Metodika generování a ladění modelů neuronových sítí

Podobné dokumenty
Využití neuronové sítě pro identifikaci realného systému

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

CW01 - Teorie měření a regulace

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

Modelování a simulace Lukáš Otte

OSA. maximalizace minimalizace 1/22

Analytické metody v motorsportu

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

U Úvod do modelování a simulace systémů

1 Modelování systémů 2. řádu

Úloha 5 Řízení teplovzdušného modelu TVM pomocí PC a mikropočítačové jednotky CTRL

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Stabilita regulačního obvodu

Úvod do zpracování signálů

Robustnost regulátorů PI a PID

Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

Identifikace a řízení nelineárního systému pomocí Hammersteinova modelu

KNIHOVNA MODELŮ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

Studium závislosti výpočetního času algoritmu GPC prediktivního řízení na volbě typu popisu matematického modelu v regulátoru

DIPLOMOVÁ PRÁCE Nelineární řízení magnetického ložiska

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Opakování z předmětu TES

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Kvalita regulačního pochodu

Ladění regulátorů v pokročilých strategiích řízení

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

VÝVOJ ŘÍDICÍCH ALGORITMŮ HYDRAULICKÝCH POHONŮ S VYUŽITÍM SIGNÁLOVÉHO PROCESORU DSPACE

ZPĚTNOVAZEBNÍ ŘÍZENÍ, POŽADAVKY NA REGULACI

Využití přímé inverzní metody pro řízení reálných systémů

7 th International Scientific Technical Conference PROCESS CONTROL 2006 June 13 16, 2006, Kouty nad Desnou, Czech Republic REGULÁTORU JOSEF BÖHM

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Neuronové časové řady (ANN-TS)

Prostředky automatického řízení Úloha č.5 Zapojení PLC do hvězdy

POZNÁMKY K PŘEDMĚTU PROJEKT

Analytické metody v motorsportu

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı Ústav automatizace a měřicí techniky v Brně

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Úvod do modelování a simulace. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Analytické metody v motorsportu

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

POUŽITÍ REAL TIME TOOLBOXU PRO REGULACI HLADIN V PROPOJENÝCH VÁLCOVÝCH ZÁSOBNÍCÍCH

POPIS, IDENTIFIKACE SYSTÉMU A NÁVRH REGULÁTORU POMOCÍ MATLABU V APLIKACI FOTBAL ROBOTŮ

PREDIKTIVNÍ ŘÍZENÍ NELINEÁRNÍHO SYSTÉMU

5. Umělé neuronové sítě. Neuronové sítě

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

Modelování polohových servomechanismů v prostředí Matlab / Simulink

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. CW01 - Teorie měření a regulace 10.2 ZS 2010/2011. reg Ing. Václav Rada, CSc.

Vypracovat přehled způsobů řízení paralelních kinematických struktur s nadbytečnými pohony

Návrh frekvenčního filtru

15 - Stavové metody. Michael Šebek Automatické řízení

5.1.1 Nestacionární režim motoru

Řízení modelu letadla pomocí PLC Mitsubishi

TEST AUTOMATIZACE A POČÍTAČOVÁ TECHNIKA V PRŮMYSLOVÝCH TECHNOLOGIÍCH

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

ADAPTACE PARAMETRU SIMULAČNÍHO MODELU ASYNCHRONNÍHO STROJE PARAMETR ADAPTATION IN SIMULATION MODEL OF THE ASYNCHRONOUS MACHINE

obhajoba diplomové práce

Řízení tepelné soustavy s dopravním zpožděním pomocí PLC

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

KLASIFIKÁTOR MODULACÍ S VYUŽITÍM UMĚLÉ NEURONOVÉ SÍTĚ

Optimalizace regulačního algoritmu MR tlumiče

VYUŽITÍ MATLABU PRO PODPORU VÝUKY A PŘI ŘEŠENÍ VÝZKUMNÝCH ÚKOLŮ NA KATEDŘE KOMUNIKAČNÍCH A INFORMAČNÍCH SYSTÉMŮ

Optimalizace regulačního algoritmu MR tlumiče

Konečný automat. Studium chování dynam. Systémů s diskrétním parametrem číslic. Počítae, nervové sys, jazyky...

Stanovení typu pomocného regulátoru v rozvětvených regulačních obvodech

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Fiala P., Karhan P., Ptáček J. Oddělení lékařské fyziky a radiační ochrany Fakultní nemocnice Olomouc

Měření vlastností datového kanálu

Verifikace modelu VT přehříváků na základě provozních měření

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Řízení a optimalizace Stavové modely a model-prediktivní řízení

KYBERNETIKA. Prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava

Pozorovatel, Stavová zpětná vazba

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot

1. Navrhněte a prakticky realizujte pomocí odporových a kapacitních dekáda derivační obvod se zadanou časovou konstantu: τ 2 = 320µs

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

6 Algebra blokových schémat

Usuzování za neurčitosti

Moderní systémy pro získávání znalostí z informací a dat

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

Automatické měření veličin

VY_32_INOVACE_E 15 03

Algoritmy a struktury neuropočítačů ASN - P10. Aplikace UNS v biomedicíně

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

SEKVENČNÍ LOGICKÉ OBVODY

Biofyzikální ústav LF MU Brno. jarní semestr 2011

1. Vlastnosti diskretních a číslicových metod zpracování signálů... 15

Přípravek pro demonstraci řízení pohonu MAXON prostřednictvím

DUM 19 téma: Digitální regulátor výklad

MATLAB PRO PODPORU VÝUKY KOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMŮ

Algebra blokových schémat Osnova kurzu

1 Tyto materiály byly vytvořeny za pomoci grantu FRVŠ číslo 1145/2004.

vzorek vzorek

Bezpečnost chemických výrob N111001

Analýza dynamické charakteristiky zkratové spouště jističe nn

Transkript:

Metodika generování a ladění modelů neuronových sítí Martin Moštěk Katedra měřicí a řídicí techniky, FEI, VŠB Technická univerzita Ostrava 17. listopadu 15, 708 33, Ostrava-Poruba martin.mostek@vsb.cz Abstrakt. Referát je věnován problematice řešení návrhu, ladění a použití fuzzy pravidlových modelů typu Takagi-Sugeno ve schématu prediktivního regulátoru. Značná část práce je věnována metodice návrhu procesu generování tréninkových množin, nezbytných pro vytvoření fuzzy pravidlového modelu. Referát také obsahuje ověření navržených metod simulačními experimenty. Klíčová slova: Jazykové modely, umělá inteligence, fuzzy-neuronová síť, Takagi-Sugeno modely, generování tréninkové množiny, adekvátnost modelu, ztrátová funkce, predikční regulátor, kvalita regulace. 1 Úvod Moderní teorie řízení hledá stále nové přístupy k zajištění co nejlepší kvality regulace v často komplikovaných podmínkách praktických realizací. Jednou z možných řešení je použití systémů prediktivního řízení. Prediktivní regulátory jsou nejčastěji používány při řízení komplexních soustav, kde použití jednodušších (PID) regulátorů selhává. Vyšetřování vlastností prediktivních regulátorů prokázalo, že kvalita jejich řízení je přímo závislá na kvalitě jejich predikčního modelu. Významnou pozici v oblasti metod samoučicích se modelů zaujímají umělé neuronové sítě, které jsou produktem vědního oboru umělé inteligence. Neuronové sítě jsou prostředkem pro identifikaci modelů pomocí tréninkových množin naměřených dat. Nevýhodou modelů získaných použitím konvenčních neuronových sítí je úplná absence možnosti kontroly konkrétní struktury a parametrů identifikovaného modelu. V mnohých případech přinesly velmi dobré výsledky neuronové sítě, vybavené procedurami pro realizaci fuzzy množinových a fuzzy logických operací, které umožňují identifikovat fuzzy pravidlové modely. Vznikají tak hybridní fuzzyneuronové sítě. Fuzzy-neuronové sítě jsou často koncipovány pro strukturální a parametrickou identifikaci fuzzy modelů typu Takagi-Sugeno.

2 Fuzzy-neuronové modely typu Takagi-Sugeno FN modely jsou struktury, využívající prostředí neuronových sítí k automatické identifikaci fuzzy pravidlových modelů. K identifikaci jsou využívána naměřená vstup-výstupní data (tréninkové množiny). Fuzzy neuronové modely typu Takagi- Sugeno jsou formalizovány jazykovým zápisem[1]: IF (x1 is A1) and (x2 is A2) and... and (xn is An) THEN y = f (xp), p = 1,..., n (1) Modely Takagi-Sugeno jsou základem modelů pro prediktivní řízení. K jejich identifikace je požito prostředí umělé neuronové sítě využívající speciální procedury FuzNet s využitím vstupně-výstupních naměřených dat (tréninkové množiny) [2]. 3 Nelineární predikční řízení s fuzzy modelem Struktura nelineárního predikčního řízení s fuzzy modelem vychází z principů publikovaných v [3]. Základní myšlenkou této řídicí struktury je použití algoritmů optimalizace nelineárního problému s využitím samotného neuronového modelu soustavy. Je řešena obdobná úloha jako při učení neuronové sítě, kdy se mění váhy tak, aby pro daný vstup síť produkovala požadovaný výstup. V případě řízení modifikujeme nikoli váhy, ale vstupní vektor sítě (modelu) tak, aby výstup modelu maximálně odpovídal požadovanému výstupu. Schéma takového predikčního řízení je na dalším obrázku. Neuro-fuzzy prediktor jako model soustavy referenční signál Algoritmus optimalizace řídicí signál Regulovaná soustava výstup Obr. 1. Schéma predikčního řízení. K minimalizaci řídicího kritéria je nutno mít neuronový model soustavy predikující výstupy nejen pro další krok, ale pro celý predikční horizont. Tuto funkci zajišťuje tzv. vícekrokový neuronový prediktor. 4 Identifikace T-S modelů s použitím procedury FUZNET Pro realizaci vícekrokového neuro-fuzzy prediktoru byl v [4] použit vývojový fuzzyneuronový systém FuzNet. Tento systém umožňuje vytvořit fuzzy-neuronovou síť FNS, identifikovat parametry fuzzy-neuronového modelu a testovat identifikovaný model na reálných datech. Tento systém vznikl jako rozšíření simulátoru neuronové sítě založeného na algoritmu Back Propagation [5].

5 Metodika generování tréninkové množiny pro identifikaci FNTS modelu Před tím než lze identifikovat fuzzy neuronový model typu Takagi-Sugeno (FNTS), se musí zkoumat vlastnosti testovaných modelovaných soustav. Pochopení charakteru, dynamických a statických vlastností daných soustav je důležité pro vytvoření vhodné trénovací množiny. Informace obsažené v tréninkové množině totiž zásadním způsobem ovlivňují vlastnosti FNTS modelu, který je touto množinou adaptován. Cílem přípravy vhodné tréninkové množiny tedy je vygenerovat takový vstupní signál u(t), resp. posloupnost vzorků či hodnot signálu, jenž po průchodu modelovanou soustavou zachytí maximum statických a především dynamických vlastností modelované soustavy [4]. Jednou z metod, pomocí níž lze tyto poznatky získat, je například přechodová charakteristika h(t), která definuje odezvu dané soustavy s přenosem G s (t) (resp. G s (s)), na jednotkový skok 1(t). Matematické vyjádření přechodové charakteristiky pomocí zpětné Laplaceovy transformace je v následující rovnici [6]. h( t) = L 1 { H ( s) } = L 1 1 G( s) s kde h(t) je přechodová charakteristika soustavy s přenosem dané soustavy G(s). Z přechodové charakteristiky lze určit doba ustálení přechodového děje T ust (t), což je důležitý poznatek o chování modelovaných soustav. Na základě určení délky trvání přechodového děje T ust (t), lze určit nejvhodnější vzorkovací čas TS(t) (Time Sampling). (2) 6 Nelineární Stanovení vhodného vzorkovacího času TS(t) Během testování různých typů modelů s různými experimentálně nastavenými hodnotami vzorkovacího času TS(t) pro dané soustavy vyplynulo, že jako nejvhodnější se jeví volit vzorkovací čas tak, abychom získali minimálně sedm vzorků do doby ustálení přechodového děje T ust (t). Tento poznatek popisuje následující rovnice. Tust ( t) TS( t) [ s] 7 (3) V případě, že se nedodrží minimální počet sedmi vzorků na dobu ustáleného děje T ust (t), nejsou dynamické a statické vlastnosti modelované soustavy adekvátně zachyceny v tréninkové množině.

7 Generování vstupního signálu u(t), nastavení koeficientu variability K Jako vhodný signál pro učení FNTS modelů je použit sled obdélníkových pulsů o náhodné frekvenci a amplitudě, přičemž pro praktické použití se velikost změn amplitudy omezí maximální a minimální hodnotou. Pro náš případ fuzzyneuronového modelu použijeme funkci PRS pro prostředí Matlab, jejímž autorem je Magnus Norgaard [7]. Funkce je řešena tak, že v náhodných okamžicích je změněna její hodnota na novou náhodnou hodnotu v intervalu min a max. Frekvenci změn signálu lze měnit od konstantního signálu po bílý šum, nastavením koeficientu variability K. Teoreticky se jako nejvhodnější tréninkový signál jeví takový signál, který má rovnoměrně zastoupeny dynamické a statické vlastnosti, tedy po sérii skokových změn o různých amplitudách následuje statická hodnota o různé amplitudě a opět série skokových změn o různé amplitudě atd. Při experimentálním nastavování koeficientu K pro různé testované soustavy, byl zjištěn poznatek, že při nastavení vysoké četnosti skoků (velká hodnota koeficientu K), jsou vytvořené impulsy skoků již přes příliš úzké, než aby se na nich mohla projevit odezva soustavy, to znamená, že se ztrácejí informace o sledované soustavě. Navíc délka trvání dalších statických hodnot (o různých amplitudách) je často příliš malá, než aby tréninková množina zachytila statické chování modelované soustavy. Proto je FNTS model, který je touto množinou adaptován, nekvalitní a pro predikční regulaci nevhodný. Shrnutí předchozích poznatků o nastavování koeficientu variability K vede k návrhu postupu jeho stanovení. Koeficient variability K musí být zvolen tak, aby v časové řadě náhodně generovaných vstupních obdélníkových impulsů, byly (kromě jiných) obsaženy impulsy, jejichž šířka T imp splňuje podmínku a impulsy, splňující podmínku T imp 4Tust ( t)[ s], T imp Tust ( t)[ s], kde T ust je doba ustálení identifikované soustavy. Pro ověření systému prediktivního řízení složitých soustav byla náhodně vybrána soustava třetího řádu s neznámým dopravním zpožděním. Přenos soustavy G s (s), je v následující rovnici. Nejprve u zkoumané soustavy určíme přechodovou charakteristiku. Z grafu jejího průběhu zjistíme že, se jedná o soustavu s derivačním charakterem se zápornou ustálenou hodnotou. Doba ustálení přechodového děje T ust (t) této soustavy, je T ust (t)=10s. Dosadíme hodnotu T ust (t) do rovnice (3) a po zaokrouhlení obdržíme hodnotu TS(t) = 1,5 s. Jakmile, je určen vhodný vzorkovací čas TS(t) pro dané soustavy, můžeme již přistoupit k fázi generování optimálního vstupního signálu u(t). (4) (5) (6)

8 Hodnoticí ztrátová funkce K posouzení kvality experimentálních regulačních dějů byla použita v [4] číselná charakteristika označovaná jako integrální kvadratické kritérium SSE (Sum of Squares of the Error) ve tvaru: SSE = celkový poč i= 1. vzorků [ y() i w() i ] kde celkový počet vzorků představuje počet vzorkovacích okamžiků za celou dobu trvání regulačního děje. Obecně lze říci, že čím je hodnota SSE vyšší, tím je kvalita regulace horší. 2 (7) 9 Srovnávací regulátor Abychom mohli posoudit kvalitu regulace s predikčním regulátorem, musíme navrhnout pro soustavu s přenosem G s (s) srovnávací regulátor. Návrh PID regulátoru pro tuto soustavu nelze realizovat, protože je tato soustava s derivačním charakterem a se zápornou ustálenou hodnotou. Bylo tedy nutné navrhnout LQR regulátor. Následující rovnice popisuje přenos otevřené smyčky G O (s), pro tuto soustavu s přenosem G s (s). s) = 1s 2s + 3.8715s ( 3 2 2 + 2s 2 + 5.3222s + 2.0478 G O (8) A nyní již můžeme porovnat výsledky dosažené z predikčního regulátoru a srovnávacího LQR regulátoru. Obr. 2. Porovnání výsledků Predikčního a srovnávacího LQR regulátoru. Na obrázku číslo 2 je vidět, průběh regulace predikčního regulátoru a srovnávacího LQR regulátoru. Hodnota SSE je při použití predikčního regulátoru SSE = 31,753702. Srovnávací LQR regulátor dosáhl hodnotu SSE = 116,103030. Kvalita regulace soustavy s přenosem Gs(s) je při použití predikčního regulátoru mnohonásobně lepší

v porovnání s výsledky srovnávacího LQR regulátoru. Nelineární predikční řízení regulaci této soustavu zvládá s velmi dobrými výsledky a naměřené hodnoty SSE tento fakt plně podporují. 10 Závěr Požadavek vysoké kvality regulačního procesu predikčního regulátoru je podmíněn mj. vysokou kvalitou jeho predikčního modelu. Predikční regulátory jsou používány pro řízení komplikovaných a proto obtížně matematicky formalizovatelných soustav. Teoretickým výsledkem řešení je v první řadě vypracování metodiky návrhu režimu generování tréninkové množiny vstupních a výstupních dat, nutných pro automatickou strukturální i parametrickou identifikaci predikčního fuzzy modelu v prostřední umělé fuzzy neuronové sítě FuzNet. Metodika vychází z analýzy vlivu vlastností tréninkové množiny na kvalitu naučeného fuzzy modelu a stanoví podmínky pro algoritmus generování náhodného vstupního signálu tréninkové množiny. Výsledky řešení přispívají ke zvýšení efektivity návrhu predikčních regulátorů snížením časových nároků potřebných k hledání nejlepší trénovací množiny pro učení predikčního fuzzy neuronového modelu a snížení času potřebného k nalezení optimálních hodnot parametrů řídicího predikčního algoritmu. Tento referát byl vytvořen za pomoci grantu FRVŠ 2003, číslo 1731 Reference 1 Pokorný,M. Umělá inteligence v modelování a řízení. BEN Praha 1996 2 Čermák P. Využití neuronových sítí pro identifikaci fuzzy modelů. Disertační práce. VŠB-TU Ostrava 2000. 3 Najvárek J. Neuronové sítě v prediktivním řízení. Disertační práce. VUT Brno 1998 4 Rehberger I. Prediktivní fuzzy regulátor. teze Disertační práce. VŠB-TU Ostrava 2001. 5 Klir J.G. The role of uncertainty measure and principles in AI. Proc. AI 91. Praha 1991. 6 Vavřín P. Teorie Automatického řízení I. Skripta. VUT Brno 1991. 7 Norgaard M., Ravn O., Poulsen N. K., Hansen L. K. Neural Networks for Modelling nd Control of Dynamic Systéme. Springer-Verlag. London 2000 Annotation: Methodology of Creating and Tuning Neural Network Models The paper is aimed on problems solving design and tuning of Takagi-Sugeno fuzzy models application in predictive control scheme. The main part of work is dedicated to methodology of training data set generation, which are necessary to create Takagi- Sugeno fuzzy models. The paper contains some numerical simulation experiments to prove designed methods.