Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh - Chương 1: Tổng quan về điều khiển thông minh

Moân hoïc

â ï

HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH

Ä Á

À

Å

Â

Giaûng vieân: Huyønh Thaùi Hoaøng

Boä moân Ñieàu Khieån Töï Ñoäng

Khoa Ñieän – Ñieän Töû

Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM

Email: [email protected]

9 February 2006

1

Noäi dung moân hoïc

â ï

ä

Phaàn 1: Môû ñaàu

Chöông 1: Toång quan veà ñieàu khieån thoâng minh

Phaàn 2: Lyù thuyeát cô sôû

Chöông 2: Heä môø (Fuzzy System)

Chöông 3: Maïng thaàn kinh (Neural network)

Chöông 4: Giaûi thuaät di truyeàn (Genetic algorithm)

Phaàn 3: Ñieàu khieån thoâng minh

Chöông 5: Ñieàu khieån tröïc tieáp (Direct Control)

Chöông 6: Nhaän daïng heä phi tuyeán (System Identification)

Chöông 7: ÑK döïa vaøo moâ hình (Model-Based Control)

Chöông 8: Ñieàu khieån thích nghi (Adaptive Control)

Chöông 9: Ñieàu khieån hoïc (Learning Control)

Phaàn 4: ÖÙng duïng

Chöông 10: Moät soá ví duï veà caùc heä thoáng thoâng minh

9 February 2006

2

Taøi lieäu tham khaûo

ø ä

û

Baøi giaûng “Ñieàu khieån thoâng minh”, Huyønh Thaùi Hoaøng

Caùc taøi lieäu (saùch, baøi baùo, baøi giaûng,…) coù töø khoùa:

“intelligent control”

“fuzzy”+”control”

“neural network”+”control”

”genetic algorithm”+”control”

9 February 2006

3

Ñaùnh giaù moân hoïc

ù â ï

ù

Baøi taäp: 50%

Tieåu luaän: 50%

9 February 2006

4

Chöông 1

TOÅNG QUAN VEÀ

Å

À

ÑIEÀU KHIEÅN THOÂNG MINH

À

Å

Â

9 February 2006

5

Noäi dung chöông 1

ä

Ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø ñieàu khieån thoâng minh

Khaùi nieäm veà ñieàu khieån thoâng minh

Caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

Caùc öùng duïng cuûa phöông phaùp ñieàu khieån thoâng minh

9 February 2006

6

Ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø ñieàu khieån thoâng minh

ø à

à

å

â

ø

å

â

Ñieàu khieån thoâng thöôøng (Conventinal Control): Lyù thuyeát ñieàu

khieån caùc heä thoáng ñoäng coù quan heä vaøo ra coù theå moâ taû bôûi moâ

hình toaùn hoïc laø phöông trình vi phaân hay sai phaân.

Ñieàu khieån kinh ñieån (Classical Control)

Ñieàu khieån hieän ñaïi (Modern Control)

Ñieàu khieån toái öu (Optimal Control)

Ñieàu khieån thích nghi (Adaptive Control)

Ñieàu khieån beàn vöõng (Robust Control)

Ñieàu khieån phi tuyeán (Nonlinear Control)

Ñieàu khieån thoâng minh (Intelligent Control): Lyù thuyeát ñieàu

khieån phaùt trieån trong thôøi gian gaàn ñaây, bao goàm caùc phöông

phaùp khoâng ñeà caäp ñeán trong lyù thuyeát ñieàu khieån thoâng thöôøng

9 February 2006

7

Öu vaø khuyeát ñieåm cuûa ñieàu khieån thoâng thöôøng

ø

á å û à

å

â

ø

Öu ñieåm:

coù tính heä thoáng, cô sôû toaùn hoïc roõ raøng, chaët cheõ.

ñaûm baûo heä thoáng oån ñònh vaø beàn vöõng (veà lyù thuyeát)

Khuyeát ñieåm:

caàn moâ hình toaùn cuûa ñoái töôïng ñeå thieát keá boä ñieàu khieån

caàn hieåu bieát saâu veà kyõ thuaät ñieàu khieån môùi thieát keá ñöôïc boä

ñieàu khieån

thöôøng khoâng hieäu quaû khi ñieàu khieån heä phi tuyeán

khoâng söû duïng ñöôïc kinh nghieäm cuûa con ngöôøi (trong nhieàu

tröôøng hôïp kinh nghieäm cuûa con ngöôøi ñoùng vai troø quan

troïng)

9 February 2006

8

Taïi sao phaûi ñieàu khieån thoâng minh?

û à å â

ï

Yeâu caàu ñaït ñöôïc chaát löôïng ñieàu khieån ngaøy caøng taêng cao.

Yeâu caàu ñieàu khieån caùc heä thoáng ñoäng phöùc taïp ngaøy caøng taêng.

Yeâu caàu ñieàu khieån trong ñieàu kieän gia taêng caùc yeáu toá baát ñònh.

⇒ Caùc yeâu caàu treân khoâng theå ñaùp öùng ñöôïc troïn veïn neáu duøng lyù

thuyeát ñieàu khieån thoâng thöôøng saún coù. Ñaây chính laø ñoäng löïc cho

ra ñôøi lyù thuyeát ñieàu khieån môùi: lyù thuyeát ñieàu khieån thoâng minh.

9 February 2006

9

Thoâng minh laø gì?

â

ø

Thoâng minh laø khaû naêng thu thaäp vaø söû duïng tri thöùc

Coù nhieàu caáp ñoä thoâng minh vaø nhieàu loaïi thoâng minh

Thoâng minh laø khaùi nieäm mang tính töông ñoái

9 February 2006

10

Heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh

ä á å â

à

Heä thoáng thoâng minh laø heä thoáng coù khaû naêng hoaït ñoäng thích

hôïp trong moâi tröôøng baát ñònh, trong ñoù moät hoaït ñoäng thích hôïp

laø hoaït ñoäng laøm taêng xaùc suaát thaønh coâng vaø thaønh coâng laø ñaït

ñöôïc muïc tieâu con nhaèm ñaït ñöôïc muïc tieâu chung cuûa heä thoáng.

Ñeå heä thoáng thoâng minh (nhaân taïo) hoaït ñoäng thích hôïp noù coù theå

phoûng theo chöùc naêng cuûa sinh vaät vaø khaû naêng thoâng minh con

ngöôøi moät caùch cô baûn.

⇒ Ñieàu khieån thoâng minh laø phöông phaùp ñieàu khieån phoûng theo

caùc ñaëc ñieåm cô baûn cuûa trí thoâng minh con ngöôøi. Caùc ñaëc ñieåm

cô baûn bao goàm tính thích nghi vaø khaû naêng hoïc, hoaïch ñònh trong

ñieàu kieän coù nhieàu yeáu toá khoâng chaéc chaén vaø xöû lyù khoái löôïng

lôùn thoâng tin.

9 February 2006

11

Caáp ñoä thoâng minh

á ä â

Coù nhieàu caáp ñoä thoâng minh tuøy theo thöôùc ño khaùc nhau:

Albus:

Toái thieåu: Thoâng minh caàn khaû naêng caûm nhaän moâi tröôøng, ra

quyeát ñònh vaø kieåm soaùt hoaït ñoäng

Möùc cao: Thoâng minh bao goàm khaû naêng nhaän daïng ñoái töôïng vaø

söï kieän, bieåu dieãn tri thöùc baèng moâ hình ngoân ngöõ, suy luaän vaø

hoaïch ñònh hoaït ñoäng töông lai.

Cao caáp: Thoâng minh cung caáp khaû naêng nhaän thöùc vaø hieåu bieát,

choïn löïa khoân ngoan, vaø hoaït ñoäng thaønh coâng trong nhieàu hoaøn

caûnh khaùc nhau nhaèm muïc ñích toàn taïi vaø phaùt trieån trong moâi

tröôøng ñoái laäp, phöùc taïp.

9 February 2006

12

Caáp ñoä thoâng minh (tt)

á ä â

Meystel:

Möùc thaáp (möùc 1): hieäu chænh loãi

Möùc trung bình (möùc 2): hoaïch ñònh + hieäu chænh loãi theo caùch

cuûa ngöôøi thieát keá.

Möùc cao (möùc 3): hoaïch ñònh + hieäu chænh loãi theo caùch môùi

khoâng ñöa ra tröôùc bôûi ngöôøi thieát keá.

Möùc cao raát cao (möùc 4): phaùt bieåu laïi nhieäm vuï khi tình huoáng

thay ñoåi.

9 February 2006

13

Caáp ñoä thoâng minh (tt)

á ä â

Krishna & Kumar: phaân loaïi ñieàu khieån thoâng minh döïa treân khaû

naêng töï caûi thieän caáu truùc ñieàu khieån

Möùc 0 = Ñieàu khieån beàn vöõng (Robust Controller).

Möùc 1 = Möùc 0 + Ñieàu khieån thích nghi (Adaptive Controller).

Möùc 2 = Möùc 1 + Ñieàu khieån toái öu (Optimal Controller)

Möùc 3 = Möùc 2 + Ñieàu khieån hoaïch ñònh (Planning Controller).

9 February 2006

14

Caùc yeáu toá quyeát ñònh caáp ñoä thoâng minh

ù á á á ä â

á

Naêng löïc tính toaùn cuûa boä naõo (maùy tính) cuûa heä thoáng

Söï phöùc taïp, tinh vi cuûa caùc thuaät toaùn maø heä thoáng söû duïng ñeå

xöû lyù thoâng tin töø caûm bieán, moâ hình hoùa theá giôùi, phaùt sinh hoaït

ñoäng, ñaùnh giaù giaù trò, truyeàn tin,…

Thoâng tin maø heä thoáng löu tröõ trong boä nhôù.

9 February 2006

15

Caùc ñaëc ñieåm cuûa heä thoáng thoâng minh

ù ë å û ä á

â

Tính thích nghi – khaû naêng hoïc

Khaû naêng suy luaän

Khaû naêng hoaïch ñònh vaø ra quyeát ñònh

Khaû naêng xöû lyù thoâng tin phöùc taïp, khoâng chaéc chaén

Khaû naêng söûa sai, dung thöù loãi

Tính toái öu

Khaû naêng taùi caáu hình, môû roäng.

…

9 February 2006

16

Tính thích nghi vaø khaû naêng hoïc

ø û ê

ï

Khaû naêng thích nghi vôùi söï thay ñoåi (thoâng soá cuûa ñoái töôïng,

moâi tröôøng,…) laø ñaëc ñieåm baét buoäc phaûi coù ôû caùc heä thoáng

thoâng minh.

Ñeå coù ñöôïc tính thích nghi khoâng nhaát thieát ñoøi hoûi heä thoáng

phaûi coù khaû naêng hoïc.

Ñoái vôùi caùc heä thoáng coù khaû naêng thích nghi vôùi söï thay ñoåi lôùn

cuûa caùc yeáu toá baát ñònh, khaû naêng hoïc laø caàn thieát. Vì vaäy khaû

naêng hoïc laø moät ñaëc ñieåm quan troïng cuûa heä thoáng thoâng minh.

Phaân loaïi caùc thuaät toaùn hoïc (trong ñieàu khieån)

Hoïc veà ñoái töôïng:

Hoïc veà moâi tröôøng laøm vieäc

Hoïc veà boä ñieàu khieån

9 February 2006

17

Khaû naêng suy luaän

û ê

ä

Xöû lyù thoâng tin khoâng chaéc chaén. Heä thoáng khoâng theå ñöôïc goïi laø

thoâng minh neáu noù chæ coù theå laøm ñöôïc nhöõng ñieàu ñaõ ñöôïc chæ

daãn.

Khaû naêng töï ñaët ra muïc tieâu vaø töï ñaït muïc tieâu ñieàu khieån laø moät

ñaëc ñieåm quan troïng cuûa heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh.

9 February 2006

18

Tính toái öu

á

Heä thoáng khoâng theå ñöôïc goïi laø thoâng minh neáu coù heä thoáng khaùc

coù theå hoaït ñoäng toát hôn.

Khaû naêng taùi caáu hình, môû roäng … ñeå ñaït ñöôïc chaát löôïng ñieàu

khieån toái öu.

9 February 2006

19

Caáu truùc cuûa heä thoáng ñieàu khieån thoâng minh

á ù û ä á å â

à

Ñeå coù theå ñieàu khieån caùc heä thoáng phöùc taïp, heä thoáng thoâng minh

phaûi coù caáu truùc thích hôïp ñeå phaân tích vaø ñaùnh giaù caùc chieán

löôïc ñieàu khieån moät caùch hieäu quaû. Thoâng thöôøng heä thoáng thoâng

minh coù caáu truùc 3 caáp: caáp thöïc thi, caáp phoái hôïp, caáp toå chöùc vaø

quaûn lyù.

Caáp thöïc thi: giao tieáp vôùi ñoái töôïng vaø moâi tröôøng thoâng qua caùc

caûm bieán (sensor) vaø caùc cô caáu taùc ñoäng (actuator), goàm caùc

thuaät toaùn ñieàu khieån thoâng thöôøng.

Caáp phoái hôïp: lieân keát caáp thöïc thi vaø caáp toå chöùc – quaûn lyù, keát

hôïp caùc phöông phaùp ñieàu khieån thoâng thöôøng vaø thoâng minh

Caáp toå chöùc vaø quaûn lyù: giao tieáp vôùi ngöôøi vaän haønh, goàm caùc

thuaät toaùn ñieàu khieån thoâng minh.

Thuaät ngöõ phaân caáp khoâng chæ ñeà caäp ñeán caáu truùc phaân caáp veà

phaàn cöùng maø coøn bao haøm caû söï phaân caáp trong phaàn meàm ñieàu

khieån.

9 February 2006

20

Bài giảng Hệ thống điều khiển thông minh - Chương 1: Tổng quan về điều khiển thông minh - Huỳnh Thái Hoàng