control difuso

Controladores Lgicos

Curso 2006-2007

Controladores Lgicos: TemarioMdulo I. Control de Sistemas. Mdulo II. Fundamentos de Lgica Difusa. Mdulo III. Sistemas Basados en Reglas Difusas. Mdulo IV. Aprendizaje y Adaptacin en Sistemas Basados en Reglas Difusas.

Esquema de la asignatura Controladores Lgicos

Jesus Alcala Fernandez

Controladores Lgicos: TemarioMdulo I. Control de Sistemas. Tema 1. Teora de Sistemas. Control de Sistemas. Sistemas Inteligentes. Mdulo II. Fundamentos de Lgica Difusa. Mdulo III. Sistemas Basados en Reglas Difusas. Mdulo IV. Aprendizaje y Adaptacin en Sistemas Basados en Reglas Difusas.

Esquema de la asignatura Controladores Lgicos

Controladores Lgicos: TemarioMdulo I. Control de Sistemas. Mdulo II. Fundamentos de Lgica Difusa. Tema 2. Introduccin a la Lgica Difusa. Tema 3: Variables Lingsticas, Variables Difusas y Reglas Difusas. Tema 4: Lgica Difusa y Razonamiento Aproximado. Mdulo III. Sistemas Basados en Reglas Difusas. Mdulo IV. Aprendizaje y Adaptacin en Sistemas Basados en Reglas Difusas.Esquema de la asignatura Controladores Lgicos

Controladores Lgicos: TemarioMdulo I. Control de Sistemas. Mdulo II. Fundamentos de Lgica Difusa.

Mdulo III. Sistemas Basados en Reglas Difusas. Tema 5. Introduccin a los Sistemas Basados en Reglas Difusas. Tema 6. Arquitectura Detallada. Tema 7. Diseo de Sistemas Basados en Reglas Difusas. Tema 8. Anlisis de un Sistema Basado en Reglas Difusas.Mdulo IV. Aprendizaje y Adaptacin en Sistemas Basados en Reglas Difusas.Esquema de la asignatura Controladores Lgicos

Controladores Lgicos: TemarioMdulo I. Control de Sistemas. Mdulo II. Fundamentos de Lgica Difusa. Mdulo III. Sistemas Basados en Reglas Difusas. Mdulo IV. Aprendizaje y Adaptacin en Sistemas Basados en Reglas Difusas. Tema 9. Modelos bsicos de Aprendizaje en Sistemas Basados en Reglas Difusas. Tema 10. Aprendizaje de Sistemas Basados en Reglas Difusas mediante Computacin Evolutiva. Tema 11. Aprendizaje de Sistemas Basados en Reglas Difusas mediante Redes Neuronales.Esquema de la asignatura Controladores Lgicos

MDULO I: Control de SistemasTema 1. Teora de Sistemas. Control de Sistemas. Sistemas Inteligentes

Tema 1. Teora de Sistemas. Control de Sistemas. Sistemas Inteligentes.1. Definiciones previas 2. Sistemas de control1. 2. 3. 4. Definicin de sistemas de control Ventajas derivadas del uso de un sistema de control Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado Clasificacin de las tcnicas de control

3. Sistemas inteligentes de control 4. Sistemas difusos1. Por qu sistemas difusos? 2. Qu son sistemas difusos? 3. Principales campos de investigacin

ndice

Tema 1. Teora de Sistemas. Control de Sistemas. Sistemas Inteligentes.5. Sistemas difusos para control1. 2. 3. 4. Definicin Beneficios del control difuso Lmites del control difuso Cundo utilizar un sistema difuso de control?

6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa 7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

ndice

Tema 1. Teora de Sistemas. Control de Sistemas. Sistemas Inteligentes.Objetivos: Entender el concepto de sistema, modelos de sistemas y tipos de sistemas Comprender el concepto de sistema inteligente y su aplicacin a problemas de control Comprender el carcter interdisciplinar de rea de los sistemas inteligentes Conocer los contenidos del rea de las Ciencias de la Computacin e Inteligencia Artificial que pueden intervenir en el diseo de un sistema inteligenteObjetivos

1. Definiciones PreviasSistema: Combinacin de componentes que actan juntos y realizan un objetivo determinado. Variable controlada: Condicin que se mide y controla. Variable manipulada: Condicin que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Controlar: Medir la variable controlada y alterar la variable manipulada para corregir o limitar la variable controlada. Planta: Parte del sistema que se controla.1. Definiciones previas

1. Definiciones PreviasSistema: Combinacin de componentes que actan juntos y realizan un objetivo determinado. Variable controlada: Condicin que se mide y controla. Variable manipulada: Condicin que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Equipo o conjunto de piezas de una mquina funcionando juntas, controlada y es realizar Controlar: Medir la variablecuyo objetivo alterar la variable manipulada para corregir o limitar ha variable una operacin determinada y que la de ser controlada. controlado Planta: Parte del sistema que se controla.1. Definiciones previas

1. Definiciones previasProceso:Operacin continua, marcada por cambios graduales que se suceden uno a otro de una forma relativamente fija y que conduce a un resultado determinado. Cualquier operacin que se va a controlar.

Perturbacin: Seal que tiende a afectar negativamente el valor de la salida de un sistema. Tipos:Internas Externas (entrada)

1. Definiciones previas

2. Sistemas de control2.1. DefinicinConjunto o combinacin de componentes que acta conjuntamente y que cumple un determinado objetivoPerturbaciones

Variables de entrada

SISTEMA

Variables de salida

Variables de estado del sistema2. Sistemas de control 2.1. Definicin

2. Sistemas de control2.1. DefinicinEjemplo: Control de un brazo de robot

2.2. Ventajas derivadas del uso de un sistema de controlLas tcnicas de control automtico tienen un campo prcticamente ilimitado de aplicacin. Es til contar con sistemas capaces de mantener todos los parmetros controlados sin la intervencin humana. En ocasiones se consigue optimizar la evolucin del procesoSituaciones de elevada complejidad Situaciones en las que se debe operar en tiempo de respuesta corto

Pueden eliminar fallos (distracciones, cansancio, tensin...)2. Sistemas de control 2.2. Ventajas derivadas del uso de un sistema de control

2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerradoClasificacin de los sistemas de control: 1. De lazo abierto:

La accin de control es independiente de la salida No hay realimentacin A cada entrada de referencia le corresponde una condicin de operacin fija La precisin depende de la calibracin Problemas con las pertubaciones

Este tipo de controladores genera secuencias de instrucciones como respuesta a las distintas rdenes o variables de entrada2. Sistemas de control 2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado

2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerradoClasificacin de los sistemas de control: 1. De lazo abierto: Entrada Salida

Controlador

Planta o proceso

Este tipo de controladores genera secuencias de instrucciones como respuesta a las distintas rdenes o variables de entrada2. Sistemas de control 2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado

2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado2. De lazo cerrado o realimentados:

Mantiene una relacin pre-establecida entre la entrada y la salida, comparndolas y utilizando la diferencia como parmetro de control. Comportamiento adecuado en presencia de perturbaciones Sistema de control de la temperatura de una habitacin Sistema de control de la velocidad de un vehculo

Tipos de sistemas de control realimentados: Reguladores. (Ej. termostato) Servomecanismos. (Ej. brazo de robot)

2. Sistemas de control 2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado

2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado2. De lazo cerrado o realimentados: Entrada Controlador Planta o proceso

Elemento de medicin

La seal de salida tiene efecto directo sobre la accin de control Se utiliza la realimentacin para reducir el error del sistema (lazo cerrado)

2. Sistemas de control 2.3. Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado

2.4. Clasificacin de las tcnicas de control1. Sistemas de control continuoSistemas que operan con seales continuas Normalmente la funcin de control se implementa con circuitos electrnicos

2. Sistemas de control digitalUtilizan tecnologa digital Mayor flexibilidad en diseo Un controlador digital para plantas continuas necesita conversin analgica-digital (y viceversa) Problemas de retardos y longitud de palabra inapreciables con las mejoras en la tecnologa digital Mayor capacidad para almacenar y manipular datos Permite la inclusin de procesos de aprendizaje, control adaptativo, conocimiento experto y otros conceptos avanzados.2. Sistemas de control 2.4. Clasificacin de las tcnicas de control

2.4. Clasificacin de las tcnicas de control3. Sistemas de eventos discretos(Control secuencial, control lgico programable, control dinmico de eventos discretos) Acciones de control determinadas como respuesta a las caractersticas secuenciales y combinaciones observadas de un conjunto de rdenes y condiciones sensorialesEntradas y realimentacin suelen ser binarias Salida tambin suele ser binaria Se disean mediante el desarrollo de una tabla de transicin de estados

2. Sistemas de control 2.4. Clasificacin de las tcnicas de control

3. Sistemas inteligentes de controlControl inteligente: Desarrollo de mtodos de control para emular caractersticas importantes de la inteligencia humana:adaptacin, aprendizaje, tratamiento de grandes cantidades de datos, y tratamiento de incertidumbre.

rea con lmites cambiantes: Lo que es control inteligente hoy ser simplemente control maana. rea interdisciplinar: Control, Ciencias de la Computacin eInvestigacin Operativa.

Incluye al control convencional.3. Sistemas inteligentes de control

3. Sistemas inteligentes de controlEl informe Task Force on Intelligent Control define el control inteligente a travs de varias propiedades propias de los sistemas inteligentes: Adaptacin y aprendizaje: Capacidad para adaptarse a condiciones cambiantes. Autonoma e inteligencia: Habilidad para actuar adecuadamente en un entorno con incertidumbre. Estructuras y jerarquas: Arquitectura funcional apropiada para afrontar problemas complejos.3. Sistemas inteligentes de control

3. Sistemas inteligentes de controlObjetivos: Disear sistemas de control automtico (controladores) robustos, adaptables, con capacidad de aprendizaje de la experiencia y de la intervencin humana, y autnomos. Concretamente estudiaremos los controladores difusos y los modelos evolutivos.3. Sistemas inteligentes de control

4. Sistemas Difusos

4.1. Por qu Sistemas Difusos?Difuso: Borroso, confuso, vago, con incertidumbreEjemplos:Conduccin en una carretera Operador de una planta industrial Control de la temperatura de un recinto

Justificaciones para la teora de Sistemas Difusos: 1. Demasiada complejidad para la obtencin de descripciones precisas en algunos sistemas reales. Es necesario introduccin aproximacin. 2. Es necesaria una teora que permita formular el conocimiento humano de forma sistemtica e incluirlo en sistemas de ingeniera.4. Sistemas Difusos 4.1. Por qu sistemas difusos?

4.2. Qu son Sistemas Difusos?Sistemas basados en el conocimiento o sistemas basados en reglas Regla SI_ENTONCES: Describe qu hacer cuando se presenta una determinada situacin

SI la velocidad del coche es alta ENTONCES pisar con fuerza baja el aceleradorEjemplos:Control de la velocidad de un mvil Control de temperatura Descripciones sobre un sistema4. Sistemas Difusos 4.2. Qu son sistemas difusos?

4.3. Principales Campos de InvestigacinControl Procesamiento de seales Circuitos integrados Sistemas expertosEconoma Medicina Psicologa

4. Sistemas Difusos 4.3. Principales campos de investigacin

5. Sistemas Difusos para Control5.1. Definicin

Sistema experto en tiempo real que implementa una parte de la forma de operar de una persona o de un proceso con experiencia en ingeniera que no puede expresarse fcilmente como parmetros PID o como ecuaciones diferenciales, sino como reglas situacin accin

5. Sistemas Difusos para Control 5.1. Definicin

5.2. Ventajas y lmites del control difuso1. Emplea el conocimiento experto para conseguir un grado de automatizacin mayor En algunos casos de control de procesos industriales (p.ej., industria qumica) el grado de automatizacin es muy bajo. Muchas de las acciones son realizadas por operadores que basan su conocimiento en la experiencia pero que difcilmente se puede expresar con ecuaciones diferenciales PERO, slo si existe conocimiento relevante del proceso y su control que pueda expresarse en trminos de lgica difusa5. Sistemas Difusos para Control 5.2. Ventajas y lmites del control difuso

5.2. Ventajas y lmites del control difuso1. Emplea el conocimiento experto para conseguir un grado de automatizacin mayor En algunosSistema fcil de disear casos de control de procesos industriales (p.ej., industria qumica) elmodificar automatizacin Sistema fcil de grado de es muy bajo. Muchas de las acciones son realizadas Sistema simplificado, con rapidez de por operadores que basan su conocimiento en la funcionamiento (aunque a puede expresar experiencia pero que difcilmente seveces con menor exactitud) con ecuaciones diferenciales PERO, slo si existe conocimiento relevante del proceso y su control que pueda expresarse en trminos de lgica difusa5. Sistemas Difusos para Control 5.2. Ventajas y lmites del control difuso

5.2. Ventajas y lmites del control difuso2. Control no lineal robusto En situaciones de perturbacin externa, un controlador PID afronta el problema con una compensacin entre reacciones rpidas con excesos significativos o reacciones suaves pero lentas. El control difuso cubre un amplio rango de parmetros del sistema y puede afrontar la mayora de las perturbaciones PERO, aunque generalmente es as, an no estn bien formalizadas las caractersticas necesarias para que el control difuso sea robusto y estable5. Sistemas Difusos para Control 5.2. Ventajas y lmites del control difuso

5.2. Ventajas y lmites del control difuso3. Reduce el tiempo de desarrollo y mantenimiento El control difuso posee dos niveles de abstraccin (reglas y parmetros) que permite un diseo conjunto entre expertos en el problema e ingenieros electrnicos generalmente s, PERO la adquisicin de conocimiento, codificacin, prueba y depuracin necesarias en control difuso requiere un alto grado de preparacin del experto

5. Sistemas Difusos para Control 5.2. Ventajas y lmites del control difuso

5.2. Ventajas y lmites del control difuso4. Marketing y patentes En Japn, control difuso se asocia a moderno, de alta calidad y amigable con el usuario. Adems, el control difuso permite disear soluciones de calidad equivalente salvando las patentes existentes PERO en Europa no tiene tanta fama como en Japn. Adems, muchas veces interesa ocultar el trmino difuso, p.ej., sistema de enfoque automtico difuso en una cmara de vdeo!

5. Sistemas Difusos para Control 5.2. Ventajas y lmites del control difuso

5.3. Recomendaciones de uso del control difusoEl control difuso es recomendable:Para procesos muy complejos, cuando no hay un modelo matemtico simple Para procesos altamente no lineales Si el procesamiento del (lingsticamente formulado) conocimiento experto puede ser desempeado

El control difuso no es una buena idea si:El control convencional tericamente rinde un resultado satisfactorio Existe un modelo matemtico fcilmente soluble y adecuado El problema no es soluble5. Sistemas Difusos para Control 5.3. Recomendaciones de uso del control difuso

5.3. Recomendaciones de uso del control difusoSi ya existe una solucin basada en sistemas difusos para resolver una problema similar, estamos en la lnea correcta Si tenemos una buena solucin en trminos de control PID, con rendimiento del sistema, costes de desarrollo y mantenimiento satisfactorios debemos mantenernos en esa lnea. Si no estamos satisfechos con la solucin existente respecto a alguno de estos criterios o es un problema que no se puede resolver con control clsico, hay que analizar el motivo. Si ciertas partes del sistema son desconocidas, no medibles o con incertidumbre, se debe optar por un diseo basado en lgica difusa. Si se desconoce el modelo matemtico del sistema o ste es complejo, un sistema difuso puede ser la solucin.5. Sistemas Difusos para Control 5.3. Recomendaciones de uso del control difuso

6. Identificacin de sistemas mediante Lgica DifusaModelo: esquema terico de un sistema que se elabora para facilitar su comprensin y el estudio de su comportamiento Los modelos son tiles para realizar simulaciones, analizar un sistema, comprender sus mecanismos subyacentes, disear nuevos procesos o controlar automticamente sistemas Todo modelo debe cumplir dos requisitos bsicos:Precisin: Representar con fidelidad la realidad que se est modelando Interpretabilidad: Describir el sistema de forma legible

Requisitos contradictorios: un modelo demasiado simple no puede representar adecuadamente las caractersticas relevantes del sistema6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa

6. Identificacin de sistemas mediante Lgica DifusaEl modelado se puede realizar con Sistemas Basados en Reglas Difusas (SBRDs), que contienen reglas del tipo:

EB

MB

B

N

A

MA

EA

0,5

m

M

Existen distintas clases de modelado con SBRDs:Modelado Difuso Lingstico: Atiende al poder descriptivo de los SBRDs Modelado Difuso Preciso: Atiende al poder aproximativo de los SBRDs6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa

6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa6.1. Proceso de Modelado DifusoSistema -Modelado -Control -Clasificacin

Datos

Proceso de Modelado

Modelo

6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa 6.1. Proceso de modelado difuso

6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa6.1. Proceso de Modelado DifusoSistema -Modelado -Control -Clasificacin

Datos

APRENDIZAJE

Sistema Basado en Reglas Difusas (SBRD)


6. Identificacin de sistemas mediante Lgica Difusa6.1. Proceso de Modelado DifusoVariables redundantes o irrelevantes -Modelado -Control -Clasificacin

Datosvariable 1 variable 2 variable 3 ... variable k

APRENDIZAJE

Sistema Basado en Reglas Difusas (SBRD)

SELECCIN DE CARACTERSTICAS




APRENDIZAJE

Sistema Basado en Reglas Difusas (SBRD) Mejorar la precisin y la interpretabilidad





APRENDIZAJE

Sistema Basado en Reglas Difusas (SBRD) Mejorar la precisin y la interpretabilidad


PROCESOS DE MEJORA DE LA PRECISIN


7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesProductos de consumo:Lavadoras Hornos microondas Cmaras de videos Televisores Traductores

Sistemas:Ascensores Trenes Gras Automocin (motores, transmisin, frenos...) Control de trfico

Software:

Diagnstico mdico Seguridad Comprensin de datos

7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesLavadora difusa (Matsuhita Electronic Industrial) Objetivo: Determinar automticamente el ciclo de lavado adecuado al tipo y cantidad de suciedad y al tamao de la colada. Entradas: Suciedad, tipo de suciedad y tamao de la colada. Salida: Ciclo de lavado. Sensores pticos tipo y cantidad de suciedad


7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesEstabilizador de imgenes digitales (Matsuhita) Objetivo: Eliminar vibraciones involuntarias Construido con reglas del tipo:SI todos los puntos de la imagen se mueven en la misma direccin ENTONCES la mano se mueve SI slo algunos puntos se mueven ENTONCES la mano no se mueve

Se compara la imagen actual con otras imgenes en memoria7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesSistemas difusos en cochesSistema de transmisin automtica Mitshubichi Galant S Saturn SL1 de General Motors Control de temperatura Sistema de suspensin difusa (Mitshubichi)


7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesControl difuso de un metro (Sendai, Japn) El tren mantiene una ruta de 13.6 kms. y 16 estaciones Objetivos: 1. Acelerar hasta una velocidad mxima 2. Decidir si mantener la velocidad mxima 3. Parar aproximadamente en una posicin El sistema de control difuso est dividido en: a) El controlador de la velocidad constante b) El controlador de parada automtica7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesControl difuso de un metro (Sendai, Japn) El tren mantiene una ruta de 13.6 kms. y 16 estaciones Objetivos: Para la seguridad: SI la velocidad del tren est alcanzando la velocidad lmite Acelerar hasta una velocidad mxima de freno ENTONCES seleccionar la mxima posicin

1. 2. Decidir si mantener la velocidad mxima -Para el confort del viaje: 3. Parar aproximadamenteelen una posicin SI la velocidad est en rango permitidoENTONCES no cambiar el control

El sistema de control difuso est dividido en: a) El controlador de la velocidad constante b) El controlador de parada automtica7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesControl difuso de un metro (Sendai, Japn) El tren mantiene una ruta de 13.6 kms. y 16 estaciones Objetivos: 1. Acelerar hasta una velocidad mxima Para el confort la velocidad mxima 2. Decidir -si mantener de viaje: SI el tren parar en la zona permitida 3. Parar aproximadamente encontrol posicin ENTONCES no cambiar el una El sistema -Para el confort del viaje y seguridad: en: de control difuso est dividido a) El b) El controlador de parada automtica7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

SI el tren est en la zona permitida ENTONCES cambiar de aceleracin a freno controlador de la velocidad constantesuave

7. Ejemplos de sistemas difusos de control comercialesEl uso de la tecnologa difuso en el control del metro de Sendai muestra varios aspectos importantes: El control difuso es una alternativa eficiente al control convencional El control difuso del metro de Sendai parece tener ventajas sobre el convencional en aspectos como confort del viaje, consumo de energa, etc. Desde un punto de vista tcnico demuestra que es posible utilizar conocimiento experto para disear leyes de control y la teora de sistemas difusos para trasladar lenguaje natural en estrategias de control7. Ejemplos de sistemas difusos de control comerciales

BibliografaBsica:[Ant92] P.J. Antasklis y K.M. Passino. An Introduction to Intelligent and Autonomous Control. Kluwer Academic Publishers, 1992. [Oga08] K. Ogata. Ingeniera de control moderna. Prentice Hall, 1998.

Complementaria:[Azv00] B. Azvine, N. Azarmi y D.D. Nauch (Eds.) Intelligent Systems and Soft Computing. Springer, 2000. [Lew99] P.H. Lewis y C. Yan. Sistemas de control en ingeniera. Prentice-Hall, 1999.

Bibliografa

control difuso

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