nh vậy để giải quyết tốt hơn các bài toán điều khiển đòi hỏi phải phát triển các
hệ điều khiển mới. Ngoài ra các hệ điều khiển mới phải đủ đơn giản về nguyên lý tổ
chức và vận hành để có thể dễ dàng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đồng thời
các thao tác với các tham số phải giảm đến mức tối thiểu. Vì vậy một giao diện
ngời-máy đơn giản hiệu quả là một yếu tố quan trọng khi phát triển các hệ thống
điều khiển thông minh.
Các hệ thống điều khiển thông minh cần phải có các tính chất sau:
Khả năng học và khả năng thích nghi.
Tuổi thọ cao.
Thuật toán điều khiển đơn giản và giao diện ngời-máy thân thiện.
Khả năng kết nối thêm các thành phần mới đảm bảo cho các giải pháp tốt
hơn trong các điều kiện hạn chế do thiết bị kỹ thuật.
Hiện nay có nhiều phơng pháp có thể sử dụng làm cơ sở cho việc phát triển
các hệ thống thông minh. Phổ biến nhất là các hệ chuyên gia (hệ cơ sở tri thức),
logic mờ, thuật gien, mạng nơ ron và sự sống nhân tạo. Để phát triển các hệ điều
khiển thông minh, các phơng pháp trí tụê nhân tạo phải đợc hợp nhất với các
thành tựu của lý thuyết điều khiển hiện đại.
Trong phần tổng quan sẽ trình bày về các hệ điều khiển truyền thống, các hệ
điều khiển mờ, các khái niệm về mạng nơron và ứng dụng trong các hệ thống điều
khiển. Việc xem xét các hệ điều khiển nơron ở đây chủ yếu dựa trên thuật toán lan
truyền ngợc vì thuật toán này đợc áp dụng thành công và rộng rãi trong nhiều ứng
dụng kỹ thuật thực tế.

Đề tài cấp Nhà nớc KC.03-09

23