Xem mẫu
- 1
B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O
Đ I H C ĐÀ N NG
VÕ Đ I BÌNH
ĐI U KHI N THI T B PH N NG
KHU Y TR N LIÊN T C CSTR
S D NG GI I THU T DI TRUY N
Chuyên ngành: T ñ ng hóa
Mã s : 60.52.60
TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T
Đà N ng, Năm 2012
- 2
Công trình ñư c hoàn thành t i
Đ I H C ĐÀ N NG
Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. NGUY N QU C Đ NH
Ph n bi n 1: TS. NGUY N BÊ
Ph n bi n 2: PGS.TS. NGUY N H NG ANH
Lu n văn ñư c b o v t i H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p Th c sĩ K
thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 30 tháng 6 năm 2012
Có th tìm hi u lu n văn t i:
- Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng
- Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
- 3
M Đ U
1. Lí do ch n ñ tài
Cùng v i s phát tri n c a ñ t nư c, hi n nay s nghi p công nghi p hóa,
hi n ñ i hóa ngày càng phát tri n m nh m , s ti n b c a khoa h c k thu t,
trong ñó k thu t ñi u khi n t ñ ng - thông minh cũng góp ph n r t l n t o
ñi u ki n ñ nâng cao hi u qu trong quá trình s n xu t và ñ m b o các yêu c u
v b o v con ngư i, máy móc và môi trư ng.
Ngành công nghi p hóa ch t là m t trong nh ng ngành kinh t r t quan
tr ng. Công nghi p hóa ch t s n xu t các hóa ch t cơ b n hay h p ch t ph c
t p, cung c p nguyên li u ph c v cho r t nhi u các ngành công nghi p khác và
ñ i s ng c a con ngư i. Vì v y yêu c u ñ t ra là các s n ph m c a ngành ph i
ñ t ñư c ch t lư ng ngày càng cao. B t bu c trong quá trình ñi u khi n các ñ i
lư ng cơ b n như lưu lư ng, áp su t, nhi t ñ , n ng ñ ,… c n ñáp ng v i ñ
chính xác cao ñ ph c v cho quá trình s n xu t ñ t hi u qu t t hơn.
Đ c thù c a quá trình công ngh s n xu t hóa ch t là khó thay ñ i thi t k
v công ngh , mô hình ph c t p, ch u nh hư ng c a nhi u ñ i tư ng tác ñ ng ñ c
bi t là các tác ñ ng khó xác ñ nh như nhi t ñ … Nên trong ñi u khi n ta ph i thi t
l p m t h th ng ñi u khi n phù h p v i ñ c thù c a quá trình công ngh có tính
thích ng cao. Thi t b ph n ng khu y tr n liên t c (CSTR- Continuous stirred
tank reactor) là m t trong nh ng thi t b thư ng ñư c s d ng trong ngành hóa
ch t, v i thi t b này có th th c hi n các ph n ng hóa h c ñ t o ra các lo i môi
ch t m i. Cùng v i s phát tri n c a k thu t ñi u khi n t ñ ng hi n nay thì có
nhi u cách ñ ñi u khi n thi t b CSTR (ñi u khi n quá trình hóa h c) ch ng h n
s d ng b ñi u khi n PID kinh ñi n, ñi u khi n m , nơron,…nhưng m i b ñi u
khi n ñ u có ưu và như c ñi m nh t ñ nh.
Hi n nay, v i b ñi u khi n s d ng m ng h i quy có thêm m t hư ng
phát tri n m i trong lĩnh v c nghiên c u thi t k ñi u khi n h th ng, có r t
nhi u ng d ng trong lĩnh v c ñi u khi n trong công nghi p hi n nay. B ñi u
khi n s d ng m ng h i quy v nguyên t c là b ñi u khi n tĩnh phi tuy n, có
th ñư c thi t k v i ch t lư ng h th ng cho trư c theo m t ñ chính xác tuỳ ý
và làm vi c theo nguyên lý tư duy c a con ngư i. Tuy nhiên, c u trúc c a m ng
h i quy s r t ph c t p và vi c ñi u ch nh các tham s c a m ng cho thích h p
- 4
s khó hơn. Có nhi u lo i m ng h i quy như : m ng h i quy m , m ng h i quy
nơron... ñã ñư c ñưa ra cùng v i thu t toán cho vi c h c c a chúng
G n ñây, m t s cách h c d a trên gi i thu t di truy n, ti n hóa ñư c
dùng trong thi t k m ng h i quy ñư c ñ xu t ñ gi i quy t các v n ñ h c cho
b ñi u khi n h i quy. M c ñích c a nh ng cách h c này là phát tri n, c i ti n
ñ nâng cao hi u su t trong vi c ñi u khi n.
V i phương hư ng như trên, tác gi s tìm hi u, nghiên c u ng d ng gi i
thu t di truy n vào m ng nơron ñ ñi u khi n thi t b ph n ng khu y tr n liên
t c. Đó là lí do ch n ñ tài "ĐI U KHI N THI T B PH N NG KHU Y
TR N LIÊN T C CSTR S D NG GI I THU T DI TRUY N"
2. M c ñích nghiên c u
- Hi u rõ lí thuy t m ng h i quy, m ng nơron và thu t toán di truy n GA
- ng d ng GA vào vi c thi t k b ñi u khi n ñi u thi t b ph n ng
khu y tr n liên t c CSTR
- S d ng ñư c ph n m m MATLAB SIMULINK làm công c xây d ng
mô hình mô ph ng k t qu .
3. Đ i tư ng nghiên c u
- Thi t b ph n ng khu y tr n liên t c CSTR - Continuous-stirred tank
reactor;
- M ng nơ ron;
- Thu t toán di truy n GA.
4. Ph m vi nghiên c u
- K t h p gi i thu t di truy n và m ng nơ ron ñ ñi u khi n thi t b CSTR
cho tín hi u theo mong mu n.
5. Phương pháp nghiên c u
- Nghiên c u lý thuy t k t h p v i mô ph ng mô hình b ng công c
Matlab – Simulink, s là cơ s ñ ti p t c nghiên c u trong th c t .
6. Ý nghĩa c a ñ tài
Ý nghĩa khoa h c
N u th c hi n thành công, ñ tài s mang l i m t hư ng ñi m i trong vi c
thi t k m t b ñi u khi n t i ưu có s d ng gi i thu t di truy n. Bên c nh vi c
gi ñư c ưu ñi m c a b ñi u khi n nơron, phương pháp m i s b sung cho
- 5
m ng m t kh năng h c mang tính di truy n nh m ñưa ra hư ng gi i quy t t i ưu
nh t trong các trư ng h p x y ra v i ñ i tư ng. Qua ñó t o ra m t công c ñi u
khi n m nh trong ñi u khi n quá trình s d ng trí tu nhân t o.
Ý nghĩa th c ti n
Đ tài th c hi n làm cơ s ñ th c hi n các b ñi u khi n s d ng trí tu
nhân t o có kh năng ñi u khi n các h th ng ph c t p v i ch t lư ng ñ t yêu
c u.
7. C u trúc lu n văn : Lu n văn g m 4 chương:
CHƯƠNG 1: THI T B PH N NG KHU Y TR N LIÊN T C
CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR - CSTR
1.1. Gi i thi u thi t b ph n ng khu y tr n liên t c
1.2. C u hình thi t b CSTR
1.3. Phương trình toán h c c a ñ i tư ng
CHƯƠNG 2: T NG QUAN LÝ THUY T
2.1. Gi i thi u t ng quan v m ng nơron
2.2. Gi i thi u t ng quan v thu t toán di truy n GA – Genetic
Algorithm
CHƯƠNG 3: THI T K B ĐI U KHI N S D NG GI I THU T DI
TRUY N
3.1. Xây d ng mô hình b ñi u khi n s d ng gi i thu t di truy n
3.2. Tính toán các thông s trong thi t b CSTR
CHƯƠNG 4: MÔ PH NG VÀ NH N XÉT
4.1. Mô ph ng b ñi u khi n
4.2. K t qu mô ph ng
4.3. Nh n xét k t qu mô ph ng
- 6
CHƯƠNG 1
THI T B PH N NG KHU Y TR N LIÊN T C
CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR - CSTR
1.1. GI I THI U THI T B PH N NG KHU Y TR N LIÊN T C
Thi t b khu y tr n liên t c (CSTR) ñư c bi t ñ n như m t thùng ch a l n
ho c m t lò ph n ng, là m t d ng thi t b ph n ng ph bi n trong kĩ thu t hóa
h c. M t thi t b CSTR thư ng dùng ñ nói ñ n m t mô hình ñư c s d ng ñ
ñánh giá s thay ñ i c a các thành ph n h p ch t trong quá trình ph n ng, v i
vi c s d ng m t thùng (b ) ch a có thi t b khu y ho t ñ ng liên t c, nh m
cho s n ph m ñ u ra theo yêu c u. Mô hình này làm vi c v i h u h t các lưu
ch t như : ch t l ng, khí ñ t, bùn than, xi măng...
Cách x lý c a m t thi t b CSTR là thư ng x p x hay hư ng theo m t
m u lý tư ng g i là Continuous Ideally Stirred-Tank Reactor (CISTR). T t c
các tính toán ñ u ñư c x p x v i các ñi u ki n lý tư ng. Trong m t lò ph n
ng khu y tr n hoàn h o, h p ch t ñ u ra là ñ ng nh t ñư c c u thành t các
h p ch t hóa h c ñ u vào, ho t ñ ng v i th i gian và t c ñ ph n ng n
ñ nh. N u th i gian tr n n ñ nh là t 5 ñ n 10 chu kì thì ta coi như ñã ñ t ñư c
yêu c u kĩ thu t. Các thi t b CSTR khi ñư c s d ng thư ng ñư c ñơn gi n
hóa các công th c tính toán kĩ thu t và có th ñư c s d ng ñ mô t các nghiên
c u v ph n ng.
Hình 1.1. Thi t b CSTR - Continuous-stirred tank reactor
- 7
1.2. C U HÌNH THI T B CSTR
1.2.1. C u hình thi t b CSTR dòng ch t 2 bi n ngõ vào và 2 bi n ngõ ra
1.2.2. C u hình thi t b CSTR dòng ch y qua 2 bi n ngõ vào và 2 bi n ngõ ra
1.2.3. C u hình thi t b CSTR có ngu n nhi t 3 bi n ngõ vào, 3 bi n ngõ ra
1.2.4. C u hình thi t b CSTR có ngu n nhi t 2 bi n ngõ vào (Tc0 và Ca0), 2
bi n ngõ ra(Tavà Ca)
1.3. PHƯƠNG TRÌNH TOÁN H C C A Đ I TƯ NG
Hình 1.6. H th ng CSTR có ngu n nhi t 2 bi n ngõ vào (Tc0 và Ca0),
2 bi n ngõ ra (Tavà Ca)
B ng 1.1. Kí hi u các ñ i lư ng
Kí hi u Ý nghĩa Đơn v
q Lưu lư ng dòng ch y ch t A Lít/phút
Ca0 N ng ñ mol c a ch t A mol /lít
T0 Nhi t ñ ch t ñưa vào ph n ng K
Tc0 Nhi t ñ vào ngu n nhi t K
V Th tích b n = th tích h n h p ph n ng Lít
ha H s truy n nhi t J/phút.K
k0 H s va ch m 1/phút
E/R Năng lư ng ho t hóa K
R H ng s khí
- ∆H Entanpi ph n ng (s c ph n nhi t) cal/mol
ρ Kh i lư ng riêng c a ch t ph n ng g/lít
ρc Kh i lư ng riêng c a ch t làm thi t b ngu n nhi t g/lít
Cp Nhi t dung riêng c a ch t ph n ng cal/g.K
Cpc Nhi t dung riêng c a ch t làm thi t b ngu n nhi t cal/g.K
qc Lưu lư ng dòng ch y ngu n nhi t Ml/phút
Ta Nhi t ñ c a h p ch t sau ph n ng oC
Ca N ng ñ mol c a ch t B mol/lít
- 8
T h th ng CSTR ñã ch n và theo tài li u [11] [12] [14] [15] ñã xác ñ nh
mô hình toán cho h th ng CSTR như sau:
Phương trình cân b ng mol cho thi t b khu y tr n liên t c:
dn j dn j dn
= + j
dt dt (1.1)
ñl dt R
= q (C 0 j − C j ) + ∑ν i , j ri V
dC j r
(1.2)
V
dt i =1
Trong ñó: ν : t c ñ chuy n hóa cơ ch t
r : t c ñ ph n ng r = k.cjn
n : b c ph n ng
Theo phương trình Arrhenius
k = k0.exp −
E
(1.3)
RT
Trong ñó: k0: h s va ch m
Xét c th ph n ng pha l ng, ñ ng tích: A => B
Phương trình t c ñ :
E
−
r = k0e RT
CA (1.4)
Phương trình cân b ng v t ch t cho ch t A:
E
dCa q −
= (Ca 0 − Ca ) − k0Ca e RTa (1.5)
dt V
Ta có phương trình cân b ng nhi t c a thi t b khu y tr n liên t c có d ng:
dQ I
= Q S 1 − Q S 2 − Q D − Qv + Q R + QC (1.6)
dt
V i QI là nhi t lư ng c a h :
Q I = mC p T = ρVC p T (1.7)
QS1, QS2 dòng nhi t ñ i lưu do h n h p ñ u mang vào và h n h p ph n
ng mang ra.
QS1 = ρqC p1T0 (1.8)
- 9
QS 2 = ρqC p 2Ta (1.9)
Trong ñó:
QD : lư ng nhi t trao ñ i gi a h n h p ph n ng và tác nhân t i nhi t qua
thành thi t b . Đ i v i trư ng h p này QD =0
Qv : Lư ng nhi t t n th t ra môi trư ng xung quanh. Xét Qv = 0
QR : Nhi t ph n ng
QR = − r.∆H .V (1.10)
V i Qc là Nhi t lư ng do ngu n nhi t sinh ra
k
Qc = k 2 q c 1 − exp − 3
q (Tc 0 − Ta )
(1.11)
c
V i: k2 = ρ c C pc
ha
k3 =
ρC pc
Th (1.7), (1.8), (1.9), (1.10), (1.11) vào (1.6) và v i T = Ta , ta có:
dTa q E k3
= (T0 − Ta ) + k1Ca exp − + k2 qc 1 − exp − (Tc 0 − Ta ) (1.12)
dt V RTa qc
(− ∆H )k 0
V i k1 =
ρC p
T (1.5) và (1.12) ta có mô hình toán c a ñ i tư ng như sau:
dCa q −
E
= (Ca 0 − Ca ) − k0Ca e RTa
dt V
(1.13)
dTa = q (T − T ) + k C exp − E k3
0 a 1 a + k2 qc 1 − exp − ( Tc 0 − Ta )
dt V RTa qc
- 10
CHƯƠNG 2: T NG QUAN LÝ THUY T
2.1. GI I THI U T NG QUAN V M NG NƠRON
2.1.1. Gi i thi u t ng quan v b não ngư i và Nơron sinh h c
H th ng th n kinh c a con ngư i có th ñư c xem như m t h th ng
ba t ng. Trung tâm c a h th ng là b não ñư c t o nên b i m t m ng lư i
th n kinh; nó liên t c thu nh n thông tin, nh n th c thông tin, và th c hi n
các quy t ñ nh phù h p. Bên ngoài b não là các b ti p nh n làm nhi m v
chuy n ñ i các kích thích t cơ th con ngư i hay t môi trư ng bên ngoài
thành các xung ñi n; các xung ñi n này v n chuy n các thông tin t i m ng
lư i th n kinh. T ng th ba bao g m các b tác ñ ng có nhi m v chuy n
ñ i các xung ñi n sinh ra b i m ng lư i th n kinh thành các ñáp ng có th
th y ñư c (dư i nhi u d ng khác nhau), chính là ñ u ra c a h th ng.
Hình 2.1. Bi u di n sơ ñ kh i c a h th ng th n kinh
Th n kinh trung ương ñư c c u t o t 2 l p t bào, t bào th n kinh (g i
là nơron) và t bào glia. Trong ñó, glia ch th c hi n ch c năng h tr , nơron
m i tr c ti p tham gia vào quá trình x lý thông tin. B não ngư i ch a kho ng
11 14
10 nơron, v i hơn 10 liên k t gi a chúng, t o thành m t m ng t bào th n
kinh kh ng l . Hình 2.2 cho th y t ng th c a m t b não ngư i.
Hình 2.2. B não ngư i
- 11
M i nơron có ph n thân v i nhân bên trong (g i là soma), m t ñ u th n
kinh ra (g i là s i tr c axon) và m t h th ng d ng cây các dây th n kinh vào
(g i là dendrite). Xem Hình 2.3. Tr c dây th n kinh ra cũng có th phân nhánh
theo d ng cây ñ n i v i các dây th n kinh vào ho c tr c ti p v i nhân t bào
c a các nơron khác thông qua các kh p n i (g i là synapse). Thông thư ng m i
nơron có th có t vài ch c ñ n vài trăm ngàn kh p n i.
Hình 2.3. C u trúc c a m t nơron sinh h c
Các nơron là các ñơn v x lý thông tin cơ s c a b não v i t c ñ x lý
ch m hơn t năm t i sáu l n các c ng logic silicon. Tuy nhiên ñi u này ñư c bù
ñ p b i m t s lư ng r t l n các nơron trong b não. Các synapse v cơ b n là
các ñơn v c u trúc và ch c năng làm trung gian k t n i gi a các nơron. Ki u
synapse chung nh t là synapse hoá h c, ho t ñ ng như sau. M t quá trình ti n
synapse gi i phóng ra m t ch t li u truy n, ch t li u này khu ch tán qua các
synapse và sau ñó l i ñư c x lý trong m t quá trình h u synapse. Như v y m t
synapse chuy n ñ i m t tín hi u ñi n ti n synapse thành m t tín hi u hoá h c
và sau ñó tr l i thành m t tín hi u ñi n h u synapse. Trong h th ng thu t ng
v ñi n, m t ph n t như v y ñư c g i là m t thi t b hai c ng không thu n
ngh ch.
Có th nói r ng tính m m d o c a h th ng th n kinh con ngư i cho phép
nó có th phát tri n ñ thích nghi v i môi trư ng xung quanh. Trong m t b óc
ngư i trư ng thành, tính m m d o ñư c th hi n b i hai ho t ñ ng: s t o ra
các synapse m i gi a các nơron, và s bi n ñ i các synapse hi n có. Các nơron
- 12
có s ña d ng l n v hình d ng, kích thư c và c u t o trong nh ng ph n khác
nhau c a b não th hi n tính ña d ng v b n ch t tính toán.
Các tín hi u truy n trong các dây th n kinh vào và ra c a các nơron là tín
hi u ñi n, ñư c th c hi n thông qua quá trình gi i phóng các ch t h u cơ. Các
ch t này ñư c phát ra t các kh p n i, Hình 2.4, d n t i các dây th n kinh vào
s làm tăng hay gi m ñi n th c a nhân t bào. Khi ñi n th ñ t t i m t ngư ng
nào ñó (g i là ngư ng kích ho t), s t o ra m t xung ñi n d n t i tr c dây th n
kinh ra. Xung này ñư c truy n theo tr c t i các nhánh r , khi ch m vào các
kh p n i n i v i các nơron khác, s gi i phóng các ch t truy n ñi n, Hình 2.5.
Ngư i ta chia thành 2 lo i kh p n i, kh p kích thích (excitatory) và kh p c
ch (inhibitory).
Hình 2.4. Kh p n i th n kinh
Hình 2.5. Xung ñi n trên tr c th n kinh
Vi c nghiên c u nơron sinh h c cho th y ho t ñ ng c a nó khá ñơn gi n,
khi ñi n th dây th n kinh vào vư t quá m t ngư ng nào ñó, nơron b t ñ u
- 13
gi t (firing), t o ra m t xung ñi n truy n trên dây th n kinh ra ñ n các nơron
khác, cơ ch này cho phép d dàng t o ra mô hình nơron nhân t o.
Trong b não, có m t s lư ng r t l n các t ch c gi i ph u quy mô nh cũng
như quy mô l n c u t o d a trên cơ s các nơron và các synapse; chúng ñư c
phân thành nhi u c p theo quy mô và ch c năng ñ c thù. C n ph i nh n th y
r ng ki u c u trúc phân c p hoàn h o này là ñ c trưng duy nh t c a b não.
Chúng không ñư c tìm th y b t kỳ nơi nào trong m t máy tính s , và không
ñâu chúng ta ñ t t i g n s tái t o l i chúng v i các m ng nơron nhân t o. Tuy
nhiên, hi n nay chúng ta ñang ti n t ng bư c m t trên con ñư ng d n t i m t
s phân c p các m c tính toán tương t như v y. Các nơron nhân t o mà chúng
ta s d ng ñ xây d ng nên các m ng nơron nhân t o th c s là còn r t thô sơ
so v i nh ng gì ñư c tìm th y trong b não. Các m ng nơron mà chúng ta ñã
xây d ng ñư c cũng ch là m t s phác th o thô k ch n u ñem so sánh v i các
m ch th n kinh trong b não. Nhưng v i nh ng ti n b ñáng ghi nh n trên r t
nhi u lĩnh v c trong các th p k v a qua, chúng ta có quy n hy v ng r ng trong
các th p k t i các m ng nơron nhân t o s tinh vi hơn nhi u so v i hi n nay.
2.1.2. Gi i thi u t ng quan v nơron nhân t o
Lý thuy t v M ng nơron nhân t o, hay g i t t là “M ng nơron”, ñư c
xây d ng xu t phát t m t th c t là b não con ngư i luôn luôn th c hi n
các tính toán m t cách hoàn toàn khác so v i các máy tính s . Có th coi b
não là m t máy tính hay m t h th ng x lý thông tin song song, phi tuy n
và c c kỳ ph c t p. Nó có kh năng t t ch c các b ph n c u thành c a
nó, như là các t bào th n kinh (nơron) hay các kh p n i th n kinh
(synapse), nh m th c hi n m t s tính toán như nh n d ng m u và ñi u
khi n v n ñ ng nhanh hơn nhi u l n các máy tính nhanh nh t hi n nay. S
mô ph ng b não con ngư i c a m ng nơron là d a trên cơ s m t s tính
ch t ñ c thù rút ra t các nghiên c u v th n kinh sinh h c.
M ng nơron nhân t o là mô hình toán h c ñơn gi n c a b não con ngư i, b n
ch t c a m ng nơron nhân t o là m ng tính toán phân b song song. Trái v i
mô hình tính toán thông thư ng, h u h t các m ng nơron ph i ñư c hu n luy n
- 14
trư c khi s d ng. Các nghiên c u v m ng nơron nhân t o ñã b t ñ u t th p
niên 1940. Đ n năm 1944, McCulloch và Pitts công b công trình nghiên c u
v liên k t c a các t bào nơron. Năm 1949, Hebb công b nghiên c u v tính
thích nghi c a m ng nơron. Cu i năm 1950, Rosenblatt ñưa ra m ng
Perceptron. Nghiên c u v m ng nơron ch phát tri n m nh m k t sau nh ng
năm 1980 sau giai ño n thoái trào t năm 1969, khi Minsky và Papert ch ra
m t s khuy t ñi m c a m ng Perceptron. Năm 1985 m ng Hopfield ra ñ i và
sau sau ñó m t năm là m ng lan truy n ngư c. Đ n nay ñã có r t nhi u c u hình
m ng và các thu t toán hu n luy n tương ng ñư c công b ñ gi i quy t các
bài toán khác nhau.
2.1.2.1. Mô hình t bào Nơron nhân t o
2.1.2.2. Mô hình nơron m t ngõ vào
2.1.2.3. Mô hình nơron nhi u ngõ vào
2.1.3. Ph n h i (feedback)
2.1.4. M ng nơron
2.1.4.1. Phân lo i m ng nơron
2.1.4.2. Đ c trưng c a m ng nơron
2.1.4.3. Bi u di n tri th c trong m ng nơron
2.1.4.4. Hu n luy n m ng Nơron
2.2. GI I THI U T NG QUAN V THU T TOÁN DI TRUY N GA –
GENETIC ALGORITHM
2.2.1. T ng u nhiên ñ n thu t gi i di truy n
2.2.2. Đ ng l c
2.2.3. Thu t gi i di truy n
Thu t gi i di truy n (GA) là k thu t chung giúp gi i quy t v n ñ -bài
toán b ng cách mô ph ng s ti n hóa c a con ngư i hay c a sinh v t nói chung
(d a trên thuy t ti n hóa muôn loài c a Darwin) trong ñi u ki n quy ñ nh s n
c a môi trư ng. GA là m t thu t gi i, nghĩa là m c tiêu c a GA không nh m
ñưa ra l i gi i chính xác t i ưu mà là ñưa ra l i gi i tương ñ i t i ưu.
GA( Fitness, Fitness_threshold, p, r, m)
{
// Fitness: hàm gán thang ñi m ư c lư ng cho m t gi thuy t
- 15
// Fitness_threshold: Ngư ng xác ñ nh tiêu chu n d ng gi i thu t tìm
ki m
// p: S cá th trong qu n th gi thuy t
// r: Phân s cá th trong qu n th ñư c áp d ng toán t lai ghép m i
bư c
// m: T l cá th b ñ t bi n
• Kh i t o qu n th : P T o ng u nhiên p cá th gi thuy t
• Ư c lư ng: ng v i m i h trong P, tính Fitness(h)
• while [max Fitness(h)] < Fitness_threshold do
T o th h m i, PS
1. Ch n cá th : ch n theo xác su t (1 – r)p cá th trong qu n th P
thêm vào PS. Xác su t Pr(hi) c a gi thuy t hi thu c P ñư c tính
b i công th c:
Fitness (hi )
Pr(hi ) =
∑
p
j =1
Fitness (h j )
r× p
2. Lai ghép: ch n l c theo xác su t c p gi thuy t t qu n th
2
P, theo Pr(hi) ñã tính bư c trên. ng v i m i c p , t o
ra hai con b ng cách áp d ng toán t lai ghép. Thêm t t các các
con vào PS.
3. Đ t bi n: Ch n m% cá th c a PS v i xác su t cho m i cá th là
như nhau. ng v i m i cá th bi n ñ i m t bit ñư c ch n ng u
nhiên trong cách th hi n c a nó.
4. C p nh t: P PS.
5. Ư c lư ng: ng v i m i h trong P, tính Fitness(h)
• Tr v gi thuy t trong P có ñ thích nghi cao nh t.
}
- 16
Hình 2.38. Sơ ñ t ng quát c a thu t gi i di truy n
2.2.4. Cơ ch th c hi n c a thu t gi i
2.2.4.1. Mã hóa
2.2.4.2. Ch n l c cá th .
2.2.4.3. Lai ghép
2.2.4.4. Đ t bi n
2.2.5. Hàm thích nghi và s ch n l c
2.2.5.1. Đ thích nghi tiêu chu n
2.2.5.2. Đ thích nghi x p h ng (rank method)
2.2.5.3. X lý các ràng bu c
2.2.5.4. Đi u ki n k t thúc l p c a GAs
- 17
CHƯƠNG 3: THI T K B ĐI U KHI N S D NG
GI I THU T DI TRUY N
3.1. XÂY D NG MÔ HÌNH B ĐI U KHI N S D NG GI I THU T DI
TRUY N
Nh m m c ñích ñi u khi n n ng ñ và nhi t ñ c a môi ch t ra sao
cho b ng theo giá tr ñ t và . Tác gi thi t k b ñi u khi n g m m ng
nơron k t h p v i gi i thu t di truy n ñ ñi u khi n thi t b CSTR. Trong ñó
gi i thu t di truy n s hu n luy n m ng nơron c p nh t tr ng s t i ưu cho
m ng nơron sao cho sai l ch là c c ti u. Mô hình ñi u khi n có d ng như sau:
GA
NƠRON CSTR
Hình 3.1. Mô hình b ñi u khi n
Đ ñơn gi n hóa trong quá trình mô ph ng, ñây tác gi ch n m ng
nơron 2 l p g m 1 l p n và 1 l p ra s d ng hàm truy n tansig và hàm purelin.
Tín hi u ñ u vào (tín hi u ñ t là xung hình ch nh t).
Hình 3.2. Mô hình m ng nơron
3.2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG S TRONG THI T B CSTR
Phương trình toán h c c a h ñ i tư ng
- 18
dCa q −
E
= (Ca 0 − Ca ) − k0Ca e RTa
dt V
(3.1)
dTa = q (T − T ) + k C exp − E + k q 1 − exp − k3 ( T − T )
0 a 1 a 2 c c0 a
dt V RTa qc
B ng 3.1. B ng thông s các h ng s trong phương trình
Kí hi u Ý nghĩa Giá tr
Ca0 N ng ñ mol c a ch t A 1 (mol /lít)
T0 Nhi t ñ ch t ñưa vào ph n ng 350 (K)
Tc0 Nhi t ñ vào ngu n nhi t 350 (K)
V Th tích b n = th tích h n h p ph n ng 100 (lít)
ha H s truy n nhi t 7.105 (J/phút.K)
k0 H s va ch m 7,2.1010 (1/phút)
E/R Năng lư ng ho t hóa 1.104 (K)
R H ng s khí
- ∆H Entanpi ph n ng (s c ph n nhi t) 2.104 (cal/mol)
ρ Kh i lư ng riêng c a ch t ph n ng 1.103 (g/lít)
ρc Kh i lư ng riêng c a ch t làm thi t b ngu n nhi t 1.103 (g/lít)
Cp Nhi t dung riêng c a ch t ph n ng 1 (cal/g.K)
Cpc Nhi t dung riêng c a ch t làm thi t b ngu n nhi t 1 (cal/g.K)
Tính toán các h s ph n ng
( −∆H ) k0 2.104 × 7, 2.1010
k1 = = = 1, 44.1012 (3.2)
ρC p 1.10 × 1
3
ρ cC pc 1.103 × 1 (3.3)
k2 = = = 0, 01
ρ C pV 1.103 × 1× 100
ha 7.105 (3.4)
k3 = = = 7.10 2
ρ C pc 1.10 × 1
3
Xét mô hình toán h c là h ñ i tư ng phi tuy n MIMO, có s ngõ vào
b ng s ngõ ra là p, b c n ( v i n=m1+m2+ . . . +mp). Lúc này phương trình ñ ng
h c có d ng:
- 19
m1 p
y1 = f 1 ( x ) + ∑ g 1 j ( x ) u j + d 1
j =1
.
. (3.5)
.
mp p
y p = f p ( x ) + ∑ g pj ( x ) u j + d p
j =1
Trong ñó:
fk và gkj (v i k=1÷p) là các hàm phi tuy n.
T
u = u1 , u2 ,..., u p ∈ R p là vectơ tín hi u ñi u khi n ngõ vào h ñ i tư ng.
T
y = y1 , y2 ,..., y p ∈ R p là vectơ tín hi u ngõ ra c a h ñ i tư ng.
T
d = d1 , d 2 ,..., d p ∈ R p là vectơ tín hi u nhi u t ngoài tác ñ ng vào.
Trong bài toán này, yêu c u thi t k b ñi u khi n có tín hi u ngõ ra y s
T
bám theo tín hi u ñ t yr = yr1 , yr 2 ,..., yrp ∈ R p .
T (3.5) có th bi u di n phương trình tr ng thái h ñ i tư ng ñư c rút
g n như sau:
x = A0 x + B′[ F ( x ) + G ( x )u + d ]
& ′
(3.6)
y = CT x
Trong ñó: A′, B′, C l n lư t là ma tr n chéo c a các ma tr n ′ ′
A0 k , B0 k , C0 k , v i
′ ′ ′ ′
A0 = diag[ A01 , A02 ,..., A0 p ] ∈ R nxn
B′ = diag[ B1′, B2 ,..., B′ ] ∈ R nxp
′ p
C = diag[C1 , C2 ,..., C p ] ∈ R nxp
F ( x) = [ f1 ( x ), f 2 ( x),..., f p ( x)]T ∈ R p
G ( x) = [G1 ( x), G2 ( x),..., G p ( x)]T ∈ R pxp
Gk ( x) = [ g1k ( x), g 2 k ( x),..., g pk ( x)]T ∈ R p
Ta có ñ nh nghĩa:
Sai s bám: e = Yr − x ; e = Yr − x
ˆ ˆ
ˆ
Trong ñó e và x là ư c lư ng c a e và x
ˆ
. . T
Yr = yr1 , y r1 ,..., yr(1 1−1) ,..., yrp , y rp ,..., yrp −1) ∈ R n
m ( mp
(3.7)
- 20
T
yr( m ) = yr(1 ) , yr( m 2) ,..., yrp ) ∈ R p
m ( mp (3.8)
2
. . T
T
e = e1 , e1 ,..., e1( m1−1) ,..., e p , e p ,..., e(pmp −1) = e11 , e12 ,..., e1n ,..., e p1 , e p 2 ,..., e pn ∈ R n
T T
e = e1 , e2 ,..., e p = E11 , E12 ,..., E1 p ∈ R p
(3.9)
N u hàm fk(x) và gkj(x) ñã bi t ch c ch n và không có nhi u ngoài d thì
theo tiêu chu n Lyapunov lu t ñi u khi n là:
− F ( x) + yrm + K c e
T
= G −1 ( x) − F ( x) + y m + K T e
u =
*
r c (3.10)
G ( x)
Trong ñó K c = diag K c1 , K c 2 ,..., K cp ∈ R là vecto khu ch ñ i h i ti p,
nxp
và K ck = [ K ck 1 , K ck 2 ,..., K ckn ] ∈ R k ñư c ch n sao cho Ak′ = A0′k − Bk′ K ck thoa
T m T
Hurwitz.
V i mô hình toán ñ i tư ng ñư c trình bày trong (3.1) là m t ñ i tư ng
phi tuy n. Do ñó ñ ñi u khi n ñ i tư ng thì tác gi ñã chuy n g n ñúng h ñ i
tư ng v d ng (3.5). Nên c n ph i ñưa v phương trình tr ng thái c a h ñ i
tư ng ñư c thành l p như sau:
Đ t bi n tr ng thái, ngõ vào, ngõ ra:
{ x = [ x1 , x2 ] T = [Ca , Ta ] T
u1 = q; u2 = qc (3.11)
y1 = Ca ; y2 = Ta
Do ñó h phương trình (3.1) ñư c vi t l i
−E
q
(Cao − x1 ) − K 0 x1e
R* x2
x = f ( x, u ) =
& V (3.12)
q −E − K2
(T0 − x2 ) + K1 x1e R*x2 + K 3u2 (1 − e x2 )(Tc 0 − x2)
V
y = g ( x) = g ( x1 , x2 ) (3.13)
Ta có th vi t phương trình tr ng thái c a h ñ i tư ng như sau:
.
x1 = 0 0 x1 + 1 0 f1 ( x) g1 ( x)u1
. 0 0 x2 0 1 f 2 ( x) g 2 ( x)u2
(3.14)
x2
y1 1 0 x1 (3.15)
y = 0 1 x
2 2
nguon tai.lieu . vn
