Lý Thuyết Mờ & Ứng dụng

By Phong Nguyễn Như

Lý thuyết mờ bao gồm các lý thuyết liên quan đến các mô hình thu thập, xử lý thông tin bất định như lý thuyết tập mờ, lý thuyết độ đo mờ, logic mờ. Lý thuyết mờ được ứng dụng trong hầu hết các chuyên ngành kỹ thuật. Kỹ thuật điện là lãnh vực kỹ thuật đầu tiên ứng dụng lý thuyết mờ trong các lãnh vực như điều khiển mờ, xử lý ảnh mờ, mạch điện tử dùng logic mờ, người máy, ... Kể từ những năm đầu thập niên 70, lý thuyết mờ đã được ứng dụng vào kỹ thuật xây dựng, Giữa thập niên 80, số lượng bài báo trong các chuyên ngành của kỹ thuật cơ khí đã ngày một tăng dần. Cũng vào khoảng giữa thập niên 80, Kỹ thuật công nghiệp đã ứng dụng lý thuyết mờ vào hầu hết các lĩnh vực như hệ chuyên gia mờ, ra quyết định mờ, quy hoạch tuyến tính mờ, kinh tế kỹ thuật mờ, quản lý vật tư tồn kho mờ, kiểm soát chất lượng mờ, điều độ dự án mờ, nhân tố học mờ,...

Kỹ thuật máy tính cũng sử dụng lý thuyết mờ trong thiết kế phần cứng sử dụng logic mờ. Kỹ thuật tri thức cũng đã sử dụng lý thuyết mờ trong thu thập và biễu diễn tri thức, trong tương tác người máy. Ngoài ra các chuyên ngành kỹ thuật khác như kỹ thuật hóa học, kỹ thuật hạt nhân, kỹ thuật nông nghiệp, ... cũng ứng dụng lý thuyết này.

Cuốn sách này bao gồm 2 phần lý thuyết và ứng dụng với 9 chương. Phần lý thuyết gồm 6 chương giới thiệu về Lý thuyết mờ, Lý thuyết tập mờ, Quan hệ mờ, Số mờ, Lý thuyết độ đo mờ, và Logic mờ. Ứng dụng của lý thuyết mờ rất đa dạng, trong phạm vi cuốn sách này chỉ nêu các ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật công nghiệp, với 3 chương về Hệ thống điều khiển mờ, Ra quyết định mờ, và các ứng dụng khác trong Kỹ thuật công nghiệp như Kinh tế kỹ thuật mờ, Quản lý tồn kho mờ, Kiểm soát chất lượng mờ, Điều độ dự án mờ, Hoạch định vị trí mờ, Điều độ sản xuất mờ, Ước lượng tuổi thọ mờ, Lý thuyết tin cậy mờ, ...

• Language: Tiếng việt
• Publisher: Phong Nguyễn Như
• Release date: Aug 27, 2020
• ISBN: 9781005783433

Phong Nguyễn Như

Nguyen Nhu Phong is a Senior Lecturer at the Industrial Systems Engineering Department, HCM City University of Technology (HCMUT), Vietnam. He is also an IEEE member, and a SAP ERP specialist.He received his Master of Engineering at Asian Institute of Technology (1997), and his Bachelor of Engineering at HCMUT, Vietnam (1987).He was a member of the Project of building ISE program (1999) and the leader of the Project of improving the program (2007-2012). He was the deputy dean of the Faculty of Mechanical Engineering in period of 2002-2007, and the former head of the ISE department in period of 2007-2012.He is the authors of 24 books in Statistics, Operations Research, Scientific Research Methodology, Design of Experiment, Engineering Economy, Production Management, Inventory Management, Quality Management, Lean Production, Lean Six Sigma, MRPII, ERP, Fuzzy Theories & Applications.He is also the authors of 49 papers including 38 conference papers, 7 international conference papers, 4 journal papers, and 120 web papers. His research topics include Soft Computing; Lean Six Sigma; Resource Planning MRPII - ERP.

Book preview

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Chương 1: Lý thuyết mờ

1.1 Lịch sử phát triển

1.2 Lý thuyết tập hợp

1.3 Sự kiện

1.4 Bất định

1.5 Lý thuyết bất định

Chương 2: Lý thuyết tập mờ

2.1 Lý thuyết tập hợp

2.2 Tập mờ

2.3 Toán tử tập mờ

2.4 Xây dựng tập mờ

2.5 Giải mờ

Chương 3: Quan hệ mờ

3.1 Quan hệ

3.2 Quan hệ mờ

3.3 Liên kết mờ

3.4 Hợp thành mờ

3.5 Nguyên lý mở rộng

3.6 Chuyển đổi mờ

Chương 4: Số học mờ

4.1 Số mờ

4.2 Biến ngôn ngữ

4.3 Toán tử số học mờ

4.4 Cực trị mờ

4.5 So sánh mờ

4.6 Xếp hạng mờ

Chương 5: Logic mờ

5.1 Logic học

5.2 Mệnh đề mờ

5.3 Hàm kéo theo mờ

5.4 Mệnh đề điều kiện mờ

5.5 Suy diễn mờ

5.6 Lập luận xấp xỉ đa điều kiện

Chương 6: Lý thuyết khả năng

6.1 Sự kiện

6.2 Lý thuyết độ đo mờ

6.3 Lý thuyết bằng chứng

6.4 Lý thuyết xác suất

6.5 Lý thuyết khả năng

6.6 Lý thuyết khả năng và lý thuyết tập mờ

6.7 Lý thuyết khả năng và lý thuyết xác suất

Chương 7: Điều khiển mờ

7.1 Hệ thống điều khiển tự động

7.2 Bộ điều khiển kinh điển

7.3 Bộ điều khiển mờ

7.4 Hệ thống điều khiển mờ con lắc ngược

7.5 Hệ thống điều khiển mờ nhiệt độ

7.6 Hệ thống điều khiển mờ động cơ

Chương 8: Ra quyết định mờ

8.1 Ra quyết định kinh điển

8.2 Đánh giá tổng hợp mờ

8.3 Ra quyết định mờ đơn

8.4 Ra quyết định mờ nhóm

8.5 Ra quyết định mờ đa tiêu chuẩn

8.6 Ra quyết định mờ theo mục tiêu

8.7 Ra quyết định mờ Bayes

Chương 9: Lý thuyết mờ trong Kỹ Thuật Công Nghiệp

9.1 Kỹ thuật công nghiệp

9.2 Kinh tế kỹ thuật mờ

9.3 Quản lý tồn kho mờ

9.4 Kiểm soát chất lượng mờ

9.5 Điều độ dự án mờ

9.6 Hoạch định vị trí mờ

9.7 Điều độ sản xuất mờ

9.8 Ước lượng tuổi thọ mờ

9.9 Lý thuyết tin cậy mờ

9.10 Robotics

9.11 Nhân tố học mờ

Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

Lý thuyết mờ bao gồm các lý thuyết liên quan đến các mô hình thu thập, xử lý thông tin bất định như lý thuyết tập mờ, lý thuyết độ đo mờ, logic mờ. Lý thuyết mờ ra đời kể từ năm 1965 khi Lotfi Zadeh, một giáo sư về lý thuyết hệ thống trường Đại học California, Berkeley, công bố bài báo đầu tiên về Logic mờ ở Mỹ.

Lý thuyết mờ được ứng dụng trong hầu hết các chuyên ngành kỹ thuật. Mọi chuyên ngành kỹ thuật, không ít thì nhiều, đều ứng dụng các phương pháp mới dựa trên tập mờ, độ đo mờ. Kỹ thuật điện là lãnh vực kỹ thuật đầu tiên ứng dụng lý thuyết mờ trong các lãnh vực như điều khiển mờ, xử lý ảnh mờ, mạch điện tử dùng logic mờ, người máy… Kể từ những năm đầu thập niên 70, lý thuyết mờ đã được ứng dụng vào kỹ thuật xây dựng, các kỹ sư xây dựng đã dùng lý thuyết tập mờ để giải quyết nhiều vấn đề trong xây dựng. Giữa thập niên 80, số lượng bài báo trong các chuyên ngành của kỹ thuật cơ khí đã ngày một tăng dần. Cũng vào khoảng giữa thập niên 80, Kỹ thuật công nghiệp đã ứng dụng lý thuyết mờ vào hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật công nghiệp như hệ chuyên gia mờ, ra quyết định mờ, quy hoạch tuyến tính mờ, kinh tế kỹ thuật mờ, quản lý vật tư tồn kho mờ, kiểm soát chất lượng mờ, điều độ dự án mờ, nhân tố học mờ…

Kỹ thuật máy tính cũng sử dụng lý thuyết mờ trong thiết kế phần cứng sử dụng logic mờ. Kỹ thuật tri thức cũng đã sử dụng lý thuyết mờ trong thu thập và biễu diễn tri thức, trong tương tác người máy. Ngoài ra các chuyên ngành kỹ thuật khác như kỹ thuật hóa học, kỹ thuật hạt nhân, kỹ thuật nông nghiệp… cũng ứng dụng lý thuyết này.

Cuốn sách này bao gồm 2 phần lý thuyết và ứng dụng với 9 chương. Phần lý thuyết gồm 6 chương giới thiệu về Lý thuyết mờ, Lý thuyết tập mờ, Quan hệ mờ, Số mờ, Lý thuyết độ đo mờ, và Logic mờ. Ứng dụng của lý thuyết mờ rất đa dạng, trong phạm vi cuốn sách này chỉ nêu các ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật công nghiệp, với 3 chương về Hệ thống điều khiển mờ, Ra quyết định mờ, và các ứng dụng khác trong Kỹ thuật công nghiệp như Kinh tế kỹ thuật mờ, Quản lý tồn kho mờ, Kiểm soát chất lượng mờ, Điều độ dự án mờ, Hoạch định vị trí mờ, Điều độ sản xuất mờ, Ước lượng tuổi thọ mờ, Lý thuyết tin cậy mờ…

Cuốn sách này được viết từ 1999, khi tác giả còn giảng dạy ở Bộ môn Điều khiển Tự Động, Khoa Điện - Điện tử, ĐH Bách Khoa, hướng dẫn các đề tài về điều khiển mờ và thấy nhu cầu cần hệ thống hoá kiến thức về lý thuyết mờ. Xin tỏ lòng biết ơn đến thầy Nguyễn Nam Tặng, thầy Nguyễn Chu Hùng Khoa Điện ĐHBK - ĐHQG, Giáo sư Hugo Pastijn, Giáo sư Nitin, Học viện Kỹ thuật Á châu đã cho tôi cơ hội nâng cao kiến thức, làm quen với các tri thức hiện đại trong đó có lĩnh vực này. Dù đã bỏ ra nhiều thời gian và công sức nhưng chắc chắn không tránh khỏi nhiều sai sót, tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp và quý độc giả để sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản. Mọi ý kiến đóng góp xin gởi về:

Nguyễn Như Phong.

Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TPHCM.

Tel: [phone].

Email: [e-mail], [e-mail]

Xin thành thật biết ơn.

Chương 1

LÝ THUYẾT MỜ

Lịch sử phát triển

Lý thuyết tập hợp

Sự kiện

Bất định

Lý thuyết bất định

Chương này trình bày tổng quan về lý thuyết mờ bắt đầu với phần giới thiệu về lịch sử hình thành và phát triển của lý thuyết mờ. Lý thuyết tập hợp được ôn lại làm cơ sở cho các phần sau. Sự kiện được định nghĩa theo khái niệm tập hợp làm cơ sở giúp phân loại các lý thuyết về bất định. Các loại bất định được khảo sát, cuối cùng là phân loại, trình bày tổng quan các lý thuyết về bất định như lý thuyết tập mờ, lý thuyết độ đo mờ, lý thuyết bằng chứng, lý thuyết xác suất, lý thuyết khả năng.

1.1 Lịch sử phát triển

Năm 1965, Lotfi Zadeh, một giáo sư về lý thuyết hệ thống trường Đại học California, Berkeley công bố bài báo đầu tiên về Logic mờ ở Mỹ. Từ đó lịch sử phát triển của lý thuyết mờ theo trình tự phát minh ở Mỹ, xây dựng đến hoàn chỉnh ở châu Âu, và ứng dụng vào thị trường ở Nhật.

Các ứng dụng của Logic mờ trong công nghiệp đầu tiên ở châu Au. Năm 1970, ở Anh, Ebrahim Mamdani sử dụng logic mờ điều khiển máy phát chạy bằng hơi nước, mà trước đây không thể điều khiển bằng phương pháp kinh điển được. Ở Đức, Hans Zimmerman bắt đầu sử dụng logic mờ trong các Hệ thống hỗ trợ ra quyết định. Năm 1980, lý thuyết mờ được ứng dụng nhiều trong phân tích dữ liệu và hỗ trợ ra quýêt định ở châu Âu.

Dù châu Âu có những ứng dụng lý thuyết mờ đầu tiên, nhưng người Nhật lại dẫn đầu về thương mại hóa các ứng dụng lý thuyết mờ, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển kể từ năm 1980. Năm 1983, công ty Fuji Electric ứng dụng lý thuyết mờ trong nhà máy xử lý nước. Năm 1987, công ty Hitachi ứng dụng lý thuyết mờ trong hệ thống xe điện ngầm. Lý thuyết mờ phát triển mạnh ở Nhật vì lý thuyết này hỗ trợ việc tạo ra các mô hình nguyên mẫu nhanh, dễ dàng tối ưu hóa, hệ thống mờ đơn giản, dễ hiểu. Chính phủ Nhật cũng hỗ trợ các công ty lớn thiết lập các chương trình chuyển giao công nghệ. Một số tổ chức hỗ trợ nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ lần lượt ra đời. Năm 1985 tổ chức IFSA (International Fuzzy System Association) được thành lập, nối tiếp theo là các tổ chức SOFT (Society for fuzzy theory & systems), BMFSA (Biomedical Fuzzy Systems Association), LIFE (Lab for International Fuzzy Engineering Research), FLSI (Fuzzy Logic Systems Institute). Với các kết quả nghiên cứu ứng dụng, lý thuyết mờ được sử dụng trong mọi lĩnh vực về xử lý số liệu, điều khiển thông minh. Công ty Mitsubishi công bố chiếc xe đầu tiên trên thế giới sử dụng hệ thống điều khiển mờ trong mọi hệ thống điều khiển trong xe. Trong tự động hoá sản xuất, công ty Omron đã công bố bản quyền của nhiều phát minh với ứng dụng logic mờ. Điều khiển mờ cũng đã được sử dụng để tối ưu hoá nhiều quá trình hoá, sinh.

Khi nhìn thấy các công ty Nhật tiên phong trong việc sử dụng lý thuyết mờ trong công nghiệp, các công ty ở châu Âu bắt đầu đẩy mạnh việc ứng dụng lý thuyết mờ, cho đến nay có hơn nhiều sản phẩm ứng dụng kỹ thuật này ở châu Au và một số lượng ứng dụng không đếm được trong kiểm soát quá trình và tự động hóa trong công nghiệp.

Gần đây lý thuyết mờ đã được quan tâm ở Mỹ, đặc biệt là các công ty cạnh tranh mạnh với các công ty ở châu Á và châu Âu. Một số lĩnh vực ứng dụng mở ra cho các công ty Mỹ như hệ thống hỗ trợ ra quyết định, bộ điều khiển ổ đĩa cứng máy tính. Các nghiên cứu gần đây về việc kết hợp giữa mạng thần kinh và logic mờ là bước phát triển tiếp theo của công nghệ này và mở ra nhiều ứng dụng

Lý thuyết mờ khi ra đời trong quá trình phát triển, ngay khi đã có nhiều ứng dụng, cũng có nhiều phê bình chỉ trích. Lotfi Zadeh trả lời các chỉ trích này bằng một nguyên lý mà ông gọi là nguyên lý cái búa Nếu bạn có một cái búa trong tay, và đó là công cụ duy nhất của bạn, thì mọi thứ đều trông như những cái đinh. Trong thực tế, ta phải giải quyết nhiều vấn đề, mỗi vấn đề có một công cụ phù hợp, cách làm việc khoa học là chọn công cụ phù hợp để giải quyết vấn đề một cách tốt nhất.

Chương này tìm hiểu về lý thuyết tập mờ, tuy nhiên trước khi tìm hiểu về lý thuyết tập mờ, ta xem lại các kiến thức cơ bản về tập hợp nhằm làm cơ sở cho các phần sau.

1.2 Lý thuyết tập hợp

1.2.1 Tập hợp

Tập hợp là sự tụ họp của nhiều vật thể, các vật thể này như các học viên của một lớp học, các thành phố của một quốc gia, các con số trong một tập số liệu… được gọi là phần tử của tập hợp. Có ba cách xác định tập hợp là: liệt kê, luật, và hàm thuộc tính. Theo phương pháp liệt kê, một tập hợp A với các phần tử a1, …, an được liệt kê như sau:

A = a1,…,an

Theo phương pháp định nghĩa theo luật, một tập A với các phần tử x có thuộc tính P được xác định như sau:

A = xP(x)

Với phương pháp hàm thuộc tính, tập A được xác định theo hàm thuộc tính A là ánh xạ từ tập toàn bộ các phần tử hay là tập tổng X vào tập 0,1 như sau:

A: X  0,1

1.2.2 Các khái niệm cơ bản của tập hợp

Tập hợp bao gồm các khái niệm cơ bản:

Tập tổng

Tập rỗng

Tập con

Tập tập con

Cỡ tập hợp

Tích Đề các

Tập lồi

Giới hạn sup A & inf A.

Tập tổng X là tập hợp tất cả các phần tử quan tâm ở một ngữ cảnh hay ứng dụng cụ thể từ đó các tập hợp được xây dựng. Tập rỗng  là tập không chứa phần tử nào. Tập A là tập con của tập B khi mọi phần tử của A đều là phần tử của B:

Tập tập con của tập A, ký hiệu (A) là tập tất cả các tập con của A. Cỡ của tập A - ký hiệu A là số phần tử của tập A. Tích Đề các hay tập tích của hai tập A và B là một tập hợp được ký hiệu và xác định như sau:

Tập tích của n tập A được ký hiệu là An có định nghĩa tương tự như trên. Một tập tích thường gặp là tập tích của n tập số thực Rn. Một tập được xem là tập lồi khi một điểm nằm trong đoạn thẳng nối giữa hai điểm nằm trong tập này sẽ thuộc tập này. Xem A là một tập con của tập tích Rn. Xem hai phần tử r và s của A:

Một phần tử t nằm trong đoạn thẳng nối giữa hai phần tử r và s có dạng thức:

Tập A là tập lồi nếu và chỉ nếu t thuộc tập A. Trong tập số thực R, mọi khoảng đơn các số thực là những tập lồi, tập hợp định bởi các khoảng số thực rời rạc là tập không lồi.

Xem A là tập các số thực, giới hạn trên nhỏ nhất của A được ký hiệu là sup A (supremum), là số nhỏ nhất lớn hơn mọi phần tử của A. Giới hạn dưới lớn nhất của A được ký hiệu là inf A (infimum), là số lớn nhất nhỏ hơn mọi phần tử của A.

1.2.3 Toán tử tập hợp

Các toán tử tập hợp bao gồm:

Toán tử bù

Toán tử hội

Toán tử giao.