21696

МЕТОДЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Вычисления соответствующие действиям нечёткого контроллера в системе управления температурой водяной ванны можно представить в виде следующего алгоритма: Шаг 1. Гн Омату рассматривает помимо нейросетевого и нечёткого управления ещё два способа управления водяной ванной. По результатам экспериментов из всех схем управления схема ПИД наиболее проста в реализации.

Русский

2013-08-03

286 KB

11 чел.

етоды искусственного интеллекта

Лекция № 13

МЕТОДЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

ЛЕКЦИЯ № 13

На последней лекции мы начали рассматривать приложения нейронного управления и говорили о системе управления температурой водяной ванны. Мы затронули управление с помощью нейросети и остановились на контроллере, основанном на нечёткой логике.

Таблицу, которую мы рисовали, её будем называть таблицей нечётких ассоциативных матричных правил, или НАМ-правил. Архитектура системы, которая основывается на этих правилах, можно представить в виде рисунка.

Рисунок. Архитектура системы нечётких ассоциативных правил

Нечёткие ассоциативные правила (от  до ) включаются параллельно, создавая выходное нечёткое множество . Затем выполняется „ликвидация нечёткости“: преобразование  в числовую величину .

Каждый вход  активизирует каждое из хранимых правил в различной степени. Минимальное правило, -ая ассоциация, отображает вход в выход , представляющий собой частично активированный вариант . Чем больше вход  напоминает , тем больше  напоминает . Соответствующее выходное нечёткое множество  объединяет эти частично активированные нечёткие множества : оно представляет собой взвешенное среднее частично активированных множеств:

.

Коэффициент  отражает частоту или силу нечёткой ассоциации. На практике выходное нечёткое множество  может быть преобразовано в конкретную числовую величину  на действительной оси ; для этого вычисляется нечёткий центроид множества  относительно выходного универсального множества .

Посылки правил объединяются операцией И, что соответствует активации нечёткого множества-заключения  со степенью , вычисляемой с определением нечёткой операции пересечения:

,

где  и  — соответствующие степени принадлежности для ошибки и изменения ошибки.

Форма выходных нечётких множеств зависит от используемой кодирующей схемы частотно-импульсной модуляции. В случае с водяной ванной использовалась схема кодирования по минимуму корреляции, в которой нечёткое множество-заключение  в наборе величин выходных нечётких множеств срезается до уровня  и принимает минимальное значение в других точках:

.

Здесь  — степень принадлежности активизированного выходного нечёткого множества на интервале значений выходного универсального множества.

На практике величина  не является однозначной, поэтому система комбинирует все эти функции в действительную выходную функцию принадлежности на основе определения нечёткой операции объединения:

.

Для преобразования нечёткого управляющего выходного сигнала в чёткую форму применяется следующая процедура:

,

где выходное универсальное множество преобразуется в дискретные величины  с шагом :

.

Как и любой другой, контроллер на основе нечёткой логики имеет ряд параметров, которые должны быть выбраны разработчиком заранее. В нечётком контроллере имеется три коэффициента масштабирования: ,  и для ошибки процесса, изменения ошибки и выходного сигнала контроллера соответственно. Выбор этих коэффициентов аналогичен выбору параметров ПИД-регулятора или задаваемых пользователем полиномиальных коэффициентов в некоторых адаптивных контроллерах. Некоторые исследователи предлагают систематические подходы к выбору данных коэффициентов. В частности, это Procyk, Mamdani; Linkens, Abbod; Daley, Gill (это шесть фамилий трёх групп учёных).

Вычисления, соответствующие действиям нечёткого контроллера в системе управления температурой водяной ванны, можно представить в виде следующего алгоритма:

Шаг 1. Прочитать выходную величину процесса .

Шаг 2. Вычислить ошибку  и скорость изменения ошибки  для процесса в момент времени .

Шаг 3. Величины  и  квантуются в соответствующие нечёткие подмножества.

Шаг 4. На основе функций принадлежности вычисляются степени принадлежности ошибки и скорости изменения ошибки  и  соответственно.

Шаг 5. Из базы правил активизируется заключение со степенью принадлежности , вычисляемой по степеням принадлежности посылок  и  с помощью операции И.

Шаг 6. Величина  срезается до величины  методом кодирования по минимуму корреляции.

Шаг 7. Вычисляется действительная выходная степень принадлежности  путём выполнения операции ИЛИ между значениями  всех активизированных заключений.

Шаг 8. Вычисляется действительная выходная величина  путём применения процедуры перевода нечёткой величины в чёткую форму.

Г-н Омату рассматривает, помимо нейросетевого и нечёткого управления, ещё два способа управления водяной ванной. Это обобщённый прогнозирующий контроллер (ОПК) и ПИД-регулятор.

В обобщённом прогнозирующем контроллере управление осуществляется на основе оценок прогресса по рекурсивному методу наименьших квадратов. Мы останавливаться на нём не будем, просто будем иметь в виду, что есть и такое управление.

Итак, 4 подхода к управлению водяной ванной: нейросетевой контроллер (НСК), контроллер на основе нечёткой логики (НЛК), обобщённый прогнозирующий контроллер (ОПК) и традиционный ПИД-контроллер. В этих четырёх подходах имеются как сходства, так и различия.

По результатам экспериментов из всех схем управления, схема ПИД наиболее проста в реализации. Однако этот тип контроллеров не может удовлетворительно работать в сложных условиях. То есть ПИД-регуляторы можно рекомендовать только для простых задач управления и только при условии, что к системе не предъявляется высоких требований.

Так как для водяной ванны возможно построение математической модели пониженного порядка, полученная на основе этой модели информация использовалась для разработки всех четырёх контроллеров. Сначала в процессе моделирования была сделана грубая настройка параметров НЛК и ПИД, и только потом выполнялась точная оперативная настройка этих величин для улучшения характеристик. Для нейросетевого контроллера количество элементов входного вектора нейросетевой модели соответствовало пониженному порядку подели объекта управления. Однако в условиях, когда модели плохо определены, нейросетевой контроллер, контроллер на основе нечёткой логики и ПИД-регулятор могут использоваться без каких-либо математических моделей. В то же время обобщённый прогнозирующий контроллер и многие традиционные адаптивные контроллеры не могут разрабатываться без априорных математических моделей.

Одним из недостатков нейронного управления является необходимость предварительного обучения. Для успешного применения нейросетей важен также обоснованный выбор структуры модели и параметров обучения. Однако после обучения нейросетевой контроллер становится самонастраивающимся и не требует какой-либо настройки. В то же время для ОПК, даже если он является самонастраивающимся, выбор задаваемых пользователем параметров представляет определённую проблему, особенно для сложных объектов управления.

Для контроллера на основе нечёткой логики имеется ряд факторов и величин, которые требуется предварительно выбрать, чтобы обеспечить успешную работу контроллера. Вообще говоря, такой выбор является достаточно трудоёмким мероприятием. Вместе с тем, некоторые из этих величин (например, ширину функции принадлежности, коэффициент масштабирования и т.п.) можно определить эвристически методом проб и ошибок. Однако для обеспечения приемлемых характеристик НЛК важна точная настройка данных параметров.

Есть ещё ряд преимуществ и недостатков. Их все мы запишем в виде таблицы.

Таблица. Сравнительные характеристики четырёх схем управления

(по результатам экспериментов)

Критерий

НСК

НЛК

ОПК

ПИД

Математическая модель объекта управления

Необязательна.

Необязательна.

Обязательна.

Необязательна.

Настройка параметров контроллеров

Самонастройка. Никакой настройки параметров не требуется, однако требуется предварительно выбрать и обучить нейросеть.

Самонастройка. Однако коэффициенты масштабирования GE, GC, GU требуется выбирать предварительно.

Самонастройка. Однако горизонты управления, N1, N2 и NU, а также весовые коэффициенты требуется выбирать предварительно.

Требуется настройка параметров контроллера kc, Ti, Td.

Вычислительная сложность

Высокая.

Минимальная.

Максимальная.

Невысокая.

Характеристики слежения

Лучшие

Плохие

Средние

Наихудшие

В условиях возмущений

Лучшие

Плохие

Средние

Наихудшие

Изменение параметров объекта

Средние

Лучшие

Средние

Наихудшие

Переменные временные задержки

Плохие

Средние

Лучшие

Наихудшие

Сглаживание управляющего сигнала

Средние

Средние

Наихудшие

Плохие

Исследование водяной ванны показало, что искусственные нейронные сети могут быть легко реализованы в системах управления реального времени. Подход на основе нейронного управления обеспечивает устойчивость. Его характеристики сравнимы с результатами, которые демонстрируют наиболее развитые традиционные методы управления. Хотя нейроконтроллеры и так обладают хорошими характеристиками и имеют определённые преимущества перед контроллерами трёх других типов, следует надеяться на разработку ещё более эффективных и надёжных схем управления. Этому должно способствовать выявление лучших сторон и характеристик систем различных классов.

Мы рассмотрели водяную ванну. Далее мы рассмотрим перевёрнутый маятник.

PAGE  4

Томский политехнический университет,

Дмитрий Афонин, май 2006 г.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68174. ГАРАНТІЇ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРАВА ЛЮДИНИ НА ПОВАГУ ДО ЧЕСТІ І ГІДНОСТІ У КРИМІНАЛЬНОМУ СУДОЧИНСТВІ УКРАЇНИ 197.5 KB
  Разом із цим проголосивши ратифіковані міжнародні договори складовою частиною своєї правової системи Україна визнала й загальні принципи міжнародного права які також містять вимогу поваги до честі і гідності особи у тому числі й у сфері кримінального процесу.
68175. ПЛАНУВАННЯ СТРУКТУРИ КАПІТАЛУ ПРОМИСЛОВО-ФІНАНСОВИХ ГРУП 495 KB
  В Україні інтегровані об’єднання що діють за принципом промислово-фінансових груп ПФГ формують вагому базу національної економіки і є одними з лідерів в обраних галузях. Оптимізація структури капіталу ПФГ є одним із важливих чинників їхнього функціонування в умовах що склалися на ринках капіталу та інвестицій.
68176. ДИРЕКТИВИ В УСНОМУ МОВЛЕННІ ДІТЕЙ МОЛОДШОГО ШКІЛЬНОГО ВІКУ 239.5 KB
  Рульова своїми дослідженнями проведеними на матеріалі англійської французької російської а також частково української мови підготували ґрунт для комплексного вивчення мовлення дітей. Об’єктом переважної більшості онтолінгвістичних розвідок є мовлення дітей...
68177. ПСИХОДРАМА ЯК СЮЖЕТОТВОРЧИЙ КОМПОЗИЦІЙНИЙ ПРИНЦИП В РОМАНАХ МАРО ДУКА 186.5 KB
  Творчість Маро Дука яскраво репрезентує жіночу постмодерністську літературу сучасної Греції. Маро Дука нар. Після 1981 року Маро Дука присвятила себе письменницькій діяльності її твори відомі у Греції та в інших країнах свідченням чого є численні критичні статті присвячені її творчості...
68178. ДЕРЖАВНЕ РЕГУЛЮВАННЯ РОЗВИТКУ МАЛОГО ТА СЕРЕДНЬОГО ПІДПРИЄМНИЦТВА В УМОВАХ ІНФОРМАЦІЙНОГО СУСПІЛЬСТВА 185 KB
  В умовах інформаційного суспільства радикальних змін у відносинах власності проблема становлення й розвитку малого та середнього підприємництва в Україні набуває важливого значення. Актуальність теми дослідження зумовлена недостатньою теоретичною розробкою підходів до обґрунтування...
68179. Теоретико-методичні засади реалізації фізичної компоненти Державного стандарту базової середньої освіти 27.99 MB
  Загальна середня освіта протягом останніх років зазнала суттєвих змін як у напрямі законодавчого і нормативного регулювання, так і у створенні й впровадженні в освітню практику нових методичних систем і педагогічних технологій.
68180. ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ ФІЗІОПУНКТУРИ ДЛЯ ОЦІНКИ ТА КОРЕКЦІЇ ФУНКЦІОНАЛЬНОГО СТАНУ СПОРТСМЕНІВ 322 KB
  Підвищити ефективність профілактики ризику виникнення донозологічних та патологічних станів у осіб, що знаходяться під впливом тривалих психофізичних навантажень, шляхом дослідження можливостей застосування неінвазивних методів фізіопунктури...
68181. ФОРМУВАННЯ ДОСЛІДНИЦЬКОЇ КОМПЕТЕНТНОСТІ МАЙБУТНЬОГО ВЧИТЕЛЯ ХІМІЇ В СИСТЕМІ ВИЩОЇ ОСВІТИ 322.5 KB
  Формування у випускників вищих навчальних закладів освіти вмінь та навичок дослідницької діяльності розглядаємо як одне з основних завдань підготовки майбутнього вчителя. Результати проведеного нами пілотажного дослідження показали недостатню сформованість дослідницької компетентності...